TWI345059B - Z-axis angular rate sensor - Google Patents
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Description
^^5059 k 100年1月7日修拖百 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明有關微裝置及微結構之範疇,尤指,本發明有 關於角速度感測器。 【先前技術】 使用微機電系統(Micro- Mechanical Systems ’ MEMS) 技術所研發製造出的低成本、可靠及高品質陀螺儀轉速感 _ 測器具有相當多優點。軍方的傳統陀螺儀製造技術無法達 到高容量、低成本製程。MEMS技術使用半導體製程以建構 微機電系統,其因而可提供低成本慣性感測系統的製造模 型。許多研究者使用多重設計及製程方法致力於研發振盪 速率式陀螺儀(〇sci 1 latory rate gyroscope)設計。所 有此類設計大都基於揭示在美國專利第2,309,853號 (Lyman 案)及 R.N. Arnold 和 L.M. Maunder在學院新訊 第13章第7節第369頁「迴轉儀動力學」所論及的内容。鲁 速度感測器指示基本上平行於感測器封裝轴的既定 笛卡兒座標軸(Cartesian axis)之轉動速率。此一專有 名詞「Z軸」為沿著如印刷電路板封震組設平面垂直軸加 以感測,其又稱為「橫擺角」(yaw)速度感測器。此一「Z 軸」通常亦垂直於製造MEMS感測器的石夕晶圓平面。
Harcourt學院於1995年所出版由j.b. Marion及S.T. Thornton所著作的「高級粒子及系統動力學」第4版第12 1345059 -—^ 100年]日7 章第2節第_騎敍的理料顧下, 典型搞合振動器具有「對稱」及「反對 的 些應用上並非必要。 ,、振模態在某 於簡易型式中,振盪速率式陀螺儀於其 性軸最初驅動一彈筹_質量力@ & 、/、頻率沿線 得: 洋黃f置力學系統。其驅動力可由下式取 ^x(0 = Fdrive sin(dyx/) 質量位置及速度如下式: (2) (3) (4) 、從(’)-cos(<j^/)及 = = sin(6^),其中
Sx=9&ve_ k. 、 〜= v^. (5) 式中么為沿x軸的共振位移幅角,必 率,%沿X軸的㈣器共振品f时為^軸的共振頻 性彈簧常數,以㈣質量。心:鸲沿X軸的線 軏 # 田振盪器沿軸以一速率Q韓 由下=調系統的偏向柯氏力(coriolisf—可 -2wQ x v )
Coriolis (6) 於及以第3式取得則成:
Pc〇n〇iis = ^(〇 = ~^ίΙζδχωχ ύη{ωχί) 該柯氏力然後於振盪質量或其中# ?) 甲所含的懸浮質量之X軸向 1345059 旦 正替換頁 動量疊合一 y軸向動量,y軸向反作用力運動於共振時非 屬必要,其位置方程式如下: y{t) = Α(ωχ )8ΐη[^/ + φ(ωχ)] Α(ωχ) = 2ΩΑα
,其中 (8)(9) Φ{^χ) = &ίΆη
,及 (10)
式中y為沿著&y軸的共振頻率,Α為沿著y軸的共振頻 率因素,以及γ為沿著y軸的線性彈簧常數。柯氏力沿著 y軸向的反作用力在與X軸向動量相同時間變數下可由 上式(9)及(ίο)取得。於柯氏力反作用力感應速率(Ω,) 時間變數等於X軸向動量時,柯氏力y軸向運動可由如線 性加速度、AM無線電類比調解技術或一鎖相放大器經假設 性動量加以區隔。於此一型式下,電子控制通常設於一特 殊應用積體電路(ASIC)供感知及處理動力訊號以產生一 相對於角速度的濾波電子輸出。 於現有速度感知裝置中,要提供如上述調解技術假設 性加速度的抗擾性相當困難,上述速度感知裝置必需以修 整方式運用一沿同一線性X軸向振動的第二質量,其疋弧 1345059 • » 100年1月7曰修正替換頁 與第一質量超出相位。第一質量然後可如y軸向柯氏力一 樣反應,但其7Γ弧必需與第一質量超出相位。y軸向兩個 質量能以一結構型態被感測到,因此,兩個質量於如加速 度狀態時’同方向的同時偏向以共同數碼去除,但其相對 柯氏偏向力則增加差值。該兩超出相位具有驅動X軸向;f 弧視為「反相」或「反對稱」操作,其速度感測器通常分 類為「音叉式」(tuning fork)。 反相運動必需在足夠精確相位下進行,其可經由各種 技法達成,但通常會增加系統複雜度或製造程序。上述技鲁 法包括使用材料燒蝕(abiati〇n)的機構平衡方式,使用 感測電極及電子回授的靜電調諧方式,使用分離及可調式 驅動訊號相位,以及使用上述綜合的方式。 在現有MEMS迷度感剛器技藝中,對於複合系統控制、 #間感測訊號、熱變量及從未出現(ever_present)的錯 誤訊號仍存在相當多技術上的挑戰。因之,在此技術領域 中製k出,、有冋谷量、低製作成本及能減少每一個別感測 器的調整與測試程序的產品有其必要性。 籲 【發明内容】 本發明有關-種平面振還速率感測器,其含有獨特聯 結構;f以形成“音又式,,(tunings)反相_動而僅 有極微小誤差。所示反相運動旨在對於頻率及相位、製造 办差及個別感測器之機構調諧的系統控制。當兩聯結質 量沿面内(in~plane ) χ車由振動,基底依面外 1345059 . « _ 100年1月7日修正替換頁 (out-of-plane) z軸轉動,質量因柯氏力及沿y軸平面 振盪而反應。Y軸向反應相似於反相運動,差值感測及調 解取得一 y軸向運動之轉動速率訊號,其中之加速度訊號 則以共同模式去除。 本發明速率感測器包括多數相對稱定錨點所懸吊之 總質量。兩中間慣性質量間的定錨點以撓性件接至剛性 樑。剛性樑基本上以撓性件及其間之剛性樑經相對稱型式 交互連接。此一 “内部”以相對稱撓性件接至外部中間慣 性質量。中間慣性質量最好進一步以外周撓性件支撐。當 · 其中一中間慣性質量沿對稱軸受力,其間的多數聯結及撓 性件將撓曲以迫使第二個中間慣性質量沿對稱軸反線性方 向運動。多數聯結裝置及撓性件緊迫中間慣性質量,依反 相作為基本振盪模式,其他模式則在模式分離下為較高指 令,而可對反相振盪產生最小阻力並對其他動作形成剛性 阻力。 於一實施例中,於中間慣性質量間設有兩組相對稱定 錨點,其他額外的定錨點則可選擇設置以增加誤差加速度 籲 阻力,但其會提高質量驅動成本。 每一中間慣性質量最好包括以撓性件懸吊的内部質 量框架。該框架最好具有内部聯結的剛性連接件供將其接 至反相中間慣性質量,以防止框架對柯氏力產生反作用。 框架内部質量及懸吊可分別調諧出一對應於所需柯氏力的 共振頻率。 中間慣性質量的致動最好使用MEMS裝置的電容式梳 1345059 • b 1年1月7日百 狀驅動微致動器’感測驅動及柯氏速率運動最好使用相同 的技術。一電子式特殊應用積體電路則提供所需的驅動、 感測及§fL號處理功能以形成一對於速率的建議輸出電壓, 使用壓電或磁力元件亦屬本發明精神範嘴。 【實施方式】 本發明速度感測器經由兩振盤質量的反相運動為基 礎的感測器機構性聯結而可滿足關鍵的陀螺儀動力,其與 含有非必要對稱模態並具有「對稱」及「反對稱」共振^ 參 式為基礎之輕接兩振盪器的習知動力技術完全不同。 本發明透過獨特的聯結構造達成反相操作可形成極 微的相位誤差。對於小質量或彈簧非靈敏失衡可透過反相 運動的聯結指令機械動力作為基本模式。結構性對稱則以 強勁方式產生線性運動,振盪模式則可為其他模式。機構 "又5十上最好為任一種memS製造技術,包括(但並非加以限 制)’未層活性離子餘刻(Deep ReactiVe I〇n Etching, DRIE)、表面微機械加工、體型微機械加工。此裝置最好製 φ 設於任何種類媒介物上,包括(但並非加以限制)單晶矽 晶片、絕緣(SOI )矽晶片、多晶矽晶片、磊晶片、或其他 大型傳統機械設備。 參第1圖,速度感測器(15〇 )具有一沿著此裝置X 轴(1 )的對稱軸其亦為反相運動驅動轴。釋放結構具有組 接基底的定錨點,其第一組(4)及(5)通常設於結構體 内部’第二組(6)及(7)則通常設於結構體外部。交互 1345059 100年1月7日修正替換頁 連接於基底定錯點間的撓曲及剛性樑成為結構體反相運動 的基礎部份。 —撓性樑(8)及(9)容許剛性樑(1〇)及(11)框接 於定知點(4)及(5)。撓性樑(12)及(⑷將剛性樑(1〇) 連接至剛性樑(16)及(18),而可傳送樑(1())的框轉動 作至,(16)及(18)並使樑(16)及(18)朝向X轴向。 經由乂互連接的撓性樑⑻、(12)、(⑷及y抗力轴⑴ 之壓縮’剛性樑(10)、(16)及(18)的運動迫使此一菱 形結構_ (collapse)向定銷點⑷,但仍彎向χ軸。φ 相對的,撓性樑(13)及(15)將剛性樑(u )連接至剛 性樑(Π)及(19),由剛性樑(10)、(16)及(18)所形 成菱形的結構亦因同樣迫壓運動坍塌向定錨點(5)。剛性 樑(10)及(11)最好為轉動式剛性樑,而剛性樑(16)、 (17)( 18 )及(19 )則最好為非轉動式剛性樑。雖然四 根撓性樑(8)及(9)在感應器平面構成長方形,但撓性 樑稍微非成直線並不脫離本發明技術範疇,其對於感測器 功能只有極小影響。 ° · 當兩個菱形結構(10)、(16)、(18)及(11)、(17)、 (19)沿z軸(3 )反向坍塌,受力點(2〇)及(21)沿χ 軸(1)以相同方向傳遞,但其沿y軸(2)為反向對稱。 撓性部(24)及(25)將剛性樑(16)及(π)連接至框 部(29)以抵抗壓縮並驅使框部(29)隨著連接至定錨點 (6)的撓曲部(30)及(31)沿又軸(1)傳遞受力:撓 性部(24)及(25)進一步因受力點( 24) (25)的動作沿 1345059 I · 100年1月7日修正替換頁 y軸(2 )順勢以反向對稱方向彎曲,由於反向對稱彎曲而 不會將一網狀y軸(2 )運動作用於框部(29)。框部(29) 因而沿X轴(1)形成獨特的線性運動。 同樣的’當兩個菱形結構(1〇)、(16)、(丨8)及(1丨)、 (17)、( 19)沿z軸(3)反向坍塌,受力點(22)及(23) 沿z軸(3)以相同方向傳遞,但其沿y軸(2 )為反向對 稱。撓性部(26)及(27)將剛性樑(丨8)及(19)連接 至框部(28)以抵抗壓縮並驅使框部(28)隨著連接至定 錯點(6)的撓性件(30)及(31)沿X軸(1)傳遞受力。_ 撓性部(26 )及(27)進一步因受力點(22) (23)的動作 ✓σ y軸(2)順勢以反對稱方向,彎曲,由於反向對稱彎曲而 不會將一網狀y軸(2)運動作用於框部(28)。框部(28) 因而沿X軸(1)形成獨特的線性運動。 當兩個菱形結構(1〇)、(16)、(18)及(11)、(17)、 (19)沿z抽(3)反向坍塌,形成框部(28)及(29)沿 X軸(1)的線性運動,使框部(28)及(29)沿乂軸(1) 精確反向動作,藉此構成沿X軸(1)的反相動作基礎。框 · 部(28)及(29)反相動作能以靜電驅控的電容式梳狀驅 動微致動器(capacitive comb drive banks) (32)及(33) 予以驅動,驅動微致動器(32)將框部(28)及(29)拉 向彼此,另一驅動微致動器(33)則使框部(28)及(29) 彼此分離。第一組感测電極(110)及(111)感知框部(28) 及(29)驅控動作以電子監控驅控動作的振幅。電壓以機 構式共振頻率交互作用於驅動微致動器(32)及(33),並 •12· 1345059 + 一 _ 〖100年1月7日修正替換頁 應用一最好為超出相位的π弧方形波。 一~~ 一~ 於框部(28)及(29)内,中間慣性質量(pr〇〇fQiass) 及(35)以如第1圖所示折疊式彈簧的撓曲件(⑹ ^(37)加以懸吊。該等撓曲件阻抗X軸⑴的壓縮但順 勢沿7軸(2)幫曲。中間慣性質量(34)及(35)因而形· 成隨框部(28)及(29)沿著χ軸⑴的反相動作。於整. 個裝置沿0(3)轉動時,如上述方程式 示’中間慣性質量(34)及⑻於正弦期之間含= 同π弧相位’因該等質量為沿^軸⑴反相動作,使柯籲 氏力沿y# (2)作用於中間慣性質量(34)及(35),但 為相反方向。框部(28)及(29)承受同樣沿著y軸的柯 氏力,但撓性部(24)、(25)、(26)及(27)的彈性係數 可轉成較撓性件(36)及(37)剛性,形成相較於中間慣· 性質量(34)及(35)的框部(28)及(29)小量y轴運 動。 由柯氏力所產生沿y軸的中間慣性質量(34)及(35) 反相運動此以第一組電容式梳狀感測微致動器()及() φ (sense capac丨t丨ve c〇mb banks)以靜電方式感測。感測 微致動器⑽及(39)是將同相位沿著y轴⑴運動的 中間II ϋ貝量(34)及(35)感測為共同數碼的方式進行 電性連接’但不同相位沿著y軸(2)運動的中間慣性質量 (34)及(35)則在感測微致動器(38)及(39)之間以 微刀感測,並透過一特殊應用積體電路(AS I [)將其轉變 成一速率訊號。由於中間慣性質量是依據與框部運動相關 -13- ^45059 心年1月替換頁 據感測’對應於柯氏力的框部(28)及(29)小量y軸 運動降低感測中間慣性質量(34)及(35)之運動。此種 對應於柯氏力的框部(28)及(29) y軸運動相較於由柯 氏力所誘生的中間慣性質量(34)及(35)運動通常加以 略除。 圖2A至2C顯示上述感測器聯結及中間慣性質量於一 連續振盪周期的反相運動之三個一系列相位驅動圖。第Μ 圖由(1〇)、(16)及(18)所形成的菱形結構以逆時針方 向坍塌’(11)、( 17)及(19)所形成的菱形結構則以順時 針方向辨塌’使中間慣性質量(34)及(35)沿遠離中心 的x轴⑴方向傳遞。帛2B ®顯示此一裝置的未撓曲狀 態。第2C圖由(10)、(16)及(18)所形成的菱形結構以 順時針方向_塌,(11)、(17)及(19)所形成的菱形結構 則以逆時針方向坍塌,使中間慣性質量(34)及(35)沿 朝向中心的X軸(1)方向傳遞。 。 ⑯。圖3Α及3Β顯示本發明另一可行實施例。第3Α圖未 =號的元件與已標示於第i圖的元件相同。第3八圖僅顯示 又於感測器(4〇 )内部區域位於χ軸(1 )對稱設在上方(η ) ,了方(42)的單一基底定錨點。撓性部(53)及(54) =許剛性樑(45)及(49)沿定銷點(41)及(42)個別 、°轉。剛性樑(45 )以—撓性件(44 )接至剛性樑(43 ), 並以一撓性件(46)接至剛性樑(47)。剛性樑(49)以一 撓性件(48)接至剛性樑(5〇),並以一撓性件(51)接至 剛性襟(52)。於此一實施例中,其剛性及穩定性較在χ 1345059 < · I loo年1月7日修頁 轴上下對稱位置使用兩個以上的定錫點差,但此一設計能 以較小質量驅動,且每一晶圓片所佔據的體積較小。 第3A圖的反相運動方式相同於第1及2圖,驅動微 致動器(32)及(33)交替推動框部(28)、(29)及中間 慣性質量(34)、(35)’内部聯結(41) - (45)則強制形 成沿X軸(1)的反相對稱振盪。 於3B圖中’顯示設於感測器(6〇)内部區域 抽⑴對稱設在上方⑻及下方⑽的三個基底定#: 點。撓性部(75)及(76)容許剛性樑(68)及(71)沿籲 定錨點(61)及(62)個別枢轉。剛性樑(68)以一撓性 件(66)接至剛性樑(65),並以一撓性件(69)接至剛性 樑(67)»剛性樑(7υ以一撓性件(7〇)接至剛性樑(74), 並以一撓性件(73)接至剛性樑(72)。於此一實施例中, 其剛性及穩定性較在x軸上下對稱位置使用兩個以下的定 錨點為佳’但此一設計需以較大質量驅動,且每-晶圓片 所佔據的體積較大》此種對稱設於X軸〇)上方及下方的 内部額外定錫點可增加至任何數量,但所取得額外穩定度# 優點很快被直線增加的更多f量及更大體積晶圓片所取 代。 第3B圖的反相運動方式相同於第1及2圖,驅動微 致動益(32)及(33)交替推動框部(28)、(29)及中間 慣性質量(34)、(35),内部聯結(61)、(62)及(65) -(67)則強制形成沿x軸⑴的反相對稱振盪。 本發明速率感測器能以既有技藝中的各種製法製 I 100年1月7日修正替換頁 其中-種方法為運用受讓與本案受讓人的美國專利第 6, 239, 473 號(Adams 案)及第 6, 342, 43〇 號(施呢案) 所揭不的石夕材微機構製造程序,該等專利案伴同作為本案 的參考資料。於製程所導致的速率感測器内部高框架、薄 石夕樑及-體式電氣絕緣部作為機構性連接, 測器之電性絕緣部。 本發明製造程序詳述於美國專利第6,239,473號及第 4A至H圖°於第一步驟中’如第4A圖所示,製造程序由 最好為石夕晶片(93)的基底開始,該基底含有在其上以鲁 傳統技術製設圖樣(pattern,91)之介電詹(92)。第二 步驟第4B圖)’於晶片(93)以餘刻製出淺溝隔離槽(94): 於f三步驟(第4C圖),隔離槽具有介電層(96)填料(95)。 於第四步驟(第仙圖),介電層(⑹及隔離槽填料(95) 整平出-平滑介電表面(97)成為一體式絕緣介電部。於 第五步驟(第4E圖),介電表面(97)圖樣化出槽道(98) 並钱刻石夕晶片(93)表面形成電性連接。於第六步驟(第 4F圖),將一金屬層(99)沉積於於介電表面(97)上並 _ 經槽道(98)於矽晶片表面(1〇〇)形成接觸。第七步驟(第 4G圖)’最好為鋁製的金屬層(99)圖樣槽道()以形 成不同電極路徑結構。於第八步驟(第4H圖),最好以矽 製成的樑部(102)經由圖樣、蝕刻、鈍化及釋放以提供微 機構兀件之獨立懸臂部。所有微機電系統結構最好以相同 建構杈式(building-block)樑製成,其以如剛性及/或撓 陡的不同結構製成後以街架(trussed)方式組成一體。 1345059 100年1月7日修正替換頁 上述製程具有相當多而明顯的優點,並形成高功能層 級的速減難。最大優點在於單㈣樑可將速率感測器 以桁架樑結構設為大於傳統微機製標準的釐米量級 i 直徑。各種桁架樑聯結構造可用為 生產剛性大量級樑或薄撓件。其能使速率感測器取得較大 慣性質量,而具有高敏感度及高解析度I有—金屬層設 ,樑、’·《構頂.卩’ ^提供連接如概轉触動器及梳狀 感測微致㈣之多種必要構件。絕緣部伴同設人㈣可降 低速率感測器不同功能運作時的渦流電容量及解偶電力。 2要裝設電容式梳狀驅動微致動器及電容式梳狀感測微 器,區域’金屬層接觸樑石夕核心作為電容板。可達到 秤力鲍主要疋因為絕緣部中斷矽樑至基底矽的導接路 者’為在速率感知器不同致動部間彼此交互連接的 層^要?數電性通路,使科電金屬了貞層及連接下方石夕 可能形成—多層式導接通道。上述製程因而能滿足 執二二每一種功能,並可在方便製作的標準石夕基底 顯_、第5圖顯示第1圖速率感知器(150)的立體圖,其 機;^限定的樑及可撓性件寬度及高度下,如何形成矽微 術及之作動。相關寬度及高度比的設定取決於製造技 如上^諧模式。舉例而言,若本發明所製裝置的頻率間距 ϋ方程式(5)及(11)般使ωγ_ωχ:= 2冗* 500Ηζ (非 (4)/、/操作)以及一沿χ軸的驅動振幅定義上述方程式 為占x==l〇//m,用於輸入轉動速率之Q2:=i〇〇〇/s 的中間慣性質量y軸向柯氏力位移為5.4⑽。 第6圖顯不本發明用以辦‘禮6 μ 速率—nnt = 讀的實施例,其中, 丄= 剛性樑(22〇)及(叫撓性件 ' 224 )及(225 )聯結的剛性襟(216 217> i(217f (219),及以角件⑽)減少振料樑⑽) =Π)及框架(228)、( 229)非所需的動力挽曲。 的是’上述本發明實施例僅用為說明本發明的應用 =原則。所述細節在於列舉本發明之該等必要特點,並非 用以限制本發明範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖顯示本發明角速度感測器實施例圖。 第=圖顯示本發明角速度感測器第一相位運動,其中的中 間慣性質量沿X軸轉移離開中心點。 第2B圖顯示本發明角速度感測器第二相位運動,其中感淨 器為未撓曲狀態。 第2C圖顯示本發明角速度感測器第三相位運動,其中的中 間慣性質量沿X軸轉移向中心點。 第3A圖顯示本發明另一可行實施例,其中僅有一對基底支 撐設於感測器内部區域。 第3B圖顯示本發明另一可行實施例,其中三對基底支撐設 於感測器内部區域。 第4A顯示本發明較佳製造程序的第一步驟。 第4B顯示本發明較佳製造程序的第二步驟。 1345059 Μ * _ 100年1月7日修正替換頁 第4C顯示本發明較佳製造程序的第三步驟。 第4D顯示本發明較佳製造程序的第四步驟。 第4Ε顯示本發明較佳製造程序的第五步驟。 第4F顯示本發明較佳製造程序的第六步驟。 第4G顯示本發明較佳製造程序的第七步驟。 第4Η顯示本發明較佳製造程序的第八步驟。 第5圖顯示本發明實施例的等角立體圖。 第6圖顯示含有額外支撐樑框及接板的本發明較佳實施例 圖。 籲 【主要元件符號說明】 1 -----------------------X軸 2 ----------------------y軸 3 ----------------------z軸 4、5--------------------第一組定錨點 6 ' 7--------------------第二組定錨點 8、9、12、13、14、15----撓性樑 10、11、16、17、18、19—剛性樑 20、21、22、23----------受力點 24、25、26、27----------撓性部 28、29------------------框部 30、31、36、37、51------挽性件 32、33----------驅動微致動器 38、39----------感測微致動器 1345059 100年1月7日修正替換頁 34、35------------------中間慣性質量· 41、42------------------定錨點 43、 45、47、49、50、52--剛性樑 44、 46、48--------------撓性樑 91 ----------------------圖樣 92 ----------------------介電層 93 晶片 94 ----------------------淺溝隔離槽 95 ----------------------填料 籲 96 ----------------------介電層 97 ----------------------介電表面 98 ----------------------槽道 99 ----------------------金屬層 100 ---------------------矽晶片表面 101 ---------------------圖樣槽道 102 ---------------------樑部 -20-
Claims (1)
1345059 • a 100年1月7日修正替換頁 十、申請專利範圍: 1、 一種感測器,其具有正交的X、y及z軸,用以偵測z 軸轉動速率,包含: 一基底;以及 一總質量,對稱於X軸,並以多數内部及外部定錨點由 基底懸吊,其包含: 至少兩中間慣性質量,相對稱於X軸及y軸; 一驅動框架包圍每一中間慣性質量並以撓性件連接中 間慣性質量及外部定錨點; 鲁 用於每一驅動框架沿X軸振盪之一組驅動微致動器及 第一感測微致動器; 一接至每一中間慣性質量以偵測y軸向柯氏力運動之 第二感測微致動器; 至少兩轉動剛性樑,每一剛性樑於中間組裝於内部定錨 點,並可依定錨點由x-y平面正交轉動至z軸;以及 多數内框架支撐,相對稱於y軸,將轉動剛性樑連接至 框架,並包含多數非轉動剛性樑及多數撓性件,供僅在 ® 中間慣性質量沿y軸所導致柯氏力感應反相運動時容 許框架沿X軸反相運動。 2、 如申請專利範圍第1項所述感測器,其中,每一驅動微 致動器及每一感測微致動器為電容式梳狀微致動器。 3、 如申請專利範圍第2項所述感測器,其中,電容式梳狀 微致動器用為決定中間慣性質量相關位置,相關位置用 以決定轉動感測速率。 •21 - 9修正替換頁 、如由 LlllZlJL7 日1' 月專彳J範圍第1項所述感測器,其甲,轉動 非轉動剛性樑及撓性件至少連接形成__ 形。 哭 請專利範圍第!項所述感測器,其t,轉動剛性襟 ==於平面形成長方形並含有内部定錨點之轉 、2請專利範圍第!項所述感測器,其中,轉動剛性襟 匕s於y轴位在同一線上之兩轉動剛性樑。
、=申請專利範圍第i項所述感測器,其中,轉動剛性襟 包含,剛性樑兩組,每一組含有於乂軸位在同一線 上之定叙£t。 其中,至少一非轉 其中,感測器選擇
8、 如申請專利範圍第!項所述感測器, 動剛性樑包括一阻抗彎曲之角件。 9、 如申請專利範圍第1項所述感測器, 以含有下列群組之製造技術製成: a) 深層活性離子蝕刻; b) 表面微機械加工;以及 c) 體型微機械加工。 10、如巾請專職圍第丨項所述感湘,其巾,感測 擇以含有下列群組之材料製成: ' a)早晶珍晶片; b) 絕緣碎晶片; c) 多晶矽晶片;以及 d) 蟲晶片。 •22-
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---|---|
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
TWI676029B (zh) * | 2015-05-20 | 2019-11-01 | 美商路梅戴尼科技公司 | 用於決定慣性參數之方法及系統 |
Families Citing this family (64)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2005103620A1 (en) * | 2004-04-14 | 2005-11-03 | Analog Devices, Inc. | Inertial sensor with a linear array of sensor elements |
JP2006030017A (ja) * | 2004-07-16 | 2006-02-02 | Sii Nanotechnology Inc | プローブ及び微小サンプルピックアップ機構 |
US7287415B2 (en) * | 2004-09-30 | 2007-10-30 | Teledyne Licensing, Llc | Microelectromechanical system (MEMS) viscosity sensor for fluid health monitoring |
US7478557B2 (en) * | 2004-10-01 | 2009-01-20 | Analog Devices, Inc. | Common centroid micromachine driver |
JP4715153B2 (ja) * | 2004-10-07 | 2011-07-06 | パナソニック株式会社 | 角速度センサ |
FI116543B (fi) | 2004-12-31 | 2005-12-15 | Vti Technologies Oy | Värähtelevä mikromekaaninen kulmanopeusanturi |
US7421897B2 (en) * | 2005-04-14 | 2008-09-09 | Analog Devices, Inc. | Cross-quad and vertically coupled inertial sensors |
FR2888318B1 (fr) * | 2005-07-05 | 2007-09-14 | Thales Sa | Capteur gyrometrique micro-usine realisant une mesure differentielle du mouvement des masses vibrantes |
US7545945B2 (en) * | 2005-08-05 | 2009-06-09 | The Research Foundation Of The State University Of New York | Comb sense microphone |
TWI284203B (en) * | 2005-12-23 | 2007-07-21 | Delta Electronics Inc | Accelerometer |
FR2895501B1 (fr) * | 2005-12-23 | 2008-02-29 | Commissariat Energie Atomique | Microsysteme, plus particulierement microgyrometre, avec au moins deux massesm oscillantes couplees mecaniquement |
US7992283B2 (en) * | 2006-01-31 | 2011-08-09 | The Research Foundation Of State University Of New York | Surface micromachined differential microphone |
CN101443629B (zh) * | 2006-03-10 | 2015-12-02 | 大陆-特韦斯贸易合伙股份公司及两合公司 | 具有联接梁的转速传感器 |
EP2063223B1 (en) * | 2006-09-15 | 2014-06-18 | Hitachi, Ltd. | Angular velocity sensor |
US8508039B1 (en) | 2008-05-08 | 2013-08-13 | Invensense, Inc. | Wafer scale chip scale packaging of vertically integrated MEMS sensors with electronics |
US7934423B2 (en) | 2007-12-10 | 2011-05-03 | Invensense, Inc. | Vertically integrated 3-axis MEMS angular accelerometer with integrated electronics |
US20090262074A1 (en) * | 2007-01-05 | 2009-10-22 | Invensense Inc. | Controlling and accessing content using motion processing on mobile devices |
US8462109B2 (en) | 2007-01-05 | 2013-06-11 | Invensense, Inc. | Controlling and accessing content using motion processing on mobile devices |
US8020441B2 (en) * | 2008-02-05 | 2011-09-20 | Invensense, Inc. | Dual mode sensing for vibratory gyroscope |
US8047075B2 (en) | 2007-06-21 | 2011-11-01 | Invensense, Inc. | Vertically integrated 3-axis MEMS accelerometer with electronics |
US8141424B2 (en) | 2008-09-12 | 2012-03-27 | Invensense, Inc. | Low inertia frame for detecting coriolis acceleration |
US8250921B2 (en) | 2007-07-06 | 2012-08-28 | Invensense, Inc. | Integrated motion processing unit (MPU) with MEMS inertial sensing and embedded digital electronics |
US8952832B2 (en) | 2008-01-18 | 2015-02-10 | Invensense, Inc. | Interfacing application programs and motion sensors of a device |
US7796872B2 (en) | 2007-01-05 | 2010-09-14 | Invensense, Inc. | Method and apparatus for producing a sharp image from a handheld device containing a gyroscope |
DE102007030120B4 (de) * | 2007-06-29 | 2010-04-08 | Litef Gmbh | Drehratensensor |
DE102007057042A1 (de) * | 2007-09-10 | 2009-03-12 | Continental Teves Ag & Co. Ohg | Mikromechanischer Drehratensensor mit Kopplungsbalken und Aufhängungs-Federelementen zur Unterdrückung der Quadratur |
FI119895B (fi) * | 2007-10-05 | 2009-04-30 | Vti Technologies Oy | Värähtelevä mikromekaaninen kulmanopeusanturi |
US7677099B2 (en) | 2007-11-05 | 2010-03-16 | Invensense Inc. | Integrated microelectromechanical systems (MEMS) vibrating mass Z-axis rate sensor |
US7971483B2 (en) * | 2008-03-28 | 2011-07-05 | Honeywell International Inc. | Systems and methods for acceleration and rotational determination from an out-of-plane MEMS device |
US7984648B2 (en) * | 2008-04-10 | 2011-07-26 | Honeywell International Inc. | Systems and methods for acceleration and rotational determination from an in-plane and out-of-plane MEMS device |
DE102008040682A1 (de) * | 2008-07-24 | 2010-01-28 | Robert Bosch Gmbh | Sensoranordnung und Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung |
WO2010051560A1 (en) * | 2008-11-03 | 2010-05-06 | Georgia Tech Research Corporation | Vibratory gyroscope utilizing a frequency-based measurement and providing a frequency output |
FI20095201A0 (fi) * | 2009-03-02 | 2009-03-02 | Vti Technologies Oy | Värähtelevä mikromekaaninen kulmanopeusanturi |
FR2945621B1 (fr) * | 2009-05-15 | 2011-08-26 | Commissariat Energie Atomique | Structure de couplage pour gyrometre resonnant |
DE102009027897B4 (de) * | 2009-07-21 | 2023-07-20 | Robert Bosch Gmbh | Mikromechanischer Drehratensensor |
US8534127B2 (en) | 2009-09-11 | 2013-09-17 | Invensense, Inc. | Extension-mode angular velocity sensor |
US9097524B2 (en) | 2009-09-11 | 2015-08-04 | Invensense, Inc. | MEMS device with improved spring system |
JP5482541B2 (ja) * | 2009-10-01 | 2014-05-07 | セイコーエプソン株式会社 | 振動片、振動子、発振器、及び電子機器 |
US8459111B1 (en) | 2010-01-23 | 2013-06-11 | Minyao Mao | Angular rate sensor with suppressed linear acceleration response |
US8616057B1 (en) * | 2010-01-23 | 2013-12-31 | Minyao Mao | Angular rate sensor with suppressed linear acceleration response |
US8453504B1 (en) | 2010-01-23 | 2013-06-04 | Minyao Mao | Angular rate sensor with suppressed linear acceleration response |
EP2592382A4 (en) * | 2010-07-06 | 2016-04-06 | Hitachi Automotive Systems Ltd | INERTIA SENSOR |
FI124020B (fi) | 2011-03-04 | 2014-02-14 | Murata Electronics Oy | Jousirakenne, resonaattori, resonaattorimatriisi ja anturi |
WO2012161690A1 (en) * | 2011-05-23 | 2012-11-29 | Senodia Technologies (Shanghai) Co., Ltd. | Mems devices sensing both rotation and acceleration |
US9714842B2 (en) * | 2011-09-16 | 2017-07-25 | Invensense, Inc. | Gyroscope self test by applying rotation on coriolis sense mass |
US8833162B2 (en) * | 2011-09-16 | 2014-09-16 | Invensense, Inc. | Micromachined gyroscope including a guided mass system |
US9863769B2 (en) | 2011-09-16 | 2018-01-09 | Invensense, Inc. | MEMS sensor with decoupled drive system |
US10914584B2 (en) | 2011-09-16 | 2021-02-09 | Invensense, Inc. | Drive and sense balanced, semi-coupled 3-axis gyroscope |
US9170107B2 (en) * | 2011-09-16 | 2015-10-27 | Invensense, Inc. | Micromachined gyroscope including a guided mass system |
FR2983574B1 (fr) * | 2011-12-06 | 2014-01-10 | Sagem Defense Securite | Capteur angulaire inertiel de type mems equilibre et procede d'equilibrage d'un tel capteur |
US9181086B1 (en) | 2012-10-01 | 2015-11-10 | The Research Foundation For The State University Of New York | Hinged MEMS diaphragm and method of manufacture therof |
US9528830B2 (en) * | 2013-07-17 | 2016-12-27 | Ramot At Tel-Aviv University Ltd. | Angular rate sensor |
FI125696B (en) * | 2013-09-11 | 2016-01-15 | Murata Manufacturing Co | Gyroscope structure and gyroscope with improved quadrature compensation |
FI125695B (en) * | 2013-09-11 | 2016-01-15 | Murata Manufacturing Co | Improved gyroscope construction and gyroscope |
US9958271B2 (en) * | 2014-01-21 | 2018-05-01 | Invensense, Inc. | Configuration to reduce non-linear motion |
JP2015184009A (ja) * | 2014-03-20 | 2015-10-22 | セイコーエプソン株式会社 | 振動素子、電子機器、および移動体 |
CN104596605B (zh) | 2015-02-04 | 2019-04-26 | 江苏多维科技有限公司 | 一种磁自动化流量记录器 |
US20160370180A1 (en) * | 2015-06-17 | 2016-12-22 | Freescale Semiconductor, Inc. | Inertial sensor with couple spring for common mode rejection |
RU2630542C1 (ru) * | 2016-06-20 | 2017-09-11 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Интегральный микромеханический гироскоп |
KR101915954B1 (ko) * | 2016-06-29 | 2018-11-08 | 주식회사 신성씨앤티 | 멤스 기반의 3축 가속도 센서 |
DE102016211984A1 (de) * | 2016-06-30 | 2018-01-04 | Robert Bosch Gmbh | Inertialsensor zur Messung einer Drehrate und/oder Beschleunigung |
JP6689227B2 (ja) * | 2017-03-15 | 2020-04-28 | 株式会社日立製作所 | ジャイロスコープ |
US10466053B2 (en) * | 2017-04-04 | 2019-11-05 | Invensense, Inc. | Out-of-plane sensing gyroscope robust to external acceleration and rotation |
IT202100020504A1 (it) * | 2021-07-30 | 2023-01-30 | St Microelectronics Srl | Giroscopio mems avente una migliorata reiezione all'errore di quadratura |
Family Cites Families (20)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2309853A (en) * | 1941-04-10 | 1943-02-02 | Sperry Gyroscope Co Inc | Rate and attitude indicating instrument |
US5241861A (en) * | 1991-02-08 | 1993-09-07 | Sundstrand Corporation | Micromachined rate and acceleration sensor |
US5349855A (en) * | 1992-04-07 | 1994-09-27 | The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. | Comb drive micromechanical tuning fork gyro |
US5426070A (en) * | 1993-05-26 | 1995-06-20 | Cornell Research Foundation, Inc. | Microstructures and high temperature isolation process for fabrication thereof |
DE4414237A1 (de) * | 1994-04-23 | 1995-10-26 | Bosch Gmbh Robert | Mikromechanischer Schwinger eines Schwingungsgyrometers |
US5922233A (en) * | 1994-09-14 | 1999-07-13 | Sekisui Kasethin Kogyo Kabushiki Kaisha | Heater and manufacturing method thereof |
DE4442033C2 (de) * | 1994-11-25 | 1997-12-18 | Bosch Gmbh Robert | Drehratensensor |
DE19530007C2 (de) * | 1995-08-16 | 1998-11-26 | Bosch Gmbh Robert | Drehratensensor |
DE19617666B4 (de) * | 1996-05-03 | 2006-04-20 | Robert Bosch Gmbh | Mikromechanischer Drehratensensor |
US5992233A (en) * | 1996-05-31 | 1999-11-30 | The Regents Of The University Of California | Micromachined Z-axis vibratory rate gyroscope |
DE19632060B4 (de) * | 1996-08-09 | 2012-05-03 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zur Herstellung eines Drehratensensors |
JPH10170275A (ja) * | 1996-12-13 | 1998-06-26 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 振動型角速度センサ |
JP3327150B2 (ja) * | 1996-12-13 | 2002-09-24 | 株式会社豊田中央研究所 | 共振型角速度センサ |
US5911156A (en) * | 1997-02-24 | 1999-06-08 | The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. | Split electrode to minimize charge transients, motor amplitude mismatch errors, and sensitivity to vertical translation in tuning fork gyros and other devices |
WO1999036941A2 (en) * | 1998-01-15 | 1999-07-22 | Cornell Research Foundation, Inc. | Trench isolation for micromechanical devices |
JP2000046560A (ja) | 1998-07-31 | 2000-02-18 | Aisin Seiki Co Ltd | 角速度センサ |
JP2001133266A (ja) * | 1999-11-01 | 2001-05-18 | Mitsubishi Electric Corp | 角速度センサ |
JP2003028644A (ja) * | 2001-07-12 | 2003-01-29 | Denso Corp | 角速度センサ装置 |
US6701786B2 (en) * | 2002-04-29 | 2004-03-09 | L-3 Communications Corporation | Closed loop analog gyro rate sensor |
JP2004301575A (ja) * | 2003-03-28 | 2004-10-28 | Aisin Seiki Co Ltd | 角速度センサ |
-
2004
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-
2007
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
TWI676029B (zh) * | 2015-05-20 | 2019-11-01 | 美商路梅戴尼科技公司 | 用於決定慣性參數之方法及系統 |
Also Published As
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