TWI638141B - 改良的陀螺儀結構以及陀螺儀 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種微機電陀螺儀，其包含兩個震動質量體，所述兩個震動質量體經懸掛以形成一質量體平面。該等震動質量體經激發成圍繞位於該質量體平面中之一共同主軸線進行旋轉式振盪。經偵測角運動造成第一震動質量體圍繞一第一偵測軸線之一旋轉式振盪，及第二震動質量體圍繞一第二偵測軸線之一旋轉式振盪。該等偵測軸線垂直於該質量體平面且分開一非零距離。

Description

改良的陀螺儀結構以及陀螺儀

本發明係關於微機電裝置，且尤其係關於陀螺儀結構以及陀螺儀，如在獨立技術方案之序言中所定義的。

微機電系統或MEMS可被定義為小型化機械及機電系統，其中至少一些元件具有機械功能性。因為運用用以產生積體電路之相同工具來產生MEMS裝置，所以可在同一片矽上製造微機器及微電子器件以實現進階裝置。

可應用MEMS結構以快速地且準確地偵測物理性質之極小改變。舉例而言，可應用微機電陀螺儀以快速地且準確地偵測極小角位移。運動具有六個自由度：在三個正交方向上之平移，及圍繞三個正交軸線之旋轉。後三種旋轉可藉由角速率感測器(亦被稱為陀螺儀)量測。MEMS陀螺儀使用科氏效應(Coriolis Effect)來量測角速率。當質量體正在一個方向上移動且施加旋轉角速度時，質量體由於科氏力而經歷正交方向上之力。可接著自(例如)電容性、壓電性或壓阻性感測結構讀取由科氏力造成之所得實體位移。

在MEMS陀螺儀中，歸因於足夠軸承之缺乏，主要運動典型地不為與在習知陀螺儀中一樣的連續旋轉。取而代之，機械振盪可用作主要運動。當振盪陀螺儀經受正交於主要運動之方向的角運動時，波狀科氏力產生。此情形產生正交於主要運動且正交於角運動之軸線且處於主要 振盪之頻率的次要振盪。此耦合振盪之振幅可用作角速率之度量。

陀螺儀為極複雜的慣性MEMS感測器。陀螺儀設計中之基 本挑戰為：科氏力極小，且因此，所產生信號相比於陀螺儀中存在之其他電信號趨向於微小。對振動之假回應及感受性困擾許多MEMS陀螺儀設計。

在進階先前技術MEMS陀螺儀設計中，外部施加之角速度 經組態以對兩個平行定位之平面震動質量體誘發圍繞共同旋轉軸線之逆相運動。可運用定位於震動質量體之平面上方的電極來偵測此運動。在先前技術組態之明確振盪方向的情況下，有效地使主要模式振盪與偵測模式振盪保持分開，使得已提供對外部衝擊高度不敏感之穩固感測器結構。

典型地，固定至基板或固定至功能層之罩蓋或頂蓋包圍 MEMS陀螺儀結構，從而形成保護MEMS陀螺儀免於外部條件之罩殼。然而，伴隨MEMS之挑戰係提供不會限定該結構之行動部分之移動的環境保護。舉例而言，在以上先前技術結構中，震動質量體及激發結構在圍封於處置晶圓與頂蓋晶圓之間的結構晶圓中。傳統的加速度計及陀螺儀已被認為是最容易的MEMS封裝中之一者，此係因為其不與外部世界進行機械接觸。然而，在以上先前技術陀螺儀結構中，感測電極已圖案化至頂蓋晶圓。 此情形使結構較易受與經設計尺寸之偏差的影響，且增加感測器封裝之複雜性，此係因為不能使用傳統的環氧樹脂包覆模製製程。

本發明之目標係設計一種陀螺儀結構，其提供對外部衝擊的達成改良位準之準確性及不敏感性，但對與經設計尺寸之偏差較不敏感。本發明之目標係運用根據獨立技術方案之特性化部分的陀螺儀結構而達成。

申請專利範圍定義一種微機電陀螺儀結構，其包含：一平面第一震動質量體；一平面第二震動質量體；及一第一彈簧結構，其用於在 一平行位置中將該第一震動質量體及該第二震動質量體懸掛於一另一本體元件上，其中該第一震動質量體之該平面及該第二震動質量體之該平面形成一參考質量體平面。該微機電陀螺儀結構亦包含激發部件及偵測部件。 該第一彈簧結構包括位於該第一震動質量體之該平面內以用於將該第一震動質量體附接至該另一本體元件的一第一錨點，及附接至該第一錨點及該第一震動質量體之一第一彈簧總成，該第一彈簧總成實現該第一震動質量體圍繞該質量體平面中之一第一激發軸線的旋轉式振盪。該第一彈簧結構包括位於該第二震動質量體之該平面內以用於將該第二震動質量體附接至該另一本體元件的一第二錨點，及附接至該第二錨點及該第二震動質量體之一第二彈簧總成，該第二彈簧總成實現該第二震動質量體圍繞該質量體平面中之一第二激發軸線的旋轉式振盪。該第一激發軸線及該第二激發軸線對準至一共同主軸線。

該第一彈簧總成亦實現該第一震動質量體圍繞垂直於該質量體平面之一第一偵測軸線的旋轉式振盪，且該第二彈簧總成亦實現該第二震動質量體圍繞垂直於該質量體平面之一第二偵測軸線的旋轉式振盪。該第一偵測軸線與該第二偵測軸線分開一非零距離。

該等激發部件經組態以驅動該第一震動質量體及該第二震動質量體以圍繞該共同主軸線振盪。該等偵測部件經組態以偵測該第一震動質量體圍繞該第一偵測軸線之該旋轉式振盪及該第二震動質量體圍繞該第二偵測軸線之該旋轉式振盪。

該等偵測部件包括至少一個偵測器元件，該至少一個偵測器元件具有包含一定子梳及一轉子梳之一平面內偵測梳。該等偵測部件亦包括一第二彈簧結構，該第二彈簧結構用於將該第一震動質量體或該第二震動質量體之該旋轉式振盪變換成該平面內偵測梳在該質量體平面中在平行於該共同主軸線之一方向上的線性振盪。

申請專利範圍亦定義一種包括該微機電陀螺儀結構之陀螺儀。在附屬技術方案中揭示本發明之較佳具體實例。

本發明係基於應用兩個平面震動質量體之主要運動模式與次要運動模式的一新組合。在該主要運動中，該等震動質量體被激發至圍繞一共同主軸線之一逆相旋轉式振盪。該等震動質量體中之每一者的一次要運動包括圍繞一偵測軸線之平面內旋轉式振盪，該偵測軸線垂直於藉由該等震動質量體形成之該平面。該兩個震動質量體之該等偵測軸線因此平行，但分開一距離。該等震動質量體之該旋轉式平面內移動經變換成運用電容性梳結構而偵測之線性振盪，該等電容性梳結構之操作對由封裝製程造成或由對封裝之環境改變造成的變形較不敏感。感測模式之線性振盪實現較高信號位準，及針對系統之較容易實施。

運用以下具體實例來更詳細地論述本發明之另外優點。

s1‧‧‧信號

s2‧‧‧信號

s3‧‧‧信號

s4‧‧‧信號

S_diff‧‧‧差分輸出信號

100‧‧‧第一震動質量體

102‧‧‧第二震動質量體

104‧‧‧第一彈簧結構

106‧‧‧質量體平面

108‧‧‧第一錨點

110‧‧‧第一彈簧總成

112‧‧‧第一激發軸線

114‧‧‧第二錨點

116‧‧‧第二彈簧總成

118‧‧‧第二激發軸線

120‧‧‧共同主軸線

122‧‧‧第一偵測軸線

124‧‧‧第二偵測軸線

126‧‧‧中心線

130‧‧‧第一質量體電極

132‧‧‧第二質量體電極

140‧‧‧定相彈簧結構

142‧‧‧第三錨點

144‧‧‧剛性之橫樑

146‧‧‧第三彈簧總成

148‧‧‧中心彈簧

150‧‧‧第一末端彈簧

152‧‧‧第二末端彈簧

154‧‧‧定相彈簧結構

170‧‧‧偵測器元件

171‧‧‧偵測器元件

172‧‧‧偵測器元件

173‧‧‧偵測器元件

174‧‧‧平面內偵測梳

175‧‧‧轉子

176‧‧‧定子

177‧‧‧第二彈簧結構

178‧‧‧第四彈簧總成

180‧‧‧耦合彈簧

200‧‧‧第一組件

202‧‧‧第二組件

在下文中，將參看隨附圖式而結合較佳具體實例來詳細地描述本發明，在該等圖式中：圖1說明陀螺儀結構之具體實例；及圖2說明包括陀螺儀結構之陀螺儀的元件。

以下具體實例為例示性的。儘管本說明書可參考「一」、「一個」或「一些」具體實例，但此情形未必意謂每一此類參考係針對同一(相同)具體實例，或未必意謂特徵僅適用於單一具體實例。可組合不同具體實例之單一特徵以提供另外具體實例。

在下文中，將運用一裝置架構之簡單實例來描述本發明之特徵，在該裝置架構中可實施本發明之各種具體實例。僅詳細地描述對於說明該等具體實例有關之元件。本文中可不特定地描述通常為熟習此項技術 者所知的陀螺儀結構之各種實施。

圖1說明根據本發明之陀螺儀結構的具體實例，其具有MEMS陀螺儀之結構晶圓的元件。陀螺儀結構包括第一震動質量體100及第二震動質量體102。此處，術語震動質量體係指可懸掛至基底以提供慣性移動之塊狀本體。第一震動質量體100及第二震動質量體102可具有平面形式。此意謂震動質量體100、102之體積的至少部分在兩個維度(長度、寬度)中沿著一平面延伸且在其中形成平面表面。在容許度內，震動質量體100、102之平面表面可被認為含有連接該等平面表面上之任何兩個點的所有直線。然而，應理解，表面可包括圖案化於震動質量體上之微小凸部，或圖案化至震動質量體中之凹部。

陀螺儀結構亦包括用於將第一震動質量體100及第二震動質量體102懸掛至陀螺儀之另一本體元件的第一彈簧結構104。該另一本體元件可(例如)由下伏處置晶圓提供，或由陀螺儀晶粒之覆蓋頂蓋晶圓提供。應注意，對結構晶圓、處置晶圓及頂蓋晶圓之劃分為概念上的。舉例而言，對於熟習此項技術者而言明顯的是，處置晶圓及結構晶圓可與分層矽-絕緣體-矽基板分離地或組合地圖案化。第一彈簧結構104可經組態以將第一震動質量體100及第二震動質量體102懸掛至平行位置中，使得第一震動質量體100及第二震動質量體102之平面表面形成質量體平面106。因此，質量體平面106為當無附加外力作用於震動質量體100、102上時藉由懸掛於其初始經設計位置處之震動質量體100、102之平面表面而形成的參考平面。應理解，在變化條件下及在陀螺儀之操作期間，震動質量體因而可稍後在質量體平面106外移動及變形。

如圖1所展示，第一彈簧結構104之元件有利地圖案化至第一震動質量體100及第二震動質量體102之體積中。第一彈簧結構104可包括位於第一震動質量體100之平面內的第一錨點108。第一錨點108係指適 合於將第一震動質量體100附接至陀螺儀之另一本體元件(例如，下伏基板及/或覆蓋頂蓋)的元件。舉例而言，第一錨點108可為圖案化至第一震動質量體100之體積中的區域，該圖案化係藉由自第一錨點108之區域之周邊移除該震動質量體之材料而進行。第一彈簧結構104亦可包括附接至第一錨點108及第一震動質量體100之第一彈簧總成110。第一彈簧總成110可經組態以實現第一震動質量體100圍繞位於質量體平面106中之第一激發軸線112的旋轉式振盪。舉例而言，第一彈簧總成110可包括圖案化至第一震動質量體100之平面中以在第一錨點108與第一震動質量體100之間延伸的第一橫樑成形彈簧。當第一震動質量體100在操作期間圍繞第一激發軸線112振盪時，橫樑成形彈簧可在第一錨點108與第一震動質量體100之間扭轉地扭曲。

對應地，第一彈簧結構104可包括位於第二震動質量體102之平面內的第二錨點114。第二錨點114係指適合於將第二震動質量體102附接至另一本體元件(例如，下伏基板及/或覆蓋頂蓋)之元件。舉例而言，第二錨點114亦可為圖案化至第二震動質量體102之體積中的區域，該圖案化係藉由自第二錨點114之區域之周邊移除該震動質量體之材料而進行。第一彈簧結構104亦可包括附接至第二錨點114及第二震動質量體102之第二彈簧總成116。第二彈簧總成116可經組態以實現第二震動質量體102圍繞位於質量體平面106中之第二激發軸線118的旋轉式振盪。舉例而言，第二彈簧總成116可包括圖案化至第二震動質量體102之平面中以在第二錨點114與第二震動質量體102之間延伸的第二橫樑成形彈簧。當第二震動質量體102在操作期間圍繞第二激發軸線118振盪時，橫樑成形彈簧可在第二錨點114與第二震動質量體102之間扭轉地扭曲。

應注意，橫樑成形彈簧僅為用於第一彈簧總成及第二彈簧總成之例示性結構。在範疇內可應用其他形式。舉例而言，亦可出於該目的 而應用環繞各別錨點之圓周彈簧結構。

如圖1所展示，第一激發軸線112與第二激發軸線118對準以形成共同主軸線120。共同主軸線120可橫穿第一錨點108及第二錨點114，使得主要移動包括震動質量體之相對末端相對於共同主軸線120的蹺板型移動。

在第一彈簧結構104中，第一彈簧總成110亦實現第一震動質量體100圍繞第一偵測軸線122之旋轉式振盪，第一偵測軸線122跨越第一震動質量體100之平面且垂直於質量體平面106。對應地，第二彈簧總成116亦實現第二震動質量體102圍繞第二偵測軸線124之旋轉式振盪，第二偵測軸線124垂直於質量體平面106。在橫樑成形彈簧之例示性狀況下，橫樑彈簧可經歷平面內彎曲，且藉此促進各別震動質量體之平面內旋轉式振盪。第一偵測軸線122與第二偵測軸線124彼此分開一非零距離。有利地，偵測軸線122、124關於震動質量體100、102之間的中心線126對稱地定位。

感測器結構亦包括第一激發部件130、132，第一激發部件130、132經組態以驅動第一震動質量體100及第二震動質量體102以圍繞共同主軸線120振盪。第一激發部件可包括經組態以隨著第一震動質量體100移動之第一質量體電極130，及經組態以隨著第二震動質量體102移動之第二質量體電極132。電極130、132可與附接至頂蓋或基板之一電極或若干電極進行電相互作用，且由於此電相互作用而將電極之各別震動質量體100、102誘發成圍繞共同主軸線120進行旋轉式振盪。

在圖1中，例示性第一激發部件被展示為包含對稱地定位於震動質量體100、102之平面上的四個電極層區域。應理解，在範疇內可應用能夠對震動質量體產生指定平面外有向激發力之其他位置及其他激發結構。舉例而言，可運用一個電極區域來激發該等震動質量體中之每一者，該電極區域定位於該震動質量體上抑或定位於另一本體部分上。震動質量 體自身可由導電材料形成，或包括導電材料之沈積層且得以與位於頂蓋內部或位於下伏基板上之定子電極相互作用。又，可由(例如)沈積於該層之頂部上的壓電膜來應用壓電性激發，從而形成彈簧。其他對應平面外激發結構為熟習此項技術者所熟知，且將不在本文中予以詳細地論述。

為了機械地平衡激發模式振盪，且藉此消除由(例如)衝擊或振動造成之外部機械干擾，可將第一震動質量體100之旋轉式振盪及第二震動質量體102之旋轉式振盪耦合成反相移動。此處，反相移動係指兩個震動質量體之振盪運動，其中該等震動質量體以相同頻率但以不同相位振盪。有利地，震動質量體以逆相振盪。

反相耦合可藉由連接至第一震動質量體100且連接至第二震動質量體102之定相彈簧結構140來增強。有利地，定相彈簧結構140為圖案化至第一震動質量體及第二震動質量體之體積中的區域。假定共同主軸線120將第一震動質量體100及第二震動質量體102劃分成兩個部分。在例示性反相移動中，定相彈簧結構140之耦合經配置以使第一震動質量體100之一部分在一個方向(向上)上在共同主軸線之一個側中移動，此時，在共同主軸線120之同一側中的第二震動質量體102之一部分移動至相反方向(向下)。

在圖1之例示性組態中，定相彈簧結構140可包括藉由第三彈簧總成146互連的第三錨點142及基本上剛性之橫樑144。第三彈簧總成146可包括連接第三錨點142與剛性橫樑144之中心點的中心彈簧148、將橫樑144之第一末端連接至第一震動質量體100的第一末端彈簧150，及將橫樑144之第二末端連接至第二震動質量體102的第二末端彈簧152。第一末端彈簧150可經組態為在質量體平面106之方向上具剛性，且在垂直於質量體平面106之方向上具可撓性。此情形將橫樑144之第一末端的移動基本上剛性地耦合至第一震動質量體100之移動，且同時在第一震動質量體100 之旋轉式振盪期間實現橫樑144之蹺板型移動。對應地，第二末端彈簧152可經組態為在質量體平面106之方向上具剛性，且在垂直於質量體平面106之方向上具可撓性。此情形將橫樑144之第二末端的移動基本上剛性地耦合至第二震動質量體102之移動，且同時在第二震動質量體102之旋轉式振盪期間實現橫樑144之蹺板型移動。

因此，定相彈簧結構140確保在共同主軸線120之一個側上的第一震動質量體100之一末端及第二震動質量體之一末端移動至相反方向，且藉此迫使主要模式移動之旋轉式振盪處於反相模式。

有利地，陀螺儀結構可包含一個以上定相彈簧結構140。舉例而言，圖1之陀螺儀結構包括對稱地定位於共同主軸線120之相對側中的兩個定相彈簧結構140、154。橫樑144有利地平行於共同主軸線120。

震動質量體100、102可藉由耦合彈簧180而彼此連接。耦合彈簧180經有利地組態以在主要運動中在震動質量體100、102之旋轉式振盪下沿著共同主軸線120扭曲，且在次要運動中在震動質量體100、102之旋轉式振盪下在質量體平面106中彎曲。耦合彈簧180藉此將震動質量體之經偵測運動耦合至反相差分模式中，反相差分模式抑制由外部角衝擊造成的該等質量體之共模偏轉。因此，該耦合甚至在機械惡劣環境中亦確保格外穩定之操作。

如早先所論述，與經偵測角運動對應之次要運動在質量體平面106之方向上進行。可接著運用梳結構來實施對此方向上之運動的偵測，該等梳結構固有地相當穩定且提供用以處理由封裝誘發應力引起之機械變形的各種方式。

偵測部件可包括至少一個偵測器元件170、171、172、173，且偵測部件經組態以偵測第一震動質量體100圍繞第一偵測軸線122之旋轉式振盪及第二震動質量體102圍繞第二偵測軸線124之旋轉式振盪。對於陀 螺儀元件之最佳化大小，可提供位於質量體平面106之相對側上的至少兩個單獨偵測器元件170、173或171、172。對於允許消除外部機械衝擊及振動之差分偵測模式，可提供兩個兩個地定位於質量體平面106之相對側上的四個偵測器元件170、171、172、173，如圖1所展示。

更靠近地查看定位至第一震動質量體100之側的偵測器元件170。偵測器元件170可包括平面內偵測梳174，平面內偵測梳174包含定子176及轉子175。定子176可包括定子梳，及用於將該定子錨定至另一本體元件之定子錨。轉子175可包括借助於第二彈簧結構177而附接至第一震動質量體100之轉子梳。應注意，可出於該目的而應用能夠偵測震動質量體之平面內運動的任何可能梳結構。平面內偵測梳174可包括線性梳結構、平行板梳結構，或應用其中任一者之特徵的混合式梳結構。因而，MEMS梳結構為熟習此項技術者所熟知，且將不在本文中予以更詳細地論述。

第二彈簧結構177可經組態以將第一震動質量體100之旋轉式振盪變換成平面內偵測梳174之線性振盪。在線性振盪中，平面內偵測梳之移動部分在質量體平面106中及在平行於共同主軸線120之方向上移動，以圖1中之箭頭來展示。第二彈簧結構177可包括細長彈簧，其中細長彈簧之一個末端連接至轉子175之轉子梳且另一末端連接至第一震動質量體100。對於經設計變換，細長彈簧可經組態為在沿著其長度之方向上具基本上剛性，且在垂直於其長度之方向上(此處，在質量體平面106外)容易撓曲。以此方式，細長彈簧準確地將第一震動質量體100之旋轉式平面內次要移動中繼至平面內偵測梳174之轉子的線性運動以供偵測，且同時實現第一震動質量體100圍繞共同主軸線120之旋轉式振盪。可(例如)運用曲折彈簧來實施細長彈簧，如圖1所展示。在範疇內可應用為熟習此項技術者所熟知的具有類似方向剛性及可撓性之其他彈簧類型。舉例而言，亦可應用橫樑成形彈簧。

為了改良次要運動成為線性振盪之變換，第二彈簧結構177亦可包括第四彈簧總成178，第四彈簧總成178經組態以防止平面內偵測梳174在不同於平行於共同主軸線120之方向的方向上之移動分量。圖1說明一例示性組態，其中平面內偵測梳174之轉子176經圖案化至一區域中且具有細長矩形形式。第四彈簧總成178可包含四個錨彈簧，該等錨彈簧經組態以將轉子176之矩形區域的一個拐角耦接至另一本體元件，比如基板。該等錨彈簧中之每一者可在位於質量體平面106中且垂直於共同主軸線120之方向的方向上具基本上剛性，且在位於質量體平面106中且在共同主軸線120之方向上的方向上具可撓性。因此，錨彈簧剛性地抵抗轉子在不同於偵測經設計成進行之方向的方向上之平面內移動。

在線性振盪中，整個平面內偵測梳在質量體平面中及在平行於共同主軸線之方向上同等地來回移動。此情形提供與個別偵測器元件之最大電容差。可運用不同類型之梳(線性、平行板或混合式)來偵測線性運動，此情形實現陀螺儀結構之總體最佳化的更大可能性。線性梳結構易於設計，且其矩形形式允許較好地使用陀螺儀之平面空間。懸掛彈簧結構可經簡單地配置以極剛性地對抗平面外運動，此情形顯著地改良防禦來自主要運動以及外部衝擊及振動之非預期效應的穩固性。

如上文所論述，對於差分偵測，第一偵測部件可包括四個偵測器元件170、171、172、173。對於熟習此項技術者，以上原理至其他偵測器元件171、172、173之組態的實施基於圖1及關於偵測器元件170之論述係明顯的。若形成質量體平面106的震動質量體100、102之表面組合成矩形形式，則偵測元件171、172、173可定位成平行於質量體平面106，兩個偵測元件170、171位於矩形形式之一個側上，且兩個偵測元件172、173位於矩形形式之相對側上。在圖1之例示性組態中，兩個偵測元件170、171沿著第一震動質量體100之一個側相關於共同主軸線120對稱地定位，且兩 個偵測元件172、173沿著第二震動質量體102之一個側關於共同主軸線120對稱地定位。若共同主軸線120被認為將質量體平面106劃分成兩個部分，則第一偵測元件170及第二偵測元件171可沿著第一震動質量體100之側定位，且第三偵測元件172及第四偵測元件173可沿著第二震動質量體102之側定位。第一偵測元件170與第三偵測元件可在同一部分中關於共同主軸線120彼此相對，且第二偵測元件171與第四偵測元件174可在同一部分中關於共同主軸線120彼此相對。

圖2說明包括第一組件200及第二組件202之陀螺儀的元件。第一組件200可包括圖1之陀螺儀結構，且第二組件202可包括經連接以與該陀螺儀結構交換電信號之電路202。如圖2所展示，可將來自四個偵測元件170、171、172、173中之每一者的信號s1、s2、s3、s4分別輸入至電路202。可自下式計算待輸入至電路的對應於經偵測角運動之差分輸出信號S_diff：S_diff=(s1+s4)-(s2+s3) (1)

亦即，藉由自來自第一偵測元件170及第四偵測元件172之信號的總和減去來自第二偵測元件171及第三偵測173元件之信號的總和進行計算。

應理解，外部電及機械干擾可誘發相當於或甚至大於來自經偵測角運動之信號分量的信號分量。然而，此等擾亂效應類似地適用於陀螺儀結構之所有偵測元件，且因此此等擾亂效應在所描述之差分偵測方案中得以消除。因此，來自電路之差分輸出信號S_diff甚至在極苛刻之操作條件下亦準確地遵循經偵測角運動。

對於熟習此項技術者顯而易見，隨著技術進步，可以各種方式來實施本發明之基本觀念。因此，本發明及其具體實例並不限於以上實例，而是可在申請專利範圍之範疇內變化。

Claims (24)

1. 一種微機電陀螺儀結構，其包含：一第一震動質量體，其包括一平面表面；一第二震動質量體，其包括一平面表面；一第一彈簧結構，其用於在一平行位置中將該第一震動質量體及該第二震動質量體懸掛於一本體元件上，其中該第一震動質量體之該平面表面及該第二震動質量體之該平面表面形成一參考質量體平面；激發部件；偵測部件；其特徵在於該第一彈簧結構包括位於該第一震動質量體之該平面內以用於將該第一震動質量體附接至該本體元件的一第一錨點，及附接至該第一錨點及該第一震動質量體之一第一彈簧總成，該第一彈簧總成實現該第一震動質量體圍繞平行於該質量體平面之一第一激發軸線的旋轉式振盪；該第一彈簧結構包括位於該第二震動質量體之該平面內以用於將該第二震動質量體附接至該本體元件的一第二錨點，及附接至該第二錨點及該第二震動質量體之一第二彈簧總成，該第二彈簧總成實現該第二震動質量體圍繞平行於該質量體平面之一第二激發軸線的旋轉式振盪；該第一激發軸線及該第二激發軸線對準至一共同主軸線；該第一彈簧總成實現該第一震動質量體圍繞垂直於該質量體平面之一第一偵測軸線的旋轉式振盪；該第二彈簧總成實現該第二震動質量體圍繞垂直於該質量體平面之一第二偵測軸線的旋轉式振盪；該第一偵測軸線與該第二偵測軸線分開一非零距離； 該等激發部件經組態以驅動該第一震動質量體及該第二震動質量體以圍繞該共同主軸線振盪；該等偵測部件包括具有一平面內偵測梳之至少一個偵測器元件及一第二彈簧結構，該第二彈簧結構用於將該第一震動質量體或該第二震動質量體之該旋轉式振盪變換成該平面內偵測梳在該質量體平面中且在平行於該共同主軸線之一方向上的線性振盪；該等偵測部件經組態以偵測該平面內偵測梳之該線性振盪。
2. 如申請專利範圍第1項之微機電陀螺儀結構，其中該第一震動質量體與該第二震動質量體係藉由一耦合彈簧連接，該耦合彈簧經組態以沿著該共同主軸線扭曲且在該質量體平面中彎曲。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項之微機電陀螺儀結構，其中該共同主軸線橫穿該第一錨點及該第二錨點。
4. 如申請專利範圍第2項之微機電陀螺儀結構，其中該耦合彈簧為在該第一震動質量體與該第二震動質量體之間沿著該共同主軸線延伸的一橫樑成形彈簧。
5. 如申請專利範圍第1項或第2項之微機電陀螺儀結構，其中該第一錨點為圖案化至該第一震動質量體中之一區域，且該第一彈簧總成包括圖案化至該第一震動質量體中以在該第一錨點與該第一震動質量體之間延伸的一第一橫樑成形彈簧，或該第二錨點為圖案化至該第二震動質量體中之一區域，且該第一彈簧總成包括圖案化至該第二震動質量體中以在該第二錨點與該第二震動質量體之間延伸的一第二橫樑成形彈簧。
6. 如申請專利範圍第1項或第2項之微機電陀螺儀結構，其中該等激發部件包括經組態以隨著該第一震動質量體移動之一第一質量體電極及經組態以隨著該第二震動質量體移動之一第二質量體電極，且與附接 至該本體元件之一電極或若干電極相互作用。
7. 如申請專利範圍第6項之微機電陀螺儀結構，其中該第一質量體電極或該第二質量體電極包括一導電層區域，該導電層區域分別圖案化至該第一質量體或該第二質量體之該表面上。
8. 如申請專利範圍第1項或第2項之微機電陀螺儀結構，其中該等激發部件包括一第三彈簧結構，該第三彈簧結構連接至該第一震動質量體且連接至該第二震動質量體以將該第一震動質量體之該旋轉式振盪及該第二震動質量體之該旋轉式振盪耦合成反相移動。
9. 如申請專利範圍第8項之微機電陀螺儀結構，其中該共同主軸線將該第一震動質量體及該第二震動質量體劃分成兩個部分，且在該反相移動中，所述耦合經配置以使該第一震動質量體之一部分在一個方向上在該共同主軸線之一側中移動，此時在該共同主軸線之該同一側中的該第二震動質量體之一部分移動至一相反方向。
10. 如申請專利範圍第8項之微機電陀螺儀結構，其中該第三彈簧結構包括：一第三錨點；一基本上剛性之橫樑；一第三彈簧總成，其包括連接該第三錨點與該橫樑之一中心點的一中心彈簧、將該橫樑之一第一末端連接至該第一震動質量體的一第一末端彈簧，及將該橫樑之一第二末端連接至該第二震動質量體的一第二末端彈簧，以用於將該橫樑耦合至根據該第一震動質量體及該第二震動質量體之移動的一往復式的蹺板型移動。
11. 如申請專利範圍第10項之微機電陀螺儀結構，其中該第三彈簧結構為圖案化至該第一震動質量體及該第二震動質量體中之一區域。
12. 如申請專利範圍第10項之微機電陀螺儀結構，其中 將該橫樑之該第一末端連接至該第一震動質量體的該第一末端彈簧經組態為在該質量體平面之一方向上是剛性的以基本上剛性地將該橫樑之該第一末端的移動耦合至該第一震動質量體，且經組態為在垂直於該質量體平面之方向上為可撓性的以在該第一震動質量體之該旋轉式振盪期間實現該橫樑之該蹺板型移動；或將該橫樑之該第二末端連接至該第二震動質量體的該第二末端彈簧經組態為在該質量體平面之一方向上為剛性的以基本上剛性地將該橫樑之該第二末端的移動耦合至該第二震動質量體，且經組態為在垂直於該質量體平面之方向上為可撓性的以在該第二震動質量體之該旋轉式振盪期間實現該橫樑之該蹺板型移動。
13. 如申請專利範圍第10項之微機電陀螺儀結構，其中該橫樑平行於該共同主軸線。
14. 如申請專利範圍第1項或第2項之微機電陀螺儀結構，其中該偵測器元件包括一平面內偵測梳，該平面內偵測梳包含一定子梳及一轉子梳；該第二彈簧結構包括一細長彈簧，其中該細長彈簧之一末端連接至該轉子梳，且該細長彈簧之另一末端連接至該第一震動質量體或連接至該第二震動質量體；該細長彈簧在沿著其長度之方向上為基本上剛性的，且經組態以在該質量體平面外撓曲以實現該第一震動質量體或該第二震動質量體圍繞該共同主軸線之該旋轉式振盪。
15. 如申請專利範圍第14項之微機電陀螺儀結構，其中該細長彈簧為一曲折彈簧。
16. 如申請專利範圍第1項或第2項之微機電陀螺儀結構，其中該第二彈簧結構亦包括用於防止該平面內偵測梳在偏離平行於該共同主軸線之 方向的方向上之移動分量的部件。
17. 如申請專利範圍第16項之微機電陀螺儀結構，其中該平面內偵測梳之該轉子延伸至具有一細長矩形形式之一區域中；該第二彈簧結構包括一第四彈簧總成，該第四彈簧總成包含四個錨彈簧，每一錨彈簧經組態以將該矩形轉子區域之一個拐角耦接至該本體元件；該等錨彈簧中之每一者在位於該質量體平面中且垂直於該共同主軸線之方向的一方向上為基本上剛性的，且在位於該質量體平面中且在該共同主軸線之方向上的一方向上撓曲。
18. 如申請專利範圍第1項或第2項之微機電陀螺儀結構，其中該等偵測部件包括四個單獨的偵測元件。
19. 如申請專利範圍第18項之微機電陀螺儀結構，其中形成該質量體平面的該第一震動質量體之該表面及該第二震動質量體之該表面組合成一矩形形式；該等偵測元件定位成平行於該質量體平面，兩個偵測元件位於該矩形形式之一側上且兩個偵測元件位於該矩形形式之一相對側上。
20. 如申請專利範圍第19項之微機電陀螺儀結構，其中兩個偵測元件沿著該第一震動質量體之一側關於該共同主軸線對稱地定位，且兩個偵測元件沿著該第二震動質量體之一側關於該共同主軸線對稱地定位。
21. 如申請專利範圍第20項之微機電陀螺儀結構，其中該共同主軸線將該質量體平面劃分成兩個部分；一第一偵測元件及一第二偵測元件沿著該第一震動質量體之該側定位，一第三偵測元件及一第四偵測元件沿著該第二震動質量體之該側定位， 該第一偵測元件及該第三偵測元件關於該共同主軸線位於一同一部分中。
22. 一種陀螺儀，其包括如申請專利範圍第21項之微機電陀螺儀結構，及經連接以自該微機電結構接收電信號之一電路。
23. 如申請專利範圍第22項之陀螺儀，其中該電路經組態以自該第一偵測元件接收第一信號、自該第二偵測元件接收第二信號、自該第三偵測元件接收第三信號，且自該第四偵測元件接收第四信號；該電路經組態以接收一差分輸入信號作為一第一信號、一第二信號、一第三信號與一第四信號之一同時組合。
24. 如申請專利範圍第23項之陀螺儀，其中該組合係藉由將來自該第一偵測元件及該第四偵測元件之信號的一總和減去來自該第二偵測元件及該第三偵測元件之信號的一總和而形成。