TWI638142B - 具有改良的正交補償的陀螺儀結構及陀螺儀 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種微機電陀螺儀結構，其包含一震動質量體、一主體元件及將該震動質量體懸掛至該主體元件之一彈簧結構。在主要振盪中，該震動質量體之至少部分在平面外方向上振盪。一第一導體經配置以隨該震動質量體而移動，且一第二導體附接至該主體元件。該等導體包括在第一方向及第三方向上延伸之鄰近表面。一電壓元件經配置以在第一表面與第二表面之間創造一電位差，且藉此誘發在該第二方向上且由該震動質量體之該主要振盪所調變之一靜電力。

Description

具有改良的正交補償的陀螺儀結構及陀螺儀
本發明係關於微機電裝置，且尤其係關於如在申請專利範圍獨立項之前序中定義之一種陀螺儀結構及一種陀螺儀。
可將微機電系統或MEMS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。由於MEMS裝置係藉由用以創造積體電路之相同工具創造，因此，可在同一件矽上製造微機械及微電子器件以實現具有智慧之機器。
可應用MEMS結構以快速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之旋轉。後三者可藉由角速率感測器(亦稱為陀螺儀)來量測。MEMS陀螺儀使用科氏(Coriolis)效應量測角速率。當一質量體正在一個方向上移動且應用旋轉角速度時，作為科氏力之結果，該質量體經歷在正交方向上之力。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引起之所得物理位移。
在MEMS陀螺儀中，歸因於缺乏足夠的軸承，主要運動通常不像在習知陀螺儀中那樣為連續旋轉。取而代之，可將機械振盪用作主 要運動。當振盪陀螺儀經受與主要運動之方向正交的角運動時，產生波盪科氏力。此創造與主要運動及角運動之軸線正交且按主要振盪之頻率的次要振盪。可將此耦合振盪之振幅用作角速率之度量。
陀螺儀為非常複雜的慣性MEMS感測器。陀螺儀設計中之基本難題在於，科氏力非常小，且因此產生之信號傾向於與陀螺儀中存在之其他電信號相比極小。虛共振及對振動之敏感性困擾著許多MEMS陀螺儀設計。
陀螺儀設計中之一個難題為正交誤差運動。在理想的陀螺儀結構中，主要振盪與次要振盪精確正交。然而，在實際裝置中，出現缺陷，從而引起震動質量體之主要模式位移與陀螺儀之次要模式的直接耦合。此直接耦合叫作正交誤差。角運動信號與正交信號之間的相位差為90度，其意謂基本上可藉由相位敏感性解調變來消除正交誤差。然而，與角運動信號相比，正交信號可非常大，且可因此造成對於讀出電子器件或相位解調變之相位精確性的不合理動態範圍要求。
處理此誤差來源之一個已知方法為靜電正交消除，其在正交信號產生前移除感測器結構處之誤差信號。為此，可將精確地與主要振盪同相且平行於次要振盪之靜電力施加至震動質量體。圖1說明在美國專利公開案5,992,233中介紹的針對靜電正交抑制之先前技術組態。圖1展示一震動質量塊，其具有自震動質量塊之相對側突出之兩個指狀物。突出指狀物中之每一者由固定電極之右指狀物及左指狀物包圍，且在每一對指狀物之右指狀物與左指狀物之間施加小的電壓差。可將一相反的電壓電位施加於右指狀物與對應的左指狀物之間，使得此電壓差產生平衡力以抵消正交 誤差。
然而，此原理並不適用於震動質量體之主要模式振盪在平面外方向之陀螺儀結構。MEMS裝置通常係分層結構，其中將陀螺儀結構懸掛至下伏或覆蓋之主體元件。易於理解，製造先前技術的周圍固定電極組態以按溫度穩固方式提供必要的補償電壓差將為有挑戰性的，或甚至不可能。
本發明之目標為設計一種陀螺儀結構，其允許對具有在平面外方向上激發之一或多個平坦質量體之陀螺儀結構的高效正交補償。本發明之目標係藉由根據申請專利範圍獨立項之特徵部分的陀螺儀結構達成。
申請專利範圍定義一種微機電陀螺儀結構，其包含一震動質量體、至少一主體元件及將該震動質量體懸掛至該主體元件之一彈簧結構。在主要振盪中，該震動質量體之至少部分在一第一方向上振盪，且在次要振盪中，該震動質量體之至少部分在與該第一方向垂直之一第二方向上移動。該震動質量體包含在該第二方向上及在第三方向上平坦地延伸之一表面平面。一第一導體經配置以隨著該震動質量體而移動，且其包括在該震動質量體上在該第一方向及一第三方向上延伸之一第一表面，其中該第三方向垂直於該第一方向及該第二方向。一第二導體附接至該主體元件且包括一第二表面，該第二表面在該第一方向及該第三方向上延伸且鄰近該第一表面。一電壓元件經配置以在該第一表面與該第二表面之間創造一電位差，且藉此誘發在該第二方向上且由該震動質量體之該主要振盪調變之一靜電力。
該等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。本發明之較佳具體實例在申請專利範圍附屬項中揭示。
本發明係基於在一振盪震動質量體旁配置一平坦表面及在靜態電極旁配置一對應的平行表面，且將此等表面彼此鄰近地置放。接著在板之間創造一靜電力，使得在該主要運動期間，該兩個表面之重疊之面積改變，且該靜電力變得根據該改變而調變。該靜電力消除了在該主要振盪期間的非吾人所樂見之平面內移動，且該震動質量體之該振盪變得與所要的平面外運動準確對準。
藉由下列具體實例更詳細地論述本發明之另外優勢。
h1‧‧‧第一高度
h2‧‧‧第二高度
v‧‧‧速度
s1‧‧‧電信號
s2‧‧‧電信號
s3‧‧‧電信號
s4‧‧‧電信號
1‧‧‧第一方向
2‧‧‧第二方向
3‧‧‧第三方向
200‧‧‧震動質量體
202‧‧‧主體元件
204‧‧‧彈簧結構
206‧‧‧懸掛平面
208‧‧‧旋轉軸線
210‧‧‧旋轉軸線
300‧‧‧第一表面
302‧‧‧第二表面
304‧‧‧重疊面積
400‧‧‧第一導體
402‧‧‧第二導體
404‧‧‧第一表面
406‧‧‧第二表面
500‧‧‧震動質量體
502‧‧‧第二電極
504‧‧‧第一複數個細長樑
506‧‧‧第二複數個細長樑
510‧‧‧第二電極
512‧‧‧第三複數個細長樑
600‧‧‧第一導體
602‧‧‧第二導體
604‧‧‧複數個細長樑
606‧‧‧複數個細長樑
700‧‧‧邊緣
702‧‧‧邊緣
800‧‧‧第一震動質量體
802‧‧‧第二震動質量體
804‧‧‧第一彈簧結構
806‧‧‧質量體平面
808‧‧‧第一錨固點
810‧‧‧第一彈簧總成
812‧‧‧第一激發軸線
814‧‧‧第二錨固點
816‧‧‧第二彈簧總成
818‧‧‧第二激發軸線
820‧‧‧共同主要軸線
822‧‧‧第一偵測軸線
824‧‧‧第二偵測軸線
826‧‧‧中心線
830‧‧‧第一質量體電極
832‧‧‧第二質量體電極
870‧‧‧偵測構件
871‧‧‧偵測構件
872‧‧‧偵測構件
873‧‧‧偵測構件
880‧‧‧耦接彈簧
890‧‧‧正交補償元件
900‧‧‧第一組件
902‧‧‧第二組件
在下文中，將參看附圖，結合較佳具體實例更詳細地描述本發明，其中圖1說明用於靜電正交抑制之一先前技術組態；圖2A及圖2B展示例示性微機電陀螺儀結構；圖3A及圖3B說明在使用2B之結構期間的電動力調變；圖4提供一例示性正交補償元件之俯視圖；圖5A及圖5B說明不同梳形結構之兩個實例；圖6說明陀螺儀結構之再一梳形組態；圖7說明圖4之補償元件之透視性側視圖；圖8展示陀螺儀結構具有兩個震動質量體之具體實例；圖9說明包括第一組件及第二組件的陀螺儀之元件。
下列具體實例係例示性的。雖然本說明書可提及「一(an)」、「一個(one)」或「一些(some)」具體實例，但此未必意謂每一此提及物皆針對同一(同樣)具體實例，或特徵僅適用於單一具體實例。不同具體實例之單一特徵可經組合以提供另外具體實例。
在下文中，將藉由可實施本發明之各種具體實例的裝置架構之簡單實例來描述本發明之特徵。僅詳細描述與說明具體實例相關的元件。可不在本文中具體描述熟習此項技術者通常已知的陀螺儀結構之各種實施。
本發明適用於包含經組態以經歷平面外主要運動之至少一震動質量體的任一陀螺儀結構。圖2A及圖2B說明在本發明之描述中應用的基本概念及方向。圖2A及圖2B展示包含一震動質量體200及一主體元件202之例示性微機電陀螺儀結構。術語震動質量體(seismic mass)此處指可懸掛至另一結構以回應於作用於其上之力提供慣性移動之質量主體。該陀螺儀結構亦包括一彈簧結構204，其用於將震動質量體200懸掛於陀螺儀之主體元件202上。主體元件可(例如)由下伏處置晶圓或陀螺儀晶粒之覆蓋帽晶圓提供。應注意，對結構晶圓、處置晶圓及帽晶圓之劃分係概念性的。對於熟習此項技術者而言，舉例而言，顯然，處置晶圓與結構晶圓可分開來圖案化或一起自分層矽-絕緣體-矽基板圖案化。震動質量體可懸掛至一或多個主體元件。
彈簧結構204經組態以按以下方式懸掛震動質量體200：其允許震動質量體經歷平面外主要振盪，其中震動質量體200之至少部分在第一方向1上遠離主體元件移動。平面外移動可包括震動質量體之旋轉振 盪，其中平坦震動質量體之相對端按遠離主體部分及朝向主體部分之蹺板型移動扭動。另一方面，平面外移動可包括震動質量體之線性振盪，其中平坦震動質量體遠離主體部分及朝向主體部分線性振動。平面外移動亦可包括震動質量體之屈曲，其中平坦震動質量體在兩個平行軸線之間彎曲，使得震動質量體之遠端移動至一個方向，而在平行軸線之間的震動質量體之近端部分移動至另一方向。
在震動質量體之平面外振盪中，震動質量體之至少部分移動遠離主體部分中之懸掛平面206。可將主體元件202之一層考慮為懸掛平面206，且在主要振盪中，震動質量體之至少一些部分之速度v(在文中加下劃線，用作向量記法)具有垂直於懸掛平面206之一分量。圖2A說明彈簧結構懸掛震動質量體以進行垂直於懸掛平面206之線性平面外振盪的組態。在此情況下，震動質量體之任何部分之速度v具有垂直於懸掛平面206之一分量。圖2B說明彈簧結構懸掛震動質量體以進行圍繞平行於懸掛平面206之一旋轉軸線208的旋轉平面外振盪的組態。在此情況下，震動質量體之與旋轉軸線208重合的點之速度v為零，但在主要運動中的震動質量體之任何其他部分之速度具有垂直於懸掛平面206之分量v1。亦可應用震動質量體之一部分具有垂直於懸掛平面之分量的其他形式之平面外運動。
應注意，為簡單起見，在圖2A及2B之實例中，將主體元件202展示為一下伏基板，且將懸掛平面考慮為與基板之平坦外表面對準。此等組態易於製造，但鑒於本發明，主體部分不需要平坦且懸掛平面不需要為基板之外表面。在震動質量體之平面內或在下伏或覆蓋主體部分內的可垂直於其發生主要振盪的任一平坦或紋理化層皆可適用作為懸掛平面 206。
當激發震動質量體以進行在第一方向上之平面外主要振盪時，震動質量體圍繞垂直於第一方向之軸線的角運動引起科氏力，科氏力在垂直於第一方向及角運動軸線之方向上使震動質量體位移。在圖2A及圖2B之例示性組態中，歸因於科氏力之位移在第二方向2上發生。在圖2A中，科氏力使震動質量體在第二方向2上線性振動。在圖2B中，科氏力誘發震動質量體圍繞旋轉軸線210在第一方向1上振盪，使得震動質量體之至少部分之速度具有在第二方向2上之分量。可因此藉由偵測震動質量體在第二方向2上之移動來量測角運動。
陀螺儀結構典型地包括激發構件(圖中未示)，其經組態以將震動質量體200驅動為進行平面外主要運動。激發構件可包括一導體、一質量體電極，該質量體電極經組態以隨震動質量體200移動且與附接至主體元件202之一或多個靜態電極電相互作用。作為受控制之電相互作用的結果，激發構件可誘發震動質量體200進行相對於主體元件202之平面外振盪。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定向電激發力的各種激發結構。舉例而言，激發構件可包含在震動質量體之表面上圖案化之一電極層區域。替代地，震動質量體可自身由傳導材料形成。又，壓電激發可由(例如)沈積於形成懸掛震動質量體之彈簧的層的頂部上之壓電薄膜來施加。
為了減少或消除由主要振盪中之無意偏差引起的誤差，可藉由至少兩個導體誘發對震動質量體的經調變之電動力。第一導體經配置以隨著震動質量體之移動而移動，且第二導體經配置以相對於主體元件為靜 態的且鄰近第一導體。可將一電位差提供於第一導體與第二導體之間，藉以在該等導體之間產生電場，且電場創造與震動質量體在第二方向上之移動相反之平衡力。
平衡力必須不破壞震動質量體的經感測之移動，因此其必須與經補償之偏差精確同時且僅與其成比例。為了在具有平面外主要運動的結構中達成此效果，導體之表面可經配置以在第一方向及第三方向上平坦地延伸，且彼此鄰近，但分開非零距離。若在表面之間創造電位差，則該等表面形成一電容器，其中兩個帶電表面之間的靜電力與該等表面之間的重疊面積成比例。表面之定位允許重疊區域之範圍隨著震動質量體之平面外主要運動而改變，且正確地引導平衡力，而無需在震動質量體上方及下方的先前技術相對導體對。易於理解，將此等元件組態製造成此等主要及次要振盪模式將非常困難，或至少成本高，且其操作將非常易受溫度之改變影響。
圖3A及圖3B說明在使用圖2B之結構期間的電動力調變，其中主要運動為平面外旋轉振盪。在此實例中，震動質量體在兩個表面(頂表面與底表面)之間沿著第二方向及第三方向平坦且直線地延伸，且具有沿著第一方向及第三方向平坦延伸之側表面。第一表面300可由定位於震動質量體之側表面(亦即，震動質量體之沿著第一方向及第三方向平坦延伸的表面)上的電極層區域形成。另一方面，震動質量體可自身由傳導材料形成，或震動質量體可覆蓋有傳導材料層，使得震動質量體之整個側表面充當第一表面。可包括第二導體，或第二導體可固定地附接至主體元件(此處，下伏基板)，且包括鄰近第一表面延伸之第二表面。圖3A及圖3B 說明在主要振盪之此階段中第一表面300及第二表面302的位置。圖3A為當重疊最大時在主要振盪之零點處圖2B之陀螺儀結構之側視圖，且圖3B展示在主要振盪之某一其他階段期間之相同表面。
如在圖3A中所示，在零點處，第一表面300與第二表面302彼此完全相對，且表面之重疊面積304等於較小表面(此處，第二表面302)之面積。如稍後將論述，第一表面300之面積可較小、較大或等於第二表面302之面積。當震動質量體在平面外方向移動時(如圖3B中所示)，第一表面300與第二表面之間的重疊面積304減小，且調變其間之平衡靜電力。可藉由校準將表面之間的電壓差調整至適用位準。校準方法為熟習此項技術者所熟知，且將不在本文中作更詳細地論述。
易於理解，由此等表面定向創造之平衡力可小於在先前技術平面內振盪組態中的平衡力。然而，已注意，對於在微機電陀螺儀結構中應用之尺寸，可藉由此種製造起來更容易得多且溫度穩固之組態達成適用之正交信號補償。
圖4提供在圖2B之陀螺儀結構中適用的一例示性正交補償元件之俯視圖。該正交補償元件包含一第一導體400，其經配置以隨震動質量體移動。第一導體400可實施有沈積於第一震動質量體上之導電材料層，或第一震動質量體或其相關部分可具有足夠高的傳導率以充當電極。在此實例中，第一導體400為自震動質量體突出之樑形成元件。
該正交補償元件亦包含一第二導體402，其可附接至一下伏主體元件且因此在第一震動質量體之主要運動期間保持穩定。第二導體402亦可具有一樑形成結構。為了在第二方向2上創造恰當定向的靜電力，第 一導體包括一第一表面404，且第二導體包括一第二表面406，且表面404、406經配置至鄰近位置。術語鄰近(adjacent)此處指第一導體400與第二導體402之初始相互位置，亦即，當第一震動質量體僅懸掛(無主要或次要運動)至主體元件時。當在第一導體400與第二導體402之間存在電壓差時，在表面404、406之間形成在第二方向2上之電場。
正交補償元件亦可包括一直流偏壓電壓源(圖中未示)，其至少連接至第二導體402。第一導體400、第二導體402與直流偏壓電壓源可因此經連接以聯合地產生平行於次要振盪之方向且由震動質量體之主要振盪調變的靜電力。可認為第一導體400之第一表面404及第二導體402之第二表面406形成平行板，該等平行板積累與電場相關聯之電容。
在最小限度上，陀螺儀結構可經組態有一對導體，一者至震動質量體以在其中提供在平面外方向上延伸之表面，且一者錨固至主體元件以在其中提供一鄰近平行表面。然而，可藉由應用配置成交叉指梳(細長樑形成元件之指狀週期性圖案)之兩個或兩個以上電極對來增大平衡力。圖5A及圖5B說明不同梳形結構之兩個實例。震動質量體500可包括第一複數個細長樑504，其由震動質量體支撐且自其延伸至第三方向3。該結構亦可包括第二電極502，其錨固至主體元件(例如，基板或帽層)。第二電極502可包括第二複數個細長樑506，其經製造成平行於震動質量體之第一複數個細長樑504。在操作期間，可在第一複數個細長樑504與第二複數個細長樑506之間創造一共同電壓電位。此在最小空間中將該組態中之可用平衡力倍增。其亦按震動質量體或第二導體之細長樑的形式將潛在製造不準確性平均化。
如圖5A及圖5B中所示，該陀螺儀結構可包含再一第二電極510，其可包括第三複數個細長樑512，該等樑經製造為平行於震動質量體之第一複數個細長樑504，但經配置以產生與在震動質量體之第一複數個細長樑504與第二複數個細長樑506之間產生的靜電力相反之靜電力。
應注意，即使結合圖2B之陀螺儀結構揭示了圖5A及圖5B之梳形結構，但其對應地適用於主要運動為線性平面外振盪的2A之陀螺儀結構。
圖6說明用於陀螺儀結構之再一梳形組態。圖6展示在圖5A及圖5B中介紹之第一導體600、第二導體602、第一導體之複數個細長樑604及第二導體之複數個細長樑606。微機電結構典型地應用閉合間隙梳狀物(平行板極電容器)或線性梳狀物(縱向電容器)。在閉合間隙梳狀物(參看圖5A及圖5B)中，梳形指狀物之平面內電容行為可大致藉由具有變化指狀物間隙及恆定面積之平行板極電容器來模型化。在線性梳狀物(參看圖6)中，梳形指狀物在平面內彼此平行地移動，且電容行為可藉由具有變化面積及恆定指狀物間隙之平行板極電容器來模型化。在電容性傳感器系統中，平行板極電容器之硬度特性化了系統在平衡點周圍之行為方式且提供系統之有效彈簧常數。電壓偏壓之平行板極電容器可藉由有效地減小恢復彈簧力來減小系統硬度。在線性梳狀物中，電容隨位移線性地改變，使得作用於電容器上之力不取決於位移，且梳形驅動電容不引入彈簧力。藉由圖6之線性梳狀物組態，可自正交補償元件有效地消除靜電彈簧效應。
為了允許實現靜電場之正確調變頻率，第一表面與第二表面之區域範圍可彼此不同。圖7說明圖4之補償元件之透視側視圖。可看出， 第一表面404可經組態以在第一方向1上延伸至第一高度h1。對應地，第二表面406可經組態以在第一方向1上延伸至第二高度h2。有利地，高度h1與h2不同(差為非零的)，使得該等表面中之任一者比另一者高。在圖7之例示性組態中，第一導體400已經被向下蝕刻為顯著低於第二導體402。
在陀螺儀結構中，彈簧結構經組態以將主要振盪之範圍限制為低於震動質量體在垂直於質量體的平面之方向上的主要振盪之特定最大振幅。有利地，在一方向上提供平衡力之第一導體及第二導體經組態使得當平面外移動之振幅最小時，表面之重疊面積最大，且當平面外移動之振幅最大時，表面之重疊面積最小。此係藉由圖7之組態達成，使得第一導體及第二導體自同一平面延伸至第一方向，且第一高度h1與第二高度h2之間的差等於或大於此設計之最大振幅。此保證在操作期間，第一表面404之邊緣700不超出第二表面406之邊緣702。在震動質量體之循環主要運動期間，第一表面與第二表面之間的重疊面積僅在循環之一半中改變，從而僅在主要運動的適當相位中調變平衡力。替代地，可能藉由根據震動質量體之主要運動之頻率使第一導體與第二導體之間的電位差電反向來達成所要的相控，但圖7中所說明之機械構造穩固得多且實施起來更簡單。
當第一表面404低於第二表面406時(如圖7中所示)，在主要運動之一半循環中調變靜電力。亦可能向下蝕刻第二導體406，使得第一表面404比第二表面406高。在此情況下，在主要運動之另一半循環中調變靜電力。
陀螺儀結構可包含本文中揭示之至少一正交補償元件。有利地，在震動質量體之主要運動為圍繞旋轉軸線之旋轉振盪的陀螺儀結構 中，可將至少一正交補償元件配置至旋轉軸線之任一側。在旋轉軸線之相對兩側中的正交補償元件可作為一對來應用，其中一者在主要運動之一半循環期間調變在正第二方向上之靜電力，且其中之另一者在主要運動之另一半循環期間調變在負第二方向上之靜電力。可使用相對的正交補償元件來在主要運動之整個循環期間聯合地產生提供經調變之平面內補償之旋轉靜電力。
該原理在包括兩個或兩個以上震動質量體之陀螺儀結構中亦有利。圖8展示陀螺儀結構包括第一震動質量體800及第二震動質量體802之具體實例。該陀螺儀結構亦包括用於在陀螺儀之主體元件上懸掛第一震動質量體800及第二震動質量體802之一第一彈簧結構804。第一彈簧結構804可經組態以將第一震動質量體800及第二震動質量體802懸掛至平行位置，使得第一震動質量體800之平面及第二震動質量體802之平面形成質量體懸掛平面806(後面稱為：質量體平面)。質量體平面806為由懸掛於初始設計位置處之震動質量體800、802在未受到外加力時形成的參考平面。應理解，在變化之條件下及在陀螺儀之操作期間，像這樣的震動質量體可稍後個別地移動及變形離開質量體平面806。
如圖8中所示，第一彈簧結構804之元件有利地處於第一震動質量體800及第二震動質量體802之平坦形式內。第一彈簧結構804可包括在第一震動質量體800之平面內的第一錨固點808。第一錨固點808指適合於將第一震動質量體800附接至陀螺儀之另一主體元件(例如，至下伏基板及/或至覆蓋帽)的元件。第一錨固點808可(例如)為經圖案化至第一震動質量體800之體積平面內的區域，該圖案化係藉由自該區域之周邊 移除震動質量體之材料來達成。第一彈簧結構804亦可包括附接至第一錨固點808及第一震動質量體800之第一彈簧總成810。第一彈簧總成810可經組態以允許實現第一震動質量體800圍繞在質量體平面806中之第一激發軸線812之旋轉振盪。第一彈簧總成810可包括(例如)經圖案化至第一震動質量體800之平面內以在第一錨固點808與第一震動質量體800之間延伸的第一樑形成彈簧。當在操作期間第一震動質量體800圍繞第一激發軸線812振盪時，樑形成彈簧可在第一錨固點808與第一震動質量體800之間扭轉地扭動。
對應地，第一彈簧結構804可包括在第二震動質量體802之平面內的第二錨固點814。第二錨固點814指適合於將第二震動質量體802附接至另一主體元件(例如，至下伏基板及/或至覆蓋帽)之元件。第二錨固點814亦可(例如)為經圖案化至第二震動質量體802之體積平面內的區域，該圖案化係藉由自該區域之周邊移除震動質量體之材料而達成。第一彈簧結構804亦可包括附接至第二錨固點814及第二震動質量體802之第二彈簧總成816。第二彈簧總成816可經組態以允許實現第二震動質量體802圍繞在質量體平面806中之第二激發軸線818的旋轉振盪。第二彈簧總成816可包括(例如)第二樑形成彈簧，其經圖案化至第二震動質量體802之平面內以在第二錨固點814與第二震動質量體802之間延伸。當在操作期間第二震動質量體802圍繞第二激發軸線818振盪時，樑形成彈簧可在第二錨固點814與第二震動質量體802之間扭轉地扭動。應注意，樑形成彈簧僅為第一及第二彈簧總成之一例示性結構。在該範疇內可應用其他形式。舉例而言，亦可針對該目的應用圍繞各別錨固點之圓周彈簧結構。
如圖8中所示，第一激發軸線812與第二激發軸線818對準以形成共同主要軸線820。共同主要軸線820可橫越第一錨固點808及第二錨固點814，使得主要移動包括震動質量體之相對端相對於共同主要軸線820的蹺板型移動。
在第一彈簧結構804中，第一彈簧總成810亦允許實現第一震動質量體800圍繞與第一震動質量體800之平面交叉且垂直於質量體平面806的第一偵測軸線822之旋轉振盪。對應地，第二彈簧總成816亦允許實現第二震動質量體802圍繞垂直於質量體平面806之第二偵測軸線824之旋轉振盪。在樑形成彈簧之例示性情況下，樑彈簧經歷平面內彎曲，且藉此有助於各別震動質量體之平面內旋轉振盪。第一偵測軸線822與第二偵測軸線8244彼此分開非零距離。有利地，偵測軸線822、824相對於震動質量體800、802之間的中心線826對稱地定位。
感測器結構亦包括激發構件，其經組態以驅動第一震動質量體800及第二震動質量體802圍繞共同主要軸線820振盪。第一激發構件可包括：第一質量體電極830，其經組態以隨第一震動質量體800而移動；及第二質量體電極832，其經組態以隨第二震動質量體802而移動。電極830、832可與帽或基板中之一或多個電極電相互作用，且作為此電相互作用之結果，誘發其各別震動質量體800、802進行圍繞共同主要軸線820之旋轉振盪。
在圖1中，震動質量體自身由傳導材料形成且與帽內部之定子電極830、832(圖8中展示的導體之突出部)相互作用的例示性第一激發構件。應理解，可在該範疇內應用能夠對震動質量體產生指定平面外定 向之激發力的其他位置及其他激發結構。舉例而言，第一質量體電極可經組態以隨第一震動質量體800而移動，且第二質量體電極可經組態以隨第二震動質量體802而移動。該等電極可經組態以與附接至帽或基板之一或多個電極電相互作用，且作為此電相互作用之結果，誘發其各別震動質量體800、802進行圍繞共同主要軸線820之旋轉振盪。亦可應用壓電激發。其他對應的結構為熟習此項技術者所熟知，且將不在本文中作詳細地論述。
為了允許實現雙差動偵測，第一震動質量體800之旋轉振盪及第二震動質量體802之旋轉振盪可耦合成反相位移動。反相位移動此處指兩個震動質量體之振盪運動，其中該等震動質量體相同地振盪、但在不同相位中振盪。有利地，該等震動質量體在相反相位中振盪。震動質量體800、802可藉由一耦接彈簧880彼此連接。耦接彈簧880有利地經組態以在主要運動中在震動質量體800、802之旋轉振盪下沿著共同主要軸線820扭動，且在次要運動中在震動質量體800、802之旋轉振盪下在質量體平面806中彎曲。耦接彈簧880藉此將震動質量體之經偵測運動耦合成反相位差動模式，從而抵制由外部角向衝擊引起的質量體之共同模式偏轉。耦接因此確保格外穩定的操作，甚至在機械上嚴酷環境中亦然。
如較早先所論述，與偵測之角運動對應的次要運動在第二方向(亦即，質量體平面806之方向)上發生。在此方向上的運動之偵測可藉由固有地很穩定且提供處理歸因於封裝誘發之應力的機械變形之各種方式的梳形結構實施。陀螺儀結構可包括偵測構件870、871、872、873，其經組態以偵測第一震動質量體800圍繞第一偵測軸線812之旋轉振盪及第二震動質量體802圍繞第二偵測軸線818之旋轉振盪。
如圖8中所示，陀螺儀結構可包括以上藉由圖1至圖7揭示之一或多個正交補償元件890。在圖8之例示性陀螺儀結構中，震動質量體800、802中之每一者具有在質量體平面之方向上直線延伸之平坦形式，且主要振盪為震動質量體圍繞共同主要軸線820之旋轉振盪。共同主要軸線820平行於震動質量體800、802中之每一者的兩個相對側，且將震動質量體分成兩個部分。為了使對震動質量體800、802之補償力最大化，補償元件890可配置至震動質量體800、802之端部分。在該等震動質量體之一端中，至主要軸線之距離最大，其對應地導致主要運動之最大振幅，且藉此導致對補償力之最大控制。當平面外主要運動並非旋轉振盪時，補償元件之位置在此態樣中無關緊要。
本發明之具體實例亦包括一種微機電陀螺儀，其包括所主張之陀螺儀結構。圖9說明包括第一組件900及第二組件902的陀螺儀之元件。第一組件900可包括圖1至圖8中之任一者的陀螺儀結構，且第二組件902可包括經連接以與陀螺儀結構交換電信號s1、s2、s3、s4之電路902。
對於熟習此項技術者顯而易見，隨著技術進展，本發明之基本理念可以各種方式來實施。本發明及其具體實例因此不限於以上實例，而是其可在申請專利範圍之範疇內變化。

Claims (19)

  1. 一種微機電陀螺儀結構，其包含：一震動質量體；一主體元件；一彈簧結構，其將該震動質量體懸掛至該主體元件以允許該震動質量體之至少部分經激發以在一第一方向上振盪的一主要振盪，及該震動質量體之至少部分在垂直於該第一方向之一第二方向上移動的一次要振盪，且該震動質量體包含在該第二方向上且在一第三方向上平坦地延伸之一表面平面，其中該第三方向垂直於該第一方向及該第二方向；一第一導體，其經配置以隨該震動質量體而移動，該第一導體包括在該震動質量體上在該第一方向上及該第三方向上延伸之一第一表面；一第二導體，其附接至該主體元件且包括一第二表面，該第二表面在該第一方向及該第三方向上延伸且鄰近該第一表面；一電壓元件，其經配置以在該第一表面與該第二表面之間創造一電位差，藉此誘發在該第二方向上之一靜電力，該靜電力藉由該震動質量體之該主要振盪來調變。
  2. 如申請專利範圍第1項之微機電陀螺儀結構，其中該第一表面在該第一方向上平坦地延伸至一第一高度；該第二表面在該第一方向上平坦地延伸至一第二高度；該第一高度與該第二高度彼此不同。
  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，該電壓元件包含連接至該第二導體之一直流偏壓電壓源。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項之微機電陀螺儀結構，其中該彈簧結構經組態以允許該震動質量體在該第一方向上之該主要振盪的一最大振幅；該第一高度與該第二高度之間的差等於或大於該最大振幅。
  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，該第二表面比該第一表面高。
  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，該第一表面比該第二表面高。
  7. 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，該主要振盪為該震動質量體圍繞一平行於該表面平面之軸線的旋轉振盪。
  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，該主要振盪為該震動質量體遠離該主體部分及朝向該主體部分之線性振盪。
  9. 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，該主要振盪為該震動質量體在兩個平行軸線之間的屈曲振盪。
  10. 如申請專利範圍第1項或第2項之微機電陀螺儀結構，其中該表面平面在該第二方向上及在該第三方向上直線地延伸；該震動質量體包含在該第一方向上及在該第三方向上平坦地延伸之兩個第一側平面；該震動質量體包含在該第一方向上及在該第二方向上平坦地延伸之兩個第二側平面；該主要振盪為該震動質量體圍繞一平行於該等第二側平面且將該震動質量體分成兩個部分之旋轉軸線的旋轉振盪； 該第二導體鄰近該第一側平面，且自該第二導體至該旋轉軸線之距離大於在該震動質量體之同一部分中至該第一側平面之距離。
  11. 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，該第二導體包含至少一細長樑，該第二導體之該細長樑的一表面與該震動質量體中的該第一導體之該第一表面對準。
  12. 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，該第一導體包含至少一細長樑，且該第二導體包含至少一細長樑，該第一導體之該細長樑的一表面與該第二導體之該細長樑的一表面對準。
  13. 如申請專利範圍第12項之微機電陀螺儀結構，其中，該第二導體包含兩個細長樑，該兩個細長樑彼此對準且距彼此一段距離地附接以在其間容納該第一導體之該細長樑。
  14. 如申請專利範圍第12項之微機電陀螺儀結構，其中該第一導體及該第二導體包含複數個細長樑；該第一導體之細長樑彼此對準以形成一第一梳形結構，且該第二導體之細長樑彼此對準以形成一第二梳形結構；該第一梳形結構與該第二梳形結構經耦接以形成平行平面內電極之一週期性圖案。
  15. 如申請專利範圍第14項之微機電陀螺儀結構，其中，該第一梳形結構及該第二梳形結構之該等細長樑平行於該第三方向延伸。
  16. 如申請專利範圍第14項之微機電陀螺儀結構，其中，該第一梳形結構及該第二梳形結構之該等細長樑平行於該第二方向延伸。
  17. 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，該微機 電陀螺儀結構包含一第一震動質量體及一第二震動質量體；該彈簧結構將該等震動質量體懸掛至該主體元件且允許該第一震動質量體及該第二震動質量體圍繞一平行於該第二方向之共同主要軸線的旋轉振盪；該彈簧結構亦允許實現該第一震動質量體圍繞一平行於該第一方向之第一偵測軸線的旋轉振盪；該彈簧結構亦允許實現該第二震動質量體圍繞一平行於該第一方向之第二偵測軸線的旋轉振盪；該第一偵測軸線與該第二偵測軸線分開一段非零距離。
  18. 如申請專利範圍第17項之微機電陀螺儀結構，其中，該第一震動質量體及該第二震動質量體中之每一者具備由一第一導體、一第二導體及一控制元件所形成之至少一補償元件。
  19. 一種陀螺儀，其包含如申請專利範圍第1項至第18項中任一項之微機電陀螺儀結構。
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