專利名稱：陀螺儀及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種顯微機(jī)械加工的陀螺儀及其制造方法。
在1998年，仿真設(shè)備有限公司(Analog Devices Inc.，ADI)為了制造$30的陀螺儀，使用表面顯微機(jī)械加工方法開發(fā)了在真空環(huán)境下操作的集成陀螺儀原型。但是，由于為汽車和照相機(jī)分別使用了$15和$5的壓電元件，因而需要有一種新的方法與這些昂貴的器件競爭。因此，ADI通過使元件尺寸最小化和進(jìn)行封裝處理來開發(fā)便宜的陀螺儀。為了使元件尺寸最小，減小了占據(jù)元件大量空間的電路部分。通過增大陀螺儀的機(jī)械部分解決了減小電路部分造成的問題，因而減小了元件的整體尺寸。此外，當(dāng)增大機(jī)械部分時(shí)，元件可以在低Q值下操作，從而滿足了商業(yè)化的兩個(gè)目的小尺寸元件和取消真空密封。真空密封過程構(gòu)成了成本的80％，而一般集成電路封裝過程只占成本的50％。因而需要取消真空密封過程以降低陀螺儀的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種能夠在大氣壓下操作的陀螺儀。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種在高頻率下具有大驅(qū)動位移的陀螺儀。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種消除了驅(qū)動模式與傳感模式之間的機(jī)械干擾的陀螺儀。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種無需頻率調(diào)諧而產(chǎn)生高靈敏度的陀螺儀。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是要簡化制造陀螺儀的方法。
為了達(dá)到上述目的，通過一個(gè)慣性塊和一個(gè)折疊彈簧連接一個(gè)驅(qū)動位移電極和一個(gè)傳感位移電極，以消除驅(qū)動位移電極與傳感位移電極之間的機(jī)械干擾。
在本發(fā)明的一個(gè)方面提供了一種陀螺儀，包括一個(gè)固定的驅(qū)動固定電極；一個(gè)位于驅(qū)動固定電極對面并且能夠在第一方向位移的驅(qū)動位移電極；一個(gè)連接到驅(qū)動位移電極、根據(jù)驅(qū)動位移電極的第一方向位移在第一方向位移、并且當(dāng)施加一個(gè)角速率時(shí)在第二方向位移的慣性塊；一個(gè)連接到慣性塊并且能夠根據(jù)慣性塊的第二方向位移在第二方向位移的傳感位移電極；以及一個(gè)位于傳感位移電極的對面并且固定的傳感固定電極。
驅(qū)動位移電極由一個(gè)可在第一方向移動的折疊彈簧支撐，傳感位移電極由一個(gè)可在第二方向移動的折疊彈簧支撐。
驅(qū)動位移電極和慣性塊可以在第二方向移動，并且由一個(gè)沒有固定軸的折疊彈簧連接，傳感位移電極和慣性塊可以在第一方向移動，并且由一個(gè)沒有固定軸的折疊彈簧連接。
兩個(gè)傳感位移電極設(shè)置在慣性塊的兩側(cè)，并且陀螺儀進(jìn)一步包括一個(gè)用于連接兩個(gè)傳感位移電極的邊緣萬向架。
在慣性塊的中央帶有一個(gè)空腔，并且陀螺儀進(jìn)一步包括一個(gè)在空腔中心提供并且固定的位移限制軸。
陀螺儀進(jìn)一步包括調(diào)諧電極，每個(gè)調(diào)諧電極對稱地形成在傳感位移電極的兩側(cè)，起到改變傳感位移電極的諧振頻率和控制傳感靈敏度的電彈簧的作用。
在本發(fā)明的另一方面提供了制造陀螺儀的方法，包括(a)在一個(gè)硅基底和一個(gè)玻璃基底上進(jìn)行陽極結(jié)合；(b)將硅基底蝕刻和拋光到預(yù)定厚度；(c)在硅基底上形成一個(gè)金屬層；(d)在金屬層和硅基底上進(jìn)行光刻，以形成具有陀螺儀圖形的硅結(jié)構(gòu)；(e)蝕刻玻璃基底，并且將除了一個(gè)固定軸之外的硅結(jié)構(gòu)的剩余部分從玻璃基底分離，以形成一個(gè)陀螺儀結(jié)構(gòu)；和(f)在陀螺儀結(jié)構(gòu)上進(jìn)行倒裝片結(jié)合，以將它連接到外部電路。
方法進(jìn)一步包括在(d)和(e)之間，切割硅基底和玻璃基底，并把它們分離成獨(dú)立的元件。
在(c)中形成的金屬層是Cr和Au的雙層，并且在(e)中用HF溶液蝕刻玻璃基底。
將使用HF溶液蝕刻玻璃基底的深度設(shè)置到大于10μm，以便將空氣阻尼減小到最小程度，并且使陀螺儀在大氣壓下操作。
在(b)中，用36％重量的80℃KOH水溶液蝕刻硅基底。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例制造的陀螺儀的一個(gè)驅(qū)動或傳感彈簧的SEM照片；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的陀螺儀的驅(qū)動或傳感連接彈簧的示意圖；圖8示出了根據(jù)一個(gè)位移限制器的諧振驅(qū)動和傳感位移的曲線圖；和圖9(a)至圖9(h)示出了制造根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的陀螺儀的過程。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的陀螺儀的透視圖，圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的陀螺儀的平面布置圖，圖3示出了圖1的一個(gè)放大部分，圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例制造的陀螺儀的局部SEM照片。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的陀螺儀包括一個(gè)玻璃基底10和一個(gè)在其上形成的硅結(jié)構(gòu)。在玻璃基底10上形成了用于支撐硅結(jié)構(gòu)和固定硅結(jié)構(gòu)的固定軸的支撐柱11、12和13。
硅結(jié)構(gòu)包括一個(gè)驅(qū)動器、一個(gè)傳感器、多個(gè)彈簧、一個(gè)調(diào)諧電極34和一個(gè)位移限制軸33。驅(qū)動器包括一個(gè)驅(qū)動固定電極26、一個(gè)驅(qū)動位移電極24和一個(gè)慣性塊23。傳感器包括一個(gè)傳感固定電極25、一個(gè)傳感位移電極22和一個(gè)邊緣萬向架21。彈簧包括用于支撐和使驅(qū)動位移電極24能夠振動的驅(qū)動彈簧28和29、用于支撐和使傳感位移電極22和邊緣萬向架21能夠振動的傳感彈簧27和30、一個(gè)用于連接驅(qū)動位移電極24與慣性塊23的驅(qū)動連接彈簧31，以及一個(gè)用于連接傳感位移電極22與慣性塊23的傳感連接彈簧32。驅(qū)動彈簧28和29被分別分為一個(gè)外驅(qū)動彈簧28和一個(gè)內(nèi)驅(qū)動彈簧29，傳感彈簧27和30被分別分為一個(gè)外傳感彈簧27和一個(gè)內(nèi)傳感彈簧30。
現(xiàn)在對這些組件的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
驅(qū)動器的驅(qū)動固定電極26由玻璃基底10的支撐柱12支撐，并且具有一個(gè)間隔的齒形部分。驅(qū)動位移電極24由外驅(qū)動彈簧28和內(nèi)驅(qū)動彈簧29支撐，僅能夠在東西方向(參考圖1和圖2中的羅盤方向)上移動，并且也具有一個(gè)間隔的齒形部分。驅(qū)動固定電極26的間隔齒形部分的齒與驅(qū)動位移電極24的間隔齒形部分的齒相互交錯(cuò)排列。外驅(qū)動彈簧28和內(nèi)驅(qū)動彈簧29由玻璃基底10的支撐柱13固定，并且由于它們是片簧和設(shè)置在南北方向，因而它們僅能夠在東西方向上移動。由于慣性塊23通過驅(qū)動連接彈簧31連接到驅(qū)動位移電極24，當(dāng)驅(qū)動位移電極24在東西方向上振動時(shí)，慣性塊23與驅(qū)動位移電極24一起振動。在這種情況下，由于驅(qū)動連接彈簧31沒有固定軸，并且僅能夠在南北方向上移動，因而它將驅(qū)動位移電極24的東西方向的振動傳遞到慣性塊23。
接下來，由玻璃基底10的支撐柱12固定的傳感器的傳感固定電極25具有一個(gè)間隔的齒形部分。傳感位移電極22由外傳感彈簧27和內(nèi)傳感彈簧30支撐，僅能夠在南北方向(參考圖1和圖2的羅盤方向)上移動，并且也具有間隔的齒形部分。傳感固定電極25的間隔齒形部分的齒與傳感位移電極22的齒形部分的齒相互交錯(cuò)排列。外傳感彈簧27和內(nèi)傳感彈簧30由玻璃基底10的支撐柱13固定，并且由于它們是片簧和設(shè)置在東西方向，因而它們僅能夠在南北方向上移動。傳感位移電極22通過傳感連接彈簧32連接到慣性塊23，因而，當(dāng)慣性塊23在南北方向上振動時(shí)，使傳感位移電極22與慣性塊23一同振動。在這種情況下，由于傳感連接彈簧32沒有固定軸，并且僅能夠在東西方向上移動，因而傳感連接彈簧32將慣性塊23在南北方向上的振動不變地傳遞到傳感位移電極22。邊緣萬向架21完全地包圍著驅(qū)動器和傳感器，并且連接位于慣性塊23的南北兩側(cè)的傳感位移電極22。因此，可以以相同的方向和相同的位移操作兩側(cè)的傳感位移電極22。
調(diào)諧電極34一共有四個(gè)，每個(gè)調(diào)諧電極34形成在兩個(gè)南北傳感位移電極22的東西兩側(cè)，并且由玻璃基底10的支撐柱11固定。在面對傳感位移電極22的調(diào)諧電極的表面上形成有間隔的齒形部分，并且在面對調(diào)諧電極34的傳感位移電極的表面上也形成有間隔的齒形部分。傳感位移電極22的齒面對調(diào)諧電極34的齒，并且傳感位移電極22的間隔面對調(diào)諧電極34的間隔。
在慣性塊23中央形成的空腔中心中形成的位移限制軸33防止慣性塊23位移超過預(yù)定距離，并且它是由玻璃基底10的一個(gè)支撐柱(未示出)固定的。當(dāng)慣性塊23被停止時(shí)，位移限制軸33在一側(cè)與慣性塊23以預(yù)定間隙分開。
現(xiàn)在說明驅(qū)動上述結(jié)構(gòu)的陀螺儀的方法和傳感方法。
當(dāng)給驅(qū)動固定電極26提供電力時(shí)，驅(qū)動位移電極24依照提供給驅(qū)動固定電極26的電力的頻率被靜電驅(qū)動，并且在東西方向上振動。慣性塊23也以和驅(qū)動位移電極24相同的方式振動。當(dāng)在這種狀態(tài)下向陀螺儀施加扭矩時(shí)，慣性塊23受到南北方向的力，并且在南北方向上振動。慣性塊23的南北方向振動被不變地傳遞到傳感位移電極22，并且使傳感位移電極22以相同的方式振動。當(dāng)傳感位移電極22振動時(shí)，使傳感固定電極25與傳感位移電極22之間產(chǎn)生的電容改變，并且通過對變化的傳感計(jì)算出一個(gè)角速率。在這種情況下，調(diào)諧電極34起到一個(gè)電彈簧的作用，并且它改變傳感固定電極25的諧振頻率，以調(diào)節(jié)傳感靈敏度。位移限制軸33將慣性塊23的驅(qū)動位移限制在一個(gè)均衡值內(nèi)，以便在一個(gè)寬頻率范圍內(nèi)保持均衡的位移。這將在隨后說明。
現(xiàn)在參考圖5和圖6，詳細(xì)地說明應(yīng)用于本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的驅(qū)動或傳感彈簧27、28、29和30的結(jié)構(gòu)。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的陀螺儀的驅(qū)動或傳感彈簧的放大圖，圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例制造的陀螺儀的驅(qū)動或傳感彈簧的SEM照片。
驅(qū)動或傳感彈簧包括一個(gè)固定軸1、一個(gè)連接器2、一個(gè)內(nèi)片3和一個(gè)外片4。固定軸1由玻璃基底10的支撐柱13固定，連接器2將內(nèi)片3與外片4連接在一起。內(nèi)片3連接在固定軸1與連接器2之間，外片4連接在連接器2和驅(qū)動或傳感位移電極(是根據(jù)驅(qū)動彈簧或傳感彈簧確定的)之間。這種結(jié)構(gòu)的彈簧被稱為折疊彈簧。
參考圖5，提供在硅結(jié)構(gòu)上的薄層是一個(gè)金屬層。形成這個(gè)金屬層的目的是在陀螺儀上進(jìn)行倒裝片結(jié)合。圖1至圖4中省略了這個(gè)說明。
參考圖6，在結(jié)構(gòu)周圍形成的連接器2和空腔被用于在蝕刻玻璃時(shí)注入蝕刻劑，以便在制造過程中在空氣中升高結(jié)構(gòu)。因此，在結(jié)構(gòu)除了固定軸和窄彈簧片3和4之外的所有部分上都形成有空腔。
現(xiàn)在參考圖7，詳細(xì)說明應(yīng)用于本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的驅(qū)動或傳感連接彈簧31或32的結(jié)構(gòu)。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的陀螺儀的驅(qū)動或傳感連接彈簧的示意圖。
連接彈簧包括一個(gè)連接器2、一個(gè)內(nèi)片3和一個(gè)外片4，并且沒有固定軸。連接器2連接內(nèi)片3和外片4，內(nèi)片3連接到一個(gè)驅(qū)動位移電極或一個(gè)傳感位移電極(這是根據(jù)驅(qū)動連接彈簧或傳感連接彈簧確定的)，外片4連接到慣性塊23。
接下來說明位移限制器的功能。
圖8示出了根據(jù)一個(gè)位移限制器的諧振驅(qū)動和傳感位移的曲線圖。
在一個(gè)高Q值的諧振結(jié)構(gòu)的情況下，由于根據(jù)真空度和頻率變化的位移變化是很大的，并且使結(jié)構(gòu)的對應(yīng)輸出相應(yīng)地變化，因而它具有的問題是輸出性能對于外部噪聲(真空度或頻率變化)十分敏感。為了克服這一問題，本發(fā)明的陀螺儀在慣性塊中部提供了一個(gè)用于限制驅(qū)動位移的機(jī)械位移限制器，以便將慣性塊和驅(qū)動器的位移保持在一個(gè)均衡值，并且在寬頻率范圍中保持均衡的位移。此外，如圖8所示，盡管在現(xiàn)有陀螺儀的情況下，需要調(diào)諧諧振頻率以便防止在由于處理誤差造成的驅(qū)動和傳感諧振頻率不同時(shí)靈敏度降低，而在采用了一個(gè)位移限制器的本發(fā)明的陀螺儀的情況下，驅(qū)動位移被均衡地保持在驅(qū)動位移的寬頻率范圍內(nèi)，并且將驅(qū)動位移均衡地保持在傳感諧振頻率范圍中，因此，能夠在傳感諧振頻率下操作陀螺儀，而無需附加的調(diào)諧。
現(xiàn)在說明制造上述結(jié)構(gòu)的陀螺儀的方法。
圖9(a)至圖9(h)示出了制造根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的陀螺儀的過程。
如圖9(a)所示，在380℃，將800V電壓提供到一個(gè)低電阻硅晶片20和Pyrex#7740之類的玻璃基底10兩個(gè)小時(shí)，以進(jìn)行陽極結(jié)合。
如圖9(b)所示，利用KOH水溶液蝕刻硅晶片20。在蝕刻之后，硅晶片20的厚度成為70μm左右，這代表50μm的硅結(jié)構(gòu)的最終厚度與用于通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)產(chǎn)生鏡面的20μm的額外厚度之和。在這種情況下，蝕刻劑是在80℃使用的36％重量的KOH的水溶液，并且對應(yīng)的蝕刻速度是0.93μm/min左右。在KOH蝕刻之后，在硅表面上形成了小丘和凹孔。
如圖9(c)所示，通過CMP將硅晶片20的表面處理成為鏡面。
如圖9(d)所示，為了形成用于倒裝片結(jié)合的電極，沉積厚度分別為200和300的Cr和Au，以形成一個(gè)Cr/Au層40。
在圖9(e)中，在Cr/Au層40上沉積一個(gè)氧化層(未示出)，在其上涂覆光致抗蝕劑，并且進(jìn)行光處理過程，以形成一個(gè)用于定義一個(gè)硅結(jié)構(gòu)圖形的光致抗蝕劑圖形50。在這種情況下，光致抗蝕劑圖形包括一個(gè)用于形成蝕刻玻璃基底和浮起硅結(jié)構(gòu)所需的蝕刻劑滲透空腔的圖形。
如圖9(f)所示，利用光致抗蝕劑圖形50作為蝕刻掩模蝕刻氧化層，并且利用光致抗蝕劑圖形50和氧化層作為蝕刻掩模進(jìn)行反應(yīng)離子蝕刻(RIE)，以形成硅結(jié)構(gòu)圖形。然后將其上形成了硅結(jié)構(gòu)圖形的硅晶片20和玻璃基底10切割和分離成小的單元。
如圖9(g)所示，為了從玻璃基底10分離硅結(jié)構(gòu)20，在49％HF溶液中蝕刻玻璃基底10。在這種情況下，如上所述，在除了固定軸和彈簧片之外的硅結(jié)構(gòu)的所有部分上形成了空腔，因而蝕刻劑可以到達(dá)玻璃基底10。在這里，通過使結(jié)構(gòu)在玻璃基底上浮起足夠的距離，以將空氣阻尼降至最小，從而能夠制造出在大氣壓下操作的陀螺儀，并且當(dāng)使用HF溶液蝕刻玻璃時(shí)，可以制造出在玻璃基底上浮起至少10μm的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，必須使結(jié)構(gòu)在玻璃基底上浮起足夠的距離，以將空氣阻尼降至最低。通過將玻璃基底10蝕刻大約8分鐘，可以使硅結(jié)構(gòu)20以大約50μm的間隙在玻璃基底10上浮起。
如圖9(h)所示，最后將包括玻璃基底10、硅結(jié)構(gòu)和Cr/Au層40的陀螺儀結(jié)構(gòu)200倒裝片結(jié)合在一個(gè)用于在一個(gè)印刷電路板(PCB)100上布線的電極結(jié)構(gòu)上。在這種情況下，將結(jié)合劑300與陀螺儀結(jié)構(gòu)200的固定軸部分接觸。
在上述方法中，在形成硅結(jié)構(gòu)圖形時(shí)使用了光致抗蝕劑和氧化層作為蝕刻掩模，但是，也可以僅使用光致抗蝕劑。
現(xiàn)在說明根據(jù)本發(fā)明的陀螺儀的特征。
陀螺儀是根據(jù)十分簡單的過程制造的，并且在整個(gè)過程中僅執(zhí)行了一次用于制造陀螺儀結(jié)構(gòu)的光刻過程。制造的陀螺儀僅具有一個(gè)結(jié)構(gòu)層，并且最后進(jìn)行了倒裝片結(jié)合，從而將陀螺儀連接到一個(gè)電路。
陀螺儀結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器和傳感器采用了一種梳狀結(jié)構(gòu)，并且被設(shè)計(jì)為通過增大離開基礎(chǔ)表面的間隙使空氣阻尼降至最小，以及保留了大氣壓下的高Q值，從而能夠確定現(xiàn)有陀螺儀設(shè)計(jì)中沒有考慮過的Q值公式，并且可以根據(jù)布置形式預(yù)測結(jié)構(gòu)的Q值，以便使機(jī)械靈敏度最高。在這種情況下，考慮了庫愛特流動、斯托克斯流動和擠壓阻尼以預(yù)測Q值。
此外，為了獲得最高靈敏度，將一個(gè)最大的電極結(jié)構(gòu)集成在給定的陀螺儀區(qū)域中，以便具有大到10μm的大驅(qū)動位移，并且設(shè)計(jì)了對應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以使陀螺儀的機(jī)械干擾最小以及對外部噪聲不敏感。為了消除外部噪聲的影響，將結(jié)構(gòu)的驅(qū)動和傳感頻率設(shè)計(jì)為大于5kHz，并且將驅(qū)動和傳感頻率設(shè)計(jì)為不匹配，而是間隔大約50Hz，以便增大帶寬。驅(qū)動和傳感頻率被分別預(yù)定為7,088Hz和7,132Hz。
此外，在根據(jù)本發(fā)明的陀螺儀的情況下，將一個(gè)人為地限制位移的位移限制器附加到陀螺儀，這使得在寬頻率范圍內(nèi)保持驅(qū)動位移以加寬帶寬，并且減小了調(diào)諧的必要性。
陀螺儀結(jié)構(gòu)具有基本上與二維結(jié)構(gòu)相同的形式，并且驅(qū)動模式和傳感模式存在于相同的平面中。由于陀螺儀的靈敏度隨慣性塊的增大而提高，因而陀螺儀的整體質(zhì)量必須大。此外，也使結(jié)構(gòu)中的梳狀電極結(jié)構(gòu)的數(shù)量最大，以便使驅(qū)動和傳感靈敏度最大，并且采用了邊緣萬向架，以便使機(jī)械干擾最小。陀螺儀結(jié)構(gòu)的尺寸是8mm2×8mm2，并且考慮到用于密封的外部框架，整體尺寸是10mm2×10mm2。如上所述，使用了具有優(yōu)良機(jī)械特性的單晶硅，并且將結(jié)構(gòu)的厚度設(shè)計(jì)為50μm。此外，使陀螺儀結(jié)構(gòu)在玻璃基底上浮起50μm，從而減小了阻尼。
如上所述，在以水平方向振動的結(jié)構(gòu)的情況下，為了計(jì)算Q值，要計(jì)算出一個(gè)阻尼值，眾所周知的阻尼系數(shù)以及計(jì)算它們的公式如下庫愛特流動的粘性阻尼系數(shù)BCouette=μAg,]]>其中g(shù)代表空氣膜的厚度，A代表一個(gè)球體的面積；斯托克斯流動的阻尼系數(shù)BStokes=μAδ,]]>其中δ代表滲透深度，其定義為δ(ω)=2vω,]]>A表示結(jié)構(gòu)的面積；
擠壓阻尼系數(shù)HHagen=7.2μl(hg)3,]]>其中g(shù)代表兩個(gè)片之間的空氣膜的厚度，l是結(jié)構(gòu)的重疊長度，h指示結(jié)構(gòu)的高度。 ，其中μ代表空氣的絕對粘性(1.78×10-5[N·s/m2])。
驅(qū)動器具有426個(gè)梳狀電極結(jié)構(gòu)和6個(gè)用于驅(qū)動的折疊彈簧結(jié)構(gòu)。當(dāng)彈簧的長度設(shè)置為192μm時(shí)，彈性系數(shù)計(jì)算為2,684，并且驅(qū)動諧振頻率計(jì)算為8,299Hz?？紤]到整體結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算的大氣壓力下的Q因數(shù)為3,565。當(dāng)把驅(qū)動電壓設(shè)置為V(t)＝vd+vscosωDRIVEt＝15+3cos(2π·fDRIVE·t)[V]時(shí)，如下計(jì)算驅(qū)動力和驅(qū)動位移。
驅(qū)動力F(t)=4·ϵ0·NDRIVE·hg·vd·vs·cosωDRIVEt=6.789×10-6cosωDRIVEt[N]]]>驅(qū)動位移x(t)=4·ϵ0·NDRIVE·hg·vd·vs·QDRIVEKDRIVE·cosωDRIVEt=9.017cosωDRIVEt[μm]]]>檢測器具有692個(gè)梳狀電極結(jié)構(gòu)和6個(gè)折疊彈簧。當(dāng)把彈簧的長度設(shè)置為157μm時(shí)，檢測器的諧振頻率是8,269Hz，這個(gè)頻率稍微小于驅(qū)動諧振頻率。檢測器的Q因數(shù)計(jì)算為3,765。在這種情況下，按如下方法計(jì)算由輸入角速率產(chǎn)生的科里奧利力和對應(yīng)的位移。
科里奧利力FCORIOLIS=2MSHUTTLEV·Ω]]>=2MSHUTTLE·4ϵ0NDRIVEhgvdvsQDRIVEKDRIVEωDRIVEsinωDRIVEt·Ωrad]]>=1.126×10-8sinωDRIVEt·Ωdeg]]>傳感位移y(t)=QSENSEKSENSE·FCORIOLIS=0.008sinωSENSEt[μm(/deg/sec)]]]>
因此，陀螺儀的機(jī)械靈敏度計(jì)算為0.008[μm(/deg/sec)]，電靈敏度計(jì)算為1.939[fF/deg/sec]。
用于制造根據(jù)本發(fā)明的陀螺儀的過程采用了一個(gè)單一的結(jié)構(gòu)層深RIE處理過程，以及一個(gè)硅-玻璃陽極結(jié)合處理過程。通過使用這些處理過程，可以通過一個(gè)單一的光刻處理過程制造陀螺儀結(jié)構(gòu)，并且可以通過倒裝片方法與一個(gè)電極結(jié)構(gòu)和一個(gè)PCB結(jié)合完成它。
用作深RIE蝕刻掩模的氧化層在用牛津(Oxford)蝕刻器形成氧化層圖形的處理過程中受到底切，這個(gè)圖形被反射到硅結(jié)構(gòu)，最后，在深RIE之后的結(jié)構(gòu)被制造成比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)窄大約2μm。制造的結(jié)構(gòu)的厚度是44μm，深RIE執(zhí)行了33分鐘。在蝕刻玻璃8分鐘之后，結(jié)構(gòu)完全離開基底，在這種情況下，測量的基底與結(jié)構(gòu)之間的間隙是37μm。
根據(jù)本發(fā)明的陀螺儀具有426個(gè)驅(qū)動電極和692個(gè)傳感電極，并且通過慣性塊將驅(qū)動和傳感電極相互機(jī)械隔離。陀螺儀還具有一個(gè)在慣性塊中央提供的、用于限制位移的位移限制器，最大位移是15μm。此外，在元件的外部提供了一個(gè)用于減小機(jī)械干擾的萬向架結(jié)構(gòu)。
為了檢查制造的器件的性能，利用大學(xué)校際半導(dǎo)體研究中心(Interuniversity Semiconductor Research Center，ISRC)的探針臺，進(jìn)行一次簡單的驅(qū)動性能測量。以驅(qū)動器的類似方式，在檢查傳感器的操作的情況下，提供電壓以測量諧振頻率和在一個(gè)諧振頻率下的最大位移，并且在表1中粗略地示出了制造和性能測量結(jié)果。
表1

在這里，*代表施加電壓V(t)＝15+3cosωdrivet[V](雙向)后計(jì)算的位移，**代表施加電壓V(t)＝7.5+7.5cosωdrivet[V](單向)后測量的位移。
當(dāng)把電壓提供到23個(gè)器件以測量諧振頻率時(shí)，接連檢查20個(gè)器件的驅(qū)動器的操作、傳感器的操作或者驅(qū)動器和傳感器的操作。諧振頻率在5,500Hz和6,500Hz范圍之內(nèi)，具體地講，它們集中在5,500Hz與6,000Hz范圍之間。此外，在檢查器件中的驅(qū)動器和傳感器的諧振的情況下，檢查兩個(gè)諧振頻率之差是否均衡地保持在50Hz左右。在監(jiān)視器件在驅(qū)動器或傳感器方向的諧振的情況下，或在器件諧振頻率之差較大的情況下，檢查彈簧是否損壞，或是否粘結(jié)在一個(gè)單一的方向上。
如圖1所示，在諧振時(shí)的位移產(chǎn)生一個(gè)小于實(shí)際設(shè)計(jì)的值，這是因?yàn)橛捎趩蜗蝌?qū)動減小了位移，由于基底與結(jié)構(gòu)之間的間隙制造得窄于設(shè)計(jì)的間隙而使空氣阻尼增大和Q值減小，以及由于梳狀電極結(jié)構(gòu)的底座和底切使得梳狀電極之間的間隙增大。
此外，人為地提高驅(qū)動電壓以檢查位移限制器的功效。在位移限制器限制了位移的情況下，檢查15μm的驅(qū)動位移最大值是否保持在數(shù)百赫茲的范圍內(nèi)，從而能夠阻擋外部噪聲和獲得寬的帶寬。
本發(fā)明提供了一種靜電驅(qū)動和電容傳感的角速率傳感器。通過使用單晶硅顯微機(jī)械加工技術(shù)，可以制造大的陀螺儀，因而提供了一種可以在大氣壓下操作的陀螺儀；并且使用了硅-玻璃結(jié)合技術(shù)、硅蝕刻技術(shù)和倒裝片結(jié)合技術(shù)來制造陀螺儀。這代表了一種十分簡單的處理過程，在這個(gè)處理過程中，通過一個(gè)單一的光刻過程提供了一個(gè)在其前側(cè)具有蝕刻空腔的陀螺儀結(jié)構(gòu)，并且進(jìn)行玻璃蝕刻時(shí)無需附加的光刻過程。特別是，通過使用倒裝片結(jié)合，可以把制造的陀螺儀結(jié)構(gòu)直接地集成到一個(gè)電路中，而無需附加的封裝過程，并且由于陀螺儀可以在大氣壓下操作，本發(fā)明的陀螺儀可以解決現(xiàn)有陀螺儀的真空密封過程的問題。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)使得它可以具有盡可能多的驅(qū)動和傳感電極和盡可能大的慣性塊，從而在大氣壓下獲得高靈敏度，并且它可以在高頻率下具有大的驅(qū)動操作位移，從而消除了外部噪聲造成的影響。由于陀螺儀結(jié)構(gòu)具有在同一平面上的驅(qū)動模式和傳感模式，因而它采用了可以消除現(xiàn)有陀螺儀的機(jī)械干擾的操作原理，并且它具有一種周邊萬向架結(jié)構(gòu)，從而使機(jī)械干擾降至最低。此外，機(jī)械地增加了一個(gè)用于限制驅(qū)動位移的位移限制器，從而提供了一種具有無需附加調(diào)頻的高靈敏度的陀螺儀，并且增加了陀螺儀操作帶寬。
制造的陀螺儀可以在大氣壓下操作，并且在大氣壓下十分靈敏。
盡管結(jié)合現(xiàn)在認(rèn)為是最可實(shí)施和優(yōu)選的實(shí)施例說明了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)知道，本發(fā)明并不局限于公開的實(shí)施例，而是相反，本發(fā)明應(yīng)當(dāng)覆蓋包括在附屬權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種修改和等效方案。
權(quán)利要求
1.一種陀螺儀，包括一個(gè)固定的驅(qū)動固定電極；一個(gè)位于驅(qū)動固定電極對面并且能夠在第一方向上位移的驅(qū)動位移電極；一個(gè)連接到驅(qū)動位移電極、根據(jù)驅(qū)動位移電極的第一方向位移在第一方向上位移、并且當(dāng)施加一個(gè)角速率時(shí)在第二方向上位移的慣性塊；一個(gè)連接到慣性塊并且能夠根據(jù)慣性塊的第二方向位移在第二方向上位移的傳感位移電極；和一個(gè)在傳感位移電極對面并且被固定的傳感固定電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其中驅(qū)動位移電極由一個(gè)可在第一方向上移動的折疊彈簧支撐，傳感位移電極由一個(gè)可在第二方向移動的折疊彈簧支撐。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其中驅(qū)動位移電極和慣性塊可以在第二方向上移動，并且由一個(gè)沒有固定軸的折疊彈簧連接，傳感位移電極和慣性塊可以在第一方向上移動，并且由一個(gè)沒有固定軸的折疊彈簧連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其中提供了兩個(gè)傳感位移電極，慣性塊的兩側(cè)各有一個(gè)，并且陀螺儀進(jìn)一步包括一個(gè)用于連接兩個(gè)傳感位移電極的邊緣萬向架。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其中在慣性塊的中央提供了一個(gè)空腔，并且陀螺儀進(jìn)一步包括一個(gè)位于空腔中心的并且被固定的位移限制軸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其中陀螺儀進(jìn)一步包括對稱地形成在傳感位移電極兩側(cè)、起到電彈簧作用以改變傳感位移電極的諧振頻率和控制傳感靈敏度的調(diào)諧電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的陀螺儀，其中在傳感位移電極的表面和調(diào)諧電極的面對傳感位移電極的表面上分別形成了間隔的齒形，傳感位移電極的齒部分面對調(diào)諧電極的齒部分，傳感位移電極的齒部分之間的間隔面對調(diào)諧電極的齒部分之間的間隔。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其中將間隔齒形提供到驅(qū)動固定電極和驅(qū)動位移電極的相對兩側(cè)，并且提供到傳感固定電極和傳感位移電極的相對兩側(cè)，以便相互交錯(cuò)地排列。
9.一種制造陀螺儀的方法，包括(a)對一個(gè)硅基底和一個(gè)玻璃基底進(jìn)行陽極結(jié)合；(b)將硅基底蝕刻和拋光到預(yù)定的厚度；(c)在硅基底上形成一個(gè)金屬層；(d)在金屬層和硅基底上進(jìn)行光刻，以形成具有陀螺儀圖形的硅結(jié)構(gòu)；(e)蝕刻玻璃基底，把硅結(jié)構(gòu)中除了一個(gè)固定軸之外的剩余部分從玻璃基底分離，以形成一個(gè)陀螺儀結(jié)構(gòu)；和(f)在陀螺儀結(jié)構(gòu)上進(jìn)行倒裝片結(jié)合，以把它連接到外部電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中方法進(jìn)一步包括在(d)和(e)之間切割硅基底和玻璃基底，并且把它們分離成獨(dú)立的元件。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中在(c)中形成的金屬層是一個(gè)Cr和Au的雙層。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中在(e)中利用HF溶液蝕刻玻璃基底。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中將利用HF溶液蝕刻玻璃基底的深度設(shè)置到大于10μm，以便使空氣阻尼最小，并且能在大氣壓下操作陀螺儀。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中在(b)中利用36％重量的80℃KOH水溶液蝕刻硅基底。
全文摘要
一種陀螺儀，包括一個(gè)固定的驅(qū)動固定電極(26)；一個(gè)位于驅(qū)動固定電極對面并且能夠在第一方向上位移的驅(qū)動位移電極(24)；一個(gè)連接到驅(qū)動位移電極(24)、根據(jù)驅(qū)動位移電極(24)的第一方向位移在第一方向上位移、并且當(dāng)施加一個(gè)角速率時(shí)在第二方向上位移的慣性塊(23)；一個(gè)連接到慣性塊(23)并且能夠根據(jù)慣性塊(23)的第二方向位移在第二方向上位移的傳感位移電極(22)；以及一個(gè)在傳感位移電極對面并且被固定的傳感固定電極(25)。驅(qū)動位移電極(24)由一個(gè)可在第一方向上移動的折疊彈簧(31)支撐，傳感位移電極由一個(gè)可在第二方向移動的折疊彈簧(32)支撐。
文檔編號G01P9/04GK1457319SQ02800295
公開日2003年11月19日 申請日期2002年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月12日
發(fā)明者金容權(quán), 金聲赫 申請人:(株)英特利智微, 金容權(quán)