專利名稱：顯微加工的陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及顯微加工的陀螺儀，特別是涉及用科氏(Coriolis)加速度檢測旋轉(zhuǎn)運動的顯微加工的陀螺儀。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，諧振結(jié)構(gòu)的機械連接基于“雙叉”結(jié)構(gòu)，其具有用于將共線的耦合運動轉(zhuǎn)變成平行耦合運動的杠桿。該杠桿具有形成在連接點的支點，以確保連接點不相對于該杠桿移動。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該陀螺儀框架適于檢測旋轉(zhuǎn)運動而不是直線運動。科氏檢測指狀物設(shè)置在該框架所所有的邊上。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，利用包括驅(qū)動機構(gòu)的諧振器質(zhì)量本身，減小諧振器質(zhì)量撓性件(flexure)上的縱向張力，該驅(qū)動機構(gòu)作為應(yīng)力減小桿。兩對質(zhì)量分別用作相位質(zhì)量和反相位質(zhì)量。每對質(zhì)量通過短撓性件連接。這使得該質(zhì)量能夠繞該撓性件稍稍轉(zhuǎn)動，使得對角線相對的角能夠同時調(diào)節(jié)該主諧振器撓性件和連接桿伸出長度的縮短。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，驅(qū)動或傳感指狀物包含在該連接桿中。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，利用沿諧振質(zhì)量邊緣形成的槽口(notch)而不是用交叉的指狀物實現(xiàn)電正交抑制。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，用于固定的驅(qū)動指狀物的成對反相位陣列的固定器設(shè)置成在橫向共線，該固定器在遠離基片的遠端相互連接的成對設(shè)置，以便該頂端抵制在該基片端的個別的扭轉(zhuǎn)，并且該指狀物母線(busbar)由柔性的折疊指狀物連接于該頂端。


在附圖中，圖1示出根據(jù)本發(fā)明實施例的示例性顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)；圖2標(biāo)記出根據(jù)本發(fā)明實施例的顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)的各種元件；圖3是重點示出根據(jù)本發(fā)明實施例的顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)的框架的視圖；圖4是重點示出根據(jù)本發(fā)明實施例的顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)的可運動質(zhì)量的視圖；圖5是重點示出根據(jù)本發(fā)明實施例的顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)杠桿的視圖；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的加速計懸掛撓性件的詳細(xì)視圖；圖7是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的可運動質(zhì)量和其相關(guān)的撓性件以及支點撓性件的詳細(xì)視圖；圖8是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的兩個杠桿和叉狀件及其相關(guān)支點撓性件以及靜電驅(qū)動器的詳細(xì)視圖；圖9是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)各種諧振結(jié)構(gòu)運動的表示；圖10是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的用于雙重差動結(jié)構(gòu)的科氏檢測器換位機構(gòu)(switch over)；圖11是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的可運動質(zhì)量靜電驅(qū)動器的詳細(xì)視圖；圖12是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的正交抑制結(jié)構(gòu)的詳細(xì)視圖；圖13是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的另一種框架懸掛結(jié)構(gòu)的視圖；圖14是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的安裝在連接桿中的驅(qū)動或傳感指狀物的結(jié)構(gòu)，其中，該指狀物以變化的角度向后傾斜以調(diào)節(jié)該連接桿的弧形運動。
具體實施例方式
顯微加工的陀螺儀包括制造成以一定速度振動的諧振器和用于測量正交的科氏加速度的加速計裝置，科氏加速度是由該速度上的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的。
將這些結(jié)構(gòu)相互連接并連接于在下面的基片的常見裝置是利用通常稱之為“系繩”或“撓性件”的顯微加工的材料的細(xì)絲(filament)。
因此，顯微加工的陀螺儀利用科氏加速度檢測并測量繞垂直于基片表面的軸線的旋轉(zhuǎn)速率。特別是，各種諧振結(jié)構(gòu)懸掛在框架內(nèi)。該諧振結(jié)構(gòu)包括通過杠桿、支點撓性件和叉狀件機械地連接的相位質(zhì)量和反相位質(zhì)量，以便產(chǎn)生用于整個諧振系統(tǒng)的單一諧振頻率。該機械系統(tǒng)確保諧振器的運動被嚴(yán)格地限制成一線性軸線沒有純粹的轉(zhuǎn)動。顯微加工的陀螺儀繞該平面的旋轉(zhuǎn)在該框架上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力。該框架以這樣的方式懸掛，使得除了旋轉(zhuǎn)方向的運動之外它的所有運動均被限制。在該框架所有的邊上的傳感器檢測該框架的轉(zhuǎn)動偏轉(zhuǎn)，用于測量方向的改變。
業(yè)已認(rèn)識到，在顯微加工的陀螺儀的現(xiàn)有技術(shù)中，平衡(或?qū)ΨQ)結(jié)構(gòu)具有明顯的更好的性能并且機械連接的諧振器對是非常希望的。見，例如，美國專利5,392,650和5,635,638。機械地連接該諧振結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)點，包括增加諧振結(jié)構(gòu)的運動，增加由該諧振結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的科氏加速度(信號)的量，避免混亂的運動，防止框架與諧振器在相同的方向運動，提供較好的相位清晰度(definition)，提供較好的外部加速度的衰減，并且由于角動量被局部地消除而改進品質(zhì)因素Q。
業(yè)已證明，如果一對諧振器僅僅用電方式連接能夠制造令人滿意的陀螺儀。一個例子描述在“Single-Chip Surface MicromachinedIntegrated Gyroscope”(IEEE JSSC vol.37 No.12 Dec′02)和美國專利6,122,961。制造公差使得兩個機械地分開的諧振器不能被制造成具有同樣的頻率，但是如果對于該對諧振器的“Q”因數(shù)足夠低，它們的諧振曲線充分地重疊，該成對諧振器可作為單個電震蕩器穩(wěn)定地起作用。
如果每個硅晶片能夠制造較多的這種器件(device)。那么，每個的成本就很少，所以制造較小的結(jié)構(gòu)具有優(yōu)點。為了從較小的結(jié)構(gòu)中獲得低噪聲和足夠的信號，需要設(shè)計它們的諧振具有高“Q”因數(shù)。那么諧振曲線可以不再充分重疊，振蕩幅度較低，并且在頻率上不充分地被形成。在極端的情況下，運動變成很混亂，對低頻噪聲具有有害的效果(即，短期輸出的不穩(wěn)定性，妨礙精確地導(dǎo)航，這是陀螺儀的主要用途之一)。
本發(fā)明的一些實施例，通過提供基于美國專利5,635,640中所描述的“雙叉”的非常有效的機械連接，能夠采用較小的結(jié)構(gòu)。共線諧振器對不能以這種方式直接連接，所以一組杠桿被用于將共線的耦合運動轉(zhuǎn)變成平行的耦合運動。該杠桿具有形成在連接于加速計框架和諧振器質(zhì)量的連接點的支點。每個支點由至少兩個正交的撓性件的軸線的交點形成。這確保該連接點不能相對于該杠桿移動，而只能轉(zhuǎn)動。移動的順從性將損害對下面描述的不想要運動的抑制。Netzer的美國專利5,763,781的圖8至11示出了類似的構(gòu)思。但是，這些結(jié)構(gòu)沒有一個將在該公開中所描述的類型的實際顯微加工的陀螺儀中行得通，因為，第一，由單個撓性件形成的支點允許不能接受的正交運動，第二，結(jié)構(gòu)的同樣缺點在連接的質(zhì)量的同相運動中具有太多的順從性，以及，第三，它們不允許應(yīng)力剛性消除，這些措施如下面描述的，是很主要的。
還知道，抑制所謂的“正交”信號是有利的，這種正交信號來自不完全正交的諧振器和加速計的軸線。抑制的方式可以是如Howe等人的美國專利6,067,858和6,250,856中所描述的電的方式，或在Geen的美國專利6,122,961中所描述的機械方式。后者使用于杠桿和撓性件系統(tǒng)一起的單獨的諧振器框架和加速計框架，以防止不想要的運動并且在實際中是非常有效的。但是，這種結(jié)構(gòu)與諧振器的直接的機械連接在拓?fù)鋵W(xué)上是不相容的。首先，將失去在諧振器之間的一半加速計指狀物，大大地減小了信號。第二，來自諧振器對的線性科氏力將在連接于它們兩者的加速計框架中消失。
本發(fā)明的一些實施例允許諧振器的機械連接而不失去來自單獨的正交抑制框架的加速計信號。這是通過識別連接的反相位諧振器質(zhì)量產(chǎn)生的與它們的質(zhì)量中心分開程度成比例的科氏力矩實現(xiàn)的，即便科氏力消失。因此，圍繞的加速計框架適于檢測轉(zhuǎn)動而不是線性運動。那么，機械正交抑制成為防止共線的諧振器對的任何純粹的轉(zhuǎn)動和防止加速計的線性運動的主要要素(matter)。而且，當(dāng)矩形加速計框架轉(zhuǎn)動時，它所有的四個邊移動，以便所有的邊可與指狀物排成直線以檢測這種運動，從而將總的靈敏度恢復(fù)到兩個線性加速計的靈敏度，但是與美國專利6,122,961的現(xiàn)有技術(shù)相比，為總面積的一半。
遇到的另一個問題是對于大的科氏信號諧振器應(yīng)當(dāng)具有大的移動行程(travel)。諧振器的主要撓性件在這種環(huán)境下將“應(yīng)力硬化”。即，當(dāng)偏轉(zhuǎn)時它們必須進一步達到行程并且結(jié)果導(dǎo)致的伸長在撓性件引起縱向張力并且伴隨橫向剛度的明顯增加。眾所周知，剛度的相對增加隨橫向偏轉(zhuǎn)對該系繩的寬度的比例的平方而變化。因此，通常1.7微米寬的系繩偏轉(zhuǎn)10微米將變硬36倍(factor of 36)，這將產(chǎn)生不能接受的非線性性，需要更大的驅(qū)動力并使諧振頻率不能足夠地形成大的倍數(shù)。這種縱向應(yīng)力能夠用如美國專利5,392,650中的簡單的反向撓性件來消除，但是這使整個諧振器在系繩的縱向運動并防止機械正交抑制。
在本發(fā)明的一些實施例中，提供消除系繩縱向應(yīng)力的裝置而不占用在美國專利6,122,961的現(xiàn)有技術(shù)中使用的額外杠桿的空間。這是利用諧振器質(zhì)量本身實現(xiàn)的，該諧振質(zhì)量包括作為應(yīng)力減少杠桿的驅(qū)動機構(gòu)。額外系繩懸掛杠桿的消除不僅節(jié)省面積，而且還增強陀螺儀整個平面外的剛性。這使得該裝置更堅固并更適合用于經(jīng)受大量沖擊和振動的車輛定位，例如在汽車的發(fā)動機室中。
在本發(fā)明的一些實施例中，通過將其分開并用非常短的撓性件重新連接而修改諧振器質(zhì)量以消除張力。這使該質(zhì)量能夠繞該撓性件稍稍轉(zhuǎn)動，以便對角線相對的角能夠同時調(diào)節(jié)主諧振器撓性件和連接桿兩者伸出長度的縮短。從支點到撓性件和杠桿的距離必須具有正確的比例，以便有效地消除兩者，所以短撓性件的定位是關(guān)鍵性的，但是這在幾何計算上并不困難。
在本發(fā)明的一個示例性的實施例中，該顯微加工的陀螺儀包括通過杠桿、支點撓性件和叉狀件機械連接的兩個相位質(zhì)量和兩個反相位質(zhì)量。理想地，這提供單一的諧振頻率。該單一的諧振頻率提供較高的Q因數(shù)，并且因此提供更多的信號。該連接結(jié)構(gòu)減少作用在框架上的外力(例如由諧振結(jié)構(gòu)的不平衡運動產(chǎn)生的平移和轉(zhuǎn)動力)，這種外力可能被誤認(rèn)為是科氏加速度。
本發(fā)明的一些實施例為了節(jié)省面積將驅(qū)動或傳感指狀物包含在連接桿中。諧振質(zhì)量從其速度產(chǎn)生科氏力矩的效率與其到中心線的距離成比例。因此，希望用于實現(xiàn)機電振蕩器目的的諧振器驅(qū)動裝置或速度傳感裝置應(yīng)當(dāng)盡可能設(shè)置成靠近中心線。這最有效地利用可得到的面積。因此從該質(zhì)量到連接桿的可拆卸部分是特別有利的。
由于該杠桿成弧形運動，設(shè)置在其上的交叉的指狀物根據(jù)到該桿到支點的半徑沿其長度以不同的角度嚙合。因此，為了防止移動的指狀物相對固定的交指形的梳狀物過度地橫向運動，該指狀物可以以由該桿的幾何形狀限定的變化的角度向后傾斜。這示于圖14。
類似的問題存在于加速計框架和圍繞其周邊設(shè)置的傳感指狀物中，由于加速計是適于旋轉(zhuǎn)的。因此，傳感指狀物能夠同樣地以變化的角度向后傾斜。但是，加速計框架的轉(zhuǎn)動與該杠桿的轉(zhuǎn)動相比通常相當(dāng)小(也許，1/100,000th)，所以這種傾斜通常不用于傳感指狀物。
本發(fā)明的一些實施例使正交信號最終能夠被調(diào)整成接近于零。盡管通過懸掛撓性件和杠桿正交的抑制，由于懸掛在其上的諧振器的反作用力，存在來自加速計框架的扭轉(zhuǎn)的剩余的正交成分。希望該框架盡可能地輕，以便節(jié)省空間又使其對科氏力的響應(yīng)最大。遺憾的是，輕框架變形較大，所以在設(shè)計中存在折中允許有一定的剩余正交。這利用Clark在美國專利5,992,233中描述的一般原理調(diào)整為接近于零，其利用在不同電壓下設(shè)置成三個一組的指狀物陣列以便提供橫向力，該橫向力隨指狀物的嚙合變化。本發(fā)明的實施例不使用從諧振器質(zhì)量邊緣切割的槽。與指狀物陣列相比，這具有占用較小空間的優(yōu)點，并使其適用于另外的無用的區(qū)域。
驅(qū)動指利用交指形的梳狀物縱向地工作，一些移動，而一些連接于基片。其原理是由Tang和Howe在美國專利5,025,346中所描述的。將縱向靜電梳狀物用于陀螺儀的最麻煩副作用之一是指狀物之間的間隙的微小的不平衡導(dǎo)致橫向運動以及想要的縱向分量，。這種運動具有分量，該分量具有與科氏信號同相的不適宜的性質(zhì)，所以，不像相當(dāng)大的正交信號，它不能被相位傳感矯正器(rectifier)排除。這種同相信號的任何不穩(wěn)定性直接成為陀螺儀誤差。陀螺儀間隙成為不平衡最有效的方式之一是利用固定指狀物的基片固定點和移動結(jié)構(gòu)的相對運動。另一個副作用來自外部加速度的移動結(jié)構(gòu)位移。幸運的是，大多數(shù)這些可以通過仔細(xì)地關(guān)注結(jié)構(gòu)和驅(qū)動裝置的對稱來消除。但是，基片的表面剪切變形很難用這種方法調(diào)節(jié)。表面剪切變形很容易由使用期間導(dǎo)致的部件應(yīng)力變化所引起，并產(chǎn)生固定指狀物陣列的相對移動和單個指狀物固定器的轉(zhuǎn)動。
在本發(fā)明的一些實施例中，固定的驅(qū)動指狀物的反相位陣列對的固定器在橫向設(shè)置成共線。以這種方式，基片的任何表面剪切將不使它們產(chǎn)生相對于相互之間的橫向運動。而且，固定器通常在遠離基片的頂端相互結(jié)合成對地安裝，以便頂端抵制在基片端部的單個的扭轉(zhuǎn)。還有，指狀物母線通常由柔性的折疊指狀物連接于頂端。這些使母線與固定器對所傳遞的變形和顯微加工的材料中的收縮應(yīng)力所產(chǎn)生的移動相隔離。它們還用作驅(qū)動器，因而使來自隔離措施的驅(qū)動的損失最小。指狀物的連接裝置在陀螺儀性能方面提供約一個數(shù)量級的改進。
圖1示出示根據(jù)本發(fā)明實施例的例性的顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)100。顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)100是來自單個硅晶片的許多顯微加工結(jié)構(gòu)中的典型的一個。顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)100通常安裝在基片上。顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)100基本上沿X軸線頂對底對稱以及沿Y軸線邊對邊對稱。
圖2標(biāo)記出顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)100的各種元件。其中，顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)100包括大體正方形的框架210，該框架210在其四個角懸掛加速計懸掛撓性件202、204、206和208。圖3重點示出框架210。在框架210的四個邊之外是指狀物212、213、214、215、216、217、218和219。各種諧振結(jié)構(gòu)懸掛在框架210內(nèi)。這些諧振結(jié)構(gòu)包括四個可移動質(zhì)量220、222、224和226，四個杠桿228、230、232和234，以及兩個叉狀件236和238。圖4重點示出質(zhì)量220。應(yīng)當(dāng)注意，質(zhì)量222、224和226與質(zhì)量220具有基本同樣的形狀、尺寸和質(zhì)量，并且沿X和/或Y軸與質(zhì)量220取向成鏡面成像。圖5重點示出杠桿228。應(yīng)當(dāng)注意，杠桿230、232和234與杠桿228具有基本同樣的形狀、尺寸和質(zhì)量，并且沿X和/或Y軸與杠桿228取向成鏡面成像。四個可移動質(zhì)量220、222、224和226分別由撓性件240、242、244和246懸掛于框架210。利用靜電驅(qū)動器248、250、252、254、256、258、260和262靜電地控制四個可移動質(zhì)量220、222、224和226的運動。下面更詳細(xì)地描述顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)100的這些和其他特征。
四個加速計懸掛撓性件202、204、206和208幫助控制框架2 10相對于基片的運動。四個加速計懸掛撓性件202、204、206和208基本限制框架210沿X軸線和沿Y軸線運動(即平移運動)，但是允許框架210在兩個方向的任何一個方向較自由地轉(zhuǎn)動(即旋轉(zhuǎn)運動)。框架210的這種旋轉(zhuǎn)運動主要是由因框架相對于諧振結(jié)構(gòu)的運動所導(dǎo)致的科氏效應(yīng)所產(chǎn)生的。
圖6詳細(xì)地示出加速計懸掛撓性件202。加速計懸掛撓性件202在位置630和640固定于基片。加速計懸掛撓性件202基本上限制框架210的平移運動，但是允許框架210的旋轉(zhuǎn)運動。結(jié)構(gòu)650和660是蝕刻補償器，用于確保其他撓性結(jié)構(gòu)的精確形成。其原理公開在美國專利6,282,960中。應(yīng)當(dāng)注意，加速計懸掛撓性件204、206和208與加速計懸掛撓性件202基本是同樣的。
指狀物212、213、214、215、216、217、218和219從框架210的四個邊伸出。設(shè)置在指狀物212、213、214、215、216、217、218和219之間的是兩組科氏檢測器。
圖6示出指狀物212和兩個科氏檢測器610和620之間的關(guān)系。
兩組科氏檢測器610和620機械地連接于基片并且不相對于該基片運動?？蚣?10的運動正如下面所述，引起指狀物212、213、214、215、216、217、218和219相對于科氏檢測器的運動。指狀物212、213、214、215、216、217、218和219相對于科氏檢測器的運動產(chǎn)生電容的變化，該變化可以用電路(未示出)測量。這種測量可以用各種方式進行。
兩組科氏檢測器610和620通過四個換位機構(gòu)1010、1020、1030和1040連接成雙重差動形式，如圖10所示。換位機構(gòu)1010、1020、1030和1040基本上消除了來自周圍電路引起的電信號和框架210的平移運動產(chǎn)生的信號，但是明顯放大了框架210的旋轉(zhuǎn)運動所產(chǎn)生的信號。具體說，當(dāng)存在框架210的平移運動時，科氏檢測器的大約一半產(chǎn)生信號，而另一半產(chǎn)生基本相等的相反信號，其結(jié)果凈信號為零。因此，框架210的平移運動基本被電子地消除。然而，當(dāng)存在框架210的旋轉(zhuǎn)運動時，所有的科氏檢測器產(chǎn)生互補的信號，當(dāng)其組合并放大時，該信號表示旋轉(zhuǎn)運動的量值。通過將指狀物和科氏檢測器設(shè)置在框架210的所有邊上，與指狀物和科氏檢測器只設(shè)置在框架210的兩個邊上相比，產(chǎn)生較大的信號。
包括質(zhì)量220、222、224和226、撓性件240、242、244和246、杠桿228、230、232和234以及叉狀件236和238的諧振結(jié)構(gòu)機械地連接。再參考圖2，質(zhì)量220和222經(jīng)支點撓性件264機械地連接，而質(zhì)量224和226經(jīng)支點撓性件266機械地連接。質(zhì)量220和224經(jīng)杠桿228和230以及叉狀件236機械地連接，而質(zhì)量222和226經(jīng)杠桿232和234以及叉狀件238機械地連接。支點撓性件264和266，杠桿228、230、232和234，以及叉狀件236和238使得質(zhì)量220、222、224和226一起運動。
質(zhì)量220由撓性件240懸掛于框架210，由支點撓性件264懸掛于質(zhì)量222，并由支點撓性件268懸掛于杠桿228。質(zhì)量222由撓性件242懸掛于框架210，由支點撓性件264懸掛于質(zhì)量220，并由支點撓性件272懸掛于杠桿232。質(zhì)量224由撓性件244懸掛于框架210，由支點撓性件266懸掛于質(zhì)量226，并由支點撓性件276懸掛于杠桿230。質(zhì)量226由撓性件246懸掛于框架210，由支點撓性件266懸掛于質(zhì)量224，并由支點撓性件280懸掛于杠桿234。
杠桿228由支點撓性件270懸掛于框架210，由支點撓性件268懸掛于質(zhì)量220，并由叉狀件236懸掛于杠桿230。杠桿230由支點撓性件278懸掛于框架210，由支點撓性件276懸掛于質(zhì)量224，并由叉狀件236懸掛于杠桿228。杠桿232由支點撓性件274懸掛于框架210，由支點撓性件272懸掛于質(zhì)量222，并由叉狀件238懸掛于杠桿234。杠桿234由支點撓性件282懸掛于框架210，由支點撓性件280懸掛于質(zhì)量226，并由叉狀件238懸掛于杠桿232。
圖7詳細(xì)地示出質(zhì)量220和相關(guān)元件。質(zhì)量220由撓性件240懸掛于框架210，由支點撓性件264懸掛于質(zhì)量222，并由支點撓性件268懸掛于杠桿228。撓性件240優(yōu)選由三個平行的蝕刻(etches)構(gòu)成，其中，中心蝕刻是未斷開的，而外面的兩個蝕刻在兩處斷開。外外面的蝕刻是蝕刻補償器，用于確保中心蝕刻精確地形成。應(yīng)當(dāng)注意，質(zhì)量222、224和226以及它們相關(guān)的元件與質(zhì)量220和其相關(guān)的元件基本是同樣的。
圖8詳細(xì)地示出杠桿228和230以及它們相關(guān)的元件。杠桿228由支點撓性件270懸掛于框架210，由支點撓性件268懸掛于質(zhì)量220，并且由支點撓性件820懸掛于叉狀件236。杠桿230由支點撓性件278懸掛于框架210，由支點撓性件276懸掛于質(zhì)量224，并且由支點撓性件830懸掛于叉狀件236。叉狀件236由支點撓性件820懸掛于杠桿228，并由支點撓性件830懸掛于杠桿230。應(yīng)當(dāng)注意，杠桿232和234以及它們相應(yīng)的元件與杠桿228和230以及它們相應(yīng)的元件基本是同樣的。
撓性件240、242、244和246分別地基本限制質(zhì)量220、222、224和226沿Y軸的移動，但是分別允許質(zhì)量220、222、224和226沿X軸的移動。撓性件240、242、244和246也分別允許質(zhì)量220、222、224和226在其移動時稍稍地轉(zhuǎn)動。
支點撓性件264將質(zhì)量220和222基本鎖定在一起，以便它們一起運動。同樣，支點撓性件266將質(zhì)量224和226基本鎖定在一起，以便它們一起運動(不過與質(zhì)量220和222相反)。
杠桿228和230，叉狀件236以及支點撓性件268、270、820、830、276和278將質(zhì)量220和224基本鎖定在一起，以便它們能夠進行基本相等但方向相反的運動。杠桿232和234，叉狀件238，以及支點撓性件272、274、280和282，以及將杠桿232和234連接于叉狀件238(未示出)的支點撓性件將質(zhì)量222和226基本鎖定在一起，以便它們能夠進行基本相等但方向相反的運動。
杠桿228和230將質(zhì)量220和224的基本相等但相反的從一側(cè)到另一側(cè)的運動轉(zhuǎn)換成叉狀件236沿Y軸的基本直線運動。具體說，質(zhì)量220的從一側(cè)到另一側(cè)的運動通過支點撓性件268被傳遞給杠桿228，同時，質(zhì)量224的從一側(cè)到另一側(cè)的運動通過支點撓性件276被傳遞給杠桿230。杠桿228和230分別在支點撓性件270和278轉(zhuǎn)動，并分別在支點撓性件820和830轉(zhuǎn)動，以使叉狀件236沿Y軸直線運動。這些傳遞使質(zhì)量220和224當(dāng)它們從一側(cè)到另一側(cè)移動時稍稍轉(zhuǎn)動。具體說，當(dāng)向左移動時質(zhì)量220稍稍朝著質(zhì)量222轉(zhuǎn)動，當(dāng)向右移動時稍稍轉(zhuǎn)動離開質(zhì)量222，同時，當(dāng)向右移動時質(zhì)量224稍稍朝著質(zhì)量226轉(zhuǎn)動，當(dāng)向左移動時稍稍轉(zhuǎn)動離開質(zhì)量226。
同樣，杠桿232和234將質(zhì)量222和226的基本相等但相反的從一側(cè)到另一側(cè)的運動轉(zhuǎn)換成叉狀件238沿Y軸的直線運動。具體說，質(zhì)量222的從一側(cè)到另一側(cè)的運動通過支點撓性件272被傳遞給杠桿232，同時，質(zhì)量226的從一側(cè)到另一側(cè)的運動通過支點撓性件280被傳遞給杠桿234。杠桿232和234分別在支點撓性件274和282，并分別在將杠桿232和234連接于叉狀件238(未示出)支點撓性件轉(zhuǎn)動，以使叉狀件238沿Y軸直線運動。這些傳遞使質(zhì)量222和226當(dāng)它們從一側(cè)到另一側(cè)移動時稍稍轉(zhuǎn)動。具體說，當(dāng)向左移動時質(zhì)量222稍稍朝著質(zhì)量220轉(zhuǎn)動，當(dāng)向右移動時稍稍朝著離開質(zhì)量220轉(zhuǎn)動，同時當(dāng)向右移動時質(zhì)量226稍稍朝著質(zhì)量224轉(zhuǎn)動，當(dāng)向左移動時稍稍轉(zhuǎn)動離開質(zhì)量224。
應(yīng)當(dāng)注意，諧振器的對稱性和精確的反相運動一起引起來自樞轉(zhuǎn)運動的角動量，以消除并且不引起加速計框架的轉(zhuǎn)動。
圖9示出質(zhì)量220、222、224和226相對于叉狀件236和238的相對運動。應(yīng)當(dāng)注意，實際上，這些和其他諧振器結(jié)構(gòu)移動非常小的距離，并且箭頭夸張地示出質(zhì)量220、222、224和226從一側(cè)到另一側(cè)的運動和轉(zhuǎn)動。
如上所述，用靜電驅(qū)動器移動并控制質(zhì)量。圖11示出靜電驅(qū)動器的詳圖。具體說，用于質(zhì)量220的電驅(qū)動器250。該靜電驅(qū)動器250是顯微加工的，以便在質(zhì)量220內(nèi)形成包括兩組指狀物1110和1120和兩組電極指狀物1130和1140的空腔，該兩組指狀物1110和1120與質(zhì)量220是一體的，兩組電極指狀物1130和140設(shè)置在空腔內(nèi)并與基片連接。電極指狀物1140圍繞驅(qū)動指狀物1110并安裝在其之間，而電極指狀物1130圍繞驅(qū)動指狀物1120并安裝在其之間。當(dāng)對電極指狀物1140施加電壓時，驅(qū)動指狀物1110被拉向電極指狀物1140，在質(zhì)量220上產(chǎn)生一個向右的力。當(dāng)對電極指狀物1130施加電壓時，驅(qū)動指狀物1120被拉向電極指狀物1130，在質(zhì)量220上產(chǎn)生一個向左的力。對電極指狀物1130和1140交替地施加電壓引起質(zhì)量來回運動。兩組電極指狀物1130和1140優(yōu)選直線地固定于基片，以便減小由基片的表面剪切所產(chǎn)生的力矩。這種表面剪切能夠在質(zhì)量220上產(chǎn)生力矩。應(yīng)當(dāng)注意，靜電驅(qū)動器248、252、254、256、258、260和262與靜電驅(qū)動器250基本是同樣的。
應(yīng)當(dāng)注意，靜電驅(qū)動器248、252、254、256、258、260和262設(shè)置在靠近顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)100的中間，以便大多數(shù)質(zhì)量遠離中心。這增加顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)100對科氏加速度的靈敏度。
還有用于杠桿228、230、232和234的靜電驅(qū)動器。圖8示出用于杠桿228、230、232和234的部分靜電驅(qū)動器810。靜電驅(qū)動器810被顯微加工以便在每個杠桿上形成驅(qū)動指狀物和一組連接于基片的電極指狀物。電極指狀物圍繞驅(qū)動指物并安裝在驅(qū)動指物之間。當(dāng)對電極指狀物施加電壓時，驅(qū)動指狀物被拉向電極指狀物，在每個杠桿上產(chǎn)生一個向著電極指狀物的力。靜電驅(qū)動器810用于增強諧振結(jié)構(gòu)的運動。對于這些交替利用以感測諧振器的速度。這種速度信號用于關(guān)閉激勵諧振的機電振蕩回路。
應(yīng)當(dāng)注意，諧振結(jié)構(gòu)優(yōu)選以其固有諧振頻率或其固有諧振頻率附近被驅(qū)動以便增強諧振結(jié)構(gòu)的運動范圍。這反過來又增強了陀螺儀的靈敏度。
應(yīng)當(dāng)注意，在理論上，各種陀螺儀結(jié)構(gòu)被精確地平衡，以便它們以基本同樣的頻率和相位移動。但是，實際上，各種陀螺儀結(jié)構(gòu)不是被精確地平衡。例如，質(zhì)量220、222、224和226理論上是同樣的(雖然在X和/或Y軸鏡面成像)，但是至少部分地由于材料和用于形成質(zhì)量的工藝的變化，通常不是同樣的。類似的不平衡在其他陀螺儀結(jié)構(gòu)中能夠發(fā)生，例如各種杠桿，樞軸和撓性件。這些不平衡能夠表現(xiàn)為質(zhì)量運動的不同相(以下稱之為“正交”)，并且每個器件和每個器件之間都會不同。結(jié)構(gòu)的機械剛度大大地地抑制這些運動，但是會有一定剩余正交。
因此，電正交抑制結(jié)構(gòu)通常用于減小正交的量。其一般原理公開自在Clark的美國專利第5,992,233號中。在本發(fā)明的實施例中，正交抑制結(jié)構(gòu)通常包括至少一個沿著質(zhì)量運動方向位于該質(zhì)量部分附近的電極。當(dāng)對電極施加電壓時，結(jié)果得到的靜電力產(chǎn)生橫向力，該橫向力將該質(zhì)量吸向該電極。單個的電極通常與每個質(zhì)量相關(guān)，雖然不是所有的電極都被激活，而是特定器件的的正交行為通常成為確定那個(如果有的話)電極將被激活以減少正交的特征。
由于正交量隨質(zhì)量的運動而變化，所以優(yōu)選由電極施加的橫向力同樣也隨著該質(zhì)量的運動而變化。
改變由電極施加在該質(zhì)量上的橫向力的方法之一是根據(jù)該質(zhì)量的位置改變施加在該電極上的電壓。具體說，當(dāng)該質(zhì)量向外朝框架移動時增加電壓，當(dāng)該質(zhì)量向內(nèi)移動離開框架時減少電壓。這種解決方案在實際應(yīng)用中非常困難。
改變由電極施加在該質(zhì)量上的橫向力的另一種方法是根據(jù)該質(zhì)量的位置改變靠近電極的該質(zhì)量的量。圖12示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的正交抑制結(jié)構(gòu)1200的詳細(xì)視圖。兩個電極1210和1220設(shè)置在兩個鄰近的質(zhì)量220和222之間，具體設(shè)置在形成于該兩個質(zhì)量220和222中的空腔內(nèi)并在該兩個質(zhì)量的旁邊。電極1210鄰近質(zhì)量220，并且能夠沿向下的方向?qū)|(zhì)量220施加橫向力。電極1220鄰近質(zhì)量222，并且能夠沿向上的方向?qū)|(zhì)量222施加橫向力。為了改變電極施加的橫向力的大小，每個質(zhì)量上形成槽口，該槽口形成在鄰近電極部分朝著該電極靠近框架的端部。當(dāng)質(zhì)量向外朝著框架移動時，直接鄰近電極的質(zhì)量的長度增加，導(dǎo)致施加在該質(zhì)量上的較大的橫向力。當(dāng)質(zhì)量向內(nèi)移動離開框架時，直接鄰近電極的質(zhì)量的長度減小，導(dǎo)致施加在該質(zhì)量上的較小的橫向力。
在本發(fā)明的典型實施例中，電壓施加在一個電極而不是兩個電極1210和1220上。對其施加電壓的電極通常利用特性化的正交和確定最能減小正交的該電極(如果有)來選擇。
應(yīng)當(dāng)注意，類似的正交抑制結(jié)構(gòu)形成在質(zhì)量224和226之間。為了減小靜電力通常激活質(zhì)量220和222之間的一個電極和質(zhì)量224和226之間的一個電極。
應(yīng)當(dāng)注意，正交抑制電極的位置不限于兩個質(zhì)量之間交界處的空腔。電極可以設(shè)置在其他位置。各種電極的位置應(yīng)當(dāng)平衡。電極通常對質(zhì)量產(chǎn)生一定量的力矩，并且該力矩量通常至少在一定程度上取決于該電極的位置。小力矩量一般不是問題。
在本發(fā)明的典型實施例中，對電極施加恒定的電壓。這通常得到較好的結(jié)果?？蛇x地，施加于電極的電壓可以變化。當(dāng)做法適當(dāng)時這能夠?qū)е赂纳普灰种疲且栽黾訌?fù)雜性為代價。
雖然在圖1和圖2示出加速計懸掛撓性件202、204、206和208設(shè)置在框架的四個角，應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明不限于加速計懸掛撓性件的這種設(shè)置。而是，加速計懸掛撓性件可以沿框架設(shè)置在各種不同的點。加速計懸掛撓性件優(yōu)選限制框架的平移運動，同時允許框架繞質(zhì)量中心的旋轉(zhuǎn)運動。這可以通過設(shè)置加速計懸掛撓性件實現(xiàn)，使每對相對的加速計懸掛撓性件之間的線性軸線通過該陀螺儀的質(zhì)量有效中心。
在臨時申請的附頁A1至A9中詳細(xì)描述了本發(fā)明的各個方面，其結(jié)合在上面所述中作為參考。
在本發(fā)明的可選實施例中，加速計懸掛撓性件設(shè)置在框架四邊的中間而不是框架的四個角。圖13示出根據(jù)本發(fā)明實施例的另一種框架懸掛結(jié)構(gòu)。在這個實施例中，四個加速計懸掛撓性件1304、1306、1308和1310設(shè)置在該框架1302的四邊的中間。加速計懸掛撓性件的這種設(shè)置帶來一些制造優(yōu)點。具體說，一些蝕刻設(shè)備根據(jù)直線柵格產(chǎn)生蝕刻，所以，與以一定角度設(shè)置的柵格的特征相比(角設(shè)置的撓性件)很容易產(chǎn)生與該柵格對齊的特征(邊設(shè)置的撓性件)。角設(shè)置的撓性件不能特別有效的產(chǎn)生空間效率。
通常通過下述步驟制造陀螺儀在基片(約600um厚)頂部沉積氧化物層(約2um厚)；用光刻(photolithography)在氧化物層上在所希望的位置(特別是在該顯微加工的陀螺儀與該基片連接的位置)形成孔；在形成薄膜的整個氧化物層上沉淀多晶硅層(約4um厚)，該薄膜通過氧化物層的孔連接于基片；用光刻在多晶硅層上形成復(fù)雜的顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)100；以及用氫氟酸除去氧化層。這樣，得到的顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)100懸掛在約2um厚的基片之上。應(yīng)當(dāng)注意，顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)100具有大量的孔，特別是在質(zhì)量220、222、224和226，杠桿228、230、232和234，以及框架210上。這些孔形成在顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)100上，以便使氫氟酸能夠充分地流過并流到氧化物層。如果這種顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)100被放置在真空中，顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)100通常特別容易損壞并通常具有瞬變(ring)趨向的高諧振頻率。通過在空氣中運行顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)100，空氣減震該顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)100，并減少瞬變。
應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明的顯微加工的陀螺儀通常在空氣中而不是在真空中運行。在空氣中運行具有許多優(yōu)點和缺點。一方面，空氣由于粘滯阻尼趨于阻止移動元件的運動，導(dǎo)致小輸出信號，這往往會造成破壞同步校正的相位偏移，并且由于空氣分子的撞擊(布朗運動)往往會引起噪聲，導(dǎo)致減小信噪比。但是，另一方面，在空氣中運行，能夠使顯微加工的陀螺儀成為薄膜結(jié)構(gòu)，提供一種空氣墊，使薄膜結(jié)構(gòu)堅固，并消除陀螺儀單元對氣密密封件的需要，從而使最終產(chǎn)品的總的成本降低。
本發(fā)明可以以其他的具體方式實施而不脫離本發(fā)明的實際范圍。所描述的實施例在各個方面認(rèn)為是說明性的而不是限制性的。
因此，尤其是，本發(fā)明決不限于框架的形狀、尺寸，諧振結(jié)構(gòu)(包括質(zhì)量、杠桿、叉狀件、撓性件和支點撓性件)的形狀、尺寸，可運動質(zhì)量的數(shù)量，諧振結(jié)構(gòu)的機械連接方式，用于檢測科氏加速度的指狀物的數(shù)量，諧振結(jié)構(gòu)被驅(qū)動的方式，以及制造陀螺儀的材料和方式。
權(quán)利要求
1.一種顯微加工的陀螺儀裝置，包括在基本所有邊上被多個指狀物環(huán)繞的框架；設(shè)置在該指狀物之間的多個科氏檢測器；連接于該框架的多個加速計懸掛撓性件，用于將該框架懸掛于基片，該加速計懸掛撓性件構(gòu)造成限制該框架在該基片平面內(nèi)的平移運動，并允許該框架在該基片平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動；以及懸掛在該框架內(nèi)的多個諧振結(jié)構(gòu)，該多個諧振結(jié)構(gòu)機械地連接以產(chǎn)生單一諧振頻率并限制慣性力從諧振結(jié)構(gòu)傳輸?shù)皆摽蚣?，其中，該顯微加工的陀螺儀結(jié)構(gòu)在該基片平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動引起該框架在該基片平面內(nèi)相對于該基片的轉(zhuǎn)動以及該指狀物相對于該科氏檢測器的相應(yīng)的運動。
2.如權(quán)利要求1的裝置，其中，該諧振結(jié)構(gòu)包括多個杠桿，用于將該諧振結(jié)構(gòu)的耦合運動從共線運動轉(zhuǎn)換成平行運動。
3.如權(quán)利要求2的裝置，其中，該杠桿具有形成在連接點的支點，以確保該連接點不能相對于該杠桿平移。
4.如權(quán)利要求1的裝置，其中，該諧振結(jié)構(gòu)包括通過第一撓性件連接的一對相位質(zhì)量；和通過第二撓性件連接的一對反相位質(zhì)量。
5.如權(quán)利要求2的裝置，其中，該諧振結(jié)構(gòu)包括包含在該多個杠桿中的驅(qū)動或傳感指狀物。
6.如權(quán)利要求4的裝置，其中，每個質(zhì)量包括至少一個槽口，用于電子正交抑制。
7.如權(quán)利要求1的裝置，其中，該諧振結(jié)構(gòu)包括在橫向設(shè)置成共線的固定的驅(qū)動指狀物陣列，其中，該固定器安裝在遠離基片的頂端且相互連接成對，以便頂部抵制在該基片端部的單個的扭轉(zhuǎn)，并且其中，指狀物母線由柔性的折疊指狀物連接于頂部。
全文摘要
一種顯微加工的陀螺儀利用科氏加速度檢測并測量繞垂直于該基片表面的軸線的旋轉(zhuǎn)速率。特別是，各種諧振結(jié)構(gòu)懸掛在框架內(nèi)。該諧振結(jié)構(gòu)包括機械地連接的相位和反相位質(zhì)量，以便產(chǎn)生用于整個諧振系統(tǒng)的單一諧振頻率。該顯微加工陀螺儀繞軸線的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生作用在該框架上的旋轉(zhuǎn)力。該框架以這樣的方式懸掛，使其除旋轉(zhuǎn)方向之外沿所有方向的運動被嚴(yán)格地限制。在該框架所有邊上的傳感器檢測該框架的旋轉(zhuǎn)的偏轉(zhuǎn)，用于測量方向的變化。
文檔編號G01C19/56GK1628238SQ03803436
公開日2005年6月15日 申請日期2003年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月6日
發(fā)明者約翰·A·吉恩 申請人:模擬設(shè)備公司