专利名称：具有垂直集成的电子器件和晶片级密封式封装的x-y轴双质量块音叉陀螺仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及角速度传感器，尤其涉及具有两个振荡检测质量块的平面内角速度传 感器。
背景技术：
经常使用惯性传感器进行角速度的感测。通过将惯性角速度传感器驱使至第一运 动并且测量响应于第一运动和待感测的角速度两者的传感器的第二运动，该传感器广泛应 用。经常地，通过致动器将传感器内的质量块(通常称为检测质量块)驱使至振荡。 传感器的转动将与角速度(或转速)成比例并且依赖于角速度矢量关于检测质量块的速度 矢量的方向的科氏力施加至振荡的质量块。科氏力、角速度矢量以及质量块速度矢量相互 正交。例如，在传感器内沿X方向移动且关于Y轴转动的检测质量块经历Z方向的科氏力。 同样地，在传感器内沿X方向移动且关于Z轴转动的检测质量块经历Y方向的科氏力。最 后，在传感器内沿X方向移动且关于X轴转动的检测质量块不承受科氏力。通常通过测量 响应于科氏力的传感器内的运动来间接地感测施加至质量块的科氏力。近年来，微机械加工技术(也已知为MEMS(微电子机械系统)技术)的发展引起 各种MEMS角速度惯性传感器的发展。MEMS技术基本上是平面技术，其中，用于驱使平面内 运动的适宜的MEMS致动器往往与用于驱使出平面运动的适宜的MEMS致动器显著不同。同 样地，用于测量响应于科氏力的平面内运动的适宜的MEMS传感器往往与用于测量响应于 科氏力的出平面运动的适宜的MEMS传感器显著不同。这些区别均为结构区别和性能区别。由于以上讨论的质量块速度、角速度以及科氏力的正交性，平面内MEMS角速度传 感器必需驱使出平面运动或感测出平面运动以检测平面内角速度分量。相反，出平面MEMS 角速度传感器能够驱使并感测两个正交的平面内运动以检测出平面角速度分量。由于MEMS 技术的平面性质，平面内MEMS传感器与出平面MEMS传感器倾向于显著不同。已知平面内MEMS角速度传感器将两个检测质量块驱使至振荡。例如，Cardarelli 的美国专利第6，481，283号示教一种平面内MEMS传感器。在Cardarelli的坐标系中，装 置平面是YZ平面。在第一实施方式中，Cardarelli示教沿+/-Y方向(即，平面内)高频 振动的两个质量块。关于Z轴的角速度导致这两个质量块上的X方向的科氏力。这两个质
5量块连接至关于Z轴可转动的平衡环，以便该质量块上的X方向的力在平衡环上提供Z方 向的转矩。这两个质量块高频振动以具有相反方向的速度，从而这两个科氏力关于Z轴在 平衡环上提供净转矩。感测平衡环关于Z轴的运动。在第二实施方式中，Cardarelli示教沿+/-X方向(即，出平面)高频振动的两个 质量块。关于Z轴的角速度导致这两个质量块上的Y方向的科氏力。这两个质量块连接至 关于Z轴可转动的平衡环，以便该质量块上的Y方向的力在平衡环上提供Z方向的转矩。这 两个质量块高频振动以具有相反方向的速度，从而这两个科氏力关于Z轴在平衡环上提供 净转矩。感测平衡环关于Z轴的运动。McCall等的美国专利第6，508，122号中示教了另一已知的平面内MEMS角速度传 感器，该传感器将两个检测质量块驱使至振荡。McCall等示教如下的平面内MEMS传感器 该传感器具有横向地(laterally)设置在装置平面内并且沿该平面方向关于彼此异相高 频振动的两个未连接的质量块。为了明确，设装置平面为XY平面，并且设高频振动沿X方 向。由于Z方向的科氏力，当该传感器关于Y轴转动时，这些质量块沿Z方向振荡。感测这 些质量块的Z方向的振荡。Cardarelli与McCall等的方法均是受从角速度测量中排除“共模”干扰的希望 所激励的。例如，如果具有单检测质量块的角速度传感器经受与待感测的科氏力相同方向 的线性加速度，则该角速度传感器会显示不正确的读数。对于两个质量块，可能存在响应于 科氏力但通常不响应于与科氏力相同方向的线性加速度的各种布置，这些布置包括上面提 及的那些布置。典型地，这些配置依赖于驱使这两个质量块使得它们的速度总是相等且相 反。由于与相等且相反的速度的状态的偏离降低对于科氏力的期望的响应并且增加对于线 性加速度的不期望的响应，因此，任何这种偏离是不利的。然而，在实践中，并非是以相等且相反的速度直接驱使两个质量块。例如，两个名 义上相等且同一地安装的质量块在实践中可能不同，使得以相同的激励致动这两个质量块 提供不是相等且相反的速度。致动器也往往在效率方面不同，因此，即使两个质量块相同且 同一地安装，连接至这两个质量块的致动器的变动能够再次提供不是相等且相反的质量块 速度。同样地，连接至致动器的电路可能不相同等。结果，已知的两质量块平面内角速度传 感器没有完全地实现由两个质量块结构所希望有的共模抑制。目的和优点因此，本发明的目的是提供一种由于机械地限制两个质量块沿相反方向移动而改 进共模抑制从而具有改进的测量精度的平面内角速度传感器。本发明的另一目的是提供一种由于感测和驱动电子器件的垂直集成而具有降低 的成本的角速度传感器。本发明的又一目的是提供一种具有低成本密封式封装的角速度传感器。本发明的又一目的是提供一种角速度传感器，该角速度传感器由于使用提供具有 增加的行进距离的较大的检测质量块的体型MEMS技术而具有改进的性能。本发明的另一目的是提供一种通过使用扭力安装且静电驱动的、具有连接至质量 块的杠杆臂的板来增加质量块行进距离而具有改进的性能和降低的成本的角速度传感器。本发明的又一目的是提供一种具有集成在同一器件管芯上的X轴角速度传感器 和Y轴角速度传感器的低成本双轴平面内陀螺仪�？�。
概述本发明提供一种具有横向地设置在平面内且间接地连接至框架的两个质量块的 平面内角速度传感器。通过联动装置将这两个质量块联结在一起以便它们沿Z轴在相反方 向上移动(即，当一个质量块沿+Z方向移动时，另一质量块沿-ζ方向移动，反之亦然)。这 里，Z是出平面方向。可以通过将这两个质量块驱使至Z方向的反相振荡并测量由此传递 至框架的角振荡振幅来感测平面内角速度。可选地，可以通过将框架驱使至关于Z轴角振 荡并测量由此传递至两个质量块的Z方向的反相振荡振幅来感测平面内角速度。该联动装置还包括中心板，该中心板连接至所述框架并且连接至所述第一和第二 质量块且在第一和第二质量块之间。该中心板关于转动中心轴可转动，第一边缘板通过基 底的驱动式固定器(drive anchor)部分连接至基底并且连接至所述第一质量块。所述第 一边缘板关于第一转动轴可转动，并且第二边缘板通过基底的驱动式固定器部分连接至基 底并连接至所述第二质量块。第二边缘板关于第二转动轴可转动。中心转动轴、第一和第 二转动轴相互平行并且还平行于所述传感器平面。在优选实施方式中，使用体型微机械加工(MEMS)技术从单个硅晶片制备框架、两 个质量块和联动装置以形成陀螺仪晶片。在又一优选实施方式中，在单个硅晶片中包括用 于驱使和感测陀螺仪晶片的元件的运动的电路以形成固定至陀螺仪晶片的参考晶片。在该 实施方式中，还优选从单个硅晶片制备罩体晶片(cap wafer)，并且将罩体晶片固定至陀螺 仪晶片，使得陀螺仪晶片夹在罩体晶片和参考晶片之间。以这种方式，可以形成密封屏障以 保护陀螺仪晶片的元件不受环境影响。
图1示意性示出根据本发明的陀螺仪晶片的平面视图。图IA是陀螺仪晶片的机械结构的第一实施方式。图IB是陀螺仪晶片的机械结构的第二实施方式。图IC是陀螺仪晶片的机械结构的第三实施方式。图2示意性示出本发明的实施方式的横截面视图，包括沿线I的图1的陀螺仪晶 片的横截面视图。图3示意性示出显示优选的挠性结构的细节的平面视图。图4示意性示出图3的挠性结构沿线II的横截面视图。图5示意性示出适于本发明使用的两个电极结构。图6示意性示出图1的部分陀螺仪晶片的放大视图。图7a、7b、7c和7d示意性示出用于制造根据本发明的实施方式的罩体晶片的处理步骤。图8a、8b、8c和8d示意性示出用于制造根据本发明的实施方式的罩体晶片和陀螺 仪晶片的组件的处理步骤。图9a和9b示意性示出用于制造根据本发明的实施方式的参考晶片的处理步骤。图IOa和IOb示意性示出用于制造根据本发明的实施方式的罩体晶片、陀螺仪晶 片和参考晶片的组件的处理步骤。图Ila和lib示意性示出在操作时图2的结构如何移动。
图12是电极结构的示意俯视图。优选实施方式的具体描述图1示意性示出根据本发明的优选实施方式的陀螺仪晶片20的平面视图。在图 1的实施方式中，优选从单个硅晶片制备图上所示出的各种元件。首先，将考虑陀螺仪晶片 20的机械结构，然后考虑其操作。最后，将讨论陀螺仪晶片20的制备。在图1的实施方式中，中心板28通过扭转铰链28A连接至框架34，这允许中心板 28关于图1上的X轴转动。铰链28A还在板28上提供倾向于将板的位置恢复至X-Y平面 内的标称位置的恢复转矩。通过铰链58将检测质量块22连接至中心板28，并且通过铰链 56将检测质量块24连接至中心板28。中心板28、检测质量块22和检测质量块24的子组 件一起组成联动装置，使得检测质量块22和24必定沿Z轴在相反的方向上移动。优选如下在该联动装置内包含额外的元件第一边缘板26，其通过铰链60连接至 检测质量块22并且通过扭转铰链26A经由基底36的驱动式固定器部分连接至基底36 ；以 及第二边缘板30，其通过铰链54连接至检测质量块24并且通过扭转铰链30A经由基底36 的驱动式固定器部分连接至基底36。扭转铰链26A和30A允许板26和30分别关于图1上 的X轴转动，并且还可以分别向板26和30提供恢复转矩，这倾向于将板26和30的位置恢 复至它们在X-Y平面内的标称位置。利用多个挠性件32将框架34连接至基底36。挠性件32被配置为当框架34关于 Z轴转动至不同于其标称位置的位置时向框架34提供恢复转矩。图1示出关于框架34的 周界对称布置的四个挠性件32。尽管优选诸如图1的结构的、对于框架34提供良好的机械 支撑的对称的挠性结构，然而，本发明不需要这种挠性结构。可以利用设置在基底36之间并且连接至基底36的电容性传感器感测框架34关 于基底36的转动。可选地，可以使用设置在框架34和基底36之间并且连接至框架34和 基底36的静电致动器驱使框架34关于Z轴进行角振荡。本领域已知这种电容性传感器和 静电致动器的各种结构，并且在很多情况下，特定的电极结构能够提供任一功能。图IA是图1的陀螺仪晶片20的机械结构的第一实施方式。图IB是陀螺仪晶片20的机械结构的第二实施方式。在该实施方式中，与图IA的 挠性件相比，挠性件54与55以及挠性件58与60翻转，从而增加检测质量块22和24与板 28的中心的有效距离，因而增大灵敏性。图IC是陀螺仪晶片20的机械结构的第三实施方式。在该晶片20中，通过四个点 65a-65d将框架34悬挂于基底36，并且通过两个驱动式固定器部分将边缘板26和30悬挂 于基底36。因此，在第三实施方式中，基底的驱动式固定器点的数量减少至二。这减少封装 影响传感器参数的量。图5示意性示出适于感测和/或驱动框架34关于基底36的相对角运动的两个典 型的电极结构作为38A、38B、38C和40A、40B、40C。这些电极结构或类似的电极结构优选沿 框架34的周界对称地设置。本发明的实施不需要任何特定的电极结构。在图1上的框架34内的元件(即，包括质量块22、24以及板26、28和30的优选 的联动装置)仅通过铰链28A连接至框架34。在框架34与质量块22和24之间存在间隙。 除了在这些铰链的连接点处，在框架34与板26、28和30之间也存在间隙。这些间隙足够 大以允许联动装置在其设计范围内移动而不碰撞框架34。图1中未示出这些间隙。
图2示意性示出本发明的实施方式的横截面视图。该横截面视图包括沿线I的图 1的陀螺仪晶片20的横截面视图。如图2所示，图1的陀螺仪晶片20优选固定至罩体晶片 42和参考晶片44，从而使得陀螺仪晶片20夹在罩体晶片42和参考晶片44之间。在一个 实施方式中，驱动式固定器设置在罩体晶片42和参考晶片44之间。这还增加传感器的耐 用性。利用该结构，罩体晶片42和参考晶片44相组合来保护陀螺仪晶片20免受周围环境 影响，从而增加传感器的可靠性和耐用性。此外，在陀螺仪晶片20和晶片42、44之间进行 结合以在诸如运动的质量块22和24等陀螺仪晶片20的关键元件与周围环境之间提供密 封屏障。结合图2、Ila和lib最好地理解包括质量块22和24以及板26、28和30的联动 装置的运动。图2上的点26B、28B和30B分别与扭转铰链26A、28A和30A对齐，从而使得 板26、28和30分别能够在图2的平面(Y-Z平面)内关于点26B、28B和30B转动。联动装 置的部件通过柔性铰链54、56、58和60连接在一起，这禁止相邻部件的相对平移，但是允许 相邻部件在Y-Z平面内相对转动。因此，如图lib所示，当质量块22沿图2上的+Z方向移动(S卩，在图2上向上) 时，板28关于点28B顺时针转动并且质量块24必须沿-Z方向移动，而板26和30逆时针转 动。同样地，如图Ila所示，当质量块22沿-Z方向移动时，板28逆时针转动并且质量块24 沿+Z方向移动，而板26和30顺时针转动。换句话说，由质量块22、质量块24以及板26、 28和30所形成的联动装置确保质量块22和24必定沿Z轴在相反的方向上移动。如上所 述，在框架34与板26之间以及框架34与板30之间存在间隙，这在图2中很明显。如图2所示，罩体晶片42和参考晶片44连接至陀螺仪晶片20的基底36，并且不 与陀螺仪晶片20的任何其它部件相接触。由于挠性件32和框架34不与罩体晶片42或参 考晶片44相接触，因此，这些晶片不干扰框架34关于Z轴的转动。参考晶片44与基底36 之间的连接示意性地表示为图2中的46。连接46是参考晶片44与基底36之间的机械连 接以及参考晶片44与基底36之间的电连接两者。以这种方式，将参考晶片44上的电路连 接至陀螺仪晶片20上诸如图5中的电极38A、38B、38C或电极40A、40B、40C等感测/驱动
直ο电极48A和48B放置在板30下面的参考晶片44上。电极48A和48B放置在板30 的转动轴(显示为图2中的点30B)的两侧。类似地，电极50A和50B放置在板28下面，电 极52A和52B放置在板26下面。参考图2，板26和30与参考晶片44之间的间隙的变化可以显著地降低传感器的 整体性能。例如由于封装所引起的应力导致靠近间隙的驱动式固定器显著地降低间隙的变 化，因而改进角速度传感器在运行温度范围内的整体性能。图3示意性示出图1中的挠性件32的优选结构的更详细的平面视图。在图3的 结构中，挠性件32包括弹簧32’和基底挠性安装件66。如图3所示，弹簧32’至安装件66 的连接点陷入安装件66中，并且对于框架34同样如此，以减少从安装件66至弹簧32’以 及从框架34至弹簧32’的表面应力的耦合。基底挠性安装件66由沟槽41A围绕，该沟槽用于将挠性件32机械地隔离于基底 36内的应力。作为封装和/或结合过程、热膨胀等的结果，这种应力可以通过罩体晶片42 和参考晶片44传送至基底36。图3还示出与框架凹槽64相啮合的基底突出部62。如图3
9示意性所示，框架凹槽64稍微大于基底突出部62的宽度，从而使得框架34仅能够在如下 的范围内转动相对于基底突出部62与框架凹槽64的壁相碰撞之前的基底36的特定的选 定范围。选择该选定范围以确保挠性件32不被选定范围内的运动所毁坏。以这种方式，突 出部62与凹槽64的组合提供对于挠性件32的保护。在包含沿线II的图3的横截面视图的图4的横截面视图中示出了挠性件32的优 选结构的进一步细节。线II紧邻弹簧32’但未穿过弹簧32’，因此，弹簧32’未显示在图 4的横截面中。基底挠性安装件66固定至罩体晶片42并且通过连接46B连接至参考晶片 44。以这种方式，挠性件32被连接至罩体晶片42和参考晶片44，并且与基底36隔离。由 于罩体晶片42和参考晶片44通常比基底36厚很多(陀螺仪晶片20的典型厚度为10-100 微米)，并因而提供更大的机械刚度以锚定挠性件32，因而这是有利的。图4中还示出参考 隔离凹槽41C和罩体隔离凹槽41B。参考隔离凹槽41C用于使挠性件32与可能存在于参考 晶片44的上表面(即，参考晶片44与基底36结合的表面)的应力隔离。类似地，罩体隔 离凹槽41B用于使挠性件32与可能存在于罩体晶片42的下表面(即，罩体晶片42与基底 36结合的表面)的应力隔离。尽管说明了图3和4的挠性结构，其中，优选包括弹簧32’和 基底安装件66的挠性件32，然而，这不是实践本发明所必需的。图6示意性示出部分陀螺仪晶片20的放大的平面视图，该视图更详细地示出扭转 铰链26A和柔性铰链60的优选结构。如图6所示，通过扭转铰链26A将板26连接至基底 36的驱动式固定器部分。扭转铰链26A的结构是使得板26能够关于连接扭转铰链26A的 中心的轴线转动。如图6所示，在板26中形成槽以增加扭转铰链26A的长度。这是为了降 低扭转铰链26A上适应板26的给定转动所需的应力。利用柔性铰链60将板26连接至质量块22。柔性铰链60的结构是使得板22能够 相对于质量块26倾斜(反之亦然)。如图6所示，为了降低柔性铰链60上适应质量块22 关于板26的给定倾斜所需的应力，在质量块22中形成槽以增加柔性铰链60的长度。柔性铰链58、56和54的结构优选与图6所示的柔性铰链60的结构类似。同样地， 扭转铰链28A和30A的结构优选与图6所示的扭转铰链26A的结构类似。图6所示的铰链 结构属于本发明的优选实施方式。本发明的实施不需要任何特定的铰链结构。操作图1和2的实施方式具有两种操作模式。在第一种且为优选的操作模式中，将质 量块22和24驱使至振荡并且感测框架34的运动以测量Y方向的角速度。在第二种操作 模式中，将框架34驱使至振荡并且感测质量块22和24的运动以测量Y方向的角速度。将 依次考虑这两种方法。第一优选操作模式包括用于将联动装置驱使至振荡的致动器。在图1和2的实 施方式中，通过图2的电极48A、48B、50A、50B、52A和52B提供静电致动器。电极48A、48B、 50A、50B、52A和52B通过静电相互作用与板30、28和26相互作用，其中，作用力随着电极与 相应板之间的电位差增加而增加。板26、28和30通常保持在相同的电位，这可以考虑为零 电位差而不失一般性。电极48A、48B、50A、50B、52A和52B优选如图2所示的分离电极。这样做的主要原 因在于板和电极之间的静电相互作用往往是吸引(而不是排斥)，为了提供任一方向的转 矩，需要转动轴的两侧上的电极元件，如图2所示。电极48A、48B、50A、50B、52A和52B与相
10的间隙在制备中优选为精确控制至间隙高度d，以尽可 能地减少用于获得板的给定转动所需的电压，同时仍为致动器的运动提供足够的空隙。优 选以合作的方式电驱使电极48A、48B、50A、50B、52A和52B以激励由质量块22和24以及板 26、28和30形成的联动装置的振荡模式，在该模式中，沿Z方向(即，出平面方向)基本上 彼此反相地振荡质量块22和24。图Ila和lib示意性示出与该振荡模式相对应的联动装 置运动。对于板26还优选包括向质量块22延伸的杠杆臂，对于板30优选包括向质量块 24延伸的杠杆臂，并且对于板28优选包括向质量块22和24两者延伸的杠杆臂，均如图1 所示。作为从板26、28和30延伸的杠杆臂的结果，柔性铰链(54、56、58和60)与板转动 (26B、28B、30B)的轴之间的距离增加，这增加由板的给定转动所提供的质量块22和24的位 移。该增加的位移对于改进陀螺仪性能和/或以较低的成本提供希望水平的性能是非常理 想的。为了适应质量块22和24的增加的行程，分别在质量块22和24下面的参考晶片44 中形成凹槽45和47。罩体晶片42也被配置为留有足够的空间以适应陀螺仪晶片20的所 有运动部分。板26和30通过弹簧26A和30A连接至衬底。通过弹簧26A和30A以及驱动式固 定器将由于驱使振荡所引起的绝大部分恢复转矩传递至衬底。因此，传递至该环的恢复转 矩显著地降低，这导致角速度传感器较好的整体性能。在陀螺仪晶片20的参考坐标系中，当陀螺仪晶片20以角速度关于Y轴转动 时，质量块22和24经历振荡的X方向的科氏力。由于质量块22和24沿Z轴在相反的方 向上移动，因此，这两个质量块上的科氏力沿X轴方向相反。质量块22和24上的科氏力引 起框架34上关于Z轴的振荡的转矩，该转矩使框架34开始角振荡。由于框架34的角振荡 的振幅依赖于(理想地，与coy成比例)，因而，对该振幅进行测量提供了对角速度(^的 测量。为了提高陀螺仪的灵敏度，优选利用陀螺仪结构的机械共振。因此，优选以等于或 大约等于基本的联动装置共振模式频率的频率驱使包括质量块22和24的联动装置。优选 地，基本的联动装置共振模式将对应于如图Ila和lib所示的质量块22和24的反相振荡。 该对应能够确保在联动装置以及其支撑挠性件的设计期间。通过将驱动频率选择为联动 装置的固有频率或靠近联动装置的固有频率，增加由给定的致动器力提供的联动装置的运 动。还优选确保基本的框架共振模式与框架34关于Z轴的刚体角振荡相对应，可以通 过框架34和挠性件32的适当设计实现该对应。此外，优选框架的固有频率大于联动装置 的固有频率。这确保驱动频率在频率上比框架34的任何其它共振模式更接近框架34的基 本模式，从而最小化能够干涉陀螺仪的操作的、框架34的较高阶机械模式的激励。在该实施方式中，利用变换器感测框架34的角振荡的振幅。优选地，该变换器是 设置在框架34和基底36之间并与框架34和基底36连接的电容性的传感器。图5示出该 电容性传感器的两种适宜的电极结构。将显示为图5中的38A、38B和38C的结构称为树结 构，将显示为图5中的40A、40B和40C的结构称为径向结构。在树结构中，电极38A连接至框架34并随框架34 —起移动，而电极38B和38C均 连接至基底36并且不随框架34 —起移动。可以在框架34与基底36之间的区域内按照要
11求重复包含一个电极38A、一个电极38B和一个电极38C的“单位元” (unit cell)。图5示 出两个这样的“单位元”。所有的电极38A相互电连接，所有的电极38B相互电连接，并且所 有的电极38C相互电连接。由此形成了两个电容器电极38A和38B之间的电容器AB，电极 38A和38C之间的电容器AC。这种电极38B与电极38C不连接的布置被称为分裂指结构。 由于框架34的运动改变电容器AB和AC的电容，因此，利用电路对这些电容进行测量提供 了框架34的运动的感测。该电路优选位于参考晶片44上。类似地，在径向结构中，电极40A连接至框架34并随框架34 —起移动，而电极40B 和40C连接至基底36并且不随框架34 —起移动。同样的，形成两个电容器，并且利用电路 (优选位于参考晶片44上)对这些电容进行测量提供了框架34的运动的感测。在操作的第二模式中，将框架34驱使至关于Z轴角振荡，这需要质量块22和24 沿X轴的反相振荡。当陀螺仪晶片20以角速度关于Y轴转动时，框架34的振荡导致 质量块22和24上的振荡的Z方向的科氏力，该科氏力使得包括质量块22和24的联动装 置开始振荡。由于联动装置的振荡的振幅依赖于(理想地，与coy成比例)，因而，对该 振幅进行测量提供了角速度的测量。由于操作的第二模式与操作的第一优选模式相类似，可以应用以上的讨论而具有 以下区别1)第二操作模式包括用于将框架34驱使至角振荡的致动器。与框架34和基底 36连接的静电致动器是一种用于将框架34驱使至角振荡的适宜的装置。该静电致动器可 以具有各种电极结构，包括图5的结构。2)在第二操作模式中，优选以框架的基本共振频率或接近其基本共振频率的频率 驱动框架，并且优选联动装置的基本频率大于框架的基本频率。3)第二操作模式包括用于感测联动装置的振荡的变换器。连接至联动装置的电容 性传感器是适宜的变换器。图2上的电极48A、48B、50A、50B、52A和52B提供这种电容性传 感器。通过测量电极52A与板26之间的电容以及测量电极52B与板26之间的电容来感测 电极52A和52B上面的板26的运动。类似地感测板28和30的运动。在两种操作模式中，根据本发明的实施方式的角速度传感器有利地降低由传感器 可以经受的任何线性加速度所引起的误差。在第一操作模式中，感测的运动是框架34的角 振荡，并且传感器的线性加速度不倾向于引起该运动。在第二操作模式中，感测的运动是质 量块22和24反相振荡，并且这里所感测的运动也不是线性加速度倾向于引起的运动。例 如，线性Z方向的加速度倾向于引起质量块22和24的同相(与反相相反)振荡。制备在优选实施方式中，利用微机械加工技术(也已知为MEMS技术)制备具有上述结 构和操作的角转动传感器(或陀螺仪)。已知MEMS技术的两种形式是体型MEMS和表面 MEMS。由于体型MEMS检测质量块(即，质量块22和24)相对于表面MEMS检测质量块可以 具有更大的质量块并且可以具有更大范围的运动，因此，体型MEMS更适于本发明。图7a-d、 8a-d、9a-d和10a、b示意性示出适于制备本发明的实施方式的典型制备序列。图7a_d示意性示出适于制备罩体晶片42的步骤序列。在图7a中，罩体晶片42 形成有背部定位标记72图案。可以使用反应离子蚀刻(RIE)制造标记72。在由图7a进入 图7b时，清洁罩体晶片42远离定位标记72的表面，然后对该表面进行热氧化以生成氧化 层70。氧化层70优选为大约0. 5微米厚，并且可以通过在包含水的周围环境中将晶片42’加热至高温(例如，高于1000°C )来造氧化层70。在由图7b进入图7c时，如图7c示意性 所示，以平板印制在氧化层70上形成图案。在由图7c进入图7d时，将未由氧化层70保护 的罩体晶片70的材料蚀刻掉大约100微米的深度。深层RIE(DRIE)是该步骤的适宜的蚀 刻方法。在处理中的该点处，罩体晶片42具有图2所示的结构。在该蚀刻后，清洁罩体晶 片42以准备熔结。适宜的清洁步骤包括高温(> 300°C )灰步骤和过氧化硫浸渍。采用的 清洁方法必需保持图案化的氧化层70不受损。图8a_d示意性示出适于制备陀螺仪晶片20的处理步骤序列。陀螺仪晶片20优 选是低总厚度变化(TTV)生产晶片。如图8a所示，以过氧化硫浸渍清洁陀螺仪晶片20，然 后将其熔结至罩体晶片42上的图案化的氧化层70。在图7-10的处理序列中，罩体晶片42 与陀螺仪晶片20的结合发生在比参考晶片44与陀螺仪晶片20的结合早的处理阶段。因 此，对于罩体晶片42与陀螺仪晶片20的结合优选相对地高温结合处理，包括但不限于共 晶金属焊接，玻璃焊接，焊剂焊接、金共晶焊接、Si与SiO2的熔结以及Si与Si的熔结。在 由图8a进入图8b时，陀螺仪晶片20从通常的大约500微米厚变薄为大约40微米厚。传 统的研磨和抛光是用于进行该变薄步骤的适宜的方法。可以均一地进行陀螺仪晶片20的 变�。蚩梢越懈帽浔∈沟猛勇菀蔷�20的将成为质量块22和24的区域比陀螺仪晶片 20的其它部分厚。由于增加的厚度增加质量块22和24的质量，因此，该增加的厚度是有益 的。在将陀螺仪晶片20变薄之后，通过平面印制以及随后的蚀刻形成图8b上所示的分隔 部(standoff) 71。KOH蚀刻适于该步骤。分隔部71的目的是精确地确定诸如图2上的电 极48A、B、50A、B和52A、B的致动器电极与相应的板(即，分别为板30,28和26)之间的垂 直间隔d。在由图8b进入图8c时，在陀螺仪晶片20上沉积图案化层46’。优选地，图案化层 46’是被沉积然后图案化(例如，通过平面印制，然后进行蚀刻)的Ge层。优选地，图案化 层46’还定义可以属于图5所示的类型的、框架34与基底36之间的电极。可选地，可以在 与图案化层46’的沉积分开的处理步骤中形成框架34与基底36之间的电极。在由图8c进入图8d时，通过蚀刻贯穿陀螺仪晶片20来形成陀螺仪晶片20的机 械元件。可以光刻地形成要蚀刻的图案。2微米线宽和2微米间隔适于该蚀刻，且该蚀刻 停止于氧化层70。具有绝缘体上硅(SOI)抗钻蚀增进的深层R正是该步骤的适宜的蚀刻 方法。该蚀刻优选以适于创建大长宽比特征的蚀刻处理来执行。在执行了图8d的蚀刻之 后，形成了图1-4和6所示的、陀螺仪晶片20的全部机械元件。这些元件包括质量块22和 24、板26,28和30、挠性件32、框架34以及铰链26A、28A、30A、54、56、58和60。简单起见， 图8d仅示出了板28以及质量块22和24。图9a_b示意性示出适于制备参考晶片44的处理步骤序列。在图9a上，将参考晶 片44的有源区域示意性表示为74。有源区域74包括将与陀螺仪晶片20进行电接触的区 域、以及用于驱动陀螺仪晶片20的电路和用于感测陀螺仪晶片20所提供的输出信号的电 路。该电路优选为传统的硅CMOS电路。在优选实施方式中，传统CMOS处理中沉积的金属 的最后一层是适于用作焊接金属的金属层。金属的这个顶层还定义图9a示意性示出的电 极48A、B、50A、B和52A、B(图9b上仅示出电极50A、B)以及结合盘76。在由图9a进入图 9b时，在参考晶片44上形成凹槽45和47。优选以DRIE将凹槽45和47制备为大约100 微米深。
图lOa-b示意性示出适于陀螺仪晶片20、参考晶片44和罩体晶片42的最终装配 的处理步骤序列。在图IOa上，示出通过陀螺仪晶片20上的图案化层46’与参考晶片44 上的结合盘76之间的对齐的金属_金属焊接，将参考晶片44连接至陀螺仪晶片20。在图 7-10的处理序列中，参考晶片44与陀螺仪晶片20的结合发生在比罩体晶片42与陀螺仪晶 片20的结合晚的处理阶段。因此，对于参考晶片44与陀螺仪晶片20的结合优选相对地低 温结合处理，包括但不限于共晶金属焊接，铝-锗焊接，焊剂焊接、铟-金焊接以及聚合物 粘结。通过分隔部71和图案化层46’的合并厚度确定图IOa上的板28与电极50A和 50B之间的间隔d，并且可以通过选择分隔部71的高度精确地控制(或预定)该间隔d。还 以相同的方式确定其它电极(例如，电极48A、B和电极52A、B)与它们相应的板(例如，分 别为板30和26)之间的间隔，通常地，相同的预定距离d将所有的板与它们相应的电极分 隔开。尽管图7-10的处理序列示出分隔部71唯一地形成于陀螺仪晶片20上，也能够在参 考晶片44上唯一地形成分割部，或在陀螺仪晶片20和参考晶片44上均形成分割部以定义 板与电极之间的间隔。在由图IOa进入图IOb时，从罩体晶片42蚀刻掉材料以允许从上面 接触有源区域74。可以利用DRIE进行该蚀刻。通过允许从上面接触有源区域74有利于到 图IOb的角速度传感器的电连接。参考晶片44优选通过可以制作为密封的金属-金属焊接连接至陀螺仪晶片20。 同样地，陀螺仪晶片20优选通过也可以制作为密封的熔结连接至罩体晶片42。结果，参考 晶片44、陀螺仪晶片20和罩体晶片42的整个组件可以提供陀螺仪元件(诸如质量块22和 24)与周围的环境之间的密封屏障。为了满足陀螺仪的不同市场的一些性能规格，在一些情况下，在密封屏障所提供 的闭合空间内提供降低的气压(例如，大约1毫托，其基本小于大气压)是有利的。以这种 方式，由于填充该闭合空间的空气(或其它气体)所导致的质量块22和24的运动的阻力 满意地降低。可选地，可以在质量块22和24(以及联动装置的其它运动部分)中设置洞以 降低运动的空气阻力。在其它情况下，提供大于大气压的、密封的闭合空间内的气压是满足 需要的。图7a-d、8a-d、9a-b和10a_b的讨论提供适于制备本发明的优选实施方式的典型 处理步骤序列的示意性概述。因此，上述的单一步骤不是实施本发明必不可少的。此外，上 述大多数步骤可以使用以上未提及但半导体处理领域熟知的替代方法来执行。更一般地， 整个详细说明通常作为例子的方式，而不是限制。以下简要说明本发明实施方式的其它例子。图12是电极结构的示意俯视图。在图12中，未示出质量块22和24以及板26、 28和30，因此，能够看到联动装置的这些元件下面的电极。在图12的结构中，电极48A、B、 50A、B和52A、B分别用于驱动板30、28和26。另外，图12的结构提供用于感测质量块的运 动或更一般的联动装置的运动的电极51A、B、C、D。可以由驱动联动装置致动器的电路有利 地使用电极51A、B、C、D所提供的信号。例如，以这种方式感测联动装置的运动允许驱动电 路以联动装置的基本共振频率精确地驱动联动装置。在本发明的以上详细说明中，公开了作为静电致动器的、用于将联动装置驱使至 振荡的致动器。用于将联动装置驱使至振荡的替代致动器包括但不限于电磁致动器、压电
14致动器和热致动器。在以上的说明中，还公开了作为电容性传感器的、用于感测框架34的 角振荡的变换器。用于感测框架34的角振荡的替代变换器包括但不限于电磁传感器、压 阻传感器和压电传感器。 尽管根据示出的实施方式说明了本发明，但是，本领域的普通技术人员将易于认 识到存在实施方式的变型并且这些变型将在本发明的精神和范围内。例如，尽管结合件优 选由诸如铝等导电材料制成，其还可以利用表面增加了导电能力的非导电材料制成，并且 其使用将在本发明的精神和范围内。因此，在不脱离所附权利要求书的精神和范围的情况 下，本领域的一个普通技术人员可以进行许多修改。
权利要求
一种用于测量传感器平面内的角速度的传感器，所述传感器包括a)感测子组件，其包括i)与所述平面平行的基本平面的框架；ii)设置在所述平面内的第一质量块；iii)与所述第一质量块横向地设置在所述平面内的第二质量块；以及iv)在所述框架内且与所述框架连接的联动装置，其中，所述联动装置与所述第一质量块和所述第二质量块连接，并且其中所述联动装置限制所述第一质量块和所述第二质量块在与所述平面垂直的相反方向上移动；其中，所述联动装置还包括与所述框架连接并且与所述第一质量块和所述第二质量块连接且在所述第一质量块和所述第二质量块之间的中心板，其中，所述中心板关于中心转动轴可转动；通过基底的驱动式固定器部分与所述基底连接并且与所述第一质量块连接的第一边缘板，其中，所述第一边缘板关于第一转动轴可转动；以及通过所述基底的驱动式固定器部分与所述基底连接并且与所述第二质量块连接的第二边缘板，其中，所述第二边缘板关于第二转动轴可转动；其中，所述中心转动轴、所述第一转动轴和所述第二转动轴相互平行且还平行于所述传感器平面；b)致动器，其用于驱使所述子组件的第一部分以一驱动频率振荡；以及c)变换器，其用于感测所述子组件的第二部分响应于所述角速度的运动。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述致动器选自由静电致动器、电磁致动器、 压电致动器和热致动器构成的组。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述变换器选自由电容性传感器、电磁传感 器、压电传感器和压阻传感器构成的组。
4.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述子组件的所述第一部分是所述联动装置 并且所述子组件的所述第二部分是所述框架。
5.根据权利要求4所述的传感器，其中，所述致动器包括与所述联动装置连接的静电 致动器，并且其中所述变换器包括与所述框架连接的电容性传感器。
6.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述子组件的所述第一部分是所述框架并且 所述子组件的所述第二部分是所述联动装置。
7.根据权利要求6所述的传感器，其中，所述致动器包括与所述框架连接的静电致动 器，并且其中，所述变换器包括与所述联动装置连接的电容性传感器。
8.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述框架的运动基本上限制至关于与所述传 感器平面垂直的轴的转动。
9.根据权利要求8所述的传感器，其中，所述框架基本上是圆形的。
10.根据权利要求8所述的传感器，其中，所述框架基本上是矩形的。
11.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述第一质量块和所述第二质量块限制至相 对于所述框架仅基本上垂直于所述传感器平面而移动。
12.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述中心板还包括与所述第一质量块连接的 第一杠杆臂以及与所述第二质量块连接的第二杠杆臂，由此，响应于所述中心板的转动的、与所述传感器平面垂直的所述质量块的运动增加。
13.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述第一边缘板还包括与所述第一质量块连 接的杠杆臂，由此，响应于所述第一边缘板的转动的、与所述传感器平面垂直的所述第一质 量块的运动增加。
14.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述第二边缘板还包括与所述第二质量块连 接的杠杆臂，由此，响应于所述第二边缘板的转动的、与所述传感器平面垂直的所述第二质 量块的运动增加。
15.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述变换器包括与所述基底和所述框架连接 的电容性传感器，并且其中，所述参考晶片包括与所述电容性传感器连接并且与所述第一 边缘电极、所述第二边缘电极和所述中心分离电极连接的CMOS电子器件，从而获得所述致 动器和所述变换器的晶片级集成。
16.一种用于测量X-Y传感器平面内的角速度的X分量和Y分量的双轴传感器，所述双 轴传感器包括A)用于测量角速度的X分量的第一子传感器，所述第一子传感器包括a)第一感测子组件，其包括i)与所述平面平行的基本平面的第一框架； )设置在所述平面内的第一质量块；iii)与所述第一质量块横向地设置在所述平面内的第二质量块；以及iv)在所述框架内且与所述框架连接的第一联动装置，其中，该联动装置与所述第一质 量块和所述第二质量块连接，并且其中所述第一联动装置限制所述第一质量块和所述第二 质量块在与所述平面垂直的相反方向上移动；b)第一致动器，其用于驱使所述第一子组件的第一部分以一驱动频率振荡；以及c)第一变换器，其用于感测响应于所述角速度的X分量的、所述第一子组件的第二部 分的运动；其中，所述第一联动装置还包括与所述框架连接并且与所述第一质量块和所述第二质量块连接且在所述第一质量块 和所述第二质量块之间的中心板，其中，所述中心板关于中心转动轴可转动；通过基底的驱动式固定器部分与所述基底连接并且与所述第一质量块连接的第一边 缘板，其中，所述第一边缘板关于第一转动轴可转动；以及通过所述基底的驱动式固定器部分与所述基底连接并且与所述第二质量块连接的第 二边缘板，其中，所述第二边缘板关于第二转动轴可转动；其中，所述中心转动轴、所述第一转动轴和所述第二转动轴相互平行且还平行于所述 传感器平面；以及B)用于测量角速度的Y分量的第二子传感器，所述第二子传感器包括 a)第二感测子组件，其包括i)与所述平面平行的基本平面的第二框架； )设置在所述平面内的第三质量块；iii)与所述第三质量块横向地设置在所述平面内的第四质量块；以及iv)在所述第二框架内且与所述第二框架连接的第二联动装置，其中，该联动装置连接至所述第三质量块和所述第四质量块，并且其中所述第二联动装置限制所述第三质量块和 所述第四质量块在与所述平面垂直的相反方向上移动；b)第二致动器，其用于驱使所述第二子组件的第一部分以一驱动频率振荡；以及c)第二变换器，其用于感测响应于所述角速度的Y分量的、所述第二子组件的第二部 分的运动；其中，所述第二联动装置还包括与所述框架连接并且与所述第一质量块和所述第二质量块连接且在所述第一质量块 和所述第二质量块之间的中心板，其中，所述中心板关于中心转动轴可转动；通过基底的驱动式固定器部分与所述基底连接并且与所述第一质量块连接的第一边 缘板，其中，所述第一边缘板关于第一转动轴可转动；以及通过所述基底的驱动式固定器部分与所述基底连接并且与所述第二质量块连接的第 二边缘板，其中，所述第二边缘板关于第二转动轴可转动；其中，所述中心转动轴、所述第一转动轴和所述第二转动轴相互平行且还平行于所述 传感器平面。
全文摘要
一种具有横向地设置在X-Y平面内且间接地连接至框架的两个质量块的角速度传感器。通过联动装置将这两个质量块联结在一起以便它们必定沿Z轴在相反方向上移动。可以通过将这两个质量块驱使至Z方向的反相振荡并测量由此施加至框架的角振荡振幅来感测关于Y轴的传感器角速度。在优选实施方式中，从体型MEMS陀螺仪晶片、罩体晶片和参考晶片制备该角速度传感器。在另一优选实施方式中，该晶片的组件提供质量块与周围环境之间的密封屏障。
文档编号G01P3/44GK101939653SQ200980104093
公开日2011年1月5日 申请日期2009年2月5日 优先权日2008年2月5日
发明者亚历山大·卡斯特罗, 史蒂文·S·纳西里, 约瑟夫·西格 申请人:因文森斯公司
专业数控铣床产品供应商
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