專利名稱：靈活振動的微機電設備的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及在諸如陀螺儀的傳感器中的微機電系統(MEMS)，尤其是，涉及在該設備中靈活振動的元件的使用。
背景技術：
通過MEMS技術制造的電子傳感器設備在許多的領域中起關鍵作用。例如，微機械陀螺儀在運輸和商業應用中已經實現若干重要的控制系統。在許多的領域中還使用其它的微裝置，諸如通過MEMS技術制造的壓力傳感器、加速度計、致動器和諧振器。
一種類型的微陀螺儀包含二個可活動的標準質量。該標準質量通過支撐結構懸掛在襯底之上。該標準質量在該陀螺儀中通過電動機在相同的平面(在平面上)上以預定的頻率振動。該電動機包括以振動的方式在同一平面中驅動該標準質量的電極。該標準質量的振動被控制到接近該標準質量的諧振頻率的頻率。
除了一組標準質量和驅動電極之外，該陀螺儀還包含圍繞該標準質量的檢測電極，其報告表示每個標準質量的運動的信號。具體地，某些電極檢測該標準質量在平面上的運動。其它的電極檢測該標準質量的平面外的運動。借助于適當的信號處理和提取電路，角速度分量可以從檢測該標準質量的平面外的運動的電極的報告信號中恢復。
在常規的陀螺儀中，該標準質量和支撐結構是非常薄的。在該支撐結構中，橫梁的厚度已知的是低于10μm，并且該橫梁的寬度低于5μm，具有非常嚴格的工藝公差。存在使該標準質量變厚以在批量生產中提高產量的需要，并且存在放寬工藝公差的需要。在用于車輛應用的低成本陀螺儀設備中，這是特別地重要的。但是，使該標準質量變厚產生其它的問題。例如，各種各樣的振動模式的某些頻率變為是不合需要的，并且對于信號噪聲可能變得更加敏感。
存在用于改善結構以重新排列陀螺儀的不同的振動模式的頻率的需要，該陀螺儀使用可活動的標準質量。該結構將允許該傳感器設備使用更厚的可活動的標準質量和支撐結構，其在批量生產應用中提高產量。因此，所希望的是在傳感器中提供一種改善的結構，以克服先前的問題的大部分，甚至全部的問題。
圖1是本發明的電子傳感器的一個實施例的高級的方框圖；圖2是本發明的傳感器部件的一個實施例的俯視圖；圖3A-3B是本發明一個實施例的俯視圖，其中，該傳感器部件中的一組標準質量以驅動方式運動(標準質量在該X軸中以相反的方向運動)；圖4A-4B是本發明一個實施例的透視圖，其中，該傳感器部件中的一組標準質量以檢測方式運動(標準質量在該Z軸中以相反的方向運動)；圖5A-5B是本發明一個實施例的俯視圖，其中，該傳感器部件中的一組標準質量以草裙舞方式運動(標準質量在該X軸方向共同運動)；圖6A-6B是本發明一個實施例的透視圖，其中，該傳感器部件中的一組標準質量以蹦床方式運動(標準質量在該Z軸方向共同運動)；圖7A-7B是本發明一個實施例的透視圖，其中，該傳感器部件中的一組標準質量以扭曲方式運動(標準質量在該Y軸平面中扭曲)；圖8A-8B是本發明一個實施例的透視圖，其中，該傳感器部件中的一組標準質量以后滾翻方式運動(標準質量圍繞該Y軸扭曲)；和圖9和10是舉例說明通過使用本發明的各種各樣的實施例可以獲得的相應的頻率的示意圖。
雖然本發明容許各種各樣的修改和替換形式，特定的實施例已經在附圖中通過例子示出，并且將在此處詳細描述。但是，應該明白，本發明不意欲局限于該公開的特定的形式。相反，本發明要覆蓋落在如由所附的權利要求限定的本發明的范圍之內的所有的改進、等效和替換。
詳細說明所描述的是在電子傳感器設備的傳感器部件中改進的機制和結構，其允許以各種各樣的振動模式重新排列相應的頻率。這允許該傳感器設備去使用更厚的可活動的標準質量，其在批量生產應用中改善產量，并且允許放寬工藝公差。為此，在一個實施例中，存在用于傳感器設備的傳感器部件，包括襯底、一對標準質量和一組驅動橫梁。該對標準質量懸掛在該襯底之上，并且在固定的固定點上附著于該襯底。該組驅動橫梁被放置在該標準質量和該固定點之間。該驅動橫梁具有沿著第一方向延伸的縱向的主體部分，和沿著第二方向延伸的可彎曲的彈簧構件。第二方向可能是垂直于第一方向，并且該可彎曲的彈簧構件可能在形狀上是螺旋形的，諸如折疊起來的梁柱或者折疊彈簧。
該傳感器部件可以進一步包括至少一個底部橫梁，其相互連接該組驅動橫梁。該底部橫梁可以具有沿著第二方向延伸的其自己的縱向的主體部分，和沿著第一方向延伸的可彎曲的彈簧構件。該底部橫梁的可彎曲的彈簧構件也可能在形狀上是螺旋形的，諸如折疊起來的梁柱或者折疊彈簧。該傳感器部件可以進一步包括第一對電極梳，其在第一平面中驅動該標準質量。該傳感器部件還可以包括第二對電極梳和一對平面外的電極。第二對電極梳將能夠檢測該標準質量在第一平面中的運動。該對平面外的電極將能夠檢測在第二平面中該標準質量的運動，這里第二平面不同于第一平面。
在另一個實施例中，存在用于傳感設備的傳感器部件，包括襯底、一對標準質量、一組驅動橫梁和至少一個底部橫梁。該對標準質量懸掛在該襯底之上，并且在固定的固定點上附著于該襯底。該組驅動橫梁被放置在該標準質量和該固定點之間。每個驅動橫梁具有在第一方向延伸的第一縱向的主體部分，和沿著第二方向延伸的第一可彎曲的彈簧構件。該底部橫梁相互連接該組驅動橫梁，并且具有第二縱向的主體部分和第二可彎曲的彈簧構件。該第二縱向的主體部分沿著第二方向延伸，并且該第二可彎曲的彈簧構件沿著第一方向延伸。在這里，該第一和第二可彎曲的彈簧構件可能在形狀上是螺旋形的，諸如折疊起來的梁柱或者折疊彈簧。
還存在一個電子傳感器，其包括數字處理單元和傳感器部件。該傳感器部件可以包括襯底、一對標準質量、一組驅動橫梁和至少一個底部橫梁。該對標準質量懸掛在該襯底之上，并且在固定的固定點上附著于該襯底。該組驅動橫梁被放置在該標準質量和該固定點之間。每個驅動橫梁具有在第一方向延伸的第一縱向的主體部分，和沿著第二方向延伸的第一可彎曲的彈簧構件。該底部橫梁相互連接該組驅動橫梁，并且具有第二縱向的主體部分和第二可彎曲的彈簧構件。該第二縱向的主體部分沿著第二方向延伸，并且該第二可彎曲的彈簧構件沿著第一方向延伸。
該傳感器部件可以進一步包括第一對電極梳，其在第一平面中驅動該標準質量。該第一對電極梳可以被配置從該數字處理單元接收信號。該傳感器部件可以進一步包括第二對電極梳和一對平面外的電極。該第二對電極梳可以能夠檢測該標準質量在第一平面中的運動，然后發送信號給該數字處理單元。該對平面外的電極可以能夠檢測該標準質量在另一個平面中的運動，然后發送另一個信號給該數字處理單元。報告給該數字處理單元的該信號可以由該設備使用，以提取角速度的角速度分量，該分量反映出從外部對于該設備引起的角速度。
現在轉向該附圖，圖1舉例說明一個具有數字處理單元22和傳感器部件24的電子傳感器20的實施例。為了舉例說明本發明，微陀螺儀傳感器將被用作該電子傳感器20的一個示范的實施例。
在一個實施例中，該數字處理單元22可以在數字信號處理器(DSP)控制器中實現，該數字信號處理器(DSP)控制器包括許多的功能塊，諸如在由Stephen J.Rober于2003年10月18日申請的，通常地轉讓給本申請的受讓人，稱作“Method and Apparatus for Signal Extraction in anElectronic Sensor”的專利申請中描述的那些，并且作為參考資料其整體結合在此處。通常地，在一個實施例中，該數字處理單元22可以通過發送一個電機驅動信號26給該傳感器部件24來控制該傳感器部件24的標準質量在一個平面中的運動。做為選擇，如那些本領域普通的技術人員已知的，獨立的模擬系統可用于控制該傳感器部件24的標準質量的運動。該數字處理單元22還可以提取和報告一個角速度28，該角速度28反映從外部對于該傳感器部件24引起的角速度。為了提取和報告該角速度28，本發明使用該數字處理單元22從該傳感器部件24接收第一信號30和第二信號32。如將在下面進一步描述的，從在與該標準質量相同的平面中的檢測電極報告第一信號30。從與該標準質量不在相同的平面中的檢測電極報告第二信號32。
參考圖2，該傳感器部件24通常包括一對可活動的標準質量34a、34b，一對外部梳36a、36b，一對內部梳38a、38b，一對平面外的檢測電極40a、40b，和支撐結構42。該支撐結構42附著在可活動的標準質量和打底的襯底43之間。在一個實施例中，該打底的襯底43用玻璃制成，并且該標準質量34a、34b和支撐結構42用硅制成。
在本發明的一個實施例中，如圖2所示，該支撐結構42包括一系列的驅動橫梁44、底部橫梁46和扭梁48。該傳感器部件24的分量被經由該支撐結構42在固定的固定點50上安裝于該襯底43。該傳感器部件24的部件最好是被容納在真空密封空腔內。
該標準質量34a、34b被懸掛在該襯底43之上。如在下面更詳細地描述的，該支撐結構43的橫梁44、46、48容許該標準質量34a、34b去相對于一系列的固定點50運動。該固定點50被牢固地附著于該襯底43。該標準質量34a、34b被允許在不同的平面中運動。該第一平面(平面內)是由如圖2所示的X軸限定的。其它平面(平面外)是由Y軸和Z軸限定的。
該對外部梳36a、36b是在由X軸限定的第一平面中驅動該標準質量34a、34b的電極。這個運動(驅動模式)的放大的視圖在圖3A和3B中示出。在該驅動模式中，該運動是由該電極驅動，以在該標準質量34a、34b上生成科里奧利(Coriolis)力。該對外部梳36a、36b可以安裝于該襯底，并且以變化的輸入電壓提供靜電力以驅動該標準質量。
該對內部梳38a、38b是在與該標準質量34a、34b相同的平面中。該對內部梳38a、38b可以安裝于該襯底。該對內部梳38a、38b可以是檢測該標準質量34a、34b在X軸中的運動的電極。該對內部梳38a、38b被用于將第一信號30報告給該數字處理單元22。
該對平面外的檢測電極40a、40b檢測該標準質量34a、34b的平面外的運動。例如，平面外的運動(檢測模式)的一個主要類型的放大的視圖在圖4A和4B中示出。這是該標準質量34a、34b在Z軸方向彼此相對運動時的情形。該對平面外的檢測電極40a、40b可以被放置在該對標準質量34a、34b的下方。該對平面外的檢測電極40a、40b被用于將第二信號32報告給該數字處理單元22。該第二信號32包含反映從外部向由該傳感器部件24引起的該角速度的角速度分量。該數字處理單元22接收第二信號32并且提取該角速度分量以報告該角速度28。
如上所述，圖3A、3B、4A、4B示出該標準質量34a、34b對于驅動模式(圖3A和3B)和檢測模式(圖4A和4B)的振蕩運動的放大的視圖。該標準質量34a、34b的振蕩頻率需要彼此靠近以避免其它的振動模式和信號噪聲。當前，已經知道借助于非常有限的工藝厚度范圍，使用非常薄的標準質量和支撐結構，以保持這二種模式的頻率彼此接近。薄的結構和有限的工藝公差的使用在制造過程中產生較低的產量。使用較厚的標準質量以在批量生產中提供產量和放寬工藝公差將是有益的。
但是，較厚的標準質量的使用產生其它的問題。例如，在該驅動模式(圖3A和3B中示出的)和檢測模式(在圖4A和4B中示出的)中的振蕩頻率將變得彼此非常遠離。此外，可以導致其它的不想要的振動模式，諸如在下面進行描述的那個。如果沒有在本發明中描述的結構，這些其它的振動模式可以隔離該驅動模式和檢測模式的頻率，并且該設備不會正確地起作用。
例如，當使用較厚的結構的時候，可能出現的一種振動模式是我們將稱作草裙舞模式的振動模式。該標準質量34a、34b以草裙舞模式運動的放大的視圖在圖5A和5B中示出。在這里，該標準質量34a、34b可以在X軸方向中在相同的方向運動。可以出現的另一種振動模式是我們稱為蹦床模式的振動模式。該標準質量34a、34b以蹦床模式運動的放大的視圖在圖6A和6B中示出。在這里，該標準質量34a、34b可以一起在Z軸方向中運動。可以出現的另一種振動模式是我們稱為扭曲模式的振動模式。該標準質量34a、34b以扭曲模式運動的放大的視圖在圖7A和7B中示出。在這里，該標準質量34a、34b可以在Y軸平面中扭曲和圍繞Z軸轉動。可以出現的又一種振動模式是我們稱為后滾翻模式的振動模式。該標準質量34a、34b以后滾翻模式運動的放大的視圖在圖8A和8B中示出。在這里，該標準質量34a、34b可以圍繞Y軸轉動。
為了允許較厚的結構用于該檢測部件24，本發明有利地包括如在下面進行描述的結構。具體地，該支撐結構42具有一組驅動橫梁44，其被放置在該標準質量34a、34b和固定點50之間。每個驅動橫梁44具有沿著第一方向延伸的縱向的主體部分62，和沿著第二方向延伸的可彎曲的彈簧構件64。在圖3-8中示出的實施例中，該第一方向是沿著Y軸的方向，并且第二方向是沿著X軸的方向。本領域技術人員借助于本公開的受益將認識到，該軸的實際的定義與實現有關。但是，第一方向應該不同于第二方向。在圖3-8中示出的實施例示出第二方向垂直于第一方向。此外，在一個實施例中，該可彎曲的彈簧構件64被以螺旋形的形狀，或者折疊起來的梁柱或者折疊彈簧形成，并且沿著該縱向的主體部分62的一部分均勻。
使用比在常規的設備中具有的更厚的標準質量，圖9示出對于本發明的一個實施例的該各種各樣的振動模式的相應的頻率。該虛線方框示出在驅動橫梁44上使用可彎曲的彈簧構件64的各種各樣的振動模式的相應的頻率。該實線方框反映沒有該可彎曲的彈簧構件64的各種各樣的振動模式的相應的頻率。人們注意到，在該驅動橫梁44上使用可彎曲的彈簧構件64將允許驅動模式和檢測模式的相應的頻率被更加接近地對準。此外，在另一個實施例中，該支撐結構42的底部橫梁46被用于相互連接該驅動橫梁44。該底部橫梁46具有沿著第二方向延伸的縱向的主體部分72，和沿著第一方向延伸的可彎曲的彈簧構件74。如上所述，第二方向沿著X軸的方向，并且第一方向沿著Y軸的方向。同樣，本領域技術人員借助于本公開的受益將認識到，該軸的實際的定義與實現有關。但是，第一方向應該不同于第二方向。在圖3-8中示出的實施例示出第二方向垂直于第一方向。在這個實施例中，該可彎曲的彈簧構件74被以螺旋形的形狀，或者折疊起來的梁柱或者折疊彈簧形成，并且沿著該縱向的主體部分72的一部分均勻。
使用比在常規的設備中具有的更厚的標準質量，圖10示出對于一個實施例的各種各樣的振動模式的相應的頻率，該實施例既在驅動橫梁44中使用可彎曲的彈簧構件64，又在底部橫梁46中使用可彎曲的彈簧構件74。具體地，該虛線方框示出使用兩個可彎曲的彈簧構件64、74的各種各樣的振動模式的相應的頻率。實際上，該可彎曲的彈簧構件74的使用將使該檢測模式的頻率移動到更靠近于該驅動模式的頻率。該虛線方框僅僅借助于在驅動橫梁44中的該可彎曲的彈簧構件64反映各種各樣的振動模式的相應的頻率。人們注意到，借助于該可彎曲的彈簧構件64、74對現有的設備提供進一步改善，并且允許該驅動模式和檢測模式的相應的頻率被更加接近地對準。
已經描述的是在傳感器部件中改進機制和結構，其允許以各種各樣的振動模式重新排列相應的頻率。這允許該傳感器設備去使用更厚的可活動的標準質量和結構，其在批量生產應用中提高產量，并且允許放寬工藝公差。因此，本發明對于傳感器設備具有降低制造成本的好處。該機制和結構通過使用螺旋形的，或者折疊起來的梁柱或者折疊彈簧允許更多的靈活性，以更加接近地對準用于該驅動模式和檢測模式的頻率，而沒有其它的不需要的振動模式的干擾。該機制通過允許螺旋形的環的數目、環的寬度，以及在環之間的縫隙被調整以精密調校該剛性和調整該結構的整個頻率來給設計者提供靈活性。
本發明以上的描述僅僅意欲是示范性的，并且不意欲限制從本申請發布的任何專利的范圍。本發明意欲僅僅由以下的權利要求的范圍來限制。
權利要求
1.一種用于傳感器設備的傳感器部件，該傳感器部件包括襯底；一對標準質量，在固定的固定點上附著于該襯底，該對標準質量懸掛在該襯底之上；和一組放置在該標準質量和該固定點之間的驅動橫梁，該驅動橫梁具有沿著第一方向延伸的縱向的主體部分，和沿著第二方向延伸的可彎曲的彈簧構件，該第二方向垂直于第一方向；其中該驅動橫梁的可彎曲的彈簧構件在形狀上是螺旋形的。
2.根據權利要求1的傳感器部件，進一步包括至少一個相互連接該組驅動橫梁的底部橫梁，該底部橫梁具有沿著第二方向延伸的第二縱向的主體部分，和沿著第一方向延伸的第二可彎曲的彈簧構件。
3.根據權利要求2的傳感器部件，其中該底部橫梁的第二可彎曲的彈簧構件在形狀上是螺旋形的。
4.根據權利要求1的傳感器部件，其中該襯底是用玻璃制成的，并且該標準質量和驅動橫梁是用硅制成的。
5.根據權利要求1的傳感器部件，其中該傳感器部件用于檢測在陀螺儀中外部引起的角速度。
6.根據權利要求1的傳感器部件，進一步包括第一對電極梳，其在第一平面中驅動該標準質量。
7.根據權利要求6的傳感器部件，進一步包括第二對電極梳和一對平面外的電極，該第二對電極梳能夠檢測該標準質量在第一平面中的運動，該對平面外的電極能夠檢測該標準質量在第二平面中的運動，該第二平面不同于該第一平面。
8.一種電子傳感器，包括數字處理單元；和傳感器部件，該傳感器部件包括襯底；一對在固定的固定點上附著于該襯底的標準質量，該對標準質量懸掛在該襯底之上；一組放置在該標準質量和該固定點之間的驅動橫梁，每個驅動橫梁具有沿著第一方向延伸的第一縱向的主體部分，和沿著第二方向延伸的第一可彎曲的彈簧構件，該第二方向垂直于第一方向；和至少一個相互連接該組驅動橫梁的底部橫梁，該底部橫梁具有沿著第二方向延伸的第二縱向的主體部分，和沿著第一方向延伸的第二可彎曲的彈簧構件。
9.根據權利要求8的電子傳感器，其中該驅動橫梁的第一和第二可彎曲的彈簧構件的至少一個在形狀上是螺旋形的。
10.根據權利要求8的電子傳感器，其中該傳感器部件進一步包括第一對電極梳，其在第一平面中驅動該標準質量，該第一對電極梳從該數字處理單元接收信號，其中該傳感器部件進一步包括第二對電極梳和一對平面外的電極，該第二對電極梳能夠檢測該標準質量在第一平面中的運動，該對平面外的電極能夠檢測該標準質量在第二平面中的運動，該第二平面不同于該第一平面，該第二對電極梳和該對平面外的電極進一步能夠發送信號給該數字處理單元。
全文摘要
存在用于電子傳感器設備(20)的傳感器部件(24)。該傳感器部件(24)可以具有襯底(43)、一對標準質量(34a，34b)、一組驅動橫梁(44)和至少一個底部橫梁(46)。該對標準質量(34a，34b)被懸掛在該襯底(43)之上，并且在固定的固定點(50)上附著于該襯底(43)。該組驅動橫梁(44)被放置在該標準質量(34a，34b)和該固定點(50)之間。每個驅動橫梁(44)具有在第一方向延伸的第一縱向的主體部分(62)，和沿著第二方向延伸的第一可彎曲的彈簧構件(64)。該底部橫梁(46)相互連接該組驅動橫梁(44)，并且具有第二縱向的主體部分(72)和第二可彎曲的彈簧構件(74)。該第二縱向的主體部分(72)沿著第二方向延伸，并且該第二可彎曲的彈簧構件(74)沿著第一方向延伸。該第一和第二可彎曲的彈簧構件(64，74)可能在形狀上是螺旋形的，諸如折疊起來的梁柱或者折疊彈簧。
文檔編號G01P9/04GK1826532SQ200480021365
公開日2006年8月30日 申請日期2004年5月28日 優先權日2003年7月30日
發明者振煌·阿爾貝特·周 申請人:摩托羅拉公司(在特拉華州注冊的公司)