[發(fā)明專利]MEMS傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410183960.6
• 申請日: 2014-04-30
• 公開（公告）號: CN104132658B
• 公開（公告）日: 2018-01-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: C.費爾
• 申請（專利權(quán)）人: 大西洋慣性系統(tǒng)有限公司
• 主分類號: G01C19/5684
• 分類號: G01C19/5684;B81C1/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 何欣亭,湯春龍

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及諸如振動結(jié)構(gòu)陀螺儀的微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器以及制造MEMS傳感器的關(guān)聯(lián)方法。MEMS傳感器可以包括由例如硅的半導(dǎo)體基板形成的傳感結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

振動結(jié)構(gòu)陀螺儀提供了由例如硅的半導(dǎo)體基板形成的微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器設(shè)備的一個示例。其可以使用常規(guī)的微機械加工技術(shù)，由硅晶片批量制造。由于其成本低、尺寸小和固有的耐用性質(zhì)，對將MEMS陀螺儀利用于引導(dǎo)、導(dǎo)航和平臺穩(wěn)定應(yīng)用的范圍有著相當?shù)呐d趣。然而，MEMS設(shè)備的有限的性能能力限制了其在這些領(lǐng)域中的大規(guī)模部署。一個性能限制特性是速率偏置穩(wěn)定性（rate bias stability），其例如是在設(shè)備的操作期間由溫度的變化導(dǎo)致的。

振動結(jié)構(gòu)陀螺儀的一些示例可以在GB2322196、US5932804和US6282958中找到。圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的振動結(jié)構(gòu)陀螺儀的示例，其包括由柔性支承梁10安裝的環(huán)形諧振器1，柔性支承梁10從環(huán)形諧振器1的內(nèi)周邊延伸至由半導(dǎo)體基板提供的凸臺11。柔性支承梁10允許環(huán)形諧振器1響應(yīng)于驅(qū)動換能器12、13以實質(zhì)上無阻尼振蕩模式振動，并許可環(huán)形諧振器響應(yīng)于繞與環(huán)形諧振器的平面垂直的軸施加的角速度而振動。這樣的振動結(jié)構(gòu)陀螺儀可以具有由硅制成的環(huán)形諧振器，并特別適合使用微機械加工技術(shù)來制造。

在典型的振動結(jié)構(gòu)陀螺儀中，環(huán)形諧振器典型地被激發(fā)為cos2θ諧振模式。對于完美對稱的諧振器而言，該模式實際上作為互相45°的角的主要和次要振動模式（primary and secondary vibration modes）的簡并對而存在。主要模式被激發(fā)作為載波模式。當環(huán)形諧振器繞垂直于其平面的軸旋轉(zhuǎn)時，科里奧利效應(yīng)導(dǎo)致將能量耦合到次要響應(yīng)模式的正交方向的次要振動。次要響應(yīng)模式的運動的大小與施加的角速度成正比。

在該設(shè)備中，由于在cos2θ諧振模式下主要和次要頻率的不完美匹配，可能產(chǎn)生正交偏置（quadrature bias），主要和次要頻率理想上應(yīng)設(shè)為相等。正交偏置的大小與ΔF.sin4α成正比，其中，ΔF是模式頻率分裂，α是相對于主要驅(qū)動軸對準的模式角。通常，在生產(chǎn)期間使用激光微調(diào)處理將正交偏置最小化，激光微調(diào)處理中將室溫下的ΔF設(shè)為約等于0Hz。然而，申請人已認識到，由于用于組成陀螺儀的各種材料之間的熱膨脹系數(shù)的不匹配而引起的應(yīng)力和應(yīng)變可能使ΔF值、進而使正交偏置在設(shè)備的操作溫度范圍改變。

圖2示出對于在GB2322196中說明的傳感器類型的范圍的、從最初的室溫值起的正交偏置變化的典型數(shù)據(jù)。平均變化在-40℃至+85℃的測量范圍約為150°每秒。該信號與期望的速率偏置信號相位正交，大部分被電子控制設(shè)備拒絕。然而在實踐中，電子設(shè)備的組件容差將會導(dǎo)入限制相位精度的誤差，因此，允許一些正交偏置突破至速率偏置通道。正交偏置和相位誤差這兩者都隨著溫度變化，引起速率偏置的變化。在該常規(guī)振動結(jié)構(gòu)陀螺儀中的速率偏置的穩(wěn)定性會導(dǎo)致對于很多敏感應(yīng)用而言，性能不令人滿意。

圖3示出GB2322196中說明的振動結(jié)構(gòu)陀螺儀的傳感器頭結(jié)構(gòu)的示意性截面。可見環(huán)形諧振器1被支承為與硅基板20隔開，而硅基板層20安裝至派熱克斯（Pyrex）玻璃底座層22和Pyrex玻璃間隔層24，以形成MEMS結(jié)構(gòu)。MEMS芯片由例如硅酮彈性體附著劑的小片接合層（die bond layer）26附接至剛性罐封裝基底28。根據(jù)GB2332196，罐封裝外殼28由科瓦（Kovar）材料即鎳鐵合金制成。用于組成MEMS設(shè)備的各種材料的熱膨脹的不同系數(shù)會引起應(yīng)力和應(yīng)變，其會隨著設(shè)備的環(huán)境溫度而變化。例如，硅的熱膨脹的系數(shù)為3.2ppm每℃，Pyrex的熱膨脹的系數(shù)為3.25ppm每℃，而鎳鐵合金（例如NILO 45）的熱膨脹的系數(shù)為7ppm每℃。因為MEMS芯片是方形的，因此其趨向于在角落區(qū)域附近在更大程度上抵抗應(yīng)力引起的形變，角落區(qū)域由于其更大的寬度而更硬。這可能會導(dǎo)致具有波峰和波谷的非對稱的應(yīng)力和應(yīng)變分布，該波峰和波谷與方形芯片的角和面角對準。該可變應(yīng)力和應(yīng)變可以經(jīng)由支承腿10耦合至環(huán)形諧振器1。這有效地向諧振器1給予cos4θ擾動，而這可以在cos2θ模式之間引起隨環(huán)境溫度變化的頻率分裂ΔF。