微机械整体式六轴惯性传感器制造技术

一种六自由度(6-DOF)惯性测量系统的装置层可包括位于x-y面的单质量块六轴惯性传感器，所述惯性传感器包括主质量块部件、中心悬置系统和驱动电极，其中，所述主质量块部件悬置于单中心支架上，其所述主质量块部件包括向外朝所述六轴惯性传感器的边缘延伸的放射状部分；所述中心悬置系统被配置为在所述单中心支架上悬置所述六轴惯性传感器；所述驱动电极包括移动部分和固定部分，所述移动部分连接到所述放射状部分上，其中，所述驱动电极和所述中心悬置系统被配置为使所述六轴惯性传感器围绕垂直于x-y面的z轴以驱动频率振动。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】微机械整体式六轴惯性传感器优先权要求本申请要求专利技术人Acar于2010年9月18日递交的美国临时专利申请号为No.61/384,240且题为“MICROMACHINEDMONOLITHIC6-AXISINERTIALSENSOR”的专利文件(代理人案号2921.095PRV)的优先权，这里将该专利文件作为本专利技术的参考内容。另外，本申请与Acar等专利技术人于2010年8月3日递交的美国专利申请号为No.12/849,742且题为“MICROMACHINEDINERTIALSENSORDEVICES”的专利文件以及Marx等专利技术人于2010年8月3日递交的美国专利申请号为No.12/849,787且题为“MICROMACHINEDDEVICESANDFABRICATINGTHESAME”的专利文件相关联，每一专利文件均作为本专利技术的参考内容。
本专利技术大体上涉及惯性传感器装置，尤其涉及微机械惯性传感器装置。
技术介绍
六轴动作感应的应用需要用于三轴加速度测量的x轴、y轴及z轴加速计，以及用于三轴角速率测量的陀螺仪。文献中已经记载了多个单轴或多轴的微机械加速计结构和陀螺仪结构，所述多个单轴或多轴的微机械加速计结构和陀螺仪结构能够集成在系统中以形成六轴惯性传感器组。然而，对于某些应用来说，这种由分立传感器组成的传感器组的尺寸会过大且成本也会过高。此外，装配在单片微机电系统(MEMS)芯片上的单轴或多轴陀螺仪和加速计的现有实例需要每个传感器都有其各自的驱动电子器件和感应电子器件，进一步提高了单片MEMS芯片的成本和复杂度。
技术实现思路
除其它情况之外，本专利技术讨论了包括位于装置层的x-y面的单质量块六轴惯性传感器的六自由度(6-DOF)惯性测量系统。该单质量块六轴惯性传感器可包括主质量块部件、中心悬置系统和驱动电极。其中，所述主质量块部件悬置于单中心支架上，所述主质量块部件包括向外朝所述六轴惯性传感器边缘延伸的放射状部分，所述中心悬置系统被配置为在所述单中心支架上悬置所述六轴惯性传感器，所述驱动电极包括移动部分和固定部分，所述移动部分连接到所述放射状部分上，其中所述驱动电极和所述中心悬置系统被配置为使得所述六轴惯性传感器围绕z轴(垂直于x-y面)振动。在一个实施例中，所述六自由度惯性测量系统可包括粘合到所述装置层的第一面上的帽晶片和与粘合到所述装置层的第二面上的通孔晶片。在某些实施例中，所述帽晶片和所述通孔晶片可被配置为封装所述单质量块六轴惯性传感器。此概述意在提供本专利申请主题的概述。并不旨在提供本专利技术专用的或全面的说明。具体实施方式的包含用于提供有关本专利申请的更多信息。附图说明在附图(其不一定按比例绘制)中，相同的附图标记可在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似附图标记可表示同类部件的不同例子。附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所论述的各个实施例。图1大体示出了六自由度(6-DOF)惯性测量单元(IMU)的横断面示意图；图2大体示出了六轴惯性传感器的一个实施例；图3大体示出了六轴惯性传感器在驱动动作中的一个实施例；图4大体示出了六轴惯性传感器的一个实施例，所述六轴惯性传感器包括在感应动作中响应于围绕x轴旋转的单质量块；图5大体示出了六轴惯性传感器的一个实施例，所述六轴惯性传感器包括在感应动作中响应于围绕y轴旋转的单质量块；图6大体示出了六轴惯性传感器的一个实施例，所述六轴惯性传感器包括在感应动作中响应于围绕z轴旋转的单质量块；图7大体示出了六轴惯性传感器的一个实施例，所述六轴惯性传感器包括在感应动作中响应于沿x轴的加速度的单质量块；图8大体示出了六轴惯性传感器的一个实施例，所述六轴惯性传感器包括在感应动作中响应于沿y轴的加速度的单质量块；图9大体示出了六轴惯性传感器的一个实施例，所述六轴惯性传感器包括在感应动作中响应于沿z轴的加速度的单质量块；图10大体示出了包含通孔晶片电极安置的系统的一个实施例；图11大体示出了包含面内弧形平行板传感电极的六轴惯性传感器的一个实施例；图12大体示出了关于支架固定的所述中心悬置的一个实施例；图13大体示出了所述中心悬置的一部分在驱动动作中的一个实施例。具体实施方式除其它情况之外，本专利技术者认识到一种微机械整体式六轴惯性传感器，其被配置为利用中心固定的单质量块检测三轴加速度和三轴角速率。另外，本专利技术者认识到一种微机械整体式六轴惯性传感器，其被配置为将响应模式解耦到每个轴上以使跨轴干扰最小化。在一个实施例中，所述微机械整体式六轴惯性传感器可包括分割的质量块和柔性轴承结构，所述柔性轴承结构被配置为允许利用单驱动模式振动(对于所有轴仅需一个驱动控制环路)进行三轴的角速率检测。因此，与使用三个分立的驱动控制环路的现有多轴陀螺仪相比，本申请所描述的微机械整体式六轴惯性传感器的控制电子器件的复杂度及成本显著降低。在一个实施例中，通过允许加速计和陀螺仪在单质量块惯性传感器中的同时运作(如角速率和线性加速度检测)，柔性轴承结构能够提供用于加速度响应和角速率响应的不同的动作模式。装置结构图1大体示出了六自由度(6-DOF)惯性测量单元(IMU)100的横断面示意图，所述六自由度(6-DOF)惯性测量单元(IMU)100由芯片级封装而成，所述芯片级封装包括帽晶片101、包含微机械结构(如微机械整体式六轴惯性传感器)的装置层105、和通孔晶片103。在一个实施例中，装置层105可夹在帽晶片101和通孔晶片103之间，且装置层105和帽晶片101之间的腔体可在真空下被晶圆级密封。在一个实施例中，帽晶片101能够粘合到装置层105上，例如使用金属粘合剂102。金属粘合剂102可包括热熔粘合剂(例如非高温热熔粘合剂)以使得吸气剂能够保持长期的真空状态，且使得防摩擦涂层的施用能够防止在低重力加速度的加速度传感器中出现的摩擦。在一个实施例中，在六自由度惯性测量单元100工作期间，金属粘合剂102能够在帽晶片101和装置层105之间产生热应力。在一个实施例中，能够在装置层105上增加一个或多个特性，以使装置层105中的所述微机械结构隔离于热应力(如形成于微机械结构边界周围的一个或多个应力降低槽)。在一个实施例中，通孔晶片103可粘合到装置层105上，如热熔粘合(如硅-硅热熔粘合等)，以消除在通孔晶片103和装置层105之间的热应力。在一个实施例中，利用一个或者多个硅通孔(TSVs)(例如，通过介电材料109与通孔晶片103相隔离的第一硅通孔108)，通孔晶片103可包括一个或多个独立区域(例如，第一独立区域107)，所述独立区域隔离于通孔晶片103的一个或多个其他区域。在某些实施例中，所述一个或多个独立区域可作为电极使用，以感应或驱动所述六轴惯性传感器的面外工作模式，且所述一个或多个硅通孔可被配置为提供所述装置层105到六自由度惯性测量单元100外的电连接。此外，六自由度惯性测量单元100可包括诸如第一触点110的一个或多个触点，所述一个或多个触点通过介电层104选择性地隔离于通孔晶片103的一个或多个部分，且被配置为将通孔晶片103的一个或多个独立区域或硅通孔之间的电连接提供给一个或多个外部元件(例如，专用集成电路ASIC晶片)，例如通过冲击、丝焊或一个或多个其他电连接提供给所述一个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.09.18 US 61/384,2401.一种六自由度(6-DOF)惯性测量系统，包括装置层、粘合到所述装置层的第一面上的帽晶片、和粘合到所述装置层的第二面上的通孔晶片，其中所述装置层包括在x-y面中形成的单质量块六轴惯性传感器，所述单质量块六轴惯性传感器包括：主质量块部件，悬置在单中心支架上，所述主质量块部件包括向外朝所述单质量块六轴惯性传感器的边缘延伸的放射状部分；中心悬置系统，被配置为在所述单中心支架上悬置所述单质量块六轴惯性传感器；和驱动电极，包括移动部分和固定部分，所述移动部分连接到所述放射状部分上，其中，所述驱动电极和所述中心悬置系统被配置为使所述单质量块六轴惯性传感器围绕垂直于x-y面的z轴以驱动频率振动；其中所述帽晶片和所述通孔晶片被配置为封装所述单质量块六轴惯性传感器；其中，所述单质量块六轴惯性传感器包括第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件，所述第一x轴质量块部件和所述第二x轴质量块部件通过多功能柔性轴承连接到所述主质量块部件上。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多功能柔性轴承被配置为使得所述第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件能够沿x轴同相或反相移动。3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述多功能柔性轴承被配置为使得所述第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件能够响应于x轴加速度而沿x轴同相移动。4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述多功能柔性轴承被配置为使得所述第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件能够响应于z轴旋转而沿x轴反相移动。5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多功能柔性轴承被配置为使得所述第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件中的每一个能够响应于z轴加速度而围绕y轴旋转。6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多功能柔性轴承中的至少一个为细长的并在所述主质量块部件与所述第一x轴质量块部件之间沿y轴延伸。7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述至少一个多功能柔性轴承被配置为在扭矩作用下围绕一平行于y轴的轴弯曲。8.根据权利要求7所述的系统，其中，四个多功能柔性轴承将所述主质量块部件连接到所述第一x轴质量块部件和第二x轴质量块部件上，其中，对于每个多功能柔性轴承，存在关于x-z面成镜像关系的相对立的多功能轴承并存在关于y-z面成镜像关系的另一多功能轴承。9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一x轴质量块部件和所述第二x轴质量块部件由沿y轴延伸的细长的反相柔性轴承所连接。10.根据权利要求9所述的系统，其中，两个反相柔性轴承在x-z面的相对侧将所述第一x轴质量块部件连接到所述第二x轴质量块部件上。11.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·阿卡，
申请(专利权)人：快捷半导体公司，
类型：
国别省市：