專(zhuān)利名稱(chēng)：陀螺儀封裝組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文描述的主題關(guān)于陀螺儀，并且具體關(guān)于平面諧振陀螺儀或慣性傳感器及其制造。更具體地，本發(fā)明關(guān)于諧振儀慣性傳感器和陀螺儀的封裝。
背景技術(shù)：
陀螺儀可以用于基于感測(cè)的內(nèi)部移動(dòng)檢測(cè)質(zhì)量塊的慣性反應(yīng)來(lái)確定移動(dòng)平臺(tái)的方向。典型的機(jī)電陀螺儀包括懸掛的檢測(cè)質(zhì)量塊、陀螺儀殼體、傳感器(Pickoff)、扭矩裝置和讀出電子器件。慣性檢測(cè)質(zhì)量塊懸掛在陀螺儀殼體內(nèi)部，陀螺儀殼體剛性安裝到平臺(tái)并且傳達(dá)平臺(tái)的慣性運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將檢測(cè)質(zhì)量塊與外界干擾隔離開(kāi)。感測(cè)檢測(cè)質(zhì)量塊內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的傳感器、維持或調(diào)節(jié)該運(yùn)動(dòng)的扭矩裝置以及必須緊密貼近檢測(cè)質(zhì)量塊的讀出電子器件安裝在殼體內(nèi)部，殼體也提供與平臺(tái)電子器件的電直通連接以及電源。殼體也提供標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口以將陀螺儀與運(yùn)輸工具平臺(tái)附連和校直。以各種形式，陀螺儀常用作用于如航空器和航天器的交通工具的傳感器(sensor)。陀螺儀一般對(duì)于導(dǎo)航或無(wú)論何時(shí)需要自動(dòng)確定自由物體方位時(shí)是有用的。常規(guī)機(jī)械陀螺儀是使用相對(duì)大型的自旋質(zhì)量塊的重型機(jī)械裝置。許多新近技術(shù)已帶來(lái)了新式陀螺儀，包括如激光陀螺儀的光學(xué)陀螺儀和光纖陀螺儀及機(jī)械振動(dòng)陀螺儀。航天器一般依靠慣性速率感測(cè)設(shè)備以補(bǔ)充姿態(tài)控制。目前，這往往由昂貴的常規(guī)自旋質(zhì)量塊陀螺(例如，Kearfott慣性參照單元)或常規(guī)機(jī)器加工的振動(dòng)陀螺儀(例如， Litton半球形諧振陀螺儀慣性參照單元)執(zhí)行。然而，上述二者都非常昂貴，并且大且重。已制造了一些對(duì)稱(chēng)振動(dòng)陀螺儀，然而它們的振動(dòng)動(dòng)量經(jīng)由其殼體直接傳遞給運(yùn)輸工具平臺(tái)。這種傳遞或耦合使得難以從慣性速率輸入中區(qū)分外界干擾和能量損失，并因此引起感測(cè)誤差和漂移。這種振動(dòng)陀螺儀的一個(gè)例子可以在Tang等人的美國(guó)專(zhuān)利US 5894090中找到，其中描述了對(duì)稱(chēng)苜蓿葉式振動(dòng)陀螺儀設(shè)計(jì)。其他平面音叉陀螺儀可以將基板與振動(dòng)在一定程度上隔離開(kāi)，然而這些陀螺儀缺乏調(diào)諧操作所需要的振動(dòng)對(duì)稱(chēng)性。此外，如半球形諧振陀螺儀和振動(dòng)薄環(huán)陀螺儀的外罩模式陀螺儀以具有一些希望的隔離屬性和振動(dòng)對(duì)稱(chēng)屬性而聞名。然而，這些設(shè)計(jì)都不適合于薄平面硅微細(xì)加工或?qū)@種加工有明顯限制。半球形諧振器使用半球廣闊的圓柱側(cè)面用于靈敏的靜電傳感器和有效的致動(dòng)器。然而，其高縱橫比和三維彎曲的幾何形狀不適合于便宜的薄平面硅微細(xì)加工。薄環(huán)陀螺儀(例如，美國(guó)專(zhuān)利US 6282958)雖然適合平面硅精細(xì)加工，但是缺乏利用該裝置廣闊平面區(qū)域優(yōu)點(diǎn)的靜電傳感器和致動(dòng)器。而且，這種陀螺儀的殼體材料與諧振檢測(cè)質(zhì)量塊的材料不一樣，因此傳感器和扭矩裝置相對(duì)于諧振檢測(cè)質(zhì)量塊的校直隨溫度而改變，導(dǎo)致陀螺儀漂移。近來(lái)，已開(kāi)發(fā)了一些平面諧振陀螺儀裝置(如圓盤(pán)諧振陀螺儀)，該裝置通過(guò)激勵(lì)和感測(cè)基本固體平面諧振器的面內(nèi)振動(dòng)模式來(lái)操作。這些平面諧振器通過(guò)使得能夠具有更高的驅(qū)動(dòng)和感測(cè)更容易制造和封裝的緊湊封裝中的區(qū)域，獲得超過(guò)設(shè)計(jì)如半球形或殼形諧振器的增強(qiáng)特性。例如，參見(jiàn)Sicheglov等人2005年9月20日公開(kāi)的題為“INTEGRALRESONATOR GYROSCOPE”的美國(guó)專(zhuān)利 US 6944931 和 Shcheglov 等人 2006 年 5 月 9 日公開(kāi)的題為 “ISOLATED PLANAR GYROSCOPE WITH INTERNAL RADIAL SENSING AND ACTUATION” 的美國(guó)專(zhuān)利US 7043163。然而，使用嵌入式電容性電極的平面諧振陀螺儀對(duì)出現(xiàn)在它們的支持基板和平面諧振器之間的扭曲是敏感的。任何扭曲均可能影響電容隙，并因此致使陀螺儀操作的消極后果，如衰減不對(duì)稱(chēng)和/或速率漂移。平面諧振陀螺儀不同結(jié)構(gòu)元件之間的熱梯度可能是電容隙不一致的主要貢獻(xiàn)者。常規(guī)微電子和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMQ制造技術(shù)通常在平面諧振陀螺儀的開(kāi)發(fā)中使用，該技術(shù)需要應(yīng)用繩帶穿過(guò)至少一部分MEMS管芯至封裝襯底。該繩帶或封裝通常是與MEMS管芯不相似的材料，可導(dǎo)致MEMS管芯和封裝襯底之間與溫度有關(guān)的不均勻膨脹。進(jìn)而，這可導(dǎo)致誘發(fā)的機(jī)械應(yīng)力、管芯熱變形以及內(nèi)部電極間隙不一致，影響陀螺儀的性能。鑒于前文所述，本領(lǐng)域需要用于如具有常規(guī)MEMS封裝技術(shù)的平面諧振陀螺儀的改進(jìn)的封裝結(jié)構(gòu)和方法。特別地，需要這種結(jié)構(gòu)和方法以減少熱膨脹差異、機(jī)械應(yīng)力、熱變形和電容隙不一致。然而，需要這種結(jié)構(gòu)和方法兼容平面諧振陀螺儀現(xiàn)存的制造方法和材料。如下文所述，本發(fā)明滿(mǎn)足上述以及其他需要。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的多方面，提供陀螺儀，特別是用于制造多組件式的平面諧振陀螺儀封裝和技術(shù)。通過(guò)實(shí)例，提供了封裝的諧振陀螺儀及其制造方法。在一些實(shí)施例中，封裝的諧振陀螺儀包括將諧振器從物理應(yīng)力和/或熱應(yīng)力中隔離的特性。 因此，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供封裝的諧振陀螺儀。在一個(gè)實(shí)施例中，封裝的諧振陀螺儀包括載體、安裝在載體上的襯底、耦合到襯底以界定襯底和基板之間空腔的基板和安裝在基板上并懸掛在空腔中的諧振器。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供封裝平面諧振陀螺儀的方法。在一個(gè)實(shí)施例中，該方法包括將包括平面諧振器和基板的平面諧振器管芯安裝在襯底上以界定襯底和基板之間的空腔，以便諧振器懸掛在空腔中；將襯底安裝到載體；和將蓋固定到載體。


參考附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。圖1A-1D是根據(jù)一些實(shí)施例的陀螺儀封裝組件的示意性橫截面圖示說(shuō)明。圖2A是可以根據(jù)一些實(shí)施例進(jìn)行操作的用于陀螺儀或慣性傳感器的隔離諧振器的俯視圖的示意性圖示說(shuō)明。圖2B是圖2A示例性平面諧振陀螺儀的側(cè)視圖的示意性圖示說(shuō)明。圖2C圖示說(shuō)明根據(jù)一些實(shí)施例的示例性平面諧振器結(jié)構(gòu)的樣式或圖案。圖2D是根據(jù)一些實(shí)施例的示例性諧振器的第一差異模式的常規(guī)電極操作的示意性圖示說(shuō)明。圖3是根據(jù)一些實(shí)施例的示例性圓盤(pán)諧振陀螺儀的操作原理的示意性圖示說(shuō)明。圖4是圖示說(shuō)明制造陀螺儀封裝組件方法中的操作的流程圖。
具體實(shí)施例方式此處描述的是制造和使用陀螺儀封裝組件的示例性系統(tǒng)和方法。在一些實(shí)施例中，如此處所描述的陀螺儀封裝組件可以用于實(shí)施微電子機(jī)械(MEMQ陀螺儀，該陀螺儀可進(jìn)而與多種機(jī)械和電器裝置協(xié)同使用，所述多種機(jī)械和電器裝置例如為手持式裝置如遙控器、機(jī)動(dòng)車(chē)輛、飛機(jī)、火箭或類(lèi)似物。下列文件中描述了可以與如此處所描述的封裝組件一起使用的示例性陀螺儀2009 年 4 月 1 日提交的 Howard H. Ge 禾口 A.Dorian Challoner 的題為 "Environmentally Robust Disc Resonator Gyroscope"共同在審的美國(guó)專(zhuān)禾丨J 申請(qǐng) No.12/416911。2009 年 5 月 27 日提交的 Howard H. Ge 和 A. Dorian Challoner 的題為‘‘Isolated Active Temperature Regulator for Vacuum Packaging of a Disk Resonator Gyroscope”共同在審的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 12/473084。2006 年 5 月 9 日提交的 Kirill V. Shcheglov 等人的題為‘‘Method of Producing an Inertial Sensor” 的美國(guó)專(zhuān)利 US7401397。2005 年 8 月 8 日提交的 Kirill V. Shcheglov 等人的題為 ‘‘htegral Resonator Gyroscope"的美國(guó)專(zhuān)利 US7!M7095。2006年7月20日提交的題為"Disc Resonator Gyroscope”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng) No. 11/458911 (公開(kāi)號(hào) No. US20070017287A1)。2007 ip 6 ^ 4 0 !! "Planar Resonator Gyroscope with Central Die Attachment” 的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng) No. 11/757395 (公開(kāi)號(hào) Mo US20080295622A1) 2006 年 12 月 22 日提交的題為"Vibratory Gyroscope with Parasitic Mode Dampening” 的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng) No. 11/615872 (公開(kāi)號(hào) US20080148846A1)。2006 年 12 月 22 日提交的題為"Disc Resonator Integral Inertial Measurement Unit” 的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng) No. 11/831822 (公開(kāi)號(hào) US20100024546A1)。在下列描述中，提供了許多具體細(xì)節(jié)以便對(duì)多種實(shí)施例的完全理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)懂得，各實(shí)施例可在無(wú)需上述特殊細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施。在其他情況下，沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明或描述公知的方法、程序、部件和電路，以防模糊特定實(shí)施例。圖1A-1D是根據(jù)一些實(shí)施例的陀螺儀封裝組件的示意性橫截面圖示說(shuō)明。首先參考圖1，簡(jiǎn)要而言，示例性陀螺儀封裝組件100包括載體140、安裝在載體140上的襯底 130、與襯底130耦合以在襯底130和基板110之間界定空腔125的基板110和安裝到基板 110以便諧振器120懸掛在空腔125中的諧振器120。在一些實(shí)施例中，根據(jù)美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)No. 20070017287中提供的描述，諧振器120可以體現(xiàn)為圓盤(pán)諧振器陀螺儀?；?10可以由硅、石英或其他適合的材料形成。在圖IA描繪的實(shí)施例中，諧振器120通過(guò)硬安裝(hard mount) 115安裝到基板110，硬安裝 115可以體現(xiàn)為包括金、錫或其組合物的焊接部分。襯底130可以由硅或其他適合的材料形成，并且包括一個(gè)或多個(gè)電交互連接132， 電交互連接132可以作為電路跡線(xiàn)在襯底130表面上實(shí)施或嵌入在襯底130中。在圖IA描繪的實(shí)施例中，通過(guò)適合的移除工藝，例如刻蝕工藝，移除了襯底130的內(nèi)部部分。基板110 經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電性連接器電耦合到一個(gè)或多個(gè)電交互連接132，導(dǎo)電性連接器如焊球134支持基板110以便諧振器120懸掛在由襯底130移除的部分界定的空腔125中。在圖IA描繪的實(shí)施例中，襯底130通過(guò)硬安裝135安裝到載體140110，硬安裝135 可以體現(xiàn)為包括金、錫或其組合物的焊接部件。一個(gè)或多個(gè)電交互連接132與引線(xiàn)或?qū)Ь€(xiàn) 136耦合，引線(xiàn)136穿過(guò)載體140的墻壁部分142提供與襯底130的電氣接觸。蓋150可以被密封到載體140，例如，使用焊接預(yù)成型坯的連續(xù)密封圈135，該焊接預(yù)成型坯在升高的溫度下回流。真空吸氣器160可以被耦合到蓋150。在一些實(shí)施例中，真空吸氣器可以包括鈦基薄膜吸氣器或任何其他的吸氣器材料。圖IB是陀螺儀封裝組件100的可替換實(shí)施例的示意性圖示說(shuō)明。圖IB中描繪的組件100與圖IA中描繪的組件相似。為了簡(jiǎn)潔清楚的目的，相似組件不再重復(fù)描述?，F(xiàn)參考圖IB中描繪的實(shí)施例，一個(gè)或多個(gè)焊球134代替硬安裝135以支持載體140上的襯底 130。在替換實(shí)施例中，焊球134可以由一個(gè)或多個(gè)支柱代替，或由熱壓縮澆鑄的金球代替。圖IC是陀螺儀封裝組件100可替換實(shí)施例的示意性圖示說(shuō)明。圖IC中描繪的組件100與圖IA中描繪的組件相似。為了簡(jiǎn)潔清楚的目的，相似組件不再重復(fù)描述。現(xiàn)參考圖IC中描繪的實(shí)施例，部分襯底130已被移除，例如通過(guò)適合的刻蝕工藝，以留下多個(gè)彈性懸臂式部件138，基板110可安裝于懸臂式部件138上。懸臂式部件138提供基板110和諧振器120振動(dòng)隔離的額外測(cè)量。圖ID是陀螺儀封裝組件100替換實(shí)施例的示意性圖示說(shuō)明。圖ID中描繪的組件 100與圖IC中描繪的組件相似。為了簡(jiǎn)潔清楚的目的，相似組件不再重復(fù)描述?，F(xiàn)參考圖 ID中描繪的實(shí)施例，一個(gè)或多個(gè)焊球134已經(jīng)代替硬安裝135，以支持載體140上的襯底 130。在替換實(shí)施例中，焊球134可以由一個(gè)或多個(gè)支柱代替。因此，圖1A-1D提供陀螺儀封裝組件實(shí)施例的示意性描繪，其中基板110安裝在襯底上以界定空腔區(qū)，并且諧振器從基板上懸掛在空腔區(qū)內(nèi)。這種構(gòu)造增強(qiáng)了封裝組件100 的物理穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。此外，襯底130可以具有移除的部分，以界定彈性懸臂式部件從而提供額外的物理穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。進(jìn)一步，襯底使用焊球134可以安裝到載體140以便進(jìn)一步從載體140隔離襯底。這些構(gòu)造技術(shù)，單獨(dú)地或以組合的方式，提供封裝組件100 增強(qiáng)的熱穩(wěn)定性和物理穩(wěn)定性。封裝組件可以進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)活性熱管理元件，以便進(jìn)一步增強(qiáng)該封裝的物理穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。以實(shí)例而非限制的方式，一個(gè)或多個(gè)焊球138可以作為熱力泵實(shí)施，如可商購(gòu)自美國(guó)北卡羅來(lái)納州達(dá)勒姆Nextreme Thermal Solutions公司的活性熱銅支柱凸塊。此外，可向封裝100添加熱電致冷器模塊。圖2A是可根據(jù)一些實(shí)施例進(jìn)行操作的用于陀螺儀或慣性傳感器的隔離諧振器的俯視圖示意性圖示說(shuō)明。該陀螺儀包括特有的平面諧振器200，該平面諧振器200由剛性中央支架206支持，并為平面內(nèi)振動(dòng)而設(shè)計(jì)。在示例性實(shí)施例中，該諧振器200包括圓盤(pán)，該圓盤(pán)包括許多狹槽，例如，從同心圓周片段104A-204E中形成的216A-216D(—般以216指代)。圓周片段204A-1204E由徑向片段202A-202E支持。該諧振器的總體直徑可以根據(jù)性能要求而改變。例如，16mm直徑的諧振器可以提供相對(duì)的高加工精度和低噪音。諧振器的進(jìn)一步改良可以生成明顯減少成本的僅4mm的諧振器直徑。圖2B是圖2A示例性平面諧振陀螺儀側(cè)視圖的示意性圖示說(shuō)明。參考圖2B，中央支架206支持基板212上的諧振器200。諧振器200中的至少一些狹槽216為嵌入電極208A-208D提供入口，基板212上的支柱214也支持嵌入電極208A-208D。電極208A-208D與諧振器200的至少一些圓周片段204A-204E形成電容隙210A_210H(外側(cè)間隙210A、210C、 210F和210H及內(nèi)部間隙210B、210D、210E和210G)。這些電極208A-208D提供諧振器200 的徑向激勵(lì)，并感測(cè)諧振器200的移動(dòng)。為了便于上述操作，每個(gè)電極208A-208D都被分成多重單獨(dú)元件，以改進(jìn)控制和諧振器的感測(cè)。例如，所示的環(huán)形電極208B可以被分為兩個(gè)或更多個(gè)元件，至少一個(gè)元件穿過(guò)外側(cè)間隙210C工作，并且至少一個(gè)穿過(guò)內(nèi)側(cè)間隙210D工作。通過(guò)單獨(dú)激勵(lì)上述元件以在電極208B的位置在諧振器200上產(chǎn)生偏置反應(yīng)，從而在諧振器中引起振動(dòng)。一般而言，激勵(lì)電極208B、208C( S卩，在諧振器200的內(nèi)狹槽中)比電極208A、 208D(S卩，在諧振器200的外狹槽中)更靠近中央支架206放置，以改進(jìn)感測(cè)。然而，可以根據(jù)需要來(lái)改變激勵(lì)和感測(cè)電極208A-208D的排列和分布。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，也可以使用額外電極，以偏置提供靜電調(diào)諧或不一致性修飾的諧振器200。這種偏置電極也可以如激勵(lì)和感測(cè)電極般包括多重單獨(dú)元件?？梢脏徑矫嬷C振器200放置一個(gè)或多個(gè)額外電極M0J42。盡管電極M0J42 作為平面諧振器200之上或之下的單個(gè)元件示出，但是每個(gè)電極均可以包括可獨(dú)立控制的多重不同元件。上電極240可以被放置在封裝諧振器的外殼的內(nèi)表面(圖2B中未示出)， 而下電極242可以被放置在基板212上。下電極M2限于嵌入電極208A-208D和剛性中央支架206之間的可用區(qū)域。額外電極M0、242可以用于增強(qiáng)平面諧振器200的控制。這些電容電極240、242可以用于軸向或角度加速測(cè)量以及該圓盤(pán)諧振器陀螺儀軸向和搖動(dòng)模式的活性衰減。下面將參考圖3描述平面諧振器200 (例如，作為陀螺儀的一部分)的操作。一般而言，各種電極(嵌入諧振器中或臨近諧振器)用于與耦合至每個(gè)電極的控制電路244 — 起驅(qū)動(dòng)平面諧振器的振動(dòng)模式和感測(cè)這些模式中對(duì)諧振器移動(dòng)的反應(yīng)。將所有電極耦合至控制電路的電連接可以任何方式布施路線(xiàn)。例如，可通過(guò)基板212表面上的刻蝕導(dǎo)電跡線(xiàn)從基板212的一個(gè)邊緣向絲焊248提供電連接。可替換地(或額外地)，一個(gè)或多個(gè)電連接可以穿過(guò)垂直通孔246布施路線(xiàn)，垂直通孔246穿過(guò)基板212的中央?yún)^(qū)。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)此處的教導(dǎo)可容易地開(kāi)發(fā)控制電路M4的設(shè)計(jì)。圖2C圖示說(shuō)明根據(jù)一些實(shí)施例的示例性平面諧振器結(jié)構(gòu)的樣式。樣式220使用許多同心交錯(cuò)圓周狹槽222。一些狹槽，例如222A-222E要寬一些，以便容納多重元件電極。 例如，寬狹槽外圈中的兩個(gè)狹槽222A、222B用于感測(cè)電極，并且寬狹槽內(nèi)圈中的三個(gè)狹槽用于驅(qū)動(dòng)電極。剩下的狹槽222可以用于結(jié)構(gòu)地調(diào)諧諧振器200(例如，降低頻率)和/或被偏置電極占據(jù)，偏置電極用于在操作中有效地(actively)偏置諧振器。諧振器和模態(tài)軸 224被指示；諧振器的操作識(shí)別它們，因?yàn)闃邮?20是對(duì)稱(chēng)的。盡管示例性諧振器200以圓盤(pán)示出，利用嵌入電極進(jìn)行內(nèi)部感測(cè)和致動(dòng)的其他平面形狀和幾何體也可應(yīng)用本發(fā)明的原理。此外，進(jìn)一步地，希望單個(gè)的中央支架206提供諧振器的完全隔離，然而，使用一個(gè)或多個(gè)額外安裝支架的其他安裝構(gòu)形也是可能的。如上述諧振器200中所使用的，中央支持固體圓柱或圓盤(pán)具有適合于科里奧利 (Coriolis)感測(cè)的兩個(gè)簡(jiǎn)并的平面內(nèi)徑向模式，然而其頻率非常高(大于ΙΟΟΚΗζ)，并且該徑向電容感測(cè)區(qū)域隨圓柱的高度或圓盤(pán)厚度縮小。然而，圖2A和2B中示出的該多重狹槽圓盤(pán)諧振器200克服了上述問(wèn)題。借助通過(guò)圓柱或圓盤(pán)刻蝕多重環(huán)形狹槽，產(chǎn)生了兩個(gè)即時(shí)的好處具有低頻率(低于50KHz)和大感測(cè)、偏置和驅(qū)動(dòng)電容的適合于科里奧利感測(cè)的兩個(gè)簡(jiǎn)并模式。低頻率衍生自狹槽提供的升高的徑向順應(yīng)性。大感測(cè)、偏置和驅(qū)動(dòng)電容是可加工到諧振器中的大量狹槽的結(jié)果。圖2D是根據(jù)一些實(shí)施例的示例性諧振器第一差別模式或差模的常規(guī)電極操作的示意性圖示說(shuō)明。與樣式220的諧振器200 —起操作的電極136在左圖中示出。使用了四組電極224，每個(gè)都以900間隔環(huán)繞該樣式的圓周。驅(qū)動(dòng)負(fù)激勵(lì)元件2 和正激勵(lì)元件228， 即激勵(lì)電極的成對(duì)元件，以激勵(lì)諧振器200。這些成對(duì)元件2沈、2觀與外側(cè)位置的負(fù)元件 226和內(nèi)側(cè)位置的正元件2 共享一個(gè)狹槽。也應(yīng)注意，如所示，一些電極對(duì)與其他不同的電極對(duì)共享共有的狹槽，圖示說(shuō)明多重單獨(dú)地可操作電極可以共享共有的諧振器狹槽。感測(cè)電極在更大的徑向位置上放置，并包括負(fù)感測(cè)元件230和正感測(cè)元件232，二者一起提供關(guān)于諧振器200運(yùn)動(dòng)的輸出。只要保持適合于科里奧利感測(cè)的兩個(gè)簡(jiǎn)并徑向模式，那么可以使用狹槽216、222 之間的統(tǒng)一徑向間距，但也可以使用其他間距。此外，在進(jìn)一步的實(shí)施例中，部分或所有片段204A-204E都可以被進(jìn)一步開(kāi)有狹槽，以便單束片段進(jìn)一步分為包括多重平行片段的復(fù)合或合成片段。這種復(fù)合片段的選擇性使用可以用于調(diào)節(jié)諧振器的頻率并消除對(duì)漂移性能的不利熱彈性影響，因?yàn)樵谥C振器的操作中，該片段承受壓力。一般地，添加狹槽以形成復(fù)合圓周片段降低了諧振器頻率。多重狹槽也減輕了加工誤差的影響。盡管這種復(fù)合片段優(yōu)選地應(yīng)用于圓周片段204A-204E，但是該技術(shù)也可以應(yīng)用于徑向片段202A-202E或其他諧振器圖案中其他片段的其他設(shè)計(jì)。使用描述的平面內(nèi)設(shè)計(jì)較之于其他平面外陀螺役可以產(chǎn)生優(yōu)點(diǎn)。例如，中央支架結(jié)合部(bond)不承載振動(dòng)加載，消除任何的摩擦可能性或錨定損失可變性。此外，經(jīng)由狹槽可獲得諧振器和電極的同步光刻加工。進(jìn)一步，可加和直徑電極電容以消除振動(dòng)整流，并且軸向振動(dòng)不將電容改變成第一級(jí)。模態(tài)對(duì)稱(chēng)很大程度上也通過(guò)光刻對(duì)稱(chēng)而不是其他設(shè)計(jì)的晶片厚度來(lái)確定。獲得了感測(cè)電容(例如，從外狹槽)和驅(qū)動(dòng)電容(例如，從內(nèi)狹槽)的隔離和最優(yōu)化。本發(fā)明的實(shí)施例也獲得了幾何可擴(kuò)展設(shè)計(jì)以縮小或放大直徑以及減薄或加厚晶片。此外，本發(fā)明的實(shí)施例可以通過(guò)用于加工一致性和對(duì)稱(chēng)性的相同寬度的狹槽來(lái)整體界定。本發(fā)明的實(shí)施也可以容納硅各向異性產(chǎn)生的頻率分離。例如，可以使用硅晶片和 /或改變的狹槽寬度。如上所述，由于振動(dòng)頻率接近熱松弛諧振引起的高度熱彈性阻尼，可導(dǎo)致短暫的諧振衰減時(shí)間和高度陀螺漂移。然而，可調(diào)節(jié)狹槽徑向間距以界定最佳束寬，并且可在界定電極空隙的狹槽之間中額外地刻蝕一定數(shù)目的狹槽以進(jìn)一步減少振動(dòng)束寬。圖3圖示說(shuō)明示例性圓盤(pán)諧振陀螺儀(如圖2A-2C中的描述)操作的原理。該模式相對(duì)于圓盤(pán)諧振器202的剛性中央支架是橢圓形的和無(wú)反應(yīng)的。如圖3所示，該模式在固定的振動(dòng)幅度并且在施加慣性旋轉(zhuǎn)時(shí)被激勵(lì)，經(jīng)由嵌入和臨近于包括圓盤(pán)諧振器302結(jié)構(gòu)的交互連接圈的片段化電容電極觀察其進(jìn)動(dòng)。進(jìn)動(dòng)的量是慣性旋轉(zhuǎn)的精確幾何界定分?jǐn)?shù)。 在示出的實(shí)例中，在圓盤(pán)諧振器302的殼體旋轉(zhuǎn)之前，說(shuō)明了在第一位置300A的駐波振動(dòng)樣式。如所指示的，由于固定在中央支持的圓盤(pán)諧振器302上的殼體旋轉(zhuǎn)90度，進(jìn)動(dòng)將駐波振動(dòng)樣式變換至第二位置300B(在示例中近似為順時(shí)針36度)。
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一般地，振動(dòng)陀螺儀有效地控制至少一個(gè)振動(dòng)科里奧利模式以在恒定幅度振動(dòng)。 附近的第二輸出科里奧利模式可被有效地強(qiáng)制在零幅度，或允許其自由振動(dòng)以便感測(cè)通過(guò)第一模式振動(dòng)和輸入慣性速率的組合產(chǎn)生的科里奧利力，輸入慣性速率沿垂直于振動(dòng)平面的軸的方向。將振幅重新調(diào)整為零的閉合環(huán)力或開(kāi)環(huán)進(jìn)動(dòng)是輸入慣性速率的指示。圖4是圖示說(shuō)明制造陀螺儀封裝組件方法中的操作的流程圖。參考圖4，在操作 410中，包括諧振器120和基板110的諧振器管芯安裝在襯底130上，以界定襯底130和基板110之間的空腔125，以便諧振器120懸掛在空腔125內(nèi)。在操作415中，通過(guò)使用如上所述的硬安裝技術(shù)或者一個(gè)或多個(gè)焊球或支柱，將襯底130安裝到載體。在操作420中，在基板110、襯底130和引線(xiàn)136之間建立了一個(gè)或多個(gè)電連接。在操作425中，蓋150設(shè)置在載體140上。然后可以將真空施加給組件100，并且可以加熱該組件100以使焊料流動(dòng)或使粘結(jié)材料固化。在說(shuō)明書(shū)描述和權(quán)利要求中，可以使用“耦合”和“連接”這樣的術(shù)語(yǔ)及其衍生詞。 在特定實(shí)施例中，可以使用“連接”以指示兩個(gè)或多個(gè)元件相互直接物理接觸或電接觸?！榜詈稀笨梢砸馕吨鴥蓚€(gè)或多個(gè)元件直接物理接觸或電接觸。然而，“耦合”也可以意味著兩個(gè)或多個(gè)元件相互不直接接觸，但是仍可相互合作或互相作用。說(shuō)明書(shū)中提及的“一個(gè)實(shí)施例”或“一些實(shí)施例”意思是與該實(shí)施例相關(guān)聯(lián)的所描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在至少一項(xiàng)實(shí)施方式中。說(shuō)明書(shū)中多個(gè)地方出現(xiàn)的詞組“在一個(gè)實(shí)施例中”，可全部指相同的實(shí)施例，也可以不全部指相同的實(shí)施例。盡管實(shí)施例已用結(jié)構(gòu)特征和/或方法學(xué)行為的具體語(yǔ)言進(jìn)行描述，但是應(yīng)理解所要求的主題可以不局限于所描述的具體特征或行為。在一定程度上，所述的具體特征和行為作為實(shí)施所要求保護(hù)的主題的樣本形式公開(kāi)。
權(quán)利要求
1.一種封裝的諧振陀螺儀(100)，包括 載體(140)；安裝到所述載體的襯底(130)；基板(110)，其被耦合到所述襯底以界定所述襯底和所述基板之間的空腔(12 ；和安裝到所述基板并懸掛在所述空腔中的諧振器(120、200)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝的諧振器陀螺儀，其中所述襯底通過(guò)硬安裝(13 安裝到所述載體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝的諧振陀螺儀，其中所述襯底通過(guò)至少一個(gè)焊球(134) 安裝到所述載體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的封裝的諧振陀螺儀，其中所述至少一個(gè)焊球包括熱支柱凸塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝的諧振陀螺儀，其中所述襯底通過(guò)至少一個(gè)支柱安裝到所述載體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝的諧振陀螺儀，其中 所述基板包括至少一個(gè)第一電交互連接；所述襯底包括至少一個(gè)第二電交互連接；以及所述第一電交互連接被耦合到所述第二電交互連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的封裝的諧振陀螺儀，其中所述至少一個(gè)第二電交互連接與至少一根引線(xiàn)耦合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝的諧振陀螺儀，其中 移除至少一部分所述襯底以界定多個(gè)懸臂式部件；以及所述基板在所述多個(gè)懸臂式部件的至少一個(gè)上與所述襯底耦合。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝的諧振陀螺儀，進(jìn)一步包括蓋以封閉所述諧振器封裝體。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝的諧振陀螺儀，進(jìn)一步包括耦合到所述蓋的吸氣器層。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封裝的諧振陀螺儀，進(jìn)一步包括熱電致冷模塊。
12.一種封裝平面諧振陀螺儀(100)的方法，包括將包括平面諧振器和基板的平面諧振器管芯安裝(410)到襯底上以界定所述襯底和所述基板之間的空腔，以便所述諧振器懸掛在所述空腔中； 將所述襯底安裝(415)到載體；和將蓋固定(42 到所述載體。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中將包括平面諧振器和基板的平面諧振器管芯安裝到襯底上包括在所述基板和所述襯底之間建立G20)電連接。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中將所述襯底安裝到載體上包括建立硬安裝。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中將所述襯底安裝到載體包括使用至少一個(gè)焊球?qū)⑺鲆r底固定到所述載體。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中將所述襯底安裝到載體包括使用至少一個(gè)支柱將所述襯底固定到所述載體。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，進(jìn)一步包括在所述襯底和至少一根引線(xiàn)之間建立電連接。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中移除所述襯底的至少一部分以界定多個(gè)懸臂式部件；以及所述基板在所述多個(gè)懸臂式部件的至少一個(gè)上與所述襯底耦合。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，進(jìn)一步包括將吸氣器層固定到蓋。
全文摘要
本發(fā)明關(guān)于如圓盤(pán)諧振陀螺儀(DRG)的平面諧振陀螺儀的封裝技術(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，封裝的諧振陀螺儀包括載體、安裝在載體上的襯底層、與襯底耦合以界定襯底和基板之間空腔的基板和安裝到基板并懸掛在空腔中的諧振器。還有其他實(shí)施例。
文檔編號(hào)G01C19/5684GK102449434SQ201080024156
公開(kāi)日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2010年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月1日
發(fā)明者R·J·喬伊斯 申請(qǐng)人:波音公司