[发明专利]一种具有振荡模块的微机电系统装置

说明书

技术领域

本发明是关于一种微机电系统装置，且特别是一种具有振荡模块的微机电系统装置。

背景技术

近年来受惠于智慧型手机、平板电脑、体感游戏机等相关电子产品的带动下，而使微机电惯性感测元件，例如加速度计与陀螺仪(角速度计)，其市场需求呈现逐年大幅地成长。因此，国际大厂纷纷投入大量资源，以开发高性能低成本的微机电惯性感测元件。特别是在加速度计技术已相对成熟下，新一代高性能低成本的角速度计将成为微机电惯性感测元件厂商在市场上的主要竞争产品。

图9是某种传统微机电陀螺仪的结构示意图。微机电陀螺仪30包括质量块31、驱动电极32、感测电极33、悬浮梁34、固定支撑座35以及基板36，其中质量块31凭借悬浮梁34与固定支撑座35悬浮于基板36上方。

一般状态下，质量块31受到驱动电极32作用使其沿着X轴方向产生共振，在此称为驱动模态。当外界角速度W_z沿着Z轴方向输入时，在Y轴会产生科氏加速度(Coriolis Acceleration)。此科氏加速度将进一步推动质量块31使其沿着Y轴(Sense Direction)产生振动，在此称为感测模态。感测模态的振动量则凭借感测电极测量，以进一步推算出外界角速度的大小。但当外界有其它线性加速度沿着Y轴输入时，亦会造成质量块产生Y轴向的偏移，因而造成感测模态的感测电极产生额外的输出，干扰微机电陀螺仪30的输出信号。某些音叉式陀螺仪(Tuning Folk Type Gyroscope)能改善此线性加速度对陀螺仪造成的干扰。图10A至图10C为某种音叉式陀螺仪的等效系统示意图，以描述此种音叉式陀螺仪的各种运动状态。请同时参考图10A与图10B，音叉式陀螺仪40包含了两个质量块41与42、驱动电极43、感测电极44、支撑弹簧45以及固定支撑座46。

质量块41、42受驱动电极43推动，使两个质量块41、42沿着Y轴方向产生反向振动(两质量块41、42的运动方向相反，即若一质量块41往正Y方向运动，则另一质量块42往负Y方向运动，如图10A所示)并同时达到共振(此称为驱动模态)。当外界角速度W_z沿着Z轴方向输入时，此时在X轴方向会产生科氏加速度使两质量块41、42沿着X轴方向产生一左一右的反向振动(此称为感测模态)，其振动量则凭借感测模态的感测电极44测量以进一步推算出外界角速度的大小。

请参考图10C，当外界线性加速度F_a沿着Y轴之正Y方向输入音叉式陀螺仪40时，会使两个质量块41、42同时往正Y方向移动。因为计算此种音叉式陀螺仪感测电容的变化时，是以差分的方式运算，因此外界线性加速度造成感测电容的变化为零。相同地，当线性加速度沿X轴之正X方向输入至角速度计时，会使两个质量块41、42同时往正X方向移动，亦会造成感测电容的变化为零。因此，此种音叉式陀螺仪40仅以结构手段便能完全地抑制外界线性加速度F_a的影响，无需再利用后端讯号处理电路，以避免增加额外的成本。

某些音叉式角速度计的技术瓶颈主要有两个，一是对制程精确度要求极高，二是容易产生侧向偏移。音叉式陀螺仪40主要包含了两组质量块41、42以及相应的支撑弹簧45。当因制程原因产生公差时，将造成两个质量块41、42或支撑弹簧45的弹簧系数不一致。此时，系统的自然频率不同，因此将无法同时使两质量块41、42产生共振以及无法使两质量块41、42产生运动方向相反的运动(即相位差并非180度)。在此情况下上述公差可能将严重影响音叉式陀螺仪40的灵敏度，甚至使其失效而无法作用。

另一方面，图11A为美国专利US7,043,985的一种音叉式陀螺仪的示意图。图11B与图11C分别绘示图11A的音叉式陀螺仪于运动状态时的等效系统示意图，其中图11C仅绘示图10A的局部简化示意图。请同时参考图11A至图11C，音叉式陀螺仪50包含两个质量块51与52、驱动电极53、感测电极54、支撑架55、弹簧连杆56以及固定支撑座57。与上述图10A至图10C所述不同的是，图11A中的音叉式陀螺仪50是以支撑架55的一端连接固定支撑座57，而其另一端连接至弹簧连杆56的中央处，藉以降低侧向位移。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种具有振荡模块的微机电系统装置。