专利名称：用于微机械式环形谐振器的温度补偿装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及时基，即一种由谐振器和集成电子电路组成的器件，该集成电路可驱使谐振器发生振荡并随此振荡产生具有确定频率的信号，也涉及用于这样一种时基中的谐振器。本发明更特别地涉及一种用于补偿温度对所述谐振器的谐振频率的影响的温度补偿装置。
背景技术：
时基，或频率标准，是各种各样电子仪器所需的，从手表和其它时计到复杂的通信设备。这样的时基通常由一个包括石英谐振器的振荡器和一个驱动该谐振器发生振荡的电子电路组成。一个另外的除法电路可用于将振荡器所产生信号的频率分割，以获得较低频率。该电路的其它部分可用来调节频率，例如通过调节除法电路的标度比。电子电路的元件很好地集成在CMOS(互补型金属氧化物半导体)技术中单片的半导体衬底上。与频率处理没有直接关系的其它功能可集成在同一衬底上。
石英谐振器的优点是其品质因数高，因此频率稳定性好，功率消耗低及温度稳定性好。但利用石英谐振器的典型时基的缺点在于这一事实，即需要两个部件，也就是石英谐振器和集成电子电路，才能提供高精度的频率。独立的石英谐振器需要电路板空间，在许多情况下该电路板空间是缺乏的。例如，手表中应用的标准石英谐振器需要的空间约为2×2×6mm3数量级。况且该两个元件的组装和连接带来了额外的成本。可是，空间和组装成本是大问题，尤其在日益增长的便携式电子装置领域。
发明内容
本发明提供一种包括集成谐振器的时基来为上述问题提供一个解决办法。
这样一种解决办法的优点在于提供适合批量生产且与CMOS技术兼容，可以被充分集成在单衬底上的时基。
此外，这样一种时基的价格低且只需在半导体芯片上占很小的表面积。
本发明所述时基的优点在于这样的事实，即微机械式环形谐振器具有高的品质因数Q。已测到的品质因数高达2×105。作为比较，音叉石英谐振器在叉尖作激光修边后的品质因数值通常在5×104和1×105之间。有助于提高品质因数Q的各种各样的设计结构特点将被提出。
此外，对于给定的谐振频率而言，衬底上形成环形谐振器所需表面积比其它谐振器小。
电子电路和微机械式环形谐振器共同有利地集成在衬底上，从而致使时基价格低廉。低价还由于应用片结合技术来作谐振器圆片级的封装。
必须指出，所知道的具有类似特点的环形谐振器来自传感装置，如角速率传感器、过载传感器或陀螺仪。例如，美国专利5,450,751发明人Putty等人和美国专利5,547,093发明人Sparks，二者均公开了一种振动陀螺仪上用的微机械式环形谐振器，它包括支承在硅衬底上方的电镀金属环和弹簧系统。美国专利5,872,313授予Zarabadi等人公开了上述传感器的一种变型，它对温度变化敏感性最小。美国专利5,025,346也公开了一种环形谐振器，可用作陀螺仪或角速度传感器中的微传感器。
但上面引用的文献没有一篇指出或建议将这类环形谐振器应用于振荡器电路，以便起到频率标准或时基的作用。况且，这些文献中公开的环形谐振器的许多结构特点(如弹性元件的形状和数量)不适合应用于频率稳定性和电耗小作为主要要求的计时仪应用中。例如，美国专利5,025,346公开的谐振结构所显示的品质因数范围从20到140，这对应用在计时仪中的高精度时基而言太低了，然而，计时仪中应用的石英谐振器，其品质因数约为1×104至1×105。
在上述解决办法的范围内，所提出的各种设计特征导致了一个高品质因数，一个克服了激励电压的振幅变化的高稳定的振荡频率，和克服制造工艺变化的公差。事实上，用作振荡器的主要原因之一是品质因数Q高。高的品质因数导致振荡稳定，相位噪音低，能耗少，这是计时仪应用中所要求的。
然而上述解决办法的一个问题在于温度对所述谐振器的谐振频率的影响。所述环形谐振器的谐振频率在温度为0°至60℃范围内是大约为温度的线性函数。在谐振频率为45KHz时，所观察到的谐振频率的温度系数为具有-25ppm/℃。
两个主要因素决定所述环形谐振器的温度特性。第一，用于实现所述振动结构的材料的杨氏模数E随着温度的增加而减少，从而导致了所述弹簧元件的硬度减少，而且因此具有较低的谐振频率。第二，由于热膨胀，所述环的直径将随着温度的增加而增加，从而导致所述结构的质量惯性矩增加，依次，也使所述谐振频率减小。
上述问题的一种解决办法可以在于在所述衬底上集成一温度测量电路，用于补偿温度对由所述时基产生的信号的频率的影响。由于上述环形谐振器具有基本上呈线性的温度特性的优点，可以容易地取得所述谐振器的温度从属性的这种补偿的效果。
对于上述问题的另外解决办法可从在于在所述衬底上形成第二微机械式环形谐振器，用于允许温度补偿。
本发明的一个目的在于不需要附加的温度测量电路或附加的谐振器而可提供一种用于基本上补偿温度对所述环形谐振器的谐振频率的影响的装置。
因此，提供上述类型的时基，和一种驱使所述谐振器发生振荡的方法，其中，多个电极设置在所述独立式振荡构件之下，以在基本上垂直于所述衬底的一平面中并且具有与所述第一振荡模式的谐振频率不同的谐振频率这样的方式驱动和检测第二振荡模式，两个振荡模式的谐振频率之间的频率差用于补偿温度对由所述时基产生的所述信号的频率的影响。
根据本发明，温度补偿可用单个微机械式环形谐振器来实现，它同时用具有不同谐振频率的两种振荡模式被操作。
本发明其它的方面、特征和优点在参照附图，阅读了下面非限制性的范例和实施例之后就会清楚，附图中图1是顶视图，示意性示出包括微机械式环形谐振器和集成电子电路的时基的第一实施例；图2是该微机械式环形谐振器及其与弹性元件接合处的详细视图；图3是外环与弹性元件结合处的局部详细视图；
图4是沿图1的A-A′线剖开的微机械式环形谐振器的截面图；图5示出带一段外环的理想化伸直的弹性元件；图6示出表示时基第二实施例的顶视图；图7a至7c示出预防环形谐振器卡在电极构件上的三种不同结构的顶视详图；图8示出图1所示第一实施例一种改进结构的顶视图；图9是图8中的实施例沿A-A′线剖开的截面图；图10a和10b是两个顶视图，示出一种用于改变作为温度的函数的环形谐振器的质量惯性矩的机械装置的两种变型，补偿温度对环形谐振器谐振频率的影响；图11a和11b分别是顶视图和截面图，示出谐振器的第二振荡模式，即作俯仰振荡的情况；以及图12a和12b分别是顶视图和截面图，示出谐振器另一种第二振荡模式，即作垂直于衬底平面的垂直振荡的情况。
具体实施例方式
图1示意性地示出一时基第一实施例的顶视图。图中示出一集成时基，整体以标号1表示，它包括谐振器4和集成电子电路3，该集成电子电路3用于驱使谐振器发生振荡且随此振荡产生具有确定频率的信号。图4是图1所示环形谐振器4沿A-A′线剖开的截面图。
集成电子电路3未详示，因为这种电路容易由专业技术人员进行设计。集成电子电路3及谐振器4最好在一个共同的衬底2上实现并被集成在一起，如图1所示。优选的衬底材料是硅，但其它为技术人员熟知同样适合于实现本发明时基的类似材料也可应用。
所述谐振器4做成单片的微机械式谐振环形式，下文中称为微机械式环形谐振器，它完全支承在衬底2的上方且能环绕垂直于衬底2的旋转轴○作振荡。该环形谐振器4主要包括一从衬底2沿旋转轴○向上延伸的中央立柱5，和一与中央立柱5连接的独立式的振荡构件，统统用标号6表示。
一独立式的振荡构件6包括一与旋转轴○共轴的外环60和一些弹性元件62，这些弹性元件62对称地配置在中央立柱5的周围且使外环60与中央立柱5相连。弹性元件62实质上是弯曲杆状弹性元件。中央立柱5最好是环形谐振器4与衬底2连接的唯一机械连接件，且谐振器的振荡发生与衬底2的表面平行的平面内。
所述环形谐振器4还包括环绕外环60沿直径对置的若干对电极构件，在图1中以标号9表示。根据第一实施例，在独立式振荡构件6的外环60上有梳形件8。这些梳形件8构成该环的电极构件的一部分且每个梳形件包括从外环60沿径向伸出的支承件80和第一及第二横向件82和84，该横向件大致垂直地从支承件80两侧伸出。
电极构件9包括第一和第二梳形电极构件91和93，它们通过以下方式环绕外环60，即与独立式振荡构件的梳形件8互相配合。更具体地说，根据本实施例，该第一梳形电极构件91包括第一电极92并与梳形件8配合，以便第一电极92很靠近第一横向件82。同样，第二梳形电极构件93(配置在第一梳形电极构件91的对面)包括第二电极94且与梳形件8配合，以便第二电极94靠近第二横向件84。如图1所示，横向件82、84及第一、第二电极构件91、93的电极92、94，它们最好设计成与外环60同心的圆弧形。
在此实施例中，第一梳形电极构件91用来靠静电驱动环形谐振器4发生振荡，配置在支承件80的另一侧的第二梳形电极构件93用来以电容检测谐振器的振荡。环绕谐振器4的诸第一电极构件91通过形成在衬底2上的第一导线11连接起来；同样，第二电极构件93通过形成在衬底2上的第二导线12连接起来。这些导线11、12及通过中央立柱5与该环电接触的第三导线13连接到电子电路3的相应端子上。
图4示出图1所示环形谐振器4沿A-A′线剖开的截面图。图上的厚度及其它尺寸均不按比例。图上示出衬底2，沿环形谐振器的旋转轴○的中央立柱5，包括外环60和弹性元件62的独立式振荡构件6，梳形件8的横向件82，第一梳形电极构件91的电极92，及第一和第二导线11、12，这二根导线11、12分别连接环绕外环60的各电极构件91、93。图4还示出一层第一绝缘层20，如氧化硅层，它形成在衬底2的表面之上，环形谐振器4之下，且在绝缘层上形成第一和第二导线11、12。在第一层20之上，环形振荡器之下有一层第二绝缘层21，如另一种氧化层，或氮化硅层。
谐振环构件最好用硅表面微机械加工技术进行生产，该技术是专业技术人员熟悉的，因而不在此赘述。它的一种方法是利用附着在所谓牺牲层顶上的多晶硅层来构成谐振器的自立构件。另一种方法是利用例如在绝缘体上外延硅(SOI)圆片中埋入的氧化层作为牺牲层并产生用单晶硅制造的独立式构件。但也可用其它材料和生产工艺来获得本发明的微机械式环形谐振器。
用作时基或频率标准时的一个主要的目标是谐振器的品质因数Q高。高的品质因数Q可导致稳定的振荡，低的相位噪音和小的功耗，而这是计时仪应用所需的。所述微机械式环形谐振器的品质因数很高，这归因于下面所述的许多有利的结构特点。如上面已提到的，在这些构件上已测到的品质因数高达2×105。作为比较，音叉石英谐振器在其叉端经激光修整后，其品质因数一般是在5×104到1×105之间。
连接外环60和中央立柱5的弹性元件62，其形状要优化，才能获得高的品质因数Q。与采用直的弹性元件的情况相反，本例中沿弯曲线的张力在弹性元件中是均匀分布的。曲线形使每一振荡周期的能量损失最小。
此外，弹性元件62的接合处63与中央立柱5基本上是正交的，如图2所示。在接合处63最好有圆的轮廓或圆角63a。这些圆角63a可防止振荡期间产生切口应力，从而有利于提高品质因数Q，因为在振荡时中央支柱5中基本上不消耗能量。此外，中央立柱5保持基本无应力状态，这也有利于品质因数Q的提高。图3示出弹性元件62与外环60的接合处64。同样，这里最好也设计成有基本正交的接合处64和圆角64a。
弹性元件62采用好多条，而不是获得边界明确的支承所需的最低条数3，这样可提高品质因数Q。由于小的几何尺寸变化(如由于加工过程中间隙的波动)及材料的不均匀性等因素被平均分摊到许多弹性元件上，所以品质因数随弹性元件数量的增加而提高。但由于微机械式加工的设计规则，数量的上限受到几何形状的制约，因此弹性元件件数在4至50之间，最好约为20。
有利于环形谐振器品质因数Q提高的另一要素是精确的旋转对称的结构，这时整个构件重心保持不动。存在于大多数其它谐振器结构中的非线性效应得到很大程度地消除。
环形谐振器的谐振频率通过改变该装置的几何尺寸可在很大范围内调节。环形谐振器可以看作许多个与一段外环连接的弹性元件。在零阶逼近时且为了得到谐振频率的近似代数表达成，人们可以研究具有外环60的一段27的直的弹性元件22的情况，如图5所示。该构件的谐振频率fr表示为fr≈12π3·E·JL3(mr+0.24·ms)]]>式中J＝d·w3/12是本构件的平面惯性矩，E是弹性模量，d·w及L分别是直的弹性元件22的厚度、宽度和长度，而mr、ms分别是环形段27和弹性元件22的质量。由上式容易看出，改变弹性元件的宽度和/或长度，或再通过改变几何尺寸改变外环的质量(包括梳形件8的质量)可影响谐振频率。整个构件缩放比例可进一步加宽可得到的频率范围。
对这种环形谐振器的批量生产而言，各个芯片的谐振频率保持很小公差是重要的。因工艺参数的细小变化而引起的谐振频率的公差可通过仔细加工环和弹性元件的尺寸而大大降低。这一点可用图5的例子再次作说明。如果弹性元件22的宽度26加工后例如由于蚀刻过度而比要求宽度25小了，则谐振频率会低于预定值。但若人们认为在这同时由于这一蚀刻过度而降低了环60的质量(及支承件80和横向件82、84的质量)，则谐振频率的减少将因质量的减少而得到补偿。环及杆中的开口(未示于图中)是加工构件所必须的，并有利于这种效果。
本发明的微机械结构的环形谐振器所需表面积与所获取的谐振频率相比是很小的。例如，为32KHz低频设计的一环形谐振器需要的表面积远小于1mm2。传统构件要获得如此低的频率需要相对大的构件。对于给定的几何布置而言，尺寸与频率反向相关，即几何尺寸越大，频率越低。作为比较，欧洲专利EP 0 795 953描述了一种硅谐振器，1MHz的高频约需1.9mm2面积。显然，谐振器所需衬底表面积与集成时基的价格直接相关。
环形谐振器的谐振频率在温度为0到60℃范围内较好的近似于是温度的线性函数。在谐振频率为45KHz时已观察到，谐振频率的温度系数约为-25ppm/℃。因此，在同一衬底2内加进测温电路是需要的，该温度测量电路具有一个用于通过充分地调整时基所产生的信号频率而补偿该频率变化的输出信号。
为此，所述的时基很好地包括了集成测量电路(未示)。这种测温电路的实例描述在“传感器与执行元件”A21-A23(1990)，第636至638页内P.Krumenacher及H.Oguey的论文“CMOS技术中的新式温度传感器”中。文中将专业技术人员熟知的禁止技术(inhibitiontechnique)应用于除法电路的分频比，来实现温度补偿。
另一方面，具有不同谐振频率的两个环形谐振器可以集成在同一块芯片上，这种布置使芯片温度可由测定两个谐振器的频率差精确求得(两个环形谐振器有相同的温度系数，因为它们用相同材料制造)。
如这里所描述的集成时基有两个优点首先，环形谐振器对温度的依存关系是线性的，这样使得对温度的补偿所必须的电子信号处理更容易，其次也是更重要的，环形谐振器的尺寸小和单片集成的特点使第二谐振器可以略微增大芯片尺寸但没有更多的外部接线。
另一方面，根据本发明，可以用一个环形谐振器同时以两种振荡模式工作。第一种形式便是上述的旋转形式。第二种振荡模式是俯仰振荡模式，这时独立式构件6对着衬底平面作俯仰振荡。这种俯仰振荡模式可通过在衬底上，环表面下另外的电极由静电激励并用电容检测。这两种形式选用不同的频率，从而通过测量其频率差实现温度补偿。图11a和11b示意性示出上面提到的俯仰形式。如这些图所示，两组电极100和120(本例中有4根电极)的形状基本上是圆弧形，它们配置在衬底上，环60下面，结果，第一组电极100驱使构件6作俯仰振荡，第二组电极120检测此俯仰振荡。驱动电极组100和检测电极组120相对于中央立柱5配置在构件6的相对的两侧(即图11a中的左侧和右侧)。
第二振荡模式可以是垂直振荡模式，其中独立式构件6作垂直于衬底平面的垂直振荡，即自立构件6沿与旋转轴○平行的方向振荡。上面提到的垂直形式示于图12a和12b。如这些图上所示，两组电极130和150配置在环60下面的衬底上，使第一组电极130驱动构件6作垂直于衬底平面的振荡，而第二组电极150检测此振荡。与俯仰形式相反，本振荡模式的驱动和检测电极组130、150对称配置在中央立柱5的周围，即这两组电极每组包括沿直径方向正好相对置的二根电极。
如已提及的，图1实施例所示的梳形电极构件91起到驱动环形谐振器靠静电发生振荡的作用，对面的梳形电极构件93起到靠电容检测此机械振荡的作用。电极构件91上施加交流电压信号在环上引起静电力并造成环的振荡，这样当谐振器振动时又在相对的电极构件93上感应交流信号。应当明白，电极构件91和93是可互换的。
由于加到电极上的电压与环上的合力呈抛物线关系，因此在交流电压上加上恒定的直流电压是需要的，这样可获得基本上是线性的力-电压关系。在示意1中，示出三根信号线或导线11至13，它们分别连接到电极构件91、电极构件93和中央立柱5。这些信号线用于驱动环形谐振器发生振荡和通过各自的电极构件检测此振荡。
根据第一种变型，用导线13可将直流电压分量通过中央立柱5加到环形谐振器上，同时交流电压分量通过导线11加到电极构件91上，导线12则用于检测由此产生的信号。根据第二种变型，交流激励电压及直流电压分量可通过导线11叠加到电极构件91上，而环形谐振器通过导线13连接到固定电位，如地。本例中导线12用于检测信号。应当明白，电极构件91和93可互换，电极构件93可以替换地用于驱动，检测用的电极构件91。
另一方面，通过探测谐振时阻抗的变化来进行检测。如图6所示，这种办法只需两根导线11和13，而电极构件9*包括一组与导线11相连的梳形电极构件91(梳形件8*也作相应变动且只包括第一横向件82)。根据第一变型，交流激励电压通过导线11作用到单组电极构件91，而直流电压分量通过导线13作用到环。根据另一变型，交流和直流激励电压的合成电压通过导线11加到电极构件91，这时环通过导线13连接到固定电位，如地。
两根导线方案有两大优点，即(i)缩小整个构件的直径，因为不再需要第二导线和环绕环的第二组电极构件，(ii)沿外环60圆周可以提供大量梳形电极构件91，从而增加信号。
环形谐振器的不同工作模式概括在下表中。可以看出，在任何一种上述的变型中，加到驱动电极和环上的信号，即交流激励电压和直流电压分量完全可交换。
横向件82、84及电极92、94都是曲线形的且与外环60同心这一事实降低了机电耦合的非线性，导致一方面有高的品质因数Q，另一方面环形谐振器的谐振频率基本上与交流和直流激励电压的振幅无关，此外，所述的微机械式环形谐振器可应用低达1.5V的电压驱动，这对于便携式电子产品是个重要优点。
此外，由于静电驱动及电容检测，根据设计决定的高品质因数Q，所以环形谐振器的功耗比石英谐振器小10-100倍，这对便携式电子产品而言特别有利。
图7a至7c示出三种不同的有利的设计结构，该结构可用于防止环形谐振器在受冲击时卡住。根据图7所示的第一变型，在支承件80的外端80a处有配置在衬底2上的停止件28。这些停止件28用来限制环形构件6的角运动，因而能防止独立式振荡构件6在由于例如受到机械冲击时产生过大角运动而卡住在电极构件9上。
另一方面，如图7b所示，横向件82、84的末端82a、84a及/或电极92、94的末端92a、94a可以设计成尖角形或至少表面积较�。苑揽ㄗ�。
最后，如图7c的变型所示，横向件82、84中的一对82*、84*可做得比其他的长，从而当梳形件8及梳形电极构件91、93互相发生机械接触时能减少附着力。显然，如果电极92和94中的一组比其它组长，也会有同样效果。
图8和9示出示于图1的微机械式环形谐振器4的一种改进。图9是图8沿A-A′线剖开的截面图。在独立式振荡构件6的至少一部分，即弹性元件62、外环60、及梳形件8之下，衬底2表面之上(或下)有导电结构31，此导电结构31的形状基本上是独立式振荡构件6在衬底2表面上的投影。将此导电结构31连接到与独立式振荡构件6相同的电位，可消除环形谐振器4和衬底2表面之间的垂直于衬底2的力，产生与直流电压分量无关的谐振频率。
图10a及10b示出所述微机械式环形谐振器4的进一步改进方案，它使谐振频率的温度系数降低到接近于零。有两个主要因素决定环形谐振器的温度特性。首先，制造振动构件的材料的杨氏模量E随温度上升而降低，导致弹性元件62刚性的下降，因而降低了谐振频率。其次，由于热膨胀，环的直径将随温度上升而增大，导致构件的质量惯性矩的增大，这样又降低谐振频率。
不同材料的热膨胀系数不同，可利用来设计如图10a或10b所示的补偿机构65。如图10a或10b所示，有多个温度补偿构件65(图中只示出一个)连到外环60上。这些温度补偿构件65可用来改变作为温度的函数的独立式振荡构件6的质量惯性矩，从而基本上补偿温度对谐振器4的谐振频率的影响。为此，构件65中包括压重件66，它通过连接件67连到外环60，连接件67包括第一和第二层68、69，它们分别用具有不同温度系数的第一和第二材料制造。选材时，第一层的热膨胀系数αth1要小于第二层69的热膨胀系数αth2。在一优选实施例中，第一材料是硅，第二材料是金属，最好是铝。
图10a的机构65这样进行设计，即随着温度的增加，连接件67由于第一和第二层68、69热膨胀的差异而伸直，因此压重件66向环的中心移动，即接近振荡构件6的旋转轴○，从而减小环形谐振器的质量惯性矩，导致谐振频率的增加，基本上抵消了环的杨氏模量及热膨胀对谐振频率的影响。这样的温度补偿机构也可连接到环60的外侧，如图10b所示，或连接到独立式振荡构件6的某些其他部位，以改变作为温度函数的质量惯性矩。机构65必须设计和加工成这样，当温度上升时压重件66移向环形谐振器的旋转轴○。
在对本发明某些特定实施例作了说明之后，必须明白，这些实施例并不意味着是对本发明的限制。的确，对专业技术人员而言，在不违背附属权利要求书范围时显然可以有各种修改和/或改进。
本申请的内容还包括如下多个条款的技术内容1.时基包括一个谐振器(4)和一个用于驱动该谐振器(4)发生振荡以便随此振荡产生具有确定频率的信号的集成电子电路，其特征在于，所述谐振器是一集成微机械式环形谐振器(4)，该谐振器(4)支承在衬底(2)的上方且适宜于按第一振荡模式绕与所述衬底(2)基本垂直的旋转轴(○)发生振荡，该环形谐振器(4)包括一中央立柱(5)，由所述衬底(2)沿旋转轴(○)伸出；一独立式振荡构件(6)，连接中央立柱(5)且包括一外环(60)，与所述旋转轴(○)共轴；及一些弹性元件(62)，对称地配置在中央立柱(5)的周围且将外环(60)与中央立柱(5)连接起来；及至少一对沿直径方向对置的电极构件(9，9*)，它们配置在外环(60)的周围并与所述集成电子电路(3)连接。
2.根据上述条款1所述的时基，其特征在于，所述电子电路(3)与所述微机械式环形谐振器(4)一起集成在上述衬底(2)上。
3.根据上述条款1所述的时基，其持征在于，所述弹性元件(62)是弯曲形的且通过第一接合处(63)与所述中央支柱(5)基本垂直地连接。
4.根据上述条款3所述的时基，其特征在于，所述弹性元件(62)通过第二接合处(64)与所述外环(60)基本垂直地连接。
5.根据上述条款求3或4所述的时基，其特征在于，所述接合处(63，64)有圆角(63a、64a)。
6.根据权利要求1所述的时基，其特征在于，弹性元件(62)的数量在4至50之间，最好约为20。
7.根据上述条款1所述的时基，其特征在于，所述独立式振荡构件(6)还包括至少一对配置在外环(60)周围沿直径对置的梳形构件(8)，该梳形构件包括
支承件(80)，从外环(60)沿径向伸出；至少一个第一横向件(82)，从上述支承件(80)的第一侧垂直伸出；及至少一个第二横向件(84)，从所述支承件(80)的与所述第一侧相对的第二侧垂直伸出；其特征还在于，各所述电极结构(9)包括第一梳形电极构件(91)，它与所述梳形件(8)配合且包括与所述第一横向件(82)靠近的第一电极(92)；及第二梳形电极构件(93)，它与所述梳形件(8)配合且包括与所述第二横向件(84)靠近的第二电极(94)。
8.根据上述条款7所述的时基，其特征在于所述第一梳形电极构件(91)用于驱动所述环形谐振器(4)发生振荡；所述独立式振荡构件(6)通过所述中央立柱(5)连接固定电位；及所述第二梳形电极构件(93)用于检测从环形谐振器(4)振荡所发出的信号；恒定直流电压分量加到所述第一梳形电极构件(91)的一个或两个或独立式振荡构件(6)。
9.根据上述条款1所述的时基，其特征在于，所述独立式振荡构件(6)还包括至少一对环绕外环(60)布置沿直径对置的梳形件(8*)且包括支承件(80)，从外环(60)沿径向伸出；及至少一个第一横向件(82)，从所述支承件(80)的第一侧基本垂直伸出；及，其特征还在于，各上述电极构件(9*)包括一梳形电极构件(91)，它与上述梳形件(8)配合且包括与所述第一横向件(82)靠近的第一电极(92)。
10.根据上述条款9所述的时基，其特征在于所述梳形电极构件(91)用于驱动环形谐振器(4)发生振荡；及所述独立式振荡构件(6)通过中央立柱(5)连接到固定电位；恒定直流电压分量加到所述梳形电极构件(91)的一个或两个上或独立式振荡构件(6)；及通过探测谐振时阻抗变化来进行检测。
11.根据上述条款7或9所述的时基，其特征在于，所述横向件(82、84)及所述电极(92、94)都是圆弧形的且与所述外环(60)同轴。
12.根据上述条款7或9所述的时基，其特征在于，在所述衬底(2)靠近至少一个支承件(80)的外端(80a)处有至少一个停止结构(28)，以便限制角运动及/或俯仰运动并防止独立式振荡构件(6)在受冲击时卡住。
13.根据上述条款7或9所述的时基，其特征在于，所述横向件(82、84)的末端及/或电极(92、94)的末端(92a、94a)是尖的或具有适合的小的表面积，以防独立式振荡构件(6)在受冲击时卡住。
14.根据上述条款7或9所述的时基，其特征在于，至少一个所述横向件(82、84)及/或一电极(92、94)中的一对比其它的长，从而防止所述独立式振荡构件(6)在受冲击时卡住。
15.根据上述条款1所述的时基，其特征在于，大致具有独立式振荡构件(6)形状的导电类型(31)形成在至少该独立式振荡构件(6)的一部分以下的衬底(2)的表面上，该独立式振荡构件(6)及导电类型(31)有相同电位。
16.根据上述条款1所述的时基，其特征在于，所述独立式振荡构件(6)还包括至少一个第一对配置在外环(60)四周的沿直径对置的温度补偿构件(65)，该温度补偿构件(65)被调整以改变作为温度函数的独立式振荡构件(6)的质量惯性矩，从而补偿温度对环形谐振器(4)的谐振频率的影响。
17.根据上述条款16所述的时基，其特征在于，各温度补偿构件(65)都包括一压重件(66)，它通过连接件(67)连接所述的外环(60)，该连接件(67)包括分别用温度系数不同的第一和第二材料制造的第一和第二层(68、69)，且适合于在温度上升时逐渐使该压重件(66)靠近旋转轴(○)，从而减少独立式振荡构件(6)的质量惯性矩。
18.根据上述条款1所述的时基，其特征在于，它还包括集成测温电路，该电路可补偿温度对所述时基产生的信号频率的影响。
19.根据上述条款1所述的时基，其特征在于，它还包括第二微机械式环形谐振器，该环形谐振器支承在所述衬底(2)的上方且适合于以有别于其它谐振器的谐振频率振荡，两谐振频率的差值用于补偿温度对所述时基产生的信号频率的影响。
20.根据上述条款1所述的时基，其特征在于，电极(100，120；130，150)定位在所述独立式振荡构件(6)的下面，以便驱动和检测第二振荡模式，第二振荡模式的谐振频率不同于所述第一振荡模式的谐振频率，两种振荡模式的谐振频率之差值用于补偿温度对所述时基产生的信号频率的影响。
21.根据上述条款20所述的时基，其特征在于，所述第二振荡模式是俯仰振荡模式。
22.根据上述条款20所述的时基，其特征在于，所述第二振荡模式是平行于旋转轴(○)的垂直振荡模式。
23.根据上述条款1所述的时基，其特征在于，所述衬底(2)及环形谐振器(4)是用硅材料制造的。
权利要求
1.一时基，其包括一个谐振器(4)和一个用于驱动该谐振器(4)发生振荡以便随此振荡产生具有确定频率的信号的集成电子电路，所述谐振器是一集成微机械式环形谐振器(4)，该环形谐振器(4)支承在一衬底(2)的上方，并且适宜于根据第一振荡模式绕着与所述衬底基本上垂直的旋转轴(0)发生振荡，所述环形谐振器(4)包括一中央立柱(5)，其从所述衬底(2)沿所述旋转轴(0)伸出；一独立式振荡构件(6)，其连接到所述中央立柱(5)，且包括与所述旋转轴(0)共轴且通过多个弹性元件(62)连接到所述中央立柱(5)上的一外环(60)；和设置在所述外环(60)周围且与所述集成电子电路(3)连接的电极构件(9，9*)，所述时基的特征在于，多个电极(100，120；130，150)设置在所述独立式振荡构件(6)之下，以在基本上垂直于所述衬底(2)的一平面中，并且具有与所述第一振荡模式的谐振频率不同的谐振频率这样的方式驱动和检测第二振荡模式，两个振荡模式的谐振频率之间的频率差别用于补偿温度对由所述时基产生的所述信号的频率的影响。
2.根据权利要求1所述的时基，其特征在于，所述第二振荡模式是俯仰振荡模式。
3.根据权利要求2所述的时基，其特征在于，设置在所述独立式振荡构件之下用于驱动和检测所述环形谐振器俯仰振荡的所述多个电极包括设置在所述独立式振荡构件(6)的第一侧上的至少一个驱动电极(100)和设置在所述独立式振荡构件的相对的一侧上的至少一个检测电极(120)。
4.根据权利要求1所述的时基，其特征在于，所述第二振荡模式是与所述旋转轴(0)平行的垂直振荡模式。
5.根据权利要求4所述的时基，其特征在于，设置在所述独立式振荡构件之下用于驱动和检测所述环形振荡器的垂直振荡的所述多个电极包括一对在直径方向上对置的驱动电极(130)和一对在直径方向上对置的检测电极(150)。
6.在包括一谐振器的时基中，用于驱动一谐振器产生振荡的方法，所述谐振器是一支承在一衬底(2)之上的集成微机械式环形谐振器(4)，并且包括一中央立柱(5)，其从所述衬底(2)沿基本上垂直于所述衬底(2)的转动轴伸出；一独立式振荡构件(6)，其连接到所述中央立柱(5)，且包括与所述旋转轴(0)共轴并通过多个弹簧元件(62)连接到所述中央立柱(5)的一外环(60)；和多个电极构件，其绕着所述外环(60)周围设置；所述方法包括根据第一振荡模式，驱动所述环形谐振器绕着所述旋转轴(0)产生振荡的步骤，所述方法的特征在于，还包括如下步骤在所述独立式振荡构件之下设置多个电极(100，120；130，150)，以便在基本上垂直于所述衬底(2)的一平面中并且具有与所述第一振荡模式的谐振频率不同的谐振频率驱动和检测第二振荡模式，和测量所述第一和第二振荡模式的谐振频率之间的频率差别，用于补偿温度对由所述时基产生的信号的频率的影响。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二振荡模式是俯仰振荡模式。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第二振荡模式是与所述旋转轴(0)平行的垂直振荡模式。
全文摘要
一时基，其包括一个谐振器(4)和一个用于驱动该谐振器(4)发生振荡以便随此振荡产生具有确定频率的信号的集成电子电路，所述谐振器是一集成微机械式环形谐振器(4)，该环形谐振器(4)支承在一衬底(2)的上方，并且适宜于根据第一振荡模式绕着与所述衬底基本上垂直的旋转轴(0)发生振荡，所述环形谐振器(4)包括一中央立柱(5)，其从所述衬底(2)沿所述旋转轴(0)伸出；一独立式振荡构件(6)，其连接到所述中央立柱(5)，且包括与所述旋转轴(0)共轴且通过多个弹性元件(62)连接到所述中央立柱(5)上的一外环(60)；和设置在所述外环(60)周围且与所述集成电子电路(3)连接的电极构件(9，9
文档编号G01C19/56GK1592101SQ20041003244
公开日2005年3月9日 申请日期2000年11月1日 优先权日1999年11月2日
发明者M·吉奥索夫, H·屈克, R·普拉茨 申请人:伊塔瑞士钟表制造股份有限公司
专业数控铣床产品供应商
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