專利名稱：角速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適于傳感至少圍繞一個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)的傳感器。
諸如振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺儀那樣的通常的角速度傳感器可用各種不同的振動(dòng)結(jié)構(gòu)來構(gòu)造。這些包括一些桿、一些旋轉(zhuǎn)輪叉、一些圓柱體、一些半球形殼以及一些環(huán)。在所有這些結(jié)構(gòu)中的一個(gè)共同的特征是它們保持共振載體模式振蕩。當(dāng)陀螺圍繞適當(dāng)?shù)妮S旋轉(zhuǎn)時(shí)，這提供了產(chǎn)生科里奧利力的線動(dòng)量。這一感應(yīng)出來的力將產(chǎn)生以載體模式的頻率振蕩的、沿著垂直于所施加的轉(zhuǎn)動(dòng)和線動(dòng)量的軸的一根軸的振蕩運(yùn)動(dòng)。所述振蕩運(yùn)動(dòng)的振幅正比于角速度。
可通過設(shè)計(jì)振動(dòng)結(jié)構(gòu)來提高這樣的振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺的靈敏度，也就是說，振動(dòng)器或振動(dòng)部件使得科里奧利力直接激發(fā)結(jié)構(gòu)的自然振動(dòng)模式。如果這一響應(yīng)模式的頻率嚴(yán)格地與載體的頻率相匹配，那么，響應(yīng)模式運(yùn)動(dòng)的振幅就會(huì)通過結(jié)構(gòu)的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Q放大。獲得載體和響應(yīng)模式頻率的這一匹配不可避免地給構(gòu)造的配合公差帶來緊湊的限制。實(shí)踐中，通常必須通過添加或去除圍繞諧振器的一些適當(dāng)位置處的材料來精細(xì)協(xié)調(diào)該諧振器的平衡。這局部地調(diào)整了質(zhì)量或硬度參數(shù)，這樣，高辨差地移動(dòng)了模式的頻率。
有許多采用傳統(tǒng)的加工技術(shù)制造通常的振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺儀的例子。這些包括陶瓷圓柱體振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀和半球形諧振器陀螺儀。最近，微切削加工技術(shù)的進(jìn)展已經(jīng)使得能夠以基本上更低的成本制造尺寸和質(zhì)量都大為減少的振動(dòng)結(jié)構(gòu)。這轉(zhuǎn)而又為振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺儀在諸如在汽車導(dǎo)航和底盤控制系統(tǒng)這樣的一些領(lǐng)域中打開了新的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。
精確平衡載體和響應(yīng)模式的頻率的要求同樣可用于微切削加工的振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺儀。通常在硅振動(dòng)結(jié)構(gòu)的微切削加工制造中所采用的石印技術(shù)能夠在硅晶片的平面中獲得極高的精度。三維的公差控制并沒有這么精確。因此，對(duì)于載體和響應(yīng)模式運(yùn)動(dòng)被限于晶片平面的的運(yùn)動(dòng)的那些振動(dòng)結(jié)構(gòu)是最適于發(fā)揮由微切削加工技術(shù)所提供的那些優(yōu)點(diǎn)。
平面環(huán)振動(dòng)結(jié)構(gòu)或諧振器是特別適用于用微切削加工技術(shù)制造的諧振器的一個(gè)例子。這些一般激發(fā)成cos2θ共振模式。對(duì)于特別對(duì)稱的諧振器，這種模式基本上是作為相互成45°的角那些振動(dòng)模式的簡(jiǎn)并對(duì)激發(fā)。

圖1A和圖1B中示意性地示出了這些，在圖1A和圖1B中，示出了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)是圍繞著主軸P和輔助軸S。這些模式中的一個(gè)被激發(fā)為載體模式，就如圖1A所示出的那樣。當(dāng)結(jié)構(gòu)圍繞著垂直于環(huán)的平面的軸(z軸)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，科里奧利力將能量耦合給響應(yīng)模式(圖1B)。響應(yīng)模式的運(yùn)動(dòng)的振幅正比于所施加的轉(zhuǎn)速。
GB9703357.5和USA5450751中說明了采用平面環(huán)諧振器的轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺儀。GB9703357.5說明了用成塊的硅制成的轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)帶有一個(gè)用八個(gè)柔順的桿或柱從外部支撐的平面環(huán)諧振器。這種陀螺儀采用感應(yīng)驅(qū)動(dòng)和拾取方法產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，以便將諧振器激發(fā)成運(yùn)動(dòng)并傳感最終的運(yùn)動(dòng)。陀螺儀需要施加于環(huán)結(jié)構(gòu)區(qū)域中的磁路。這種結(jié)構(gòu)有許多限制。例如，磁路部件必須用標(biāo)準(zhǔn)加工技術(shù)來制造。然后，隨之以與諧振器精確對(duì)準(zhǔn)的方式將這些組裝在一起。加工和對(duì)準(zhǔn)這些部件的精度并不與微切削加工方法所得到的精度相匹配。包括這些部件限制了可能使之最小化的程度，結(jié)果，陀螺儀并不適于減少尺寸而同時(shí)并不降低性能。
此外，這樣的陀螺儀的性能的某些方面關(guān)鍵性地依賴于磁路和B場(chǎng)的大小。這些中最顯著的是表明B2依賴性的標(biāo)度因子。B場(chǎng)在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)顯著變化，導(dǎo)致了明顯的標(biāo)度因子的溫度依賴性。
US-A5450751中說明的陀螺儀帶有一個(gè)靜電驅(qū)動(dòng)成共振的、電成型的平面金屬環(huán)諧振器，用電容傳感所感應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。在環(huán)的外圓周邊緣和圍繞著所述環(huán)同心地定位的一些離散的平板兩兩之間形成驅(qū)動(dòng)和拾取傳感器。已設(shè)計(jì)這種結(jié)構(gòu)用來使得平面中的自然頻率最小化而同時(shí)保持它在任何輸入的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率帶之上。另外的要求是平面外的自然頻率在平面內(nèi)的自然頻率之上。愿意使環(huán)的寬度最小化，以便滿足這兩個(gè)要求。最終所得到的諧振器的結(jié)構(gòu)采用了環(huán)的寬度等于該環(huán)的那些支撐柱的寬度這樣一種結(jié)構(gòu)。這給出了這樣一種結(jié)構(gòu)，那些柱的組合起來的硬度與環(huán)的硬度相比要高。這意味著結(jié)構(gòu)的共振頻率主要由那些支撐柱和機(jī)械平衡方法來決定，例如GBA2292609A中所述的激光平衡方法就不能用。
通過給特定的一些傳感器位置施加直流電壓來獲得載體和響應(yīng)模式頻率之間的平衡。這就像靜電彈簧那樣起作用，高辨差地移動(dòng)模式頻率。這些平衡電極占據(jù)了另外可能要用于驅(qū)動(dòng)和拾取位置的那些位置，以便使整個(gè)裝置頭增益最大化，這樣就改進(jìn)了噪聲性能。這種平衡技術(shù)還要求采用另外的控制電子學(xué)中的反饋回路，該反饋回路本身會(huì)給系統(tǒng)帶來噪聲，這里就需要大的補(bǔ)償電壓來平衡那些模式。
這樣，就需要改進(jìn)的角速度傳感器，優(yōu)選的是，具有基本上是與溫度無關(guān)的標(biāo)度因子，具有高的驅(qū)動(dòng)和拾取增益，能夠被機(jī)械平衡，而且可制作得尺寸小。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種角速度傳感器，這種角速度傳感器包括一個(gè)基本上是平面的振動(dòng)諧振器，這個(gè)振動(dòng)諧振器基本上具有環(huán)形或類似環(huán)帶形的結(jié)構(gòu)且內(nèi)、外周邊圍繞一個(gè)共同的軸延伸，這種角速度傳感器還包括用于使所述諧振器振動(dòng)的靜電驅(qū)動(dòng)裝置和支撐裝置，該支撐裝置包括許多柔軟的支撐桿，用于支撐所述諧振器并使得該諧振器能夠響應(yīng)所述靜電驅(qū)動(dòng)裝置、以一種基本上是非衰減的振蕩模式而振動(dòng)，例如，使得所述諧振器響應(yīng)于轉(zhuǎn)速而相對(duì)于上述支撐裝置運(yùn)動(dòng)，用晶體硅制作那些支撐桿和諧振器，這種角速度傳感器還包括用于傳感所述諧振器運(yùn)動(dòng)的靜電傳感裝置，靜電驅(qū)動(dòng)裝置和靜電傳感裝置包括用晶體硅制作的、類似平板的一些部件，這些部件具有處于距所述諧振器的相鄰?fù)庵苓呉欢ㄩg隔、基本上垂直于該諧振器的平面的一些表面，在所述相鄰周邊處的該諧振器的厚度與在所述諧振器周邊和類似平板的部件的那些表面之間的間隔的寬度的比值是從10∶1到40∶1，以便使在所述諧振器和類似平板的部件兩者之間的電容最大，因此，使得在所述用于所施加的給出的電壓的諧振器上的驅(qū)動(dòng)力最優(yōu)化，并使得靜電傳感裝置的靈敏度最優(yōu)化。
優(yōu)選的是，支撐裝置還包括一個(gè)基座。這個(gè)基座用靜電絕緣材料或具有絕緣氧化物表面層并具有一個(gè)突出的凸起的硅制成，基本上是環(huán)形或類似環(huán)帶形的結(jié)構(gòu)的內(nèi)周邊通過支撐桿與所述凸起接合，所述那些支撐桿從所述環(huán)形或環(huán)帶形的結(jié)構(gòu)內(nèi)周邊延伸到所述突出的凸起，這使得所述環(huán)形或類似環(huán)帶形的結(jié)構(gòu)與上述基座隔開，所那些述支撐桿的整個(gè)硬度小于所述環(huán)形或類似環(huán)帶形的結(jié)構(gòu)的硬度。
傳感器方便地具有八個(gè)以相等角度隔開的支撐桿。
靜電驅(qū)動(dòng)裝置的優(yōu)點(diǎn)是包括兩個(gè)類似于平板的、靜電載體模式驅(qū)動(dòng)部件，用于使諧振器以cos2θ的載體模式振動(dòng)，該載體模式驅(qū)動(dòng)部件的位置相對(duì)于一個(gè)位于所述諧振器平面內(nèi)的一根固定的參考軸成0°和180°，而兩個(gè)類似平板的、靜電響應(yīng)模式驅(qū)動(dòng)部件的位置相對(duì)于所述固定參考軸成45°和225°，其中，靜電傳感裝置包括兩個(gè)用于傳感所述諧振器的載體模式運(yùn)動(dòng)的、類似平板的、靜電載體模式拾取部件，這兩個(gè)載體模式拾取部件的位置相對(duì)于上述固定的參考軸成90°和270°，而且，所述靜電傳感裝置還包括用于傳感所述諧振器響應(yīng)于傳感器圍繞一根垂直于該諧振器平面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)的、類似平板的、兩個(gè)響應(yīng)模式拾取部件，這兩個(gè)響應(yīng)模式拾取部件的位置相對(duì)于上述固定的參考軸成135°和315°優(yōu)選的是，傳感器包括保持諧振器相對(duì)于靜電驅(qū)動(dòng)和拾取裝置處于一個(gè)固定的直流偏壓的裝置。
傳感器方便地包括一個(gè)電接地的屏，用于封閉除了驅(qū)動(dòng)和拾取裝置的面向諧振器的外周邊的那些表面外的該驅(qū)動(dòng)和拾取裝置，并運(yùn)行以便使得在所述驅(qū)動(dòng)和拾取裝置之間的直接電容耦合最小。
有益的是，其中用電絕緣材料制作基座，傳感器包括用于使該基座電接地的裝置。
優(yōu)選的是，所用的晶體硅的電阻使得有效驅(qū)動(dòng)裝置的間隔電阻基本上大于支撐桿的電阻。
為了更好地理解本發(fā)明，并顯示如何使得本發(fā)明有效地工作，現(xiàn)在借助于實(shí)施例來參考附圖，在附圖中圖1A和圖1B是用于本發(fā)明的角速度傳感器的載體模式(圖1A)和響應(yīng)模式(圖1B)的cos2θ振動(dòng)方式的示意圖，圖2是從本發(fā)明的角速度傳感器的部分的上方看的示意性的平面圖，顯示了諧振器、支撐裝置以及驅(qū)動(dòng)和拾取裝置，圖3是沿圖2中的A-A線所取的示意性的剖面圖，以及圖4是本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例的傳感器的、類似于圖3的剖面圖。
適于用作振動(dòng)結(jié)構(gòu)的陀螺儀的、本發(fā)明的角速度傳感器包括一個(gè)基本上是平面的振動(dòng)諧振器1，該諧振器1基本上具有環(huán)形或類似環(huán)帶形的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)帶有內(nèi)周邊1a和外周邊1b。內(nèi)周邊1a和外周邊1b如附圖中的圖2所示的那樣圍繞一個(gè)共同的軸延伸。傳感器還包括支撐裝置，該支撐裝置又包括許多柔軟的支撐桿2，用于支撐諧振器1，并當(dāng)以一種基本上是非衰減的振蕩模式驅(qū)動(dòng)該諧振器1時(shí)，例如，當(dāng)使得諧振器1響應(yīng)于轉(zhuǎn)速、相對(duì)于所述支撐裝置移動(dòng)時(shí)，使得諧振器1能夠振動(dòng)。支撐裝置還包括用電絕緣材料制作的、并具有一個(gè)突出的凸起的基座3。用電絕緣材料制作的基座3具有用于使其電接地的裝置。諧振器1的內(nèi)周邊1a通過從內(nèi)周邊1a延伸到凸起4的支撐桿2與凸起4接合，這使得所述環(huán)形或類似環(huán)帶形的諧振器與凸起4隔開，就像從圖3和圖4中所見到的那樣。支撐桿2的整個(gè)硬度小于類似環(huán)形的諧振器1的硬度。腔體5就以這種方式直接配置在環(huán)形諧振器1和支撐桿2下面的區(qū)域中，這使得它們能夠從凸起4那里自由懸掛。在附圖2、3、和4中所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，有八個(gè)等角度隔開的支撐桿2。
所述那些桿具有在連接點(diǎn)處作用在諧振器上的點(diǎn)彈簧質(zhì)量的效果。這樣，它們局部干擾造成諧振頻率移動(dòng)的模式動(dòng)力學(xué)，為了防止引入載體和響應(yīng)模式的頻率的所不希望的有分開，柱的數(shù)目和位置應(yīng)該與模式對(duì)稱性匹配。當(dāng)采用cos2θ模式時(shí)，采用以等角度45°分開的、八個(gè)相同的桿2。那些桿2和諧振器1各自的大小使得桿2的整個(gè)硬度明顯地小于諧振器1本身的硬度。這確保了cos2θ的狀態(tài)主要由所述諧振器的環(huán)形部分的諧振器特性來確定。
這有兩個(gè)不同的優(yōu)點(diǎn)。首先，桿的柔順性用來使環(huán)形諧振器與基座裝置分離，這顯著地降低了對(duì)于熱感應(yīng)的安裝應(yīng)力的靈敏度。其次，由于制作缺陷所造成任何頻率的分開可用GB2292609A中所述的機(jī)械平衡方法來配平。這一技術(shù)涉及到從類似環(huán)形的諧振器的1的中性軸去除質(zhì)量，并使得能夠精確平衡載體和響應(yīng)模式的頻率。將在整個(gè)工作溫度范圍保持這一平衡。這種方法只能成功地用于由類似環(huán)形的諧振器的特性來控制諧振狀態(tài)的情況。像US5450751中所述的那樣的類似環(huán)形的諧振器的諧振頻率將基本上不受這一方法的影響，這是因?yàn)橹C振特性主要由支撐柱的尺寸來確定。
借助于電驅(qū)動(dòng)裝置將諧振器結(jié)構(gòu)激發(fā)成cos2θ模式，用靜電拾裝置來檢測(cè)最終的運(yùn)動(dòng)。
用晶體硅制作支撐桿2和諧振器1，而傳感器還包括用于使諧振器1振動(dòng)的靜電驅(qū)動(dòng)裝置和用于傳感諧振器1運(yùn)動(dòng)的靜電傳感裝置。靜電驅(qū)動(dòng)裝置和靜電傳感裝置包括用晶體硅制成的、傳感器形式的、類似平板的部件6、7、8、和9，所述這種傳感器形式具有距諧振器1的相鄰?fù)庵苓?b間距11處的、基本上位于垂直于諧振1的平面的、一些表面10。
靜電驅(qū)動(dòng)裝置包括兩個(gè)用于使諧振器1以cos2θ載體模式振動(dòng)的、類似平板的、靜電載體模式驅(qū)動(dòng)部件6，該載體模式驅(qū)動(dòng)部件6的位置相對(duì)于位于諧振器1的平面內(nèi)的一個(gè)固定的參考軸R處于0°和180°處。參考軸R是從諧振器1的幾何中心到那些載體模式驅(qū)動(dòng)部件6中的一個(gè)的中心點(diǎn)處。靜電驅(qū)動(dòng)裝置還包括位置相對(duì)于參考軸R處于45°和225°處的、類似平板的、兩個(gè)靜電響應(yīng)模式驅(qū)動(dòng)部件8。
靜電傳感裝置包括兩個(gè)相對(duì)于參考軸R處于90°和270°處的、類似平板的、兩個(gè)靜電載體模式拾取部件7以及用于傳感諧振器1響應(yīng)于所述傳感器圍繞一個(gè)垂直于諧振器1的平面的軸(即Z軸)的轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)的、類似平板的、兩個(gè)響應(yīng)模式拾取部件9，該響應(yīng)模式拾取部件9的位置對(duì)于參考軸R處于135°和315°處。
當(dāng)傳感器圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，科里奧利力將能量耦合給響應(yīng)模式，運(yùn)動(dòng)的振幅正比于所施加的速率。用拾取裝置9檢測(cè)這一運(yùn)動(dòng)?？山柚陧憫?yīng)模式驅(qū)動(dòng)裝置8使速率所導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)為零，以便使得傳感器能夠以已知的、封閉的環(huán)形結(jié)構(gòu)工作，這給出了性能優(yōu)點(diǎn)。在這種工作模式中，上述使得為零的力正比于所施加的力。
如前所述，驅(qū)動(dòng)和拾取傳感器是由晶體硅構(gòu)成的、類似平板的、相同的傳感器。垂直于諧振器1的平面的平板表面10形成面向諧振器1的相鄰部分的表面的電容器。平板以在兩個(gè)相鄰的傳感器部件之間成5°角的方式對(duì)著一個(gè)40°角的弧。在整個(gè)電容器平板區(qū)域上，將電容器間距11保持在恒定值。諧振器1的傳感器的位置和中心凸起4剛性地固定在制成基座3上，該基座3含有諸如玻璃那樣的電絕緣材料。如圖4所示的那樣，可選擇使用具有絕緣表面氧化物層13的硅基片。
諧振器結(jié)構(gòu)相對(duì)于驅(qū)動(dòng)和拾取部件保持在一個(gè)固定的直流偏壓。借助于連接導(dǎo)線(未示出)進(jìn)行從控制電路到金屬連接基座14的電連接，該金屬連接基座14沉積在中心凸起4處的諧振器結(jié)構(gòu)的表面上。一些連接基座15類似地沉積在驅(qū)動(dòng)和拾取部件的上表面上。
按照本發(fā)明，在諧振器1的外周邊1b處的諧振器1的厚度(t)與在諧振器外周邊1b和相鄰的、類似平板的、驅(qū)動(dòng)或拾取部件的那些表面10兩兩之間的間距11的寬度(w)的比值必須是從10∶1到40∶1，以便使在諧振器1和部件6、7、8、和9兩兩之間的電容最大，因此，使得在諧振器1上的、用于給定的所施加的電壓的、驅(qū)動(dòng)力最大，并且，還使得由部件7和9所提供的靜電傳感裝置電阻靈敏度最大化。
施加給驅(qū)動(dòng)部件6的振蕩電壓將產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)力F,F由下式給出F=e0Ad2VDCVp-------(1)]]>
這里，VDC是固定直流補(bǔ)償電壓，VP是以頻率ω施加到驅(qū)動(dòng)部件6上的振蕩電壓，d是電容器平板間距，A是電容器平板面積，而ε0是自由空間的電容率。諧振運(yùn)動(dòng)調(diào)整拾取部件間距11，因此，調(diào)整電容。這將在拾取部件7產(chǎn)生電流IPO，電流IPO由下式給出IPO=ϵ0Ad2VDCaω-------(2)]]>這里，a是運(yùn)動(dòng)的振幅，假定該運(yùn)動(dòng)的振幅與電容器間距d相比要小。當(dāng)采用電容驅(qū)動(dòng)和拾取傳感器時(shí)，封閉回路的標(biāo)度因子由下式給出SF=mπd2180IC82VrefVDC2------(3)]]>這里，m是諧振器1的質(zhì)量，Cg是傳感器電容，而Vref是原始拾取輸出的、固定電壓參考電平(這補(bǔ)償一個(gè)恒定的載體模式振幅)。由于諧振器1和部件6、7、8、9都用同樣的成塊的硅晶片來制作，整個(gè)結(jié)構(gòu)的幾何形狀隨溫度變化將極為穩(wěn)定。電壓電平還可以以高精度保持，這樣，標(biāo)度因子在整個(gè)溫度范圍將基本上是恒定的。這表明，當(dāng)采用依賴于B2的感應(yīng)驅(qū)動(dòng)器和拾取器時(shí)，對(duì)于整個(gè)相應(yīng)的情況有顯著的改進(jìn)。
驅(qū)動(dòng)信號(hào)可直接耦合給拾取裝置。配置了一個(gè)電接地的屏16，該屏16除了面向諧振器1的外周邊1b外封閉了垂直于所示諧振器的平面的所有表面。這個(gè)屏16用與諧振器1和傳感器平板同樣的硅晶片層構(gòu)成，這使得驅(qū)動(dòng)和拾取部件能夠彼此緊密地鄰近而不會(huì)產(chǎn)生不適當(dāng)?shù)氖叭‰娖?。然后，這些部件能夠?qū)χ粋€(gè)更大的角，這幫助使得驅(qū)動(dòng)和拾取部件的增益最大化。
在驅(qū)動(dòng)和拾取部件兩兩之間的寄生電容還可間接出現(xiàn)，這里，通過所施加的驅(qū)動(dòng)電壓偶然地調(diào)制諧振器1的直流偏壓補(bǔ)償。通過有效驅(qū)動(dòng)傳感器間隙電阻Rgap與連接基座到環(huán)形周界電阻的偏壓補(bǔ)償?shù)碾娮璧谋戎祦泶_定這一調(diào)制的振幅(注意，這通過支撐桿電阻Rleg控制)。通過選擇一定電阻率的硅晶片材料，這一誤差來源可處于在可接受的限度之內(nèi)，這使得Rgap＞＞Rleg。可以選擇地，通過在諧振器1和支撐桿2的整個(gè)上表面上沉積金屬，然后，可采用相當(dāng)更高電阻率的硅。
晶體硅的電阻率使得有效驅(qū)動(dòng)傳感器間隙電阻，也就是說，有效驅(qū)動(dòng)裝置間隔電阻，基本上大于支撐桿電阻。
這里，基片或基座12由具有絕緣氧化物表面層13的硅晶片構(gòu)成，就如圖4中那樣，存在另外的寄生耦合機(jī)制。為了消除通過在氧化物表面層下面的硅的的電容耦合，晶片12必須另外電接地?？梢栽诳刂齐娐分蟹奖愕刈龅竭@一點(diǎn)，使該控制電路直接與所述基片電連接。如果傳感器容納在一個(gè)接地的金屬包內(nèi)，可借助于施加在該傳感器下面和所述包的表面兩者之間的導(dǎo)電環(huán)氧樹脂方便地做到這一點(diǎn)。可以選擇地，可通過在硅屏層中刻蝕另外的洞從而在器件片上做到這一點(diǎn)，所述洞穿過表面氧化物，以便暴露基片表面，就如圖4所示的那樣。然后，可直接將金屬連接基座18沉積在硅基片上，并從連接基座20到上述屏用導(dǎo)線19連接。
為了使由于給定的所施加的電壓的、可能獲得的驅(qū)動(dòng)力最大化，愿意使電容器板區(qū)域最大化，并使間距11的尺寸最小化(也就是說，使得電容最大)?？赏ㄟ^增加諧振器1的半徑和深度或厚度(t)來增加電容區(qū)域。補(bǔ)償自然模式頻率在任何輸入振動(dòng)范圍之上的要求，對(duì)這些尺寸加上了某些限制。對(duì)于諸如這里所述的諧振器結(jié)構(gòu)，這里，諧振器1明顯地比那些支撐桿硬，最低諧振頻率是諧振器1的平面平移的輸出。增加諧振器的半徑會(huì)降低這一模式的頻率，然而，可通過增加結(jié)構(gòu)的深度來部分地補(bǔ)償這一點(diǎn)?，F(xiàn)代深度反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)設(shè)備，和技術(shù)能夠在硅中刻蝕高質(zhì)量的垂直溝槽一直到數(shù)百微米的深度。這提供了制作具有大板區(qū)域的電容器的可能性。不過，使電容最大化還取決于減少間距11。
設(shè)計(jì)傳感器的尺寸使得給出適于所有這些設(shè)計(jì)要求的最佳解決方案。圖2中所示的結(jié)構(gòu)中的諧振器半徑為2毫米，且邊緣寬度為50微米。支撐桿2寬24微米，且所有支撐桿的整個(gè)硬度明顯地小于諧振器1的硬度。電容器間距11為10微米，這樣，諧振器的環(huán)深度或厚度為100微米，溝槽的縱橫比為10∶1。采用這種尺寸的電容器間距使得能夠獲得適當(dāng)?shù)膫鞲衅髟鲆妫覍?duì)諧振器具有低的補(bǔ)償電壓(～5V)。這避免了需要產(chǎn)生超過電源的電壓，并便于低成本的ASIC集成化。采用這些尺寸，可制造具有與現(xiàn)代大量自動(dòng)化的要求相稱的性能和制造成本的傳感器。
權(quán)利要求
1.一種角速度傳感器，包括基本上是平面的振動(dòng)諧振器，該諧振器具有基本上是環(huán)形或環(huán)帶形的結(jié)構(gòu)，且具有圍繞著共同軸的內(nèi)邊緣和外邊緣；使所述諧振器振動(dòng)的靜電驅(qū)動(dòng)裝置；支撐裝置，包括許多柔軟的支撐桿，用于支撐上述諧振器并用于使得該諧振器能夠以一種基本上是非衰減振蕩的模式、響應(yīng)于上述靜電驅(qū)動(dòng)裝置振動(dòng)，這樣，使得所述諧振器能夠相對(duì)于上述支撐裝置、響應(yīng)于轉(zhuǎn)速而運(yùn)動(dòng)，所述那些支撐桿和諧振器用晶體硅制成；用于檢測(cè)所述諧振器運(yùn)動(dòng)的靜電傳感裝置，所述靜電驅(qū)動(dòng)裝置和靜電傳感裝置包括用晶體硅制成的、類似平板的一些部件，所述硅晶體具有位置基本上是垂直于上述諧振器平面的、距所述諧振器的相鄰?fù)庵苓吿幱谀骋婚g距處的一些表面，且在所述相鄰的周邊處的上述諧振器的厚度與在所述諧振器周邊和類似平板的部件的那些表面之間的間距的比值從10∶1到40∶1，以便使得在上述諧振器和那些類似平極的部件之間的電容最大化，從而，使得對(duì)于給定的施加電壓、在上述諧振器上的驅(qū)動(dòng)力最優(yōu)化，并使得上述靜電傳感裝置的靈敏度最優(yōu)化。
2.如權(quán)利要求1所述的一種傳感器，其特征在于上述支撐裝置還包括用彈性電絕緣材料或具有絕緣氧化物表面層并具有一個(gè)突出的凸起的硅制成的基座，且基本上是環(huán)形或類似環(huán)帶形的結(jié)構(gòu)的內(nèi)周邊通過上述那些支撐桿與所述凸起連接，所述這些支撐桿從所述環(huán)形或類似環(huán)帶形狀的結(jié)構(gòu)的內(nèi)周邊延伸到所述突出的凸起，這使得所述環(huán)形或類似環(huán)帶形的結(jié)構(gòu)與上述基座隔開，且所述那些支撐桿的整個(gè)硬度小于所述環(huán)形或類似環(huán)帶形狀的結(jié)構(gòu)的硬度。
3.如權(quán)利要求2所述的一種傳感器，其特征在于具有八個(gè)等角距離隔開的支撐桿。
4.如權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的一種傳感器，其特征在于所述靜電驅(qū)動(dòng)裝置包括兩個(gè)類似平板的、靜電載體模式驅(qū)動(dòng)部件，用于使所述諧振器以cos2θ載體模式振動(dòng)，所述這兩個(gè)類似平板的、載體模式驅(qū)動(dòng)部件的位置相對(duì)于位于上述諧振平面內(nèi)的一根固定的參考軸處于0°和180°處，所述靜電驅(qū)動(dòng)裝置還包括兩個(gè)類似平板的、靜電響應(yīng)模式驅(qū)動(dòng)部件，所述這兩個(gè)類似平板的、靜電響應(yīng)模式驅(qū)動(dòng)部件的位置相對(duì)于所述固定的參考軸處于45°和225°處，上述靜電傳感裝置包括兩個(gè)類似平板的、靜電載體模式拾取部件，用于傳感所述諧振器的載體模式的運(yùn)動(dòng)，所述這兩個(gè)載體模式拾取部件的位置相對(duì)于上述固定的參考軸位于90°和270°處，且所述靜電傳感裝置還包括兩個(gè)類似平板的、響應(yīng)模式拾取部件，用于響應(yīng)于所述傳感器圍繞垂直于所述諧振器的平面的一根軸的轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，所述這兩個(gè)類似平板的、響應(yīng)模式拾取部件的位置相對(duì)于上述固定的參考軸處于135°和315°處。
5.如權(quán)利要求2到權(quán)利要求4中的任何一個(gè)所述的傳感器，其特征還在于，包括用于保持所述諧振器相對(duì)于所述靜電驅(qū)動(dòng)和拾取裝置處于一個(gè)固定直流偏壓的裝置。
6.如權(quán)利要求2到權(quán)利要求5中的任何一個(gè)所述的傳感器，其特征還在于，包括一個(gè)電接地屏，該接地屏用于封閉除了上述驅(qū)動(dòng)和拾取裝置的面向所述諧振器的外周邊的那些表面之外的該驅(qū)動(dòng)和拾取裝置，并工作使得在所述驅(qū)動(dòng)裝置和拾取裝置之間的直接電容耦合最小化。
7.如權(quán)利要求2到權(quán)利要求6中的任何一個(gè)所述的傳感器，其特征在于，上述基座用電絕緣材料制成，并且，包括用于使所述基座電接地的裝置。
8.如權(quán)利要求1到權(quán)利要求7中的任何一個(gè)所述的傳感器，其特征在于所用的晶體硅的電阻率使得有效驅(qū)動(dòng)裝置間隔電阻基本上大于上述支撐桿的電阻。
9.基本上如前述的一種角速度傳感器，以及如圖2、圖3、和圖4所述的、且并沒有如附圖中的圖1A或圖1B所修改的那樣的、一種角速度傳感器。
全文摘要
一種角速度傳感器或陀螺包括通過一些支撐桿(2)安裝的一個(gè)類似環(huán)形的諧振器(1),這些支撐桿(2)從環(huán)(1)的內(nèi)周邊延伸到基座(3)上的一個(gè)凸起(4)。支撐桿(2)是柔性的,并使得諧振器(1)能夠響應(yīng)于靜電驅(qū)動(dòng)裝置(6、8)、以基本上非衰減的振蕩模式振動(dòng),且使得該諧振器能夠響應(yīng)于轉(zhuǎn)速、相對(duì)于支撐裝置運(yùn)動(dòng)。支撐桿(2)和諧振器(1)用晶體硅制成。配置了靜電傳感裝置(7、9),用于傳感諧振器(1)的運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)裝置(6、8)和傳感裝置(7、9)具有類似平板的、用晶體硅制成的一些部件,具有基本上位于垂直于諧振器(1)的平面的、距諧振器(1)的相鄰?fù)庵苓吿幱谀骋婚g隔處的一些表面。諧振器(1)在外周邊(1b)處的厚度與周邊(1b)和所述部件的那些表面(10)之間的間距(11)的寬度之比值在10∶1到40∶1的范圍內(nèi)。
文檔編號(hào)G01C19/56GK1312906SQ9980944
公開日2001年9月12日 申請(qǐng)日期1999年8月10日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月11日
發(fā)明者克里斯托弗·P·費(fèi)爾, 凱文·湯森德, 伊恩·D·霍普金 申請(qǐng)人:Bae系統(tǒng)公共有限公司