CN101151507B - 振荡微机械角速度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于测量角速度的测量装置，并且更具体涉及振荡微机械角速度传感器。在根据本发明的角速度传感器中，关联测震质量(1)、(9)、(10)、(20)、(30)、(31)的边缘提供至少一对电极，该电极对与质量(1)、(9)、(10)、(20)、(30)、(31)的表面一起形成两个电容，使得该电极对的一个电容以质量(1)、(9)、(10)、(20)、(30)、(31)的主运动的函数形式增加，而电极对的另一个电容减小。根据本发明的角速度传感器结构能够在紧凑振荡微机械角速度传感器的解决方案中进行可靠且有效的测量。

Description

振荡微机械角速度传感器 
技术领域
本发明涉及用于测量角速度的测量装置，并且更具体涉及振荡微机械角速度传感器。本发明目的在于提供一种能够特别是在紧凑振荡微机械角速度传感器解决方案中进行可靠且有效测量的改进传感器结构。 
背景技术
基于振荡角速度传感器的测量已经证明具有简单的原理并提供测量角速度的可靠方法。某些公知的主运动产生并保持在振荡角速度传感器中。以主运动的偏差形式检测传感器设计为对其进行测量的运动。 
在垂直于谐振器运动方向的方向上影响传感器的外部角速度在测震质量(seismic mass)上感应出垂直于其运动方向的科里奥利力(Coriolis force)。例如，以电容方式从质量振荡中检测与角速度成正比的科里奥利力。 
关于微机械振荡角速度传感器的最大问题是所谓的正交信号(quadrature)，正交信号是由结构的不良尺寸精度引起的。以微机械方法制造的谐振器可能在它们运动的正交方向上具有不良公差，这引起被称为正交信号的信号，在最坏情况下，正交信号甚至是角速度信号的满刻度指示强度的数百倍。 
要测量的角速度信号(正比于质量速度的信号)幸运地相对正交信号成90度相移，并且因此正交信号在理想解调中消失。然而，由于它比要测量的信号大得多，它限制信号的动力学。此外，正交 信号的最大缺点是除非进行补偿，否则由于电子信号的相移，它损坏传感器零点的稳定性的事实。 
还已经设计出根据现有技术的角速度传感器，其中已经尝试对正交信号进行补偿。用于根据现有技术的角速度传感器的一种这样的正交信号补偿解决方案是所谓的前馈补偿，其中由检测的主运动调制的力相对正交信号反相馈送到检测谐振器内。这种补偿方式并不是十分有用，因为它仅将对电子器件的严格相位稳定性需求从解调块移到补偿块。 
振荡结构也可以在静力下弯曲，以及由此本质上降低了对电子器件的相位稳定性需求。除此以外，美国专利No.6,370,937描述了这样一种用于根据现有技术的角速度传感器的解决方案。在该美国专利中描述的角速度传感器的解决方案中，可以通过静电力方式调节静电扭转谐振器的倾斜。 
比前一种方法更可行的用于补偿角速度传感器的正交信号的另一种根据现有技术的方法由通过静电量(static quantity)产生由运动调制的力组成，该力补偿由弹簧弹力中的残余(residue)引起的正交信号。类似这样的补偿方法比静态扭转该结构的方法优越，因为它允许相当高刚性的机械结构。由于在这种解决方案中的补偿力始终与运动同相，它没有对电子器件的相位控制提出附加要求。 
美国专利No.5,866,816描述了一种用于根据现有技术的角速度传感器的解决方案。在该美国专利描述的角速度传感器的解决方案中，通过使用静态偏压压电力方式补偿压电条谐振器的正交信号。假设可以提供在运动方向上不对称的电场，则静电力也可以以所述方式工作。 
与线性振荡梳形(comb)谐振器有关的正交信号静电补偿可以认为是现有技术。美国专利No.5,992,233描述了一种用于角速度传感器的现有技术解决方案。在该美国专利描述的角速度传感器的解决方案中，与运动方向平行的电极梳以一定方式偏置，使得梳形结 构侧向(该美国专利中的Y方向)的谐振器运动改变梳形结构的电容板面积，这正交方向上(该美国专利中的X方向上)产生了线性的振幅相关的力。 
静电正交补偿的一个最大优点在于：通过电子方式使其具有适应性。美国专利No.5,672,949描述了一种用于根据现有技术的角速度传感器的解决方案。在该美国专利中，可以基于传感器的检测信号对由机械扭转、老化或各种温度相关性持续引起的正交信号变化进行补偿。 
然而，上述根据现有技术的结构并不适于应用到其中主运动是一种回旋振荡的角速度传感器中。这种类型的结构特别适于要求对振动与碰撞的良好抵抗力(resistance)的解决方案中。 
事实上，本发明的目的是提供一种振荡角速度传感器结构，其中实现正交信号的静电补偿，使得与现有技术的解决方案相比特别适用于微机械回旋振荡角速度传感器。 
发明内容
本发明的目的是提供这样一种改进振荡角速度传感器，其能够特别是在角速度传感器的紧凑振荡解决方案中进行可靠并有效的测量，并且其中实现了静电正交信号补偿，与现有技术解决方案相比特别适于微机械回旋振荡角速度传感器。 
根据本发明，提供了一种振荡微机械角速度传感器，包括至少一个测震质量和关联的活动电极，其在支撑区域附着到传感器部件主体，使得： 
在角速度传感器中，必须产生的主运动是至少一个测震质量以及关联活动电极绕垂直于晶片平面的轴线的角振荡， 
除了主运动，测震质量具有相对垂直于主运动的检测轴线的第二自由度，以及 
至少在测震质量的一个边缘提供至少一对电极，该电极对与该质量的表面一起以一定方式形成两个电容，使得该电极对的一个电容以质量的主运动的旋转角度的函数形式增加，而该电极对的第二电容则减少。 
优选的，电极对的电极在检测轴线的两侧等距定位。优选的，电极对的两个电极连接到与质量电势大小相等的电压上。 
优选的，角速度传感器包括： 
测震质量及关联活动电极，该质量通过附着点附着到传感器部件主体上， 
用于进行主运动的弯曲弹簧，将附着点连接到周围刚性辅助结构并将质量的主运动基本限制成绕垂直于晶片平面的轴线的角振荡，以及 
用于进行检测运动的扭力弹簧，将主运动传递到测震质量并为质量给出进行检测运动的第二自由度，其构成绕垂直于主运动轴线的检测轴线的回旋振荡。 
备选地，角速度传感器包括： 
通过两个附着点附着到传感器部件主体的两个测震质量以及关联活动电极， 
用于进行主运动的弯曲弹簧，将附着点连接到周围刚性辅助结构，或者直接连接到测震质量， 
用于进行检测运动的扭力弹簧，以及 
使测震质量彼此连接的弯曲弹簧，谐振器以一定方式连接，使得质量的主运动和检测运动构成两个活动电极的反相运动。 
优选的，通过定位在质量上方或下方的电极以电容方式对由外部角速度引起的振荡进行检测。进一步优选的，电极生长在密闭传感器结构的晶片的内表面上。 
优选地，角速度传感器是测量相对两个轴线的角速度的角速度传感器，该传感器包括： 
测震质量及关联活动电极，该质量通过附着点附着到传感器部件主体， 
用于进行主运动的弯曲弹簧，将附着点连接到周围刚性辅助结构并将质量的主运动基本限制成绕垂直于晶片平面的轴线的角振荡， 
用于在第一方向上进行检测运动的扭力弹簧，将主运动传递到测震质量并同时为质量给出在第一方向上进行检测运动的自由度，该检测运动构成绕基本垂直于主运动轴线的第一检测轴线的回旋振荡，以及 
用于在第二方向上进行检测运动的扭力弹簧，将主运动传递到测震质量同时为质量给出在第二方向上进行检测运动的自由度，该检测运动构成绕基本垂直于主运动轴线和第一检测轴线的第二检测轴线的回旋振荡。 
备选地，角速度传感器是测量绕两个轴线的角速度的角速度传感器，该传感器包括： 
通过两个附着点附着到传感器部件主体的两个测震质量以及关联活动电极， 
用于进行主运动的弯曲弹簧，将附着点连接到周围刚性辅助结构， 
用于在第一方向上进行检测运动的扭力弹簧，将主运动传递到测震质量并同时为质量给出在第一方向上进行检测运动的自由度， 
用于在第二方向上进行检测运动的扭力弹簧，将主运动传递到测震质量并同时为质量给出在第二方向上进行检测运动的自由度，以及 
使测震质量彼此连接的弯曲弹簧。 
优选地，附着点以阳极方式接合到密闭传感器结构的晶片上。备选地，附着点通过熔化接点接合到密闭传感器结构的晶片上。 
附图说明
以下，将示范性参考附图详细描述本发明及其优选实施方式，其中： 
图1显示了根据本发明的振荡角速度传感器的测震质量以及活动电极的结构的透视描述； 
图2显示了根据本发明的振荡角速度传感器的测震质量以及关联活动电极的备选结构的透视描述； 
图3显示了根据本发明的具有两个轴线的振荡角速度传感器的测震质量以及关联活动电极的结构的透视描述； 
图4显示了根据本发明的具有两个轴线的振荡角速度传感器的测震质量以及关联活动电极的备选结构的透视描述；以及 
图5显示了根据本发明的补偿原则的简化示意图。 
具体实施方式
在根据本发明的振荡角速度传感器中，必须产生的主运动是至少一个测震质量以及关联活动电极绕正交于晶片平面的轴线的回旋振荡。除了主运动之外，测震质量具有相对正交于主运动的检测轴线的第二自由度。 
至少一对电极提供在测震质量的至少一个边缘的下方或上方，该电极对与质量表面一起形成两个电容。这些电容以主运动中的旋转角的函数形式变化，一个电极正变化，另一个电极负变化。该电极对可以在检测轴线两侧等距定位。相对质量电势大小相等的电压施加到该电极对的两个电极上，实现与主运动同相变化的净移动，同时抵消静态运动。 
图1显示了根据本发明的振荡角速度传感器的测震质量和相关活动电极的结构的透视描述。根据本发明的角速度传感器的结构包括在附着点2附着到传感器部件主体上的测震质量和活动电极1。例如，活动电极1可以是质量的导电面或者是生长于其上的导体。根 据本发明的角速度传感器包括用于进行主运动的弯曲弹簧3-6以及用于进行检测运动的扭力弹簧7-8。在图片中，对角速度敏感的轴线标记为Ω。 
绕轴线Z振荡的图1所描述的根据本发明的结构绕轴线Y转动时，由于动量守恒，质量的部分主运动连结成绕检测轴线(X)的回旋振荡。这种振荡的振幅直接正比于转动的角速度Ω。 
角速度传感器的移动部件1，3-8可以图案化成硅晶片，传感器结构由附着到其顶侧或底侧的晶片密闭。在传感器结构的中心区域存在附着点2，该点紧固在顶侧或底侧的晶片上。 
附着点2由两个或更多个弯曲弹簧3-6连接到包围该点的刚性辅助结构，该弹簧将主运动基本限制成绕垂直于晶片平面的轴线的角振荡。两个扭力弹簧7-8将主运动传递到测震质量1，并同时为质量1给出进行检测运动的第二自由度，该检测运动是绕轴线X的回旋振荡。 
图2显示了根据本发明的振荡角速度传感器的测震质量及关联活动电极的备选结构的透视描述。根据本发明的角速度传感器的备选结构包括在两个附着点11、12附着到传感器部件主体的两个测震质量及关联活动电极9、10。位于质量9、10中心的附着点11、12以例如阳极方式或通过熔化接合接合到晶片上，晶片密闭传感器结构。根据本发明的角速度传感器进一步包括用于进行主运动的弯曲弹簧13、14，用于进行检测运动的扭力弹簧15-18以及将两个测震质量9、10彼此连接的弯曲弹簧19。 
在图2中描述的根据本发明的备选角速度传感器的工作原理与上述原理的不同之处在于：由于谐振器的耦接，主运动和检测运动均是两个活动电极9、10的反相运动。 
图3显示了根据本发明的具有两个轴线的振荡角速度传感器的测震质量及关联活动电极的结构的透视描述。根据本发明的具有两个轴线的角速度传感器的结构包括在附着点21附着到传感器部件主体上的测震质量以及关联活动电极20。根据本发明的角速度传感器进一步包括用于进行主运动的弯曲弹簧，用于在第一方向上进行检测运动的扭力弹簧以及在第二方向上进行检测运动的扭力弹簧。 
图4显示了根据本发明具有两个轴线的振荡角速度传感器的测震质量的备选结构以及关联活动电极的透视描述。根据本发明测量相对两个轴线的角速度的角速度传感器的结构包括在两个附着点32、33附着到传感器部件主体的两个测震质量以及关联活动电极30、31。根据本发明的角速度传感器进一步包括用于进行主运动的弯曲弹簧，用于在第一方向进行检测运动的扭力弹簧以及用于在第二方向进行检测运动的扭力弹簧。 
图4显示了根据本发明的具有两个轴线的振荡角速度传感器的测震质量的备选结构以及关联活动电极的透视描述。根据本发明的具有两个轴线的角速度传感器包括在两个附着点32、33附着到传感器部件主体的两个测震质量以及关联活动电极30、31。根据本发明的具有两个轴线的振荡角速度传感器进一步包括用于进行主运动的弯曲弹簧34、35，用于在第一方向进行检测运动的扭力弹簧36-39，用于在第二方向上进行检测运动的扭力弹簧40-43，以及将测震质量30、31彼此连接的弯曲弹簧44。 
在根据本发明的具有两个轴线的振荡角速度传感器的结构中，与具有上述一个轴线的结构相比，存在具有通过在轴线Y的方向上延伸的扭转弹簧对40-43相对质量30、31的悬挂件的附加刚性辅助结构。根据本发明的具有两个轴线的角速度传感器的结构为测震质量30、31提供垂直主运动的第二自由度，这能够使传感器操作为利用相同主运动的具有两个轴线的角速度传感器。 
用于静电补偿根据本发明的角速度传感器的正交信号的解决方案可用于例如补偿上述所有类型的结构的正交信号。本发明还可用于补偿其他这种结构的角速度传感器中的正交信号，其中主运动构成绕垂直于晶片平面的轴线的回旋振荡。 
图5显示了根据本发明的补偿原理的简化描述。图中所示的根据本发明的结构包括测震质量及关联活动电极45、46和安装在活动电极45、46上方或下方的固定电极47-50。 
在根据本发明的解决方案中，用于检测角速度的电极，例如固定电极47-50，定位在质量45、46的区域，其具有两个旋转自由度，即在主运动方向上的第一自由度(z)以及检测运动方向上的第二自由度(x)。 
在根据本发明的解决方案中，活动电极可以例如通过质量45、46的边缘实现，固定电极延伸超过该边缘。因而，质量的相同边缘二等分两对电极47、48以及49、50的固定电极。 
随着质量45、46旋转，主运动相对固定电极的旋转角度θ改变如图5所示的平板电容的板面积。在旋转的正角度，左边缘的电极47的面积正比于旋转角度θ增加，而同时同一边缘的电极48的面积减小。 
在补偿时，图5中左侧的电极47和48相对右侧电极49和50以及连接到相同电势的质量45、46偏置到静态电压Ucomp。因而，由于旋转角度产生的电容板面积的变化引起偏置电极47和48以及连接到地电势的质量45，46之间的静电力的正比变化。 
对于两个电极，静电力变化正比于旋转角度θ，然而对于电极47，它是正的，而对于电极48，它是负的。在相反方向上的力变化产生相对检测轴线X的动量在相同方向上的变化。然而，与线性运动的正交补偿的静电原理相反，由电压Ucomp感生的静态动量抵消。 
与主运动旋转角度θ线性相关的动量引起正比于补偿电压Ucomp 的平方的变化，其具有正确极性以及大小，补偿正交信号。 
通过将电极47和48连接到质量45、46的电势，并且将电极49和50相应连接到电压Ucomp上，可以将补偿运动的方向反转。 
根据本发明的解决方案可用于补偿所有这种角速度传感器中的正交信号，其中主运动是相对轴线Z的角振荡，而电极可以以适当的间隙距离配置质量上方或下方。例如，电极可以生长并图案化到密闭传感器结构的晶片的内表面。 

Claims (11)

1.一种振荡微机械角速度传感器，其特征在于：包括在支撑区域附着到传感器部件主体上的至少一个测震质量(1)、(9)、(10)、(20)、(30)、(31)、(45)、(46)以及关联活动电极，使得：
在所述角速度传感器中，必须产生的主运动是所述至少一个测震质量(1)、(9)、(10)、(20)、(30)、(31)、(45)、(46)和所述关联活动电极绕垂直于晶片平面的轴线的角振荡，
除了所述主运动，所述测震质量(1)、(9)、(10)、(20)、(30)、(31)、(45)、(46)拥有相对垂直于所述主运动的检测轴线的第二自由度，以及
与所述测震质量(1)、(9)、(10)、(20)、(30)、(31)、(45)、(46)的至少一个边缘关联提供至少一个电极对，该电极对与所述测震质量(1)、(9)、(10)、(20)、(30)、(31)、(45)、(46)的表面一起形成两个电容，使得一个电极对的电容将以所述测震质量(1)、(9)、(10)、(20)、(30)、(31)、(45)、(46)的主运动的旋转角度的函数形式增加，而另一个电极对的电容则将减小。
2.根据权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于：所述电极对的电极在所述检测轴线两侧等距定位。
3.根据权利要求1或2所述的角速度传感器，其特征在于：与所述测震质量(1)、(9)、(10)、(20)、(30)、(31)、(45)、(46)的电势相同大小的电压连接到所述电极对的两个电极上。
4.根据权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于：其包括：
测震质量和关联活动电极(1)，其在附着点(2)附着到所述传感器部件主体上，
用于所述主运动的弯曲弹簧(3)-(6)，将所述附着点(2)连接到周围刚性辅助结构并将所述测震质量(1)的主运动基本限制成绕着垂直于所述晶片的平面的轴线的角振荡，以及
用于进行检测运动的扭力弹簧(7)、(8)，将所述主运动传递到所述测震质量(1)并同时为所述测震质量(1)给出用于进行所述检测运动的第二自由度，该检测运动是绕垂直于所述主运动的轴线的检测轴线的回旋振荡。
5.根据权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于：其包括：
两个测震质量(9)、(10)及两个关联活动电极(9)、(10)，在两个附着点(11)、(12)附着到所述传感器部件主体上，
用于所述主运动的弯曲弹簧(13)、(14)，将所述附着点(11)、(12)连接到周围刚性辅助结构或直接连接到所述测震质量(9)、(10)，
用于检测运动的扭力弹簧(15)-(18)，以及
将所述测震质量(9)、(10)彼此连接的弯曲弹簧(19)，
使得谐振器以一定方式连接，以使所述测震质量(9)、(10)的主运动和所述检测运动是所述两个关联活动电极(9)、(10)的反相运动。
6.根据权利要求4-5任意一项所述的角速度传感器，其特征在于：由外部角速度引起的振荡通过位于所述测震质量(1)、(9)、(10)上方或下方的电极以电容方式检测。
7.根据权利要求6所述的角速度传感器，其特征在于：所述电极生长到密闭所述传感器的结构的晶片的内表面上。
8.根据权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于：所述角速度传感器是测量相对两个轴线的角速度的角速度传感器，所述传感器包括：
在附着点(21)附着到所述传感器部件主体上的测震质量及关联活动电极(20)，
用于所述主运动的弯曲弹簧，将所述附着点(21)连接到周围刚性辅助结构并将所述测震质量(20)的主运动基本限制成绕垂直于所述晶片的平面的轴线的角振荡，
用于在第一方向上进行检测运动的扭力弹簧，将所述主运动传递到所述测震质量(20)并同时为所述测震质量(20)给出在所述第一方向进行所述检测运动的自由度，该检测运动是基本绕垂直于所述主运动的轴线的第一检测轴线的回旋振荡，以及
用于在第二方向上进行所述检测运动的扭力弹簧，将所述主运动传递到所述测震质量(20)并同时为所述测震质量(20)给出在所述第二方向上进行所述检测运动的自由度，该检测运动是基本绕垂直于所述主运动的轴线并垂直于所述第一检测轴线的第二检测轴线的回旋振荡。
9.根据权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于：所述角速度传感器是测量相对两个轴线的角速度的角速度传感器，所述传感器包括：
在两个附着点(32)、(33)附着到所述传感器部件主体上的两个测震质量和关联活动电极(30)、(31)，
用于所述主运动的弯曲弹簧(34)、(35)，将所述附着点(32)、(33)连接到周围刚性辅助结构，
用于在第一方向上进行检测运动的扭力弹簧(36)-(39)，将所述主运动传递到所述测震质量(30)、(31)并同时为所述测震质量(30)、(31)给出用于在所述第一方向上进行所述检测运动的自由度，
用于在第二方向上进行所述检测运动的扭力弹簧(40)-(43)，将所述主运动传递到所述测震质量(30)、(31)并同时为所述测震质量(30)、(31)给出用于在所述第二方向上进行所述检测运动的自由度，以及
将所述测震质量(30)、(31)彼此连接的弯曲弹簧(44)。
10.根据权利要求4所述的角速度传感器，其特征在于：所述附着点(2)、(11)、(12)、(21)、(32)、(33)以阳极方式接合到密闭所述传感器的结构的晶片上。
11.根据权利要求4所述的角速度传感器，其特征在于：所述附着点(2)、(11)、(12)、(21)、(32)、(33)通过熔化接点方式接合到密闭所述传感器的结构的晶片上。
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