CN101815949A - 振动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，更具体地，涉及振动微机械角速度传感器。在本发明的角速度传感器中，质量块借助于非对称的弹性结构(1)、(2)、(3)、(4)、(22)、(24)支撑于传感器元件的框架处，以此方式，由弹性结构(1)、(2)、(3)、(4)、(22)、(24)传递的从一种运动模式到另一种运动模式的耦合使得由于弹性结构中或其支撑部中的偏斜造成的不理想性而导致的耦合消除或减少。特别是在用于角速度传感器的小型振动微机械方案中，本发明的角速度传感器结构能够以良好的性能实现可靠测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测量角速度的测量装置，更具体地涉及一种振动微机械角速度传感器。本发明的目的是提供一种特别是在用于角速度传感器的小型振动微机械方案中，能够以良好的性能实现可靠测量的改进的传感器结构。
背景技术
在角速度的测量中，基于振动角速度传感器的测量方法的原理已证实是简单且可靠的。在振动角速度传感器中，在传感器中激发并保持某种已知的主运动(primary motion)。于是，想要借助于传感器测量的运动被检测为主运动的偏差。
在与谐振器的作用于传感器的运动方向垂直的方向上的外部角速度在测震质量块(seismic mass)中垂直于测震质量块运动方向的方向上激发科里奥利力(Coriolis force)。例如，从质量块的振动中以电容方式检测与角速度成比例的科里奥利力。
微机械振动角速度传感器中的一个最重要的问题是所谓的正交信号，该正交信号由结构中的尺寸精度不良而导致。在利用微机械方法制造的谐振器中，在与运动方向垂直的方向上可能存在容许误差，其在角速度传感器的检测中产生一个信号，称为正交信号，在最坏的情况下，其幅值比输出标度的最大值所对应的角速度信号大几百倍。
待测量的角速度信号相对于正交信号碰巧相移90度，从而在理想的解调中正交信号会消失，所述角速度信号与质量块的速度成比例。然而，由于显著大于待测量的信号，故正交信号限制了待测信号的动态。正交信号的另一个严重缺点是，如果得不到补偿，则由于电子信号随着例如温度变化而相移，所述正交信号会显著降低传感器的零点的稳定性。
在传感器中，正交信号可通过使用电场力(electric force)来补偿。一种已知的技术例如是前馈补偿，在该技术中，将由被检测的主运动进行调制的力以与正交信号相反的相位反馈到检测谐振器中。电气补偿的替代方式例如包括通过静电力或者通过由运动调制的静态实体而产生的力来校正运动方向，所述力可以补偿由于剩余弹力而导致的正交信号。
借助于电场力的补偿构成了对传感器的电子器件的挑战。在该传感器中，要么需要精确的相位控制，要么可能需要大的电压和独立的结构。
因此，本发明的目的是提供一种振动角速度传感器的结构，其中直接通过机械设计来实施对正交信号的补偿，而不需要电场力。
参照现有技术，芬兰专利公报FI-116543B1描述了一种根据现有技术的角速度传感器，其中测震质量块由弹性结构和/或刚性辅助结构而连接到支撑区域，弹性结构和/或刚性辅助结构为质量块提供了与垂直于它们所形成的盘的平面的旋转轴以及至少一个在盘的平面方向延伸的旋转轴相关的自由度。
而且，参照现有技术，芬兰专利公报FI-116544B1描述了一种根据现有技术的角速度传感器，其中与测震质量块的边缘关联形成有至少一对电极，这对电极与质量块的表面形成两个电容，从而，作为质量块的主运动的旋转角的函数，该对电极的一个电容增加，且该对电极的另一个电容减小。
发明内容
本发明的目的是提供这样一种改进的振动角速度传感器，尤其在小型振动角速度传感器的方案中，其能够以良好的性能实现可靠测量，其中对正交信号的补偿通过机械设计来实施，而不需要电气补偿，或者，可选地，与上述的电气补偿方法相结合。
本发明的第一方面，提供了一种振动微机械角速度传感器，其包括至少一个测震质量块以及与该质量块相关联的活动电极，所述质量块具有要被激发的主运动，并且不仅具有主运动，还具有与基本垂直于所述主运动的一个检测轴或多个检测轴有关的至少一个自由度，并且所述一个或多个质量块借助于弹性结构支撑于传感器元件的框架处，以使得弹性结构是非对称的，从而由弹性结构传递的从一种运动模式到另一种运动模式的耦合使得由于弹性结构或其支撑部中的偏斜造成的不理想性而导致的耦合消除或减少。
优选地，将弹性结构的一个角蚀刻掉。或者，在弹性结构中蚀刻有一个或多个补偿槽。再或者，在弹性结构中蚀刻有一个或多个补偿腔。又或者，在弹性结构的至少一个附着点中蚀刻有一个或多个补偿槽或补偿腔。而且，优选地，通过恰当地设计补偿槽或补偿腔的尺寸，以使所述补偿槽或补偿腔有效地校正偏斜的弹性结构的端部。
或者，弹性结构的一个边缘是锯齿状的。再或者，弹性结构的两个边缘都是锯齿状的。而且，优选地，将锯齿状的尺寸恰当地设计为单侧的或非对称的，以使得锯齿状将弹性结构的弯曲轴扭转。
优选地，将弹性结构设计为非对称的，从而由弹性结构传递的从一种运动模式到另一种运动模式的耦合使得由于不理想性而导致的耦合消除或减少，其中不理想性是由于相对于DRIE蚀刻处理的槽的盘的垂线的倾斜而产生的。
本发明的第二方面，提供了一种借助于微机械盘结构的振动微机械角速度传感器的制造方法，该振动微机械角速度传感器包括至少一个质量块以及与该质量块相关联的活动电极，所述质量块具有要被激发的主运动，并且不仅具有主运动，还具有与基本垂直于所述主运动的一个检测轴或多个检测轴有关的至少一个自由度，并且所述一个或多个质量块借助于弹性结构支撑于传感器元件的框架处，使得角速度传感器的弹性结构通过蚀刻而制造成非对称的。
优选地，通过设计蚀刻掩模，以使所述蚀刻掩模补偿在盘表面上发生的由制造工艺导致的不理想性。优选地，在制造中使用DRIE蚀刻技术(DRIE，Deep Reactive Ion Etching，深反应离子蚀刻)。优选地，在制造中利用DRIE蚀刻处理的不理想性，例如利用ARDE效应(ARDE，AspectRatio Dependent Etch rate，纵横比决定蚀刻率)。优选地，在制造中使用两级DRIE蚀刻处理，借助于该处理，被蚀刻的槽或腔的深度可具有恰当的尺寸。
附图说明
下面，示例性地参照附图，详细描述本发明及其优选实施例，在附图中：
图1表示本发明的用于支撑振动角速度传感器的测震质量块的弹性结构的截面，
图2表示本发明的用于支撑振动角速度传感器的测震质量块的弹性结构的立体图，
图3表示本发明的用于支撑振动角速度传感器的测震质量块的可选弹性结构的截面，
图4表示本发明的用于支撑振动角速度传感器的测震质量块的可选弹性结构的立体图，
图5表示本发明的用于支撑振动角速度传感器的测震质量块的第二可选弹性结构的立体图，
图6表示本发明的用于支撑振动角速度传感器的测震质量块的第三可选弹性结构的立体图，
图7表示本发明的用于支撑振动角速度传感器的测震质量块的第四可选弹性结构的立体图，
图8表示本发明的振动角速度传感器的结构的立体图，
图9表示本发明的具有两个轴的振动角速度传感器的结构的立体图，
图10表示本发明的用于支撑振动角速度传感器的测震质量块的第五可选弹性结构的立体图，
图11表示本发明的用于支撑振动角速度传感器的测震质量块的第六可选弹性结构的立体图。
具体实施方式
在本发明的振动角速度传感器中，要被激发的主运动是至少一个测震质量块和相关联的活动电极的振动。测震质量块不仅具有主运动，还具有与基本垂直于主运动的检测轴相关的另一自由度。
而且，本发明的角速度传感器包括测震质量块和相关联的活动电极，所述质量块借助于弹性结构支撑于传感器元件的框架处。
处于本发明的振动角速度传感器的主运动模式中的活动电极被激发以进行振动。于是，由科里奥利力导致的耦合激活检测运动模式。主运动模式的运动轴与一个或多个检测运动模式的运动轴基本互相垂直。由于已知的不理想性，在没有角速度激发时，模式之间会存在耦合。
在本发明的振动角速度传感器的一种结构中，要被激发的主运动是至少一个测震质量块和相关联的活动电极的振动。相应地，检测运动模式的运动于是例如可基本在盘的平面内发生。或者，检测运动模式的运动可在基本垂直于盘的平面内发生。
本发明的振动角速度传感器通常通过盘结构进行制造。通常例如借助于蚀刻技术，将多个角速度传感器的结构制造在中央盘上，然后该中央盘例如被上方和下方的盘密封。从已完成的盘封装结构中切出角速度传感器。
在具有振动角速度传感器的结构的传感器中，所述传感器用DRIE蚀刻技术(DRIE，深反应离子蚀刻)制造，在这些传感器中，一种运动模式处于盘的平面内，而另一种运动模式垂直于盘的平面，正交信号是由DRIE槽相对于盘的法线的倾斜造成的。该现象可重复性好，并且其在盘上的分布是已知的。
根据本发明，由于在盘上的分布是已知的，故可借助于制造掩模来实施对振动角速度传感器的结构的补偿，从而，不需要对角速度传感器的结构进行个别机械调谐。
导致本发明的振动角速度传感器的结构中的正交信号这一现象是已知的，例如正交信号是由DRIE蚀刻处理槽相对于盘的法线的倾斜而导致的，所以正交信号在盘上的分布也是已知的且可重复的。
在本发明的方案中，通过将弹性结构设计为非对称的，从而由弹性结构传递的从一种运动模式到另一种运动模式的耦合使得由于正交信号造成的不理想性而导致的耦合消除或显著减少，以使正交信号得到补偿。
根据本发明，作为所述方案的具体情况，振动角速度传感器的结构中的非对称弹性结构可通过使用DRIE蚀刻处理的其它不理想性来制作。作为这种不理想性DRIE蚀刻处理的例子，可使用ARDE效应(ARDE，纵横比决定蚀刻率)和轮廓的楔状特性。因此，可在不需要任何额外的处理步骤的情况下完成本发明的补偿。
图1至11表示本发明的振动角速度传感器的结构的弹性结构的例子，正交信号可借助于这些弹性结构而得到补偿。
图1表示本发明的用于支撑振动角速度传感器的测震质量块的弹性结构的截面。本发明的角速度传感器的弹性结构以附图标记1表示。将本发明的弹性结构1的一个角蚀刻掉。本发明的弹性结构是非对称的，从而由弹性结构传递的从一种运动模式到另一种运动模式的耦合使得由于正交信号造成的不理想性而导致的耦合消除或显著减少。
图2表示本发明的用于支撑振动角速度传感器的测震质量块的弹性结构的立体图。本发明的角速度传感器的弹性结构以附图标记1表示。将本发明的弹性结构1的一个角蚀刻掉。
在制造如图1～图2所示的本发明的弹性结构时，可设计蚀刻掩模，以使其补偿在盘上发生的由制造工艺造成的不理想性。这些不理想性的一种情况例如是由于DRIE蚀刻处理的槽相对于盘的法线的倾斜而导致的不理想性。于是，本发明的弹性结构1的切掉的角的尺寸在整个盘上是变化的。
图3表示本发明的用于支撑振动角速度传感器的测震质量块的可选弹性结构的截面。本发明的角速度传感器的可选弹性结构以附图标记2表示。在本发明的可选的弹性结构2中蚀刻有一个或多个补偿槽。本发明的可选弹性结构2是非对称的，从而由弹性结构传递的从一种运动模式到另一种运动模式的耦合使得由于正交信号造成的不理想性而导致的耦合消除或显著减少。
图4表示本发明的用于支撑振动角速度传感器的测震质量块的可选弹性结构的立体图。本发明的角速度传感器的可选弹性结构以附图标记2表示。在本发明的可选弹性结构2中蚀刻有一个或多个补偿槽。
在制造如图3～图4所示的本发明的弹性结构2时，可设计蚀刻掩模，以使所述蚀刻掩模补偿在盘上发生的由制造工艺导致的不理想性。这些不理想性的一种情况例如是由于DRIE蚀刻处理的槽相对于盘的法线的倾斜而导致的不理想性。于是，本发明的可选弹性结构2的补偿槽的尺寸在整个盘上是变化的。
本发明的可选弹性结构2的补偿槽可与其它结构在同一个DRIE蚀刻中进行蚀刻。在制造本发明的可选弹性结构2时，由于ARDE效应，补偿槽不会一直蚀刻到贯穿所述盘，而是，可恰当地设计槽的深度尺寸。或者，例如可通过两级蚀刻处理以蚀刻出具有恰当深度的槽。
图5表示本发明的用于支撑振动角速度传感器的测震质量块的第二可选弹性结构的立体图。本发明的角速度传感器的第二可选弹性结构以附图标记3表示。在本发明的第二可选弹性结构3中蚀刻有一个或多个补偿腔。本发明的第二可选弹性结构3是非对称的，从而由弹性结构传递的从一种运动模式到另一种运动模式的耦合使得由于正交信号造成的不理想性而导致的耦合消除或显著减少。
在制造如图5所示的本发明的弹性结构3时，可设计蚀刻掩模，以使其补偿在盘上发生的由制造工艺导致的不理想性。这些不理想性的一种情况例如是由于DRIE蚀刻处理的槽相对于盘的法线的倾斜而导致的不理想性。于是，本发明的第二可选弹性结构3的补偿腔的尺寸在整个盘上是变化的。
本发明的第二可选弹性结构3的补偿腔可与其它结构在同一个DRIE蚀刻中进行蚀刻。在制造本发明的第二可选弹性结构3时，由于ARDE效应，补偿腔不会一直蚀刻到贯穿所述盘，而是，可恰当地设计腔的深度尺寸。或者，例如可通过两级蚀刻处理以蚀刻出具有恰当深度的腔。
图6表示本发明的用于支撑振动角速度传感器的测震质量块的第三可选弹性结构的立体图。本发明的角速度传感器的第三可选弹性结构以附图标记4表示。本发明的第三可选弹性结构包括附着点5、6。在弹性结构4的至少一个附着点5、6中蚀刻有一个或多个补偿槽或补偿腔。本发明的第三可选弹性结构4是非对称的，从而由弹性结构传递的从一种运动模式到另一种运动模式的耦合使得由于正交信号造成的不理想性而导致的耦合消除或显著减少。
图7表示本发明的用于支撑振动角速度传感器的测震质量块的第四可选弹性结构的立体图。本发明的角速度传感器的第四可选弹性结构以附图标记7表示。本发明的第四可选弹性结构7包括附着点8、9。在弹性结构7的至少一个附着点8、9中蚀刻有一个或多个补偿槽或补偿腔。本发明的第四可选弹性结构7是非对称的，从而由弹性结构传递的从一种运动模式到另一种运动模式的耦合使得由于正交信号造成的不理想性而导致的耦合消除或显著减少。
在制造如图6～图7所示的所介绍的弹性结构4、7时，可设计蚀刻掩模，以使其补偿在盘上发生的由制造工艺导致的不理想性。这些不理想性的一种情况例如是由于DRIE蚀刻处理的槽相对于盘的法线的倾斜而导致的不理想性。于是，所介绍的弹性结构4、7的补偿槽或补偿腔的尺寸在整个盘上是变化的。
图6～图7中所示的弹性结构4、7的补偿槽或补偿腔可与其它结构在同一个DRIE蚀刻中进行蚀刻。在制造所介绍的弹性结构4、7时，由于ARDE效应，补偿槽或补偿腔不会一直蚀刻到贯穿所述盘，而是，可恰当地设计槽或腔的深度尺寸。或者，例如可通过两级蚀刻处理以蚀刻出具有恰当深度的槽或腔。在所介绍的弹性结构4、7中，具有恰当尺寸的补偿槽或补偿腔可以有效地校正偏斜的弹性结构的端部。
图8表示本发明的振动角速度传感器的结构的立体图。本发明的角速度传感器的振动质量块以附图标记10和11表示。角速度传感器的振动质量块10、11通过弹性结构支撑于它们的附着点12、13处。在角速度传感器的弹性结构的附着点12的质量块侧的相对端14处，或者，在弹性结构的附着点13侧的端15处，蚀刻有一个或多个补偿槽或补偿腔14、15。本发明的弹性结构是非对称的，从而由弹性结构传递的从一种运动模式到另一种运动模式的耦合使得由于正交信号造成的不理想性而导致的耦合消除或显著减少。
图9表示本发明的具有两个轴的振动角速度传感器的结构的立体图。本发明的具有两个轴的角速度传感器的振动质量块以附图标记16表示。具有两个轴的角速度传感器的质量块16通过弹性结构支撑于其附着点17处。在具有两个轴的角速度传感器的弹性结构的端18、20处，与附着点17相对，或者，在弹性结构的附着点17侧的端19、21处，蚀刻有一个或两个补偿槽或补偿腔18～21。本发明的弹性结构是非对称的，从而由弹性结构传递的从一种运动模式到另一种运动模式的耦合使得由于正交信号造成的不理想性而导致的耦合消除或显著减少。
图10表示本发明的用于支撑振动角速度传感器的测震质量块的第五可选弹性结构的立体图。本发明的角速度传感器的第五可选弹性结构以附图标记22表示。本发明的第五可选弹性结构22的一个边缘是锯齿状23。本发明的第五可选弹性结构22是非对称的，从而由弹性结构传递的从一种运动模式到另一种运动模式的耦合使得由于正交信号造成的不理想性而导致的耦合消除或显著减少。
在制造图10所示的本发明的第五可选弹性结构22时，可设计蚀刻掩模，以使其补偿在盘上发生的由制造工艺导致的不理想性。这些不理想性的一种情况例如是由于DRIE蚀刻处理的槽相对于盘的法线的倾斜而导致的不理想性。于是，本发明的第五可选弹性结构22的锯齿状23的尺寸在整个盘上是变化的。本发明的第五可选弹性结构22的锯齿状23可与其它结构在同一个DRIE蚀刻中进行蚀刻。
图11表示本发明的用于支撑振动角速度传感器的测震质量块的第六可选弹性结构的立体图。本发明的角速度传感器的第六可选弹性结构以附图标记24表示。本发明的第六可选弹性结构24的两个边缘都是锯齿状25、26。本发明的第六可选弹性结构24是非对称的，从而由弹性结构传递的从一种运动模式到另一种运动模式的耦合使得由于正交信号造成的不理想性而导致的耦合消除或显著减少。
在制造图11中所示的本发明的第六可选弹性结构24时，可设计蚀刻掩模，以使其补偿在盘上发生的由制造工艺导致的不理想性。这些不理想性的一种情况例如是由于DRIE蚀刻处理的槽相对于盘的法线的倾斜而导致的不理想性。于是，本发明的第六可选弹性结构24的锯齿状25、26的尺寸在整个盘上是变化的。本发明的第六可选弹性结构24的锯齿状25、26可与其它结构在同一个DRIE蚀刻中进行蚀刻。
如图10～图11所示的弹性结构22、24中的DRIE蚀刻轮廓，实际上不仅倾斜，而且稍微呈楔形，即槽在深度方向上变宽，从而，锯齿图案在弹性结构的上部表面和下部表面之间是不同的。在本发明的方案中，可将锯齿状23、25、26的尺寸恰当地设计为单侧的或非对称的，从而，锯齿状23、25、26使弹性结构22、24的弯曲轴扭转。
本发明的方案可用于补偿所有这种角速度传感器的正交信号，在所述角速度传感器中，主运动是至少一个测震质量块和相关联的活动电极的振动，并且所述角速度传感器中，质量块不仅具有主运动，还具有与基本垂直于主运动的一个检测轴或多个检测轴相关的第二自由度。
Claims (15)
1.一种振动微机械角速度传感器，其包括至少一个测震质量块和相关联的活动电极，所述质量块具有必须被激发的主运动，并且不仅具有所述主运动，还具有与基本垂直于所述主运动的一个或多个检测轴相关的至少一个自由度，并且所述一个或多个质量块借助于弹性结构支撑于所述传感器元件的框架处，其特征在于，所述弹性结构(1)、(2)、(3)、(4)、(22)、(24)是非对称的，从而由所述弹性结构(1)、(2)、(3)、(4)、(22)、(24)传递的从一种运动模式到另一种运动模式的耦合使得由于所述弹性结构或所述弹性结构的支撑部中的偏斜造成的不理想性而导致的耦合消除或减少。
2.根据权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于，所述弹性结构(1)的一个角被蚀刻掉。
3.根据权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于，在所述弹性结构(2)中蚀刻有一个或多个补偿槽。
4.根据权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于，在所述弹性结构(3)中蚀刻有一个或多个补偿腔(14)、(15)、(18)～(21)。
5.根据权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于，在所述弹性结构(4)的至少一个附着点(5)、(6)中蚀刻有一个或多个补偿槽或补偿腔(14)、(15)、(18)～(21)。
6.根据权利要求5所述的角速度传感器，其特征在于，通过恰当地设计所述补偿槽或补偿腔(14)、(15)、(18)～(21)的尺寸，以使所述补偿槽或补偿腔有效地校正偏斜的弹性结构(4)的端部。
7.根据权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于，所述弹性结构(22)的一个边缘是锯齿状的(23)。
8.根据权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于，所述弹性结构(24)的两个边缘都是锯齿状的(25)、(26)。
9.根据权利要求7或8所述的角速度传感器，其特征在于，通过将所述锯齿状(23)、(25)、(26)的尺寸恰当地设计为单侧的或非对称的，使得所述锯齿状(23)、(25)、(26)将所述弹性结构(22)、(24)的弯曲轴扭转。
10.根据前述权利要求1至9的任何一项所述的角速度传感器，其特征在于，通过非对称地设计所述弹性结构(1)、(2)、(3)、(4)、(22)、(24)，使得由所述弹性结构(1)、(2)、(3)、(4)、(22)、(24)传递的从一种运动模式到另一种运动模式的所述耦合使得由于DRIE蚀刻处理的槽相对于盘的法线的倾斜造成的所述不理想性而导致的所述耦合消除或减少。
11.一种借助于微机械盘结构的振动微机械角速度传感器的制造方法，所述角速度传感器包括至少一个测震质量块和相关联的活动电极，所述质量块具有必须被激发的主运动，并且不仅具有所述主运动，还具有与基本垂直于所述主运动的一个或多个检测轴有关的至少一个自由度，并且所述一个或多个质量块借助于弹性结构支撑于所述传感器元件的框架处，其特征在于，通过蚀刻将所述角速度传感器的所述弹性结构(1)、(2)、(3)、(4)、(22)、(24)制造成非对称的。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过设计蚀刻掩模，以使所述蚀刻掩模补偿在所述盘上发生的由所述制造工艺而导致的不理想性。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，在所述制造中使用DRIE蚀刻技术(DRIE，深反应离子蚀刻)。
14.根据前述权利要求11至13中的任何一项所述的方法，其特征在于，在制造中利用了诸如ARDE效应(ARDE，纵横比决定蚀刻率)的所述DRIE蚀刻处理的不理想性。
15.根据前述权利要求11至14中的任何一项所述的方法，其特征在于，在制造中，通过利用两级DRIE蚀刻处理，要蚀刻的槽或腔的深度可以具有恰当的尺寸。
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