CN105180913A - 质量负载科里奥利振动陀螺仪 - Google Patents

质量负载科里奥利振动陀螺仪 Download PDF

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CN105180913A CN201510110455.3A CN201510110455A CN105180913A CN 105180913 A CN105180913 A CN 105180913A CN 201510110455 A CN201510110455 A CN 201510110455A CN 105180913 A CN105180913 A CN 105180913A
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B.R.约翰森
S.常
S.摩尔
J.雷恩克
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Abstract

本发明涉及质量负载科里奥利振动陀螺仪。公开了用于振动传感器的质量负载谐振器。在至少一个实施例中，所述质量负载谐振器包括共基极，其具有顶面、底面和多个侧面。此外，多个弯曲部附接至所述共基极，并在质量负载谐振器静置时与共基极的顶面的法向大致垂直地突出。另外，多个弯曲部具有的厚度实质上小于共基极的厚度。

Description

质量负载科里奥利振动陀螺仪
政府许可权
美国政府可以享有本发明中如与国防部高级研究计划局(DARPA)的政府合同No.HR0011-11-C-0036的条款所规定的一些权利。
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年5月16日提交的美国临时专利申请No.61/994,515的权益，其在此通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及质量负载科里奥利振动陀螺仪，更具体涉及用于振动传感器的质量负载谐振器。
背景技术
具有两种谐振模式的机械谐振器可用作多种应用中的振动传感器，包括但不限于科里奥利振动陀螺仪，其能够感测外加旋转。科里奥利振动陀螺仪在本文中也将被称为振动陀螺仪。在示例性振动陀螺仪中，两个简并共振被构造成使得作用于一种谐振模式的运动速度的外加旋转产生作用于另一谐振模式的科里奥利力。
高性能振动陀螺仪的目标是使谐振器的两种谐振模式具有长谐振衰减时间(在本文中也被称为“衰荡时间”)。衰荡时间τ由τ=Q/(π*f)给出，其中f是谐振频率。作为结果，如果可将谐振器品质因数(Q)保持得相对较恒定，则能通过设计具有低谐振频率的谐振器来实现长衰荡时间。然而，低谐振频率通常要求使用薄谐振器材料膜，其可以具有高的机械阻尼，从而具有比在较厚膜中呈现出的Q值低的谐振器Q值。
发明内容
公开了用于振动传感器的质量负载谐振器(mass-loadedresonator)。在至少一个实施例中，所述质量负载谐振器包括共基极，其具有顶面、底面和多个侧面。此外，多个弯曲部附接至所述共基极，并在质量负载谐振器静置时与共基极的顶面的法向大致垂直地突出。另外，多个弯曲部具有的厚度实质上小于共基极的厚度。
附图说明
应当理解的是附图仅示出了示例性实施例，因此不应被认为是对范围的限制，将通过使用附图以附加的具体内容和细节来描述示例性实施例，附图中：
图1是用作振动传感器的质量负载谐振器的示例性实施例；
图2是坐标图，示出了较厚的多晶金刚石膜是如何提供更高的品质因数Q的；
图3A-3B是用于图1所示质量负载谐振器的谐振模式的示例；并且
图4是制造用作振动传感器的质量负载谐振器的一种示例性方法的流程图。
依据常规实践，所描述的各种特征不是按比例进行绘制的，而是被绘制为强调与示例性实施例相关的特定特征。
具体实施方式
在以下详细描述中，将参考形成其一部分的附图，并且在附图中通过说明性的方式示出了特定的例示性实施例。然而，应该明白的是，也可以采用其它实施例，并且可以做出逻辑、机械和电气上的变化。此外，附图和说明书中提供的方法不应解释为限制可以执行各个步骤的顺序。因此，以下详细描述不应认为具有限制的意义。
如以上提及的，低谐振频率通常要求使用薄谐振器材料膜，其可以具有高的机械阻尼，从而具有比在较厚膜中呈现出的Q值低的谐振器Q值。本公开中描述的实施例解决该问题。具体地，实施例实现低的谐振频率，同时仍然维持高的Q值因数，方法是通过包括大质量体作为谐振器的一部分，以生成质量负载谐振器。大质量体在本文中也将被称为共基极(commonbase)。作为结果，谐振器的谐振频率被降低，同时高Q值因数得到维持。
图1是一示例性实施例的质量负载谐振器100，其用作各种应用中的振动传感器，包括但不限于科里奥利振动陀螺仪。本文所论述的振动陀螺仪可包括各种类型的振动陀螺仪，一个示例为微机电系统(MEMS)振动陀螺仪。质量负载谐振器100在本文中也将被称为“谐振器”100。谐振器100包括共基极104和多个弯曲部102，其附接至共基极104并构造成支承共基极104。谐振器100的Q值由弯曲部102的材料性能确定。可以在谐振器100中使用厚的弯曲部102，以便提供更高的Q值。
如在附图中可看出的，共基极104具有顶面104A、底面104B和多个侧面104C。此外，多个弯曲部102在谐振器100静置时沿与共基极104的顶面104A的法向105大致垂直的方向突出。在示例性实施例中，多个弯曲部102的厚度将实质上薄于共基极104的厚度。
图2是坐标图，示出了一示例性材料即用作谐振器的多晶金刚石膜是如何随着膜的厚度增大而提供更高Q值的。更具体地，1/Q绘制为频率的对于不同厚度的多晶金刚石膜而言的函数。多晶金刚石膜的厚度包括1.1微米、2.9微米、3.1微米和4.5微米。虚线是所绘数据的线性拟合，其中异常值已被排除。如从该坐标图中可看出的，厚度为1.1微米的多晶金刚石膜显示出的阻尼(1/Q)大致5倍于金刚石厚度为2.9-4.5微米的谐振器。因此，在示例性实施例中，较厚的弯曲部102，例如厚于2.9微米的弯曲部，可用于谐振器100，以为谐振器100提供更高的Q值。
可用于弯曲部102的材料可包括具有低机械损耗的任何材料。在一些实施例中，弯曲部102可由与共基极104相同的材料制成。在一部分这些实施例中，这可以包括从相同的材料块构造弯曲部102和共基极104。在另一些实施例中，弯曲部102可由与共基极104不同的材料制成。在弯曲部102由与共基极104不同的材料制成的实施例中，弯曲部102可为沉积到共基极104上的膜，并且在另一些实施例中，弯曲部102可为块状材料减薄至所需厚度并施加至共基极104。可能有利的是使用块状材料，因为一些材料在块状形态下可比尺寸相当的沉积膜呈现出更高的Q值。超低膨胀玻璃(SiO2中~5%的TiO2)就是这种材料，因为对于高机械Q值而言的恰当微观结构通常是仅由块状玻璃的高温退火实现的。通过薄化块状材料制成的弯曲部通常厚于通过沉积薄膜形成的弯曲部，因此需要大质量来实现低谐振频率。在一些实施例中，可将多个弯曲部104附接至顶板，然后将顶板附接至共基极104。在一些实施例中，多个弯曲部104附接至顶板，是因为顶板和弯曲部104由单片材料制成，并且弯曲部104被构造(或图案化)到该材料中。在一些实施例中，弯曲部材料和顶板可熔结至共基极。在一些其它实施例中，弯曲部材料可使用比如玻璃釉料等粘结剂粘结至共基极。
可用于弯曲部102的一些示例材料包括金刚石、单晶硅、熔融石英、硅和超低膨胀玻璃。另外，弯曲部102的厚度可不同；然而，该厚度将影响谐振器100的品质因数Q，因此可根据所需Q值选择弯曲部102的厚度。在金刚石被用于弯曲部102的实施例中，弯曲部102的一些示例性厚度可为大致5-15微米。在使用超低膨胀玻璃的一些实施例中，弯曲部102的厚度可为大致10-50微米厚。然而，这些仅是示例，并非旨在进行限制。
如以上提及的，弯曲部102越厚，谐振器100的谐振频率越高。为了克服与厚弯曲部102相关联的高谐振频率，谐振器100包括有厚度实质上厚于弯曲部102的厚度的共基极104，如图1中所示。作为结果，谐振器100的谐振频率减小。谐振器100的谐振频率减小的原因是因为谐振频率随着质量增大而减小，因为谐振频率正比于1/√m。由于共基极104被包含到谐振器100中，所以谐振器100的谐振频率“f”能减小一个数量级，其将增大谐振器的衰荡(ringdown)时间。
共基极104的质量同样在不同实施例中可不同，但是被选择成用以实质性地降低谐振器100的谐振频率。共基极104的质量将决定谐振器100的谐振频率，因此共基极104的质量可相应地选择，即协同于弯曲部102的厚度，其也将影响谐振器100的谐振频率。特别地，如果其它一切保持不变，则共基极104的质量越大，谐振器100的谐振频率就越低。作为结果，通常，弯曲部102越厚，共基极104的质量就有必要越大，以将谐振器100的谐振频率降低至所需低谐振频率。因此，将协同共基极104的质量来确定弯曲部102的厚度和材料。
在示例性实施例中，共基极104的厚度和质量以及弯曲部102的厚度和材料性能，将被选择成使得谐振器100的谐振频率将小于2khz，即谐振频率大于环境振动。在一些实施例中，该谐振频率可以对应于共基极的厚度大约为300微米厚到2mm厚，但是再次，它取决于弯曲部102的厚度和材料性能以及制造共基体104时使用的材料的密度。
类似于弯曲部102，共基极104可由不同的材料制成。如上所述，在一些实施例中，共基极104可由与弯曲部102相同的材料制成，而在另一些实施例中，共基极104可由与弯曲部102不同的材料制成。因此，共基极104可由制造弯曲部102的任一种材料制成。一些示例包括但不限于金刚石、单晶硅、熔融石英、硅和超低膨胀玻璃。
图3A-3B是图1所示谐振器100的谐振模式的示例。在图3A-3B中，示出了谐振器100的两个谐振模式，每个图中一个谐振模式。图3A-3B中的区域106具有接近零的总位移(displacement)，而区域108具有最大的位移。两种模式包括共基极104的下垂运动，且最大下垂漂移发生在区域108中。在示例性实施例中，两种模式具有相同的谐振频率。在全角陀螺仪操作中，两种模式的相对振幅可随时间变化，从而导致振荡轴线围绕外加旋转的轴线旋进。
在一些实施例中，弯曲部102可固定至顶板。在一些实施例中，两个或更多个质量负载谐振器可以通过弯曲部连接，使得这些大质量体反相振荡，以降低锚定损耗并使陀螺仪输出(gyroscopeoutput)的振动灵敏度最小化。
如本领域的技术人员公知的，由科里奥利效应引起的物体的加速度由以下公式确定：acor=2V×Ω，其中V是移动物体的速度，而Ω是移动物体围绕轴线的旋转速率。在一些实施例中，可将电极(未示出)置于谐振器100的顶部100a和底部100b上，用于在谐振器100中诱发速度V。在一些其它实施例中，可将电极(未示出)置于谐振器100的顶部的顶表面100a和底表面100c上，用于激励谐振器100，并在谐振器100中诱发速度V。可通过在谐振器100上沉积导电膜来形成电极(未示出)。在图3A中，通过向谐振器100上的电极(未示出)施加静电作用力，来围绕谐振器100的x轴线诱发速度。
如以上提及的，在图3A中，围绕x轴线诱发了谐振器100的速度，如在图3A中可看出的，这是由于在谐振器100的中心沿着x轴线的位移接近零，并且位移随着移动远离谐振器100的中心部分而增大，如条纹106所示。一旦在谐振器100上诱发了速度后，如果谐振器100围绕z轴线旋转，则科里奥利效应将围绕y轴线诱发加速度，这是基于公式acor=2V×Ω，并如图3B中所示。也就是说，图3A中的谐振器100围绕z轴线旋转，其诱使谐振器经历科里奥利力，其诱使谐振器100围绕y轴线加速，如在图3B中可看出的，因为沿着y轴线在谐振器100的中心具有接近零的位移，并且随着移动远离谐振器100的中心部分，而存在增大的位移。
如以上论述的置于谐振器100上用于诱发谐振器100的速度的电极(未示出)，也可用作电容式传感电极，以通过测量电极的由谐振器运动诱发的变化电容，来传感谐振器100的运动。从这些变化电容，根据以上论述的公式acor=2V×Ω，可导出谐振器100经历的科里奥利加速度，其将导致围绕z轴线的旋转速率。在一些其它实施例中，电容式传感电极(未示出)可为与在谐振器100中诱发速度的电极分离的一组电极。
图4是制造振动传感器的质量负载谐振器的一种示例性方法400的流程图。方法400包括使用第一蚀刻方法在材料中构造多个弯曲部(框402)。用于构造多个弯曲部的材料可为以上在图1-3B中论述的材料中的一种或其组合，比如多晶金刚石、单晶硅、熔融石英、超低膨胀玻璃和硅。
在一些实施例中，弯曲部的构造(或图案)可类似于以上在图1、3A-3B中的谐振器100中看到的弯曲部102的设计。也可使用其它弯曲部构造，并且将取决于谐振器的所需频率和品质因数Q。
在一些实施例中，第一蚀刻方法可为干式蚀刻方法，并且在一些实施例中，第一蚀刻方法可为湿式蚀刻方法。干式蚀刻方法的示例包括但不限于反应离子蚀刻(RIE)、深反应离子蚀刻(DRIE)、等离子蚀刻、溅射蚀刻和气相蚀刻。湿式蚀刻的示例包括但不限于含水氢氧化钾(KOH)蚀刻、氟化氢(HF)蚀刻和缓冲氧化物蚀刻(BOE)。然而，它们仅为示例，并非旨在进行限制。在示例性实施例中，第一蚀刻为干式蚀刻方法的氧反应离子蚀刻(RIE)。
方法400进一步包括使用第二蚀刻方法根据所述构造释放多个弯曲部。第二蚀刻方法可包括但不限于以上关于第一蚀刻方法论述的任一种蚀刻方法。在示例性实施例中，如果共基极由硅晶片制成，则第三蚀刻方法使用含水氢氧化钾(KOH)溶液来移除附着于构造好的弯曲部的底侧的硅。
方法400进一步包括使用第三蚀刻方法来构造共基极，其中所述共基极具有顶面、底面和多个侧面，并且其中所述共基极具有的厚度实质上大于多个弯曲部的厚度，并且其中多个弯曲部附接至共基极，并在质量负载谐振器静置时与共基极的顶面的法向大致垂直地突出(框406)。第三蚀刻方法可包括但不限于以上关于第一蚀刻方法论述的任一种蚀刻方法。在示例性实施例中，如果共基极由硅晶片制成，则第二蚀刻方法可以包括深反应离子蚀刻(DRIE)，以在很大程度上蚀刻穿透硅晶片。类似地，共基极的形状可包括但不限于以上论述的共基极104的任一种形状。
在示例性实施例中，共基极的厚度和质量以及弯曲部的厚度和材料性能，将被构造成使得谐振器的谐振频率将小于2khz，即谐振频率大于环境振动。在一些实施例中，该谐振频率可以对应于共基极的厚度大约为300微米厚到2mm厚，但是再次，它取决于弯曲部102的厚度和材料性能以及制造共基体104时使用的材料的密度。
在一些实施例中，可由与弯曲部相同的材料来构造共基极。在另一些实施例中，弯曲部和共基极可由不同的材料制成。例如，如果共基极由与弯曲部不同的材料制成，则方法400可以包括将弯曲部材料沉积到共基极的一侧上，或者沉积到衬底材料上，从所述衬底材料，随后通过构造和蚀刻工艺来限定共基极的尺寸。弯曲部材料的沉积可通过多种不同方式来完成，包括但不限于热丝化学气相沉积(CVD)。在一些实施例中，可将弯曲部附接至顶板，然后将顶板附接至共基极。在一些实施例中，多个弯曲部附接至顶板，是因为顶板和弯曲部由单片材料制成，并且弯曲部被构造到该材料中。在一些实施例中，弯曲部材料和顶板可熔结至共基极。在一些其它实施例中，弯曲部材料可使用比如玻璃釉料等粘结剂粘结至共基极。在共基极与弯曲部为不同材料的一个示例中，共基极可由硅制成，而弯曲部可由多晶金刚石制成。然而，这只是示例，并非旨在进行限制。如上所述，用于所述多个弯曲部和共基极的材料类型(即不管它们是相同材料还是不同材料)以及蚀刻方法将决定共基极如何附接至多个弯曲部。
此外，方法400包括使用第四蚀刻方法根据所述构造释放共基极(框408)。第四蚀刻方法可包括但不限于以上关于第一蚀刻方法论述的任一种蚀刻方法。在示例性实施例中，如果共基极由硅晶片制成，则第四蚀刻方法可以包括蚀刻含水KOH溶液中的硅。在一些实施例中，释放弯曲部的第三蚀刻方法可以相同于释放共基极的第四蚀刻方法。
通过该方法400，能同时制造多个质量负载谐振器，其降低质量负载谐振器的制造成本。
示例性实施例
示例1包括一种用于振动传感器的质量负载谐振器，其包括：共基极，其具有顶面、底面和多个侧面；和多个弯曲部，其附接至所述共基极，并且在所述质量负载谐振器静置时与所述共基极的顶面的法向大致垂直地突出，其中所述多个弯曲部具有的厚度实质上小于所述共基极的厚度。
示例2包括如示例1所述的质量负载谐振器，其中，所述共基极和所述多个弯曲部由单片材料构造而成。
示例3包括如示例1-2中任一项所述的质量负载谐振器，其中，所述多个弯曲部附接至顶板，并且其中所述顶板附接至所述共基极。
示例4包括如示例3所述的质量负载谐振器，其中，所述多个弯曲部和顶板由单片材料构造而成。
示例5包括如示例1-4中任一项所述的质量负载谐振器，其进一步包括：多个电极，其附接至所述共基极，其中所述多个弯曲部构造成在所述多个电极被施加至少一个电场时，将所述质量负载谐振器激励为两种简并模式(degeneratemodes)。
示例6包括如示例1-5中任一项所述的质量负载谐振器，其中，所述多个弯曲部包括具有低机械损耗的材料。
示例7包括如示例1-6中任一项所述的质量负载谐振器，其中，所述质量负载谐振器具有的谐振频率大于2千赫。
示例8包括如示例1-7中任一项所述的质量负载谐振器，其中，所述多个弯曲部实质上包括以下材料中的一种或多种：金刚石、单晶硅、熔融石英、硅或超低膨胀玻璃。
示例9包括如示例1-8中任一项所述的质量负载谐振器，其中，所述共基极实质上包括以下材料中的一种或多种：金刚石、单晶硅、熔融石英、硅或超低膨胀玻璃。
示例10包括一种用于制造质量负载谐振器的方法，其包括：使用第一蚀刻方法在材料中构造多个弯曲部；以及使用第二蚀刻方法根据所述构造释放所述多个弯曲部；使用第三蚀刻方法来构造共基极，其中所述共基极具有顶面、底面和多个侧面，并且其中所述共基极具有的厚度实质上大于所述多个弯曲部的厚度，并且其中所述多个弯曲部附接至所述共基极，并在所述质量负载谐振器静置时与所述共基极的顶面的法向大致垂直地突出；以及使用第四蚀刻方法根据所述构造释放所述共基极。
示例11包括如示例10所述的方法，其中，所述多个弯曲部和共基极由单片材料构造而成。
示例12包括如示例10-11中任一项所述的方法，其进一步包括：构造顶板，其中所述多个弯曲部附接至所述顶板，并且其中所述多个弯曲部和顶板由单片材料构造而成；以及将所述顶板附接至所述共基极。
示例13包括如示例12所述的方法，其中，将所述顶板附接至所述共基极包括将弯曲部材料和顶板材料沉积到谐振器的一侧上，或者将顶板结合至谐振器。
示例14包括如示例10-13中任一项所述的方法，其中，第一蚀刻方法和第二蚀刻方法是相同的蚀刻方法。
示例15包括如示例10-14中任一项所述的方法，其中，第三蚀刻方法和第四蚀刻方法是相同的蚀刻方法。
示例16包括如示例10-15中任一项所述的方法，其中，第一蚀刻方法、第二蚀刻方法、第三蚀刻方法和第四蚀刻方法是以下蚀刻方法中的任一种：反应离子蚀刻、深反应离子蚀刻、等离子蚀刻、溅射蚀刻、气相蚀刻、含水氢氧化钾蚀刻、氟化氢蚀刻、或缓冲氧化物蚀刻。
示例17包括如示例10-16中任一项所述的方法，其中，所述质量负载谐振器具有的谐振频率大于2千赫。
示例18包括一种质量负载谐振器陀螺仪，其包括：支承板；质量负载谐振器，其包括：共基极，其具有顶面、底面和多个侧面；和多个弯曲部，其附接至所述共基极，并在所述质量负载谐振器静置时与所述共基极的顶面的法向大致垂直地突出，其中所述多个弯曲部具有的厚度实质上小于所述共基极的厚度；和多个电极，其附接至质量负载谐振器，其中所述多个弯曲部构造成在所述多个电极被施加至少一个电场时，将所述质量负载谐振器激励为两种简并模式。
示例19包括如示例18所述的质量负载谐振器陀螺仪，其中，所述共基极和所述多个弯曲部由单片材料构造而成。
示例20包括如示例18-19中任一项所述的质量负载谐振器陀螺仪，其中，所述多个弯曲部附接至顶板，其中所述顶板附接至所述共基极，并且其中所述多个弯曲部和顶板由单片材料构造而成。
尽管已经在本文中说明和描述了特定实施例，但是本领域技术人员应理解的是，被设计来实现相同目的的任何配置都可以代替所示出的特定实施例。因此，显然希望的是本发明仅由权利要求书及其等同方案限定。

Claims (3)

1.一种用于振动传感器的质量负载谐振器(100)，包括：
共基极(104)，其具有顶面(104A)、底面(104B)和多个侧面(104C)；
多个弯曲部(102)，其附接至所述共基极(104)，并在所述质量负载谐振器(100)静置时与所述共基极(104)的顶面(104A)的法向(105)大致垂直地突出，其中所述多个弯曲部(102)具有的厚度实质上小于所述共基极(104)的厚度；和
多个电极，其附接至所述共基极(104)，其中所述多个弯曲部(102)构造成在所述多个电极被施加至少一个电场时，将所述质量负载谐振器(100)激励为两种简并模式。
2.如权利要求1所述的质量负载谐振器(100)，其中，所述多个弯曲部(102)附接至顶板，并且其中所述顶板附接至所述共基极(104)。
3.一种用于制造质量负载谐振器的方法，包括：
使用第一蚀刻方法在材料中构造多个弯曲部(402)；以及
使用第二蚀刻方法根据所述构造释放所述多个弯曲部(404)；
使用第三蚀刻方法来构造共基极，其中所述共基极具有顶面、底面和多个侧面，并且其中所述共基极具有的厚度实质上大于所述多个弯曲部的厚度，并且其中所述多个弯曲部附接至所述共基极，并在所述质量负载谐振器静置时与所述共基极的顶面的法向大致垂直地突出(406)；以及
使用第四蚀刻方法根据所述构造释放所述共基极(408)。
CN201510110455.3A 2014-05-16 2015-03-13 质量负载科里奥利振动陀螺仪 Pending CN105180913A (zh)

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