CN105917192B - 包括移动质量块的传感器以及用于检测所述质量块的相对移动的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MEMS惯性传感器，包括：通过弹性装置被连接到其以便在悬挂平面中可移动的至少第一激振体和第二激振体的框架、将激振体保持振动并确定激振体在悬挂平面内的移动的换能器以及通过导电体装置被连接到换能器的控制单元。换能器包括刚性连接到第一激振体的至少一个电极和连接到第二激振体的至少一个电极，这两个电极被如此安置以允许激振体相对于彼此在悬挂平面中的相对移动的直接测量。

Description

包括移动质量块的传感器以及用于检测所述质量块的相对移 动的装置
本发明涉及诸如速度陀螺仪或自由陀螺仪之类的角惯性传感器。
这样的惯性传感器包括支持结构和激振(seismic)体(也称为激振质量块或测试质量块)，所述激振体通常被并排安置并通过弹性铰链被连接到支持结构以便在由激振体的两个正交移动方向所定义的悬挂面中是可移动的。与激振体的质量块相关联的铰链的弹力定义了激振体的谐振模式的频率。
由激振体和弹性铰链构成的谐振器拥有两种振动工作模式，其定义了激振体的两个移动方向。检测激振体在这些方向中的振动允许一个角度被测量。
传感器还具有被安置为将激振体设定到振动中的致动器以及安置为检测激振体的相对移动的检测器。检测器通常包括电极对，所述电极对中的一个被固定到激振体中的一个，而另一个被固定到支持结构。这使得检测激振体的移动并随后通过处理来确定激振体相对于彼此的移动成为可能。然而，测量包括与由于激振体的其他谐振模式所导致的在激振体和支持结构之间的寄生移动相关联的分量，当检测器具有不同的增益时，这些分量可以对传感器的性能造成特别大的破坏。
例如出于驾驶车辆或导航的目的，关于姿态和速度的检测的要求需要这样的传感器的性能被改进。
诸如举例而言在文档FR-A-2 983 574中，提出了各种解决方案。
本发明寻求改进传感器的性能，特别是像上述文档那样，并且可以从该文档的示教中获得益处，但是，它还是依靠不同的方案。
本发明寻求通过限制出于检测激振体的相对移动目的所需的处理来简化所述检测。具体地，已经发现所述处理导致了使传感器性能下降的不准确性。
为此，本发明提供了一种微机电系统(MEMS)类型的惯性传感器，包括：具有通过弹性装置被连接到其的至少第一激振体和第二激振体的支持结构、用于将激振体维持在振动中并确定激振体在悬挂平面内的移动的换能器以及通过导电体装置被连接到换能器的控制单元，所述第一激振体和第二激振体通过弹性装置被连接到支持结构以便在悬挂平面中是可移动的。换能器包括固定到第一激振体的至少一个电极和固定到第二激振体的至少一个电极，这两个电极被安置为允许激振体在悬挂平面中相对于彼此的相对移动可被直接测量到。
这样，激振体的相对移动借助于固定到激振体的电极被直接确定。
换能器优选地包括在与悬挂平面平行的至少两个方向上被分别固定到第一激振体和第二激振体的电极，所述电极被安置为允许激振体在悬挂平面中相对于彼此的移动可被直接测量到。
有利地，所述传感器包括在其中形成了所述激振体的至少一部分、弹性装置和电极的至少第一半导体层、第一电绝缘层和形成支架的第二半导体层。第一半导体层配备有遍及其整个高度的槽，以便定义通过弹性装置从电极延伸到支持结构的外围的导电路径，从而形成至少一些导通装置。
通过使用弹性装置在第一半导体层中实现导电路径允许在无需求助外部连接装置的情况下传送测量信号，所述外部连接装置可能引起在激振体的移动中的干扰。
在阅读了下面的对特定的非限制性本发明的实施例之后，本发明的其他特征以及优点将变得显而易见。
对附图作出参考，在附图中：
图1是传感器的透视图。
图2是传感器的外壳的一部分的透视图。
图3是在本发明的第一实施例中的传感器的激振体之一的透视图；
图4是类似于图1的示出在传感器的其他激振体的示图；
图5是在外壳中的传感器的透视图；
图6是在本发明的第二实施例中的将外壳移除的传感器的平面图；
图7是图6的线VII-VII上的传感器的截面图；以及
图8是类似于图6的示出第二实施例的变体的示图。
参考图1到5，在本发明的第一实施例中的传感器被给予整体标记1，并且是由包括两个半导体层100.1和100.2以及电绝缘层101.1的晶片制成的MEMS类型的传感器。绝缘层101.1在第一半导体层100.1和第二半导体层100.2之间延伸。半导体层100.1和100.2由半导体材料制成，在本示例中为硅，并且绝缘层101.1由硅的氧化物，例如SiO2，制成。
在每个半导体层100.1、100.2中，形成有：
形成外部框架的支持结构2.1、2.2；
中间框架9.1、9.2；
给予整体标记3.1、3.2的激振体部分；
将激振体3.1、3.2连接到中间框架9.1、9.2的第一弹性元件8.11、8.12；
将中间框架9.1、9.2连接到支持结构2.1、2.2的第二弹性元件8.21,8.22；
将激振体3.1、3.2连接在一起的第三弹性元件10.1、10.2(在这些图中仅弹性元件10.1是可见的)；
在支持结构2.1、2.2的第一侧和中间框架9.1、9.2的面向第一侧之间延伸的第一换能器11.1、11.2；
在支持结构2.1、2.2的第二侧和中间框架9.1、9.2的面向第二侧之间延伸的第二换能器12.1、12.2，承载所述换能器12.1的第二侧与承载所述换能器11.1的第一侧相对，并且承载所述换能器12.2的第二侧与承载所述换能器11.2的第一侧相对；以及
在激振体部分3.1和3.2之间延伸的第三换能器13.1、13.2(在这些图中仅换能器13.1是可见的)。
每个激振体3.1、3.2分别包括长方体形式的两个翼4.1、4.2，所述翼彼此平行地延伸并彼此间隔开，通过长方体形式的中心核5.1、5.2被连接在一起，所述中心核设置在翼4.1、4.2之后。中心核5.1、5.2具有小于翼4.1、4.2之间的间隔的宽度。激振体3.1的翼4.1是在半导体层100.2中制成，而激振体3.1的中心核5.1是在半导体层100.1中制成。激振体3.2的翼4.2是在半导体层100.1中形成，而激振体3.2的中心核5.2是在半导体层100.2中形成。在100.1和100.2之间的绝缘层的一部分7.1和7.2在翼4.1、4.2和核5.1、5.2之间延伸，以便将翼4.1、4.2与核5.1、5.2电气绝缘。
激振体3.1、3.2被安装为在预定的平面P中移动。激振体3.1、3.2具有相同的形状和相同的质量。激振体3.1和3.2被定位使得它们的重心重合。每个翼4.1、4.2的质量小于核5.1、5.2的质量的一半。
半导体层100.1、100.2的安置可关于与预定平面P垂直的轴相对于彼此成90°并关于预定平面P中的轴成180°来取向，以这种方式，每个激振体3.1、3.2的核5.1、5.2面向其他激振体3.2、3.1的核5.2、5.1延伸并位于其翼4.1、4.2之间。这样，每个激振体3.1、3.2的翼4.1、4.2具有端部6.1、6.2，所述端部位于与其他激振体3.2、3.1的核5.1、5.2相同的平面中并面向其他激振体3.2、3.1的翼4.2、4.1的端部6.2、6.1。
这样，激振体3.1、3.2以这样的方式包括相互接合装置(翼4.1、4.2)：激振体3.1、3.2彼此相互嵌套，同时它们中的每个在预定平面P中相对于其他激振体3.2、3.1是可移动的。
第一弹性元件8.11、8.12和第二弹性元件8.21、8.22形成激振体3.1、3.2的第一悬挂级和第二悬挂级。
在该示例中，弹性元件是由条带形成，所述条带可平行于悬挂平面P弹性变形，但在沿与悬挂平面垂直的轴上呈现出高度刚性，以便消除激振体3.1、3.2的移动出悬挂平面P的自由度。弹性元件8.11、8.12、8.21和8.22被安置为提供在中间框架9.1、9.2和激振体3.1、3.2之间和与支持结构2.1、2.2的相对弱的耦合。第一弹性元件8.11、8.12具有在平面P中各向同性的刚性。第二弹性元件8.21、8.22具有在平面P中各向同性的刚性。第一弹性元件8.11、8.12和第二弹性元件8.21、8.22的刚性使得中间框架9.1、9.2的第一弹性模式和该组激振体3.1、3.2的弹性模式的频率显著低于工作模式的频率。弹性元件10.1、10.2具有在平面P中各向同性的刚性，并且它们被安置为在激振体3.1、3.2之间提供相对强的耦合。这样，弹性元件10.1、10.2呈现出大于弹性元件8.11、8.12、8.21、8.22的刚性的刚性。
两个弹性元件10.2在激振体3.1的每个翼4.1和激振体3.2的中心核5.2之间平行于中心核5.1延伸，并且两个弹性元件10.1在激振体3.2的每个翼4.2和激振体3.1的中心核5.1之间平行于中心核5.2延伸。
换能器13被连接到用于确定激振体3.1、3.2相对于彼此的移动的控制单元(未示出)。
换能器11.1、11.2被控制单元控制以便在第一轴上连续地形成用于检测中间框架9.1、9.2相对于支持结构2.1、2.2的移动的检测器和用于抑制中间框架9.1、9.2相对于支持结构2.1、2.2的振动的第一谐振模式的致动器。
换能器12.1、12.2被控制单元控制以便在第二轴上连续地形成中间框架9.1、9.2相对于支持结构2.1、2.2的移动的检测器和用于抑制中间框架9.1、9.2相对于支持结构2.1、2.2的振动的第一谐振模式的致动器。
换能器13.1、13.2被控制单元控制以便连续形成用于将激振体3.1、3.2设置成振动的致动器以及用于检测激振体3.1、3.2的相对移动的检测器。
两个换能器13.2在激振体3.1的每个翼4.1和激振体3.2的中心核5.2之间延伸，并且两个换能器13.1在激振体3.2的每个翼4.2和激振体3.1的中心核5.1之间延伸。换能器13.1是例如被配置成梳状的两个电极的形式，为此每个电极被固定，一个固定到翼4.1、4.2而另一个固定到中心核5.2、5.1。电极与翼4.1、4.2并与中心核5.1、5.2整体制成。应该观测到绝缘层101.1的部分7.1、7.2使得翼4.1、4.2和中心核5.1、5.2在不同的电势处成为可能。这样，换能器被安置在平行于悬挂平面的两个方向中。
半导体层100.1、100.2在支持结构2.1、2.2的第一和第二侧处具有槽14.1、14.2(仅槽14.1可见)，以便定义：面向每个换能器11.1、11.2的区域A；在区域A的任一侧上且面向第二弹性元件8.21、8.22的区域B；以及在两个区域B之间的区域C。
半导体层100.1、100.2在中间框架9.1、9.2的第一和第二侧处具有槽15.1、15.2(仅槽15.1可见)，以定义：面向每个换能器11.1、11.2、第二弹性元件8.21、8.22以及第一弹性元件8.11、8.12的区域B；以及在两个区域B之间的区域C。
半导体层100.1、100.2在第三弹性元件10.1、10.2周围具有槽16.1、16.2以定义面向第一弹性元件8.11、8.12和换能器13.1、13.2的区域B。
每个换能器11和12具有被固定到区域B的电极和被固定到区域A的电极。每个换能器13和12具有被固定到区域B的电极和被固定到区域C的电极。在本示例中，电极形成梳子。因为槽14、15、16在半导体层100.1、100.2的整体高度上延伸，区域A、B和C是电绝缘的，并且可以在不同电势处形成以便传送控制和/或检测信号。因为半导体层100.1、100.2通过绝缘层101.1彼此分隔开，半导体层100.1的区域A、B和C与半导体层100.2的区域A、B和C是电绝缘的。
区域A、B和C用于在换能器11、12、13和支持结构2.1、2.1的外围之间传导电压信号。控制单元通过支持结构2.1、2.2的外围被电连接到区域A、B和C。
在操作中，换能器13被控制以便交替地执行下述步骤：
将包括激振体3.1、3.2和弹性元件8.11、8.12、10.1、10.2的组装件设定为以该组装件的谐振频率振动，并维持所述振动；以及
检测激振体3.1、3.2相对于彼此的移动。换能器使得检测激振体3.1、3.2在平行于悬挂平面的任何方向上的相对移动成为可能。
作为示例，换能器11、12被控制以便创建针对第二悬挂级的可调节静电刚性。
传感器可以具有由给予整体标记20的两个部分形成的外壳，在这两个部分之间，包括支持结构2.1、2.2、中间框架9.1、9.2以及激振体3.1,3.2的组组装件(与相关联的换能器和弹性装置一起)保持被拴住。每个部分20包括被固定到支持结构1的框架21和被固定到中间框架9.1、9.2并通过弹性装置24被连接到框架21的盖22。每个部分20的盖22具有面向激振体3.1,3.2的腔23。盖22被扣紧在支持框架9上，从而所述腔可被排空。盖22具有构造激振体3.1,3.2的谐振模式的反冲质量的足够质量，所述反冲质量用于将工作模式的频率和由第二弹性元件8.21、8.22所创建的悬挂模式的频率分隔开，并且至少削弱来自外部的干扰力的一小部分。
因为激振体在形状和大小方面是相同的，且因为它们的重心重合，激振体具有相同的惯性并且形成平衡谐振器，该平衡谐振器不以工作模式的频率将能量传送到外部，并且不受到外部振动效应的影响。这有助于稳定阻尼各向异性，同时对应于该各向异性的稳定，传感器的性能被改进。
至少部分借助于包括蚀刻晶体材料的阶段的制造方法来获得本发明的传感器。
制造方法包括在具有所述两个半导体层100.1、100.2和绝缘层101.1的晶片中蚀刻传感器的步骤。
激振体3.1,3.2(翼4.1和4.2、中心核5.1和5.2、绝缘层7.1、7.2)、支持结构2.1、2.2、中间框架9、弹性元件8.11、8.12、8.21、8.22、10.1和10.2、换能器11.1、11.2、12.1、12.2、13.1、13.2和槽14、15、16通过蚀刻直接获得。
每个外壳部分20同样通过蚀刻晶体材料获得。
一般地，还借助于被一般称为“晶片接合”的传统MEMS技术。在本示例中，可提及可被称为“直接接合”、“阳极接合”和“金属接合”的技术。
参考图6和7，并且在第二实施例中，给定整体标记51的传感器是使用晶片制成的MEMS类型的传感器，所述晶片具有三个半导体层100.1、100.2和100.3以及两个电绝缘层101.1和101.2。第一绝缘层101.1在第一半导体层100.1和第二半导体层100.2之间延伸；绝缘层101.2在第二导体层100.2和第三半导体层100.3之间延伸。半导体层100.1、100.2和100.3由半导体材料制成，在本示例中为硅，并且绝缘层101.1、101.2由硅的氧化物，例如SiO2，制成。
传感器51包括：
形成外部框架的支持结构52；
具有从底部59.2凸出的边界59.1的中间框架59，该底部59.2有棒(stub)59.3从其中心延伸出；
以同心框形式安置的激振体53.1、53.2，激振体53.1在激振体53.2和棒59.3之间延伸；
将激振体53.1连接到中间框架59的中心棒59.3的第一弹性元件58.11；
将激振体53.2连接到中间框架59的边界59.1的第一弹性元件58.12；
将中间框架59连接到支持结构52的第二弹性元件58.2；
将激振体53.1、53.2彼此连接的第三弹性元件60；
第一换能器61，每个换能器在支持结构52的多侧中的一侧和中间框架59的多侧中的面向侧之间延伸；
第二换能器62，每个换能器在支持结构52的多侧中的一侧和中间框架59的多侧中的面向侧之间延伸；
在激振体3.1,3.2的面向侧之间延伸的第三换能器63.1，所述传感器具有安置在两个相邻侧上的两个第三换能器63.1；以及
在激振体3.1,3.2的面向侧之间延伸的第三换能器63.2，所述传感器包括安置在两个相邻侧上的两个第三换能器63.2。
支持结构52通过蚀刻所有的层形成；底部59.2在半导体层101.3中单独形成；边界59.1和棒59.3在层100.1、101.1、100.2、101.2中形成；激振体53.1、53.2在层100.1、100.2、101.1中形成；第一和第二弹性元件在层100.1、100.2、101.1中形成；并且第三弹性元件在半导体层100.1、100.2、101.1中形成。绝缘层101.2被部分消除，以避免妨碍激振体53.1、53.2和弹性元件相对于底部59.2的移动。
如上，激振体3.1,3.2具有相同的质量，并且它们被定位为使得它们的重心彼此重合。激振体可以在悬挂平面P中相对于中间框架59和支持结构52移动。
第一弹性元件58.11、58.12和第二弹性元件58.2形成激振体53.1、53.2的第一悬挂级和第二悬挂级。
在该示例中，弹性元件是由条带形成，所述条带可平行于悬挂平面P弹性变形，但在沿与悬挂平面垂直的轴上呈现出高度刚性，以便消除激振体53.1、53.2的移动出悬挂平面P的自由度。弹性元件58.11、58.12、58.2被安置为提供与激振体53.1、53.2和支持结构52具有相对弱的耦合的中间框架59。第一弹性元件58.11、58.12具有在平面P中各向同性的刚性。第二弹性元件58.2具有在平面P中各向同性的差异。第一弹性元件58.11、58.12和第二弹性元件58.2的刚性使得中间框架59的第一谐振模式和该组激振体53.1、53.2的谐振模式的频率显著低于工作模式的频率。弹性元件60具有在平面P中各向同性的刚性，并且它们被安置为在激振体53.1、53.2之间提供相对强的耦合。这样，弹性元件60具有比弹性元件58.11、58.12、58.2的刚性更大的刚性。
换能器61、62、63.1、63.2被连接到控制单元(未示出)，以便确定激振体53.1、53.2相对于彼此的移动。
换能器61由控制单元控制以相对于支持结构52移动中间框架59。换能器62由控制单元控制以便检测中间框架59相对于支持结构52的移动。
换能器63.1被控制单元控制以便形成用于将激振体53.1、53.2设置成振动的致动器，并且换能器63.2被控制单元控制以便形成用于检测激振体53.1、53.2的相对移动的检测器。
如在第一实施例中，半导体层100.1和/或层100.1、101.1被提供在支持结构52、中间框架59的边界59.1中以及在激振体53.2中的槽64、65、66框架的整个高度上，以便允许在其中形成经历不同电势的导通区域。一些或所有的弹性元件被用于互连属于支持结构52、中间框架59和激振体53.1、53.2的处于相同电势的区域。
随后，每个换能器61、62、63.1、63.2具有被固定到一个导通区域的电极和被固定到另一个导通区域的另一个电极。这些各种的导通区域彼此电绝缘，并且这样可以升高到不同的电势以便传送控制和/或检测信号。
以这种方式定义的导通区域用于在换能器61、62、63.1、63.2和支持结构52的外围之间传导电压信号。控制单元被电连接到在支持结构52的外围处的所述导通区域。
组装件被安装在外壳70中。
当然，本发明不限于所描述的实施例，而是覆盖落在由所附权利要求限定的本发明的范围内的任何变型。
具体而言，传感器可以具有超过两个的激振体，并且所述激振体可以是与所描述的形状不同的形状。
换能器的数目可以与所描述的数目不同。例如，参考图8，可能在激振体53.1、53.2的每侧上提供三个换能器73(而不是如图7所示仅一个)。随后，导通区域的数目更大，槽的数目同样更大。随后，提供用于将属于不同组件(支持结构、中间框架、激振体)但需要处于相同的电势的区域相连的附加可变形元件。所述可变形元件可被安置为对悬挂有显著贡献或根本没有贡献。
在一种变形中，换能器11.1可以被仅作为检测器来控制，而换能器12.1可以被仅作为致动器来控制，反之亦然。同样适用于换能器11.2、12.2。
所述传感器不需要外壳20。

Claims (7)

1.一种MEMS类型的惯性传感器，包括：支持结构，具有通过弹性装置被连接到所述支持结构以便在悬挂平面中是可移动的至少第一激振体和第二激振体；用于将所述第一激振体和所述第二激振体维持在振动中并确定所述第一激振体和所述第二激振体在所述悬挂平面内的移动的换能器；以及，通过导电体装置被连接到所述换能器的控制单元；所述传感器的特征在于，所述换能器具有被分别固定到第一激振体和第二激振体的电极，被分别固定到所述第一激振体和所述第二激振体的所述电极一起协作以使得直接测量所述第一激振体和所述第二激振体在所述悬挂平面中在平行于所述悬挂平面的至少两个方向上相对于彼此的移动成为可能。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，包括在其中形成了所述第一激振体和所述第二激振体的至少一部分、所述弹性装置以及所述电极的至少第一半导体层、第一电绝缘层以及形成支架的第二半导体层，并且，所述第一半导体层配置有遍及其整个高度的槽，以便定义通过所述弹性装置从所述电极延伸到所述支持结构的外围的导电路径，从而形成至少一些导通装置。
3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，具有第二绝缘层和第三半导体层，所述第二半导体层在所述绝缘层之间延伸且中间支持框架在所述第二半导体层中形成，所述第三半导体层形成支持结构。
4.如权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述第一激振体和所述第二激振体是同心的，所述第一激振体在所述第二激振体和从所述第三半导体层延伸出的棒之间延伸，并且所述第一激振体通过弹性装置被连接到所述棒。
5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一激振体和所述第二激振体是相同形状的且具有相同的质量，并且所述激振体以这样的方式包括相互接合部分：所述第一激振体和所述第二激振体彼此相互嵌套，同时在所述悬挂平面中相对于彼此是可移动的，所述第一激振体和所述第二激振体具有重合的重心。
6.如权利要求5所述的传感器，其特征在于，每个激振体具有长方体形式的两个翼，所述两个翼彼此平行地延伸并通过长方体形式的中心核被连接在一起，所述中心核设置在所述两个翼之后，所述第一激振体和所述第二激振体关于与所述悬挂平面垂直的轴相对于彼此成90°并关于所述悬挂平面中的轴成180°来取向，使得每个激振体的核面向其他激振体的核延伸并在所述其他激振体的翼之间，并且每个激振体的翼具有端部，所述端部在与所述核相同的平面中延伸并面向所述其他激振体的翼的端部。
7.如权利要求6所述的传感器，其特征在于，每个翼的质量小于所述核的质量的一半。
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