CN105917193B - 具有嵌套激振体质量块的惯性传感器和用于制造这样的传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种惯性传感器，包括框架和换能器，至少两个激振体通过弹性装置被连接到该框架以便在悬挂平面中是可移动的，所述换能器保持激振体振动并确定激振体相对于彼此的相对移动，其特征在于，所述激振体具有单一形状和单一质量，并且所述激振体包括互锁部件，这样激振体在彼此内部嵌套，同时在悬挂平面中相对于其他激振体是可移动的，同时激振体具有彼此重合的重心。本发明还涉及一种用于制造这种传感器的方法。

Description

具有嵌套激振体质量块的惯性传感器和用于制造这样的传感 器的方法
本发明涉及具有振动质量块的惯性传感器，诸如速度陀螺仪或自由陀螺仪之类的角度传感器。
这样的惯性传感器包括框架和激振(seismic)体(当前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框架以便在由激振体的两个正交的位移方向所定义的悬挂平面中是可移动的。与激振体的质量块相关联的铰链的弹力定义了激振体的自身模式的频率。传感器还包括被这样安置以振动激振体的致动器和被这样安置以检测相对于激振体的移动的检测器。
由激振体和弹性铰链构成的谐振器具有两种振动有用模式，其定义了激振体的两个位移方向。激振体沿这样的方向的振动的检测使得完成角度测量成为可能。
这样的传感器的性能都是更高的，因为谐振器的阻尼各向异性是稳定的。这种稳定性依赖于谐振器的阻尼特性和在谐振器和外部之间的功率传输的稳定性。阻尼各向异性必须尽可能地稳定以不在使用角度传感器完成的测量中产生不准确性。
在谐振器和外部之间的功率传输取决于：
-(与传感器的时间常数结合的)平均阻尼，它必须尽可能地低，以便限制维持振动的恒定振幅所需的功率输入并限制这样的功率输入的不准确性，
-激振体的有用的振动模式的平衡，所述平衡针对有用模式必须限制在框架上的反作用力和力矩，并因而限制到外部的功率传送，并且反过来，限制了对有用的振动模式的外部振动环境的灵敏度。
-激振体的频率面，其在有用模式的频率和不是为了测量而工作的振动模式的频率之间必须具有显著的差异以便限制在这样的模式之间的功率传送。
当谐振器包括两个并排安置的激振体时，谐振器在所述两个有用模式中的一个模式上的平移中是平衡的，对于该模式，激振体沿相同轴反相振荡但力矩由另一个有用模式生成，对于该另一个模式，激振体沿两个远隔且平行的轴反相振荡。这样的力矩将作用力以及进而功率传送到外部，并且反之亦然，激振体的位移由响应于传感器载体的角度位移生成的力矩来对抗。
当谐振器包括安置为方形的四个激振体时，谐振器对于两个自身的有用模式是完全平衡的，但是其频率面不是最优的，因为振动有用模式接近于不操作的模式，所述不操作的模式可以创建与这两个有用模式的功率传送。
已经提议了各种解决方案以改进传感器的性能，诸如例如在文档FR-A-2983574中。
本发明的一个目的是提供用于改进传感器的性能的手段。
为了这个目的，本发明提供了一种惯性传感器，包括框架和换能器，其中通过弹性装置至少两个激振体被连接到该框架以便在悬挂平面中是可移动的，并且所述换能器保持激振体振动并确定激振体相对于彼此的相对移动。激振体具有单一形状和单一质量，并且激振体包括互锁部件，这样激振体在彼此内部是嵌套的，同时在悬挂平面中相对于另一个激振体是可移动的，而所述激振体具有彼此重合的重心。
由于激振体具有单一形状和单一质量，并且由于其重心彼此重合，激振体可以具有相同的惯性并经受来自外部作用的相同影响。这有助于谐振器针对这两个有用的自身模式的平衡并有助于阻尼各向异性的稳定性。
本发明的目的还是一种用于制造这样的传感器的方法，包括将传感器蚀刻到晶片中的步骤，所述晶片包括在两个半导体材料层之间的至少一个电绝缘层，以便所述电绝缘层在每个激振体的翼和核之间延伸。
在阅读了下面的对特定的非限制性本发明的实施例的描述之后，本发明的其他特征以及优点将变得显而易见。
将参考附图，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的传感器的激振体之一的透视图，
-图4是类似于图1的传感器的另一激振体的示图，
-图5是没有外壳的情况下的传感器的透视图。
参考图，根据本发明的第一实施例的传感器(被整体标记为1)在此是一种MEMS(《微机电系统》)类型的传感器，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。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、100.2由半导体材料制成，在此为硅，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，下述元件被形成：
形成外部框架的框架2.1、2.2；
中间框架9.1、9.2；
激振体的部分，通常称为3.1、3.2；
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连接到框架2.1、2.2的第二弹性装置8.21、8.22；
将激振体的部分3.1、3.2连接在一起的第三弹性装置10.1、10.2(在这些图中仅弹性装置10.1是可见的)；
在框架2.1、2.2的第一侧和中间框架9.1、9.2的第一侧之间延伸的第一换能器11.1、11.2；
在框架2.1、2.2的第二侧和中间框架9.1、9.2的第二侧之间相对地延伸的第二换能器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；
在激振体的部分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分别包括两个平行六面体的翼4.1、4.2，它们彼此平行且彼此远离地延伸并由从翼4.1、4.2延伸回的平行六面体中心核5.1、5.2连接在一起。中心核5.1、5.2具有小于翼4.1、4.2的间隔的宽度。激振体3.1的翼4.1是在半导体层100.2中形成，而激振体3.1的中心核5.1是在半导体层100.1中形成。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、100.2之间的绝缘层的一部分7.1、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可沿预定的平面P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、3.2被定位使得它们的重心彼此重合。每个翼4.1、4.2的质量等于核5.1、5.2的质量的一半。
半导体层100.1、100.2以关于与预定平面P垂直的轴彼此相对成90°并关于预定平面P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相对其他激振体3.1,3.2的核5.1,5.2并在其翼4.1、4.2之间延伸。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，所述端部在与其他激振体3.1、3.2的核5.2、5.1的相同的平面中并相对于其他激振体3.2、3.1的翼4.2、4.1的端部6.2、6.1延伸。
这样，激振体3.1、3.2包括互锁部件(翼4.1、4.2)，以使得激振体3.1、3.2在彼此内部嵌套，同时在预定平面P中相对于其他激振体3.2、3.1是可移动的。
第一弹性装置8.11、8.12和第二弹性装置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。
弹性装置在此用可平行于悬挂平面P弹性变形的叶片形成，但其沿垂直于悬挂平面的轴具有高刚性以消除激振体3.1、3.2在悬挂平面P之外的自由度。弹性装置8.11、8.12、8.21、8.22被安置以为中间框架9.1、9.2提供与激振体3.1、3.2以及框架2.1、2.2的相对弱的耦合。第一弹性装置8.11、8.12具有在平面P中各向同性的刚性。第二弹性装置8.21、8.22具有在平面P中各向同性的刚性。第一弹性装置8.11、8.12和第二弹性装置8.21、8.22的刚性使得中间框架9.1、9.2的第一自身模式和激振体3.1、3.2的自身模式的频率显著低于有用模式的频率。弹性装置10.1、10.2具有在平面P中各向同性的刚性，并且它们被这样安置以一起提供激振体3.1、3.2的相对高的耦合。这样，弹性装置10.1、10.2具有高于弹性装置8.11、8.12、8.21、8.22的各向同性刚性。
两个弹性装置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，并且两个弹性装置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(在此未示出)。
换能器11.1、11.2被控制单元驱动以便在第一轴上连续地形成中间框架9.1、9.2相对于框架2.1、2.2的相对位移的检测器和中间框架9.1、9.2相对于框架2.1、2.2的第一自身振动模式的阻尼致动器。
换能器12.1、12.2被控制单元驱动以便在第二轴上连续地形成中间框架9.1、9.2相对于框架2.1、2.2的相对位移的检测器和中间框架9.1、9.2相对于框架2.1、2.2的第一自身振动模式的阻尼致动器。
换能器13.1、13.2被控制单元驱动以便连续形成用于振动激振体3.1、3.2的致动器以及激振体3.1、3.2的相对位移的检测器。
换能器13.2中的两个在激振体3.1的每个翼4.1和激振体3.2的中心核5.2之间延伸，并且换能器13.1中的两个在激振体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是两个例如被成形为梳状的电极，对于每个换能器来说它们是集成的，一个和翼4.1、4.2集成而另一个和中心核5.2、5.1集成。电极与翼4.1、4.2并与中心核5.1、5.2被一体制成。应该注意到绝缘层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。
半导体层100.1、100.2包括在框架2.1、2.2上的第一侧和第二侧上的槽14.1、14.2(仅槽14.1可见)，以便定义与每个换能器11.1、11.2相对的A区域、在A区域的另一侧上且与第二元件8.21、8.22相对的B区域以及在两个B区域之间的C区域。
半导体层100.1、100.2包括在框架9.1、9.2上的第一侧和第二侧上的槽15.1、15.2(仅槽15.1可见)，以便定义与每个换能器11.1、11.2、第二弹性装置8.21、8.22以及第一弹性装置8.11、8.12相对的B区域、以及在两个B区域之间的C区域。
半导体层100.1、100.2包括围绕第三弹性装置10.1、10.2的槽16.1、16.2以便定义与第一弹性元件8.21、8.22和换能器13.1、13.2相对的B区域。
每个换能器11和12具有与B区域集成的电极和与A区域集成的电极。每个换能器13具有与B区域集成的电极和与C区域集成的电极。在此，电极是梳状的。因为槽14、15、16在半导体层100.1、100.2的整体高度上延伸，A、B、C区域是电绝缘的，并且可以被带到不同电势处以传送控制和/或检测信号。由于半导体层100.1、100.2通过绝缘层101.1彼此分隔开，半导体层100.1的A、B、C区域与半导体层100.2的A、B、C区域是电绝缘的。
A、B、C区域允许在换能器11、12、13和框架2.1、2.2的外围之间传导电压信号。控制单元在框架2.1、2.2的外围处被电连接到A、B、C区域。
在操作中，换能器13被驱动以便交替地：
-以组装件谐振频率振动激振体3.1,3.2和弹性装置8.11、8.12、10.1、10.2组装件并保持振动；
-检测激振体3.1、3.2相对于彼此的移动。
作为示例，换能器11、12被这样控制以便创建第二悬挂级的可调节静电刚性。
传感器可以包括由一般由20标记的两个部件构成的外壳，在这两个部件之间框架2.1、2.2/中间框架9.1、9.2/激振体3.1、3.2组装件(以及换能器和与之关联的弹性装置)被捕获(trapped)。每个部件20包括与框架1集成的框架21，和与中间框架9.1、9.2集成并通过弹性装置24被连接到框架21的盖2。每个部件20的盖22包括与激振体盖22被这样固定到支持框架9以使得腔23可以保持真空。盖22具有用作激振体8.21、8.22所创建的悬挂模式的频率分隔开并且削弱来自外部的寄生负载的至少一部分成为可能。
因为激振体具有相同的形状和质量，且因为它们的重心彼此重合，激振体具有相同的惯性并且形成平衡谐振器，该平衡谐振器在有用模式的频率下不将功率传送到外部，并且不受到外部振动效应的影响。这有助于阻尼各向异性的稳定性，并且由于这种各向异性是稳定的，所述传感器的性能就更好了。
根据本发明的传感器是使用包括蚀刻水晶材料的阶段的制造方法来至少部分获得。
所述制造方法包括将传感器蚀刻到包括所述两个半导体层100.1、100.2和绝缘层101.1的晶片中的步骤。
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)、框架2.1、2.2、中间框架9、弹性装置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。
每个部件20的盖同样通过蚀刻晶体材料获得。
通常，分组在通用名称《晶片接合》下的传统的MEMS技术也可使用。在该情况中，可以提及所谓的《直接接合》、《阳极接合》、《金属接合》的技术。
当然，本发明不限于所描述的实施例，而是涵盖落在诸如由权利要求限定的本发明的范围内的任何替换方案。
具体而言，激振体可以具有与所描述的激振体不同的形状。
换能器可以不直接测量激振体3.1和3.2的相对移动，而是测量每个激振体相对于激振体的支架的位移，随后所述相对移动就是这两种位移之间的差。
传感器可以不具有外壳20。
传感器可以仅具有一个悬挂级。
对于在其中整体尺寸并非一种限制的应用中，传感器可以不是MEMS类型。
可以在不使用传导区域的情况下，例如从加入到半晶体材料上的传导迹线或传导线提供换能器到控制单元的电连接。
作为一种替换方案，换能器11.1可以被仅用作检测器，而换能器12.1可以仅被用作致动器，或反之亦然。同样适用于换能器11.2、12.2。

Claims (9)

1.一种惯性传感器，所述惯性传感器包括框架和换能器，至少两个激振体通过弹性装置被连接到所述框架以便在悬挂平面中是可移动的，所述换能器用于保持所述激振体振动并确定所述激振体相对于彼此的相对移动，其特征在于，所述激振体具有单一形状和单一质量，并且所述激振体包括互锁部件，这样所述激振体在彼此内部是嵌套的，同时在所述悬挂平面中相对于其他激振体是可移动的，所述激振体具有彼此重合的重心。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，每个激振体具有两个平行六面体的翼，所述翼彼此平行地延伸并通过平行六面体形式的中心核被连接在一起，所述中心核从所述翼延伸回，所述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的轴成180°来取向，这样，每个激振体的核与其他激振体的核相对并在所述其他激振体的翼之间延伸，并且所述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并与所述其他激振体的翼的端部相对延伸。
3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，每个翼的质量等于所述核的质量的一半。
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述激振体通过第一弹性装置被连接到支持框架，所述支持框架通过第二弹性装置被连接到所述框架以形成第一悬挂级和第二悬挂级。
5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述换能器在所述激振体之间延伸。
6.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述激振体由半导体材料制成并且电绝缘层在所述翼和所述核之间延伸以便将所述翼与所述核电绝缘。
7.如权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述半导体材料是硅并且所述绝缘层由硅的氧化物制成。
8.如权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述传感器是MEMS类型的。
9.一种用于制造如权利要求8所述的传感器的方法，包括将所述传感器蚀刻到晶片中的步骤，所述晶片包括在两个半导体材料层之间的至少一个电绝缘层，以便所述电绝缘层在每个激振体的所述翼和所述核之间延伸。
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