CN114599935A - 带有用于频率各向异性的机械补偿的传感器 - Google Patents

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Abstract

带有振动谐振器的角度传感器，包括支承结构(100)、同心的第一质量件(1)和第二质量件(2)，以及成对(13.1、13.2、13.3)对称布置的机械弹簧(10)，这些对本身相对于彼此对称布置。每个弹簧(10)包括通过一端彼此连接的第一弹性片(11)和第二弹性片(12)，每对(13.1、13.2、13.3)弹簧(10)中的一个弹簧的第一弹性片(11)与同一对弹簧(10)中的另一个弹簧的第二弹性片(12)平行。至少一对(13.1、13.2、13.3)的四个弹性片包括两个相邻对的使其之间的角度约为45°的片(11、12)。传感器未设有静电弹簧。

Description

带有用于频率各向异性的机械补偿的传感器
技术领域
本发明涉及惯性角度传感器领域。
背景技术
已知角度传感器、特别是来自文献WO-A-2013/308534的角度传感器包括框架和振动轴对称谐振器，该振动轴对称谐振器包括第一质量件和同心布置在第一质量件中的第二质量件。质量件具有方形的形状，并且通过在质量件四角设置成对的机械悬挂弹簧连接到中间框架。每个机械悬挂弹簧包括：第一弹性片，第一弹性片连接到质量件；以及第二弹性片，第二弹性片的一端连接到中间框架并且相对端连接到第一弹性片的一端，使得第二弹性片垂直于第一弹性片延伸。每对机械悬挂弹簧的第一弹性片垂直于彼此延伸，并且每对机械悬挂弹簧的弹性片垂直于彼此延伸。中间框架通过与上述相同的机械悬挂弹簧连接到框架，使得质量件经由中间框架悬挂到框架。
角度传感器的制造缺陷导致出现频率各向异性，有必要减少这种情况以获得可接受的精度。
解决方案是作用于弹簧的刚度，但这个解决方案不可能充分减少频率各向异性。
另一个解决方案是使用受控静电弹簧以补偿这些频率各向异性。然而，对频率各向异性补偿需要相对较高的电压，这与某些应用的设计和精度限制不相容。
发明内容
本发明的目的特别在于一种角度传感器，其结构使能够对频率各向异性进行相对显著的物理补偿。
为此，提供了一种根据本发明的带有振动谐振器的角度传感器，包括框架、同心的第一质量件和第二质量件，以及用于相对于框架悬挂质量件的装置。质量件连接到设置成本身彼此对称地抵靠的成对对称布置的机械弹簧。每个弹簧包括通过一端彼此连接的第一弹性片和第二弹性片，每对弹簧中的一个弹簧的第一弹性片与同一对弹簧中的另一个弹簧的第二弹性片平行。成对弹簧中的至少一对的四个弹性片包括一起形成约45°的角度的两对相邻的片。该传感器在由成对弹簧中的所述至少一对弹簧之间没有静电弹簧，该对弹簧包括一起形成约45°的角度的两对相邻的片。
当成对弹簧的所述至少一对弹簧在质量件和框架之间延伸时，由成对弹簧的所述至少一对弹簧连接的元件是质量件和框架，成对弹簧包括一起形成约45°的角度的两对相邻的片，和/或当成对弹簧的所述至少一对弹簧在质量件之间延伸时，由成对弹簧的所述至少一对弹簧连接的元件是质量件，成对弹簧包括一起形成约45°的角度的两对相邻的片。对于谐振器的每个特定模式，质量件对频率各向异性的贡献是相同的，并且频率各向异性在本发明中可通过作用于弹簧的刚度来调节。根据本发明的弹簧的特定定向使得可能在对应于刚度缺陷的不同可能定向的几个方向上确保这种调节。因此，没有必要为此目的在所讨论的元件之间设置静电弹簧。
本发明的其它特点和优点将在阅读下文对本发明的特定和非限制性实施例的描述时显现。
附图说明
将参考附图，在附图中：
图1是根据本发明的第一实施例的角度传感器的示意性俯视图；
图2是示出在该第一实施例中，用于悬挂第二质量件的悬挂装置相对于框架的布置的示意性放大图；
图3是示出在本发明的第二实施例中，用于悬挂第二质量件的悬挂装置相对于框架的布置的示意性放大图。
具体实施方式
在此描述的角度传感器是MEMS类型的振动轴对称谐振器传感器，谐振器由质量件/弹簧系统形成。
参考图1和图2，角度传感器包括框架100、彼此同心的第一质量件1和第二质量件2(也称作地震体)，以及用于悬挂质量件的装置。在此通过蚀刻硅片制成传感器。
质量件1、2各自具有方形框架的形状。第一质量件1环绕第二质量件2，使得在不使用传感器时，第一质量件1的对角线d与第二质量件2的对角线d组合。质量件1和2具有组合的重心，并且具有一个相同的质量值。
悬挂装置包括机械弹簧10。这些机械弹簧10各自包括通过一端彼此连接的第一弹性片11和第二弹性片12。弹簧10延伸到与对角线d平行的悬挂平面P，并且通过禁止其它自由度(即质量件1、2只能相对于平行于平面P的框架移动)，使得对于质量件1、2中每一个都在平面P中有三个自由度(即沿轴x和y的两个平移，以及围绕垂直于两个第一轴的轴z的旋转)。
弹簧对称地布置成对13，它们本身设置成彼此对称地抵靠，即：
-四个第一对13.1的弹簧10，其中第一弹性片11的一端连接到第一质量件1，并且第二弹性片12的一端连接到框架100，
-四个第二对13.2的弹簧10，其中第一弹性片11的一端连接到第二质量件2，并且第二弹性片12的一端连接到框架100，
-四个第三对13.3的弹簧10，其中第一弹性片11的一端连接到第一质量件1，并且第二弹性片12的一端连接到第二质量件2。
因此：
-由四个第一对13.1的弹簧10构成的第一组弹簧10将第一质量件1连接到框架100，并且确保第一质量件1相对于框架100悬挂；
-由四个第二对13.2的弹簧10构成的第二组弹簧10将第二质量件2连接到框架100，并且确保第二质量件2相对于框架100悬挂；
-由四对第三对13.3的弹簧10构成的第三组弹簧10将第一质量件1连接到第二质量件2，并且确保第一质量件1和第二质量件2的机械联接。
每对13.1、13.2、13.3弹簧10的弹簧10各自从对角线d之一的一侧延伸，使得在每对13.1、13.2、13.3弹簧10中，弹簧10相对于在它们之间延伸的对角线d对称地设置。
在每对13.1、13.2、13.3弹簧10中，弹簧10之一的第一弹性片11与另一个弹簧10的第二弹性片12平行，并且反之亦然。
在每对13.1、13.2、13.3弹簧10中，四个弹性片11、12包括两对相邻的片，一起形成约45°的角度。
更具体地，在第一实施例中，每对弹簧10的第一弹性片11一起形成45°的角度，并且每对弹簧10的第二弹性片12一起形成45°的角度。换句话说，每对13.1、13.2、13.3弹簧10的第一弹性片11相对于穿过所述成对弹簧10之间的对角线d形成22.5°的角度，并且每对13.1、13.2、13.3弹簧10的第二弹性片12相对于穿过所述成弹簧10之间的对角线d形成22.5°的角度。因此，每个弹簧10的第一弹性片11和第二弹性片12一起形成定向朝向同一对的另一弹簧10的135°的凸角。注意，“凸形”和“凹形”用来识别彼此连接的两个弹性片的各侧：因此，两个弹性片在一侧上一起形成135°的凸角，并且在另一侧上一起形成360°—135°，也就是225°的凹角。
图2中指出，对于每个第二对13.2，弹簧10之一的第一弹性片11是：
-(在同一对13.2中)平行于另一个弹簧10的第二弹性片12；
-(在与所讨论的第二对13.2在同一对角线d上对齐的另一对13.2中)与弹簧10的第二弹性片12平行，该第二弹性片12位于对角线d的同一侧上并且与位于对角线d的另一侧上的弹簧10的第一弹性片11平行；
-(在最接近并且在另一条对角线d上对齐的第二对13.2中)垂直于弹簧10的定位最接近的第二弹性片12并且垂直于第一相对的弹性片11；
-(在最远离并且在另一条对角线d上对齐的第二对13.2中)垂直于最接近的弹簧10的第一弹性片11并且垂直于最远离的弹簧10的第二弹性片12。
简化起见，所有彼此平行的弹性片将以指示符i、ii、iii、iv为基础。
弹性片i的刚度影响所有弹簧10的整体刚度的余弦分量，弹性片ii的刚度影响正弦分量，弹性片iii的刚度影响－余弦分量，而弹性片iv的刚度影响－正弦分量。刚度影响频率各向异性，使得调节硬度能够补偿频率各向异性，并且因此提高传感器的精度。
同样的刚度将分配到彼此平行的弹性片。硬度的修正可以通过以下方式获得：
-通过激光蚀刻所得的弹簧的局部减少的横截面；
-通过沉积或蚀刻所得的局部增加或去除质量；
-硅的局部氧化；
-材料在硅中的局部扩散。
后一种方法以下列方式实施：
-在硬度期望改变的弹性片上，事先沉积在中等温度、即约300℃下可扩散在硅中的材料。扩散增加硅的杨氏模量。
-通过对具有正确定向的金属化的片进行受控加热来调节轴线上的频率，通过电流经过或在红外光束下来受控加热。
通过根据对角线d的联接完成硬度的调节。每个联接包括每条对角线d的第一对13.1和第二相对的对13.2。
在图3所示的第二实施例中，每个弹簧10的第一弹性片11和第二弹性片12一起形成45°的凸角，这个角度定向成朝向同一对的另一个弹簧10。在每对弹簧10中，第一弹性片11一起形成135°的角度，而第二弹性片12一起形成135°的角度。
用于调节频率各向异性的方法是相同的。
所提出的两种布置在光学上参考硅的轴对称限制和晶体对称性，传感器在硅中蚀刻。
这两种结构的平移频率/旋转频率比是非常不同的，并且在这两种结构之间的选择将根据具体模式之间的频率差异来决定。
当然，本发明不限于所述的实施例，而是包括进入本发明领域的任何变型，诸如权利要求书限定的。
特别地，传感器可以具有与所述不同的结构。
虽然在实施例中，所有的对都是根据第一实施例或第二实施例布置，但也能在一个相同的传感器中混合实施。例如，第一对13.1和第二对13.2符合第一实施例，而第三对13.3符合第二实施例。
此外，只有成对弹簧中一部分弹簧对可以具有呈45°的片，成对弹簧中其它对的片延伸到90°。例如：
-只有对13.3的片呈45°，对13.1、13.2的片呈90°(因此传感器可以包括在框架与第一质量件之间和/或在框架与第二质量件之间延伸的至少一个静电弹簧)，或者
-只有对13.1、13.2的片呈45°，对13.3的片呈90°(因此传感器可以包括在质量件之间延伸的至少一个静电弹簧)。
虽然更难实现，但由每对13.1、13.2、13.3的每个弹簧10的弹性片11、12形成的角度的凹形侧可以朝向同一对的弹簧10定向。
考虑到制造上的限制，该角度必须尽可能接近45°。

Claims (11)

1.带有振动谐振器的角度传感器，包括框架(100)、同心的第一质量件(1)和第二质量件(2)，以及用于相对于所述框架(100)悬挂所述质量件的装置，其特征在于，所述质量件连接到成对(13.1、13.2、13.3)对称布置的机械弹簧(10)，所述机械弹簧本身布置成对称地彼此抵靠，其中每个所述弹簧(10)包括通过一端彼此连接的第一弹性片(11)和第二弹性片(12)，其中在每对(13.1、13.2、13.3)弹簧(10)中的一个弹簧的第一弹性片(11)与同一对弹簧(10)中的另一个弹簧的第二弹性片(12)平行，其中所述成对(13.1、13.2、13.3)弹簧中的至少一对的四个弹性片(11、12)包括一起形成约45°的角度的两对相邻的弹性片，并且其中所述传感器在由所述成对(13.1、3.2、13.3)弹簧的至少一对弹簧连接的元件之间没有静电弹簧，至少一对弹簧包括一起形成约45°的角度的两对相邻片。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述成对弹簧(10)包括四个第一对(13.1)弹簧(10)以及四个第二(13.2)弹簧(10)，在所述第一对(13.1)弹簧中，所述第一片(11)连接到所述第一质量件(1)并且所述第二片(12)连接到所述框架(100)，在所述第二对(13.2)弹簧中，所述第一片(11)连接到所述第二质量件(2)并且所述第二片(12)连接到所述框架(100)。
3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述第一对(13.1)弹簧(10)的弹簧的片具有一起形成约45°的角度的相邻的片。
4.根据权利要求2或3所述的传感器，其特征在于，所述第二对(13.2)弹簧(10)的弹簧具有一起形成约45°的角度的相邻的片。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的传感器，其特征在于，所述成对弹簧(10)包括四个第三对(13.3)弹簧(10)，其中所述第一片(11)连接到所述第一质量件(1)并且所述第二片(12)连接到所述第二质量件(2)。
6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述第三对(13.3)弹簧(10)的弹簧的片具有一起形成约45°的角度的相邻的片。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其特征在于，所述成对(13.1、13.2、13.3)弹簧中的至少一对弹簧的第一弹性片(11)一起形成45°的角度，并且所述成对(13.1、13.2、13.3)弹簧中的至少一对弹簧的第二弹性片(12)一起形成45°的角度。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的传感器，其特征在于，所述成对(13.1、13.2、13.3)弹簧中的至少一对的每个弹簧的第一弹性片(11)和第二弹性片(12)一起形成45°的角度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其特征在于，每个所述弹簧(10)的弹性片(11、12)一起形成定向成面向同一对(13.1、13.2、13.3)的另一个弹簧(10)的凸角。
10.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其特征在于，所述质量件(1、2)具有方形框架形状，所述第一质量件(1)的对角线(d)与第二质量件(2)的对角线(d)结合，并且每对(13.1，13.2，13.3)弹簧的弹簧(10)各自在所述对角线(d)之一的一侧上延伸。
11.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其特征在于，所述对(13.1，13.2，13.3)中的至少一对的四个弹性片包括一起形成约45°的角度的两对相邻的弹性片(11、12)。
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