CN1199171A - 单块振动梁式角速度传感器 - Google Patents

Abstract

一种单块式角速度传感器由一块普通的平的硅基片制成。包括细长梁的传感器元件悬挂在做在普通的基片内的框架孔内。横向元件或耳将该细长梁固定在框架上和梁的节点上。单个梁和多梁式阵列传感器都可以做在一个普通的硅基片内。由一个普通基片制造的方向互相垂直的梁或梁的陈列可以测量围绕二根互相垂直的轴线转动的角速度。

Description

单块振动梁式角速度传感器

本发明涉及角速度传感器，更具体地说，涉及一种基于复合向心力检测方法(Coriolis sensing method)的成批处理的硅制梁阵列式角速度传感器。

存在着许多用于测量在惯性空间中，围绕一个预先选择的轴线回转的速度的装置。这种装置(通常称为陀螺仪)构成任何一种惯性导航系统的基本元件。陀螺仪(诸如环形激光陀螺仪和光学纤维陀螺仪)包括，例如，多个复杂和难制造的、装有万向接头的旋转转子和多个捷联式传感器。所有上述的速度检测装置的特点是成本高，尺寸和功率消耗大，制造复杂和维修费用昂贵。

存在着用于测量围绕一个预先选择的轴线回转的输入转速的其他系统，这些系统是根据一面多年以前提出的福哥尔特(Focoult)摆原理制成的。基于该原理，市场上销售商标为“GYROTRON”的一种速度传感器是由Sperry陀螺仪公司开发的。该装置如同所有平衡共振传感器式或音叉式陀螺仪一样，机械结构和操作都比上述形式的装置简单得多。该装置是根据这样的原理工作的，即：当一个音叉围绕其中心线转动时，其所具有的动量矩等于回转速度与回转惯性矩的乘积。音叉尖端的参考运动周期性地改变其惯性矩。结果，为了保持动量矩恒定，回转速度必需周期性地按互补的方式改变。这样，音叉型传感器的实际工作情况与一个旋转的滑冰者的动作相似，当滑冰者收拢其手臂时，可旋转得较快，而当他伸开双臂时，则旋转较慢。结果，在音叉式传感器中，音叉尖端的向外和向内的径向振动转换为一种回转振动，回转振动的振幅与输入速度成比例。在Samuel N.Fersht等人的题为“压电式振动速度传感器”的美国专利5056366号中，公布了一种闭环振动式转速传感器。

角速度传感器有许多有用的应用场合，这些应用场合并不需要陀螺仪一样的速度。在飞行控制系统、汽车滑行控制系统、摄象机稳定系统和虚拟现实系统中都可找到这种应用。

在Stephen W.Tehon的题为“固态角速度检测装置”和Wiliam D.Gates在题为“振动式角速度传感器可能威胁陀螺仪”的文章中(参见杂志“电子”130～134页(1968年6月10日)所讨论的美国专利3520195号中，公布了一种形式的角速度检测装置。它的复杂程度较低，也是根据测量复合向心力(Coriolis force)进行工作的。这个装置包括一个方形的金属杆，它在其节点支承处从一个金属框架上悬挂下来。该金属杆由一个固定在一个表面上的压电驱动电极驱动，以其基本频率振动，而作为输出信号拾取器的一个压电传感器则固定在一个垂直表面上。虽然结构和概念简单，但这个装置不适合于成批加工。另外，尤其是作为驱动电极和拾取器电极的压电元件是利用有机粘接剂粘接在该振动杆的金属表面上的。这种粘接剂材料吸收能量，使该振动杆的Q值降低。结果，为了克服与振动驱动力相抗衡的阻尼力，必需将更多的能量输入杆中。

在Brian Dance的文章“用于紧凑的陀螺仪的压电陶瓷元件”(“设计新闻”第113和114页，1993年9月20日)中，公布了VYRO的一种变型。所述的装置包括一个英国Murata公司生产的角速度传感器，其检测元件由“ELINVAR”—一种镍-铬钢合金制成。该杆的横截面可以为园形或等边三角形。许多压电元件固定在该敏感元件上。这个装置也不适合于进行成批加工，并且由于存在着用来将压电传感器元件粘接在振动传感器上的有机材料，因此其性能降低。

本发明是针对先前技术的上述和其他一些缺点提出来的，它的第一方面提供了一个角速度传感器。这种传感器包括一个细长梁。一个框架具有一个安放该梁的内孔。设置有用于在该孔内悬挂该梁的装置。还设有用于挠性地驱动该梁以及用于检测是否有作用在该梁上的复合向心力存在和该力幅值大小的装置。该装置固定在上述梁上。该梁、该悬挂装置和该框架为一个由硅构成的整体结构。

本发明的第二方面包括一个单块式的角速度传感器。这个传感器包括多个传感器元件，它们做在一个基本上是平的硅基片内。每一个传感器元件包括一个细长梁。各个传感器元件的细长梁的主轴线是互相平行排列的。

本发明的第三方面提供了一个单块式的角速度传感器，用于检测围绕二条互相垂直的轴线转动的转速。该传感器包括作为一块硅基片内的一个第一传感器元件和一个第二传感器元件。每个传感器元件均包括一个细长梁。所述二个传感器元件的细长梁的主轴线是互相垂直排列的。

本发明的第四方面提供了一个单块式角速度传感器阵列，用于检测围绕二个互相垂直的轴线回转的转速。一第一个传感器元件阵列包括第一组延续平行排列的细长梁。第二个传感器元件阵列包括第二组彼此平行排列的细长梁。第一个阵列的各个梁的轴线与第二个阵列的各个梁的轴线垂直排列。每一个阵列都与一块硅基片成为一个整体。

从下面的详细说明中将会更清楚地了解本发明的上述和其他一些特点和优点。本书面说明附有一组附图。附图的编号与书面说明的编号相适应，它指出了本发明的不同特点。在整个书面说明和附图中，相同的标号代表了本发明的相同的特征。

附图的简要说明

图1为本发明的一种振动式角速度传感器的透视图；

图2(a)和2(b)分别为沿图1的2(a)-2(a)线所取的一剖面图和图1的梁的顶视图；

图3(a)和3(b)分别为图1所示传感器的侧视图和顶视图，用于示出该细长梁对一个驱动信号输入和回转引起的复合向心力的振动响应；

图4为根据本发明的一个单块式角速度传感器的顶视图，它用于检测围绕二个互相垂直的轴线的回转角速度；和

图5为一单块式角速度传感器的顶视图，该传感器包括用于检测围绕二个互相垂直轴线的转速的振动梁式传感器的二个相互垂直的陈列。

现参考附图，本发明包括一个微电子机械系统(MEMS)式硅基装置。所以，该装置先天就适合于与芯片上的电子装置集成在一起。在下面要说明的各个不同的实施例中，根据本发明的装置可以利用已知的整体和表面微切削加工技术制造。

参见图1，根据本发明的一个角速度传感器10包括一由硅晶片经过微切削加工形成的单块式结构。这种晶片通常带有圆盘状的表面，其直径约为6～8英寸或更大。利用已知的微机械加工技术，可以由一块这样的单一晶片形成100多个本发明的角速度传感器。这与根据先前技术的角速度传感器的尺寸和产量，及其制造过程形成鲜明的对比，该先前技术的制造过程，在由硅制造工艺提供的制造效率方面，没有什么优点。

该传感器10包括一个细长梁12，它悬在框架16的内孔14内。成对排列的横向元件18，18′，20，20′固定在孔14的侧面上，而杆12在该成对元件中支承着梁12。在梁12的上表面和下表面上固定着细长的电极。同样的电极装置固定在该细长梁12的顶面和底面，每一个电极包括彼此相隔一定距离的中心电极22，22′和对称分布的边缘电极24，24′和26，26′，中心电极22，22′用于接收电信号。该中心电极22，22′与底层压电元件一起(下面讨论)用于驱动或都以梁12的固有频率使该细长梁12振动；而边缘电极24，24′和26，26′用作接收在底层压电元件内复合向心力引起的电荷拾取器，该复合向心力是在横向平面内的弯曲或振动产生的。这个复合向心力是由围绕传感器10的敏感轴线或输入轴线28的角速度引起的。并与该角速度成比例。如图所示，该角速度传感器10的输入轴线与梁12的主轴线(或输入轴线)在一直线上。根据以上说明和下面要进行的讲解，精通该技术的人们很容易理解用于影响上述工作情况的导电体和电路的布置。

图2(a)和2(b)分别为沿图中2(a)-2(a)线所取的剖视图和梁12的顶视图。在图2(a)中可以看出，成对的电极24，24′，22，22′和26，26′夹着梁12。该电极包括喷镀金属的做有图形的元件30，30′；32，32′；和34，34′。在这些元件的顶部沉积了一活泼的压电跃变电气陶瓷材料的带有图形的薄膜层，该薄膜层包括底层切片36，36′；38，38′；40，40′。该电气陶瓷材料切片可以通过包括(但不局限于)溶液-凝液沉积和平面磁控管溅射在内的许多过程沉积在硅梁12上。用于沉积由压电跃变电气陶瓷材料薄膜层的各种过程，以及适合于制造根据本发明的装置的硅晶片的整体和表面微切削加工的各种过程在下列文献中进行了说明，例如(1)D.L.Polla的“集成铁电体微电子机械系统”(“电气陶瓷薄膜科学和工艺”(1995)413页至426页；(2)Schiller和D.L.Polla的“基于压电跃变薄膜的集成压电微致动器”(“第七届固态传感器和致动器国际会议论文集”154页至157页；(3)P.Muralt，A.Kholkin，M.Klloli，T.Maeder，K.G.Brooks，R.Luthier和N.Setter的“用于微电机的压电跃变薄膜的制造和特性决定”(第八届固态传感器和致动器国际会议与第9届欧洲传感器会议论文集、(1995年6月25～29日)397页至400页)。这里引入这些文献供参考。

如上所述，电极24至26′做作在细长梁12的顶面和底面上。这样，它们的位置使利用成批加工方法制造大量的角速度传感器容易进行。硅半导体加工技术本质上来说基本上是“立式的”。也就是说，各种不同的硅制造过程包括离子蚀刻和光刻法大部分是依靠在水平平面上做出图形，然后进行下面的处理工序。另外，硅基装置的整体微机械加工处理(例如，电感耦合的等离子体反应离子蚀刻)还可以制造诸如本发明的装置(其特点是结构在垂直方向是有划分为方格的形状)。

参见图2(b)的细长梁12的顶视图可以看出，将细长梁12挠性地悬在框架16内的横向元件(或耳)18，18′与20和20′按照成对18，18′和20，20′的方式排列在离梁12的二个相对末端一个距离“d”的地方。根据本发明，该距离d应该使该横向各对耳在梁的节点处悬挂着该细长梁12。即，对于几何形状和材料成分已知的梁12，排成对的耳应在梁振动零点或节点处支承着梁12。通过这样布置支承点的位置，可得到最大的Q值。另外，通过提供一个硅制(高Q值材料)单块式装置，利用与梁12作成一整体的横向硅制的耳18～20′，而不是利用有机粘接剂，将梁12支承在该硅制单块式装置中，可以避免振动损失和所造成的Q值降低。

如前所述，因为对进行下面介绍不是必需的，因此省略了与安装在梁12的电极有关的电气连接，这点对精通该技术的人们来说是应该可以理解的。该装置的特殊的布线和相应电路(包括驱动电路和检测电路二者)的布局将会清楚地了解，并且，这些布线和布局可以根据许多因素(包括相对的压电跃变材料切片36～40′在细长梁12的顶面和底面上的支撑)来改变。

图3(a)和3(b)分别为图1的传感器的侧视图和顶视图，它们用于示出该细长梁12对所加的驱动信号，和本发明的传感器所经受的由复合向心力引起的梁振动的振动响应。从图3(a)可看出，梁12由加在电极22和22′上的信号驱动，按其固有频率振动，这将同时影响压电跃变的电气陶瓷材料切片38和38′的收缩和扩张。而该切片38和38′的收缩和扩张是随着时间推移而交替产生的，或者说，切片38和38′是随着时间变化而振荡的。当切片38和38′支撑在相同的垂直方向上时，将相同的波形加在位于梁12的顶部和底部上的底层电极喷镀金属上会使至相接触的压电跃变的电气陶瓷切片按所希望的前后次序产生交替的压缩和扩张，从而使梁12在垂直平面内产生弯曲。如上所述，这种弯曲只使位于梁12的节点上的横向耳18和20产生极小的应力。

参考图3(b)的传感器10的顶视图，可以看出，由复合向心力造成的，梁12的角速度诱导偏转发生在水平平面内(即在与梁12被驱动的平面的横向方向的平面内)。梁12在水平平面内以固有频率产生弯曲，同时使电极24产生拉伸应力，而电极26产生压缩应力。在这种电气陶瓷部分上面的喷镀金属30和34，通过测量电路(没有示出)互相电连接。该测量电路用于测量电气陶瓷切片36和40的内部偶极矩的变化。一个相似的装置可以测量放置在梁12底部的拾取器电极24′和26′的电气陶瓷切片的由应力引起的弯曲。这样，可以测量作用在该细长梁上的由角速度引起的复合向心力，供备用。

图4为一个单块式角速度传感器的顶视图，它用于检测围绕相互垂直的轴线42和44的回转角速度。如图所示，该两轴式角速度传感器做在一个硅基片46上。方向为互相垂直的二个细长梁48和50分别悬在孔52和54内。每一个细长梁48和50均包括一个电极装置，其形式与上述的单一梁的例子所述的形式相同。在硅基片上可以设立一个由阴影轮廓线表示的区域56，用于将驱动电子装置和拾取器电子装置在芯片上集成起来。

图5为一单块式角速度传感器的顶视图。该传感器包括用于检测围绕二个互相垂直的轴线58和60转动的振动梁式传感器的互相垂直的陈列。该装置也是单块式设计，与硅基片62成为一个整体。在基片62的第一个孔64内形成一个细长梁的阵列。每一个细长梁均在其节点处利用横向耳支承，并可象上述的细长梁12一样动作。每一个细长梁均被驱动而按其固有频率振动，并受到由复合向心力引起的横向弯曲的影响而偏转，从而可提供一个表示围绕着一根输入轴线转动的角速度信号。在孔64内的细长梁的阵列可用于检测围绕轴线58的回转角速度，而第二陈列的梁则提供了在一个芯片上建立一个独立的系统的可能性。

虽然本发明已参考现有的优选实施例。相反，就其定义来说，本发明只受下面的专利权利要求书限制，并且，所有等同物均包括在其范围内。

Claims (23)

1.一种角速度传感器，其包括：

a)一个细长梁；

b)一个框架，它具有一个用于容纳所述梁的内孔；

c)用于在所述孔内悬挂所述梁的装置；

d)固定在所述梁上用于挠性地驱动所述梁的装置；

e)固定在所述梁上用于检测是否有复合向心力作用在所述梁上及其大小的装置；和

f)所述梁、所述悬挂元件和所述框架是一个由硅构成的整体结构。

2.如权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于，所述用于悬挂的装置还包括：

a)两对排在一直线上的横向元件；

b)每一个所述排在一直线上的横向元件相对二端分别固定在所述框架的一个内边缘和所述梁的一个主要边缘上；和

c)每一个所述的横向元件固定在所述梁的一个节点上。

3.如权利要求1所述的角速度传感器，其特征还在于：

a)所述用于挠性驱动所述梁的装置包括一层电气陶瓷材料；

b)所述检测元件包括第二层电气陶瓷材料；

c)所述框架和所述梁的顶面与底面基本上是平行的；和

d)所述电气陶瓷材料层固定在所述梁的顶面和底面上。

4.如权利要求3所述的角速度传感器，它还包括：

a)驱动电极和二个拾取器电极，分别放置在所述梁的顶面和底面上；

b)所述电极由所述的电气陶瓷材料层与所述梁的表面隔开；

c)所述电极和下面的电气陶瓷材料层做有基本上相同的图形。

5.如权利要求4所述的角速度传感器，其特征还在于：

a)每个所述驱动电极是沿着所述梁的主轴线排成一直线的；和

b)二个所述拾取器电极排在一直线上，并且相对于每一所述驱动电极是对称放置的。

6.一种单块式角速度传感器，它的组件包括：

a)多个传感器元件，它们做在一块基本上是平的硅基片内；

b)每一个所述的传感器元件包括一个细长梁；和

c)所述传感器元件的主轴线是彼此平行排列的。

7.如权利要求6所述的单块式角速度传感器，它还包括：

a)一个框架，它具有一个内孔，用于容纳所述的传感器元件；

b)用于在所述孔内悬挂所述梁的装置，因此，所述梁中的一些梁靠近所述孔的一个内边缘，而其他的梁则与别的梁靠近；

c)固定在每一个所述梁上用于在所述孔内悬挂所述梁的装置；

d)固定在每一个所述梁上用于挠性地驱动所述梁的装置；

e)固定在每一个所述梁上用于检测复合向心力的装置；和

f)所述梁、所述框架和所述悬挂装置构成一个整体结构。

8.如权利要求7所述的单块式角速度传感器，其特征为，每一个所述的悬挂装置包括：

a)两对排在一直线上的横向元件；

b)每一个所述排在一直线上的横向元件的一端在节点处与梁的一个主要侧面固定；和

c)靠近所述孔的一个内边缘放置的梁的横向元件的相对两端与该孔的该内边缘固定。

9.如权利要求7所述的单块式角速度传感器，其特征还在于：

a)所述用于挠性驱动的装置包括一层电气陶瓷材料；

b)所述检测装置包括一层电气陶瓷材料；

c)所述框架和所述梁的顶面和底面基本上互相平行；和

d)所述电气陶瓷材料层固定在所述梁的顶面和底面上。

10.如权利要求9所述的单块式角速度传感器，它还包括：

a)所述驱动装置还包括一个驱动电极，而所述检测装置还包括一对拾取器电极，该对电极放在所述梁的顶面和底面上；

b)所述电极由所述的电气陶瓷材料层与所述梁的表面隔开；和

c)每一个所述电极和放在其下面电气陶瓷材料层的形状尺寸基本上相同。

11.如权利要求10所述的单块式角速度传感器，其特征还在于：

a)每一个所述的驱动电极沿着所述梁的主轴线排列在一直线上；和

b)二个所述拾取器电极排在一直线上，并且相对于每一个所述驱动电极对称放置。

12.一种单块式角速度传感器，用于检测围绕二个互相垂直的轴线转动的转速，它包括：

a)一个第一传感器元件；

b)一个第二传感器元件；

c)所述第一和第二个传感器元件做在一块硅基片内；

d)每一个所述的传感器元件包括一个细长梁；和

e)所述传感器元件的主轴线互相垂直排列。

13.如权利要求12所述的单块式角速度传感器，它还包括：

a)一个框架，它做在所述硅基片内；

b)所述框架具有内孔，用于独立地容纳一个所述的细长梁；

c)一个用于将每一个所述的梁悬挂在一个相应的孔内的装置；

d)一个固定在每一个所述梁上用于挠性地驱动所述梁的装置；和

e)一个固定在每一个所述的梁上用于检测是否存在复合向心力及其大小的装置。

14.如权利要求13所述的单块式角速度传感器，其特征为，所述悬挂装置还包括：

a)二对排列在一直线上的横向元件；

b)每一个所述排在一直线上的横向元件的两个相对末端分别固定在所述框架的一个内边缘和所述梁的一个主要侧面上；和

c)每一个所述横向元件分别固定在所述梁的一个节点上。

15.如权利要求13所述的单块式角速度传感器，它还包括：

a)所述用于挠性驱动的装置包括一层电气陶瓷材料；

b)所述检测装置包括一层电气陶瓷材料；

c)所述框架和所述梁的顶面和底面基本上互相平行；和

d)所述电气陶瓷材料层固定在所述梁的顶面和底面上。

16.如权利要求15所述的单块式角速度传感器，它还包括：

a)所述驱动装置包括一个驱劝电极，而所述检测装置包括一对放置在所述梁的顶面和底面上的拾取器电极；

b)每一个所述电极由一层电气陶瓷材料与所述梁的表面隔开；和

c)每一个所述电极和放在其下面的电气陶瓷材料层的形状尺寸基本上相同。

17.如权利要求16所述的单块式角速度传感器，其特征还在于，对于每一个细长梁：

a)每一个所述的驱动电极沿着所述梁的主轴线排在一直线上；和

b)二个所述的拾取器电极排在一直线上，并且相对于每一个所述的驱动电极对称放置。

18.一种单块式角速度传感器，它用于检测围绕二个互相垂直的轴线回转的转速，其包括：

a)一个第一个传感器元件陈列；

b)所述第一个阵列包括一第一组彼此平行排列的细长梁；

c)一个第二个传感器元件阵列，它包括一个第二组彼此平行排列的细长梁；

d)该第一个阵列的梁的轴线与所述第二个阵列的梁的轴线垂直排列；和

e)每个所述阵列与一块硅基片做成一个整体。

19.如权利要求18所述的单块式角速度传感器阵列，它还包括：

a)一个框架，它具有二个内孔，用于容纳所述的传感器元件；

b)一个固定在每一个所述梁上的装置，它用于在所述孔的一个孔内悬挂所述第一个阵列的所述梁，和在另一个孔内悬挂所述第二个阵列的所述梁，从而使所述梁中的一些梁靠近一个孔的一个内边缘，而其他梁则靠近别的梁；

c)一个固定在每一个所述梁上用于挠性地驱动所述梁的装置；

d)一个固定在每一个所述梁上用于检测复合向心力的装置；和

e)所述梁、所述框架和所述悬挂装置构成一个整体结构。

20.如权利要求19所述的单块式角速度传感器，其特征为：每一个所述悬挂装置包括：

a)两对排成一直线的横向元件；

b)每一个所述排成一直线的横向元件的一端在梁的一个节点上与梁的一个主要侧面固定；和

c)靠近一个孔的一个内部边缘的梁的横向元件的两个相对末端与该孔的内部边缘固定。

21.如权利要求19所述的单块式角速度传感器，其特征还在于：

a)所述挠性驱动装置包括一层电气陶瓷材料；

b)所述检测装置包括一层电气陶瓷材料；

c)所述框架和所述梁的顶面和底面基本上互相平行；和

d)所述电气陶瓷材料层与所述梁的顶面和底面固定。

22.如权利要求21所述的单块式角速度传感器，它还包括

a)所述驱动装置另外还包括一个驱动电极，而所述检测装置另外还包括一对放置在所述梁的顶面和底面上的拾取器电极；

b)所述电极由所述电气陶瓷材料层与所述梁的表面隔开；和

c)每一个所述电极和放在其下面的电气陶瓷材料层的形状尺寸基本上相同。

23.如权利要求22所述的单块式角速度传感器，其特征还在于：

a)每一个所述驱动电极沿着所述梁的主轴线排成一直线；和

b)一对所述拾取器电极排在一直线上，并且相对于每一个所述驱动电极对称放置。

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