CN1234505A - 角速度传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一个整体式双层结构的角速度传感器,由在厚度方向上直接焊接两个音叉件而成,目的是增强角速度传感器的探测敏感度。各音叉件用诸如石英等单晶体压电材料制作,沿晶体轴向焊接以形成压电现象,其中,焊接的音叉件的压电材料在横或厚方向上极性相反。

Description

角速度传感器及其制造方法
本发明涉及一种角速度传感器及其制造过程或方法，这种角速度传感器应用于诸如轿车的导航系统，机动车辆的控制系统和照像机、摄像机的手颤(图像模糊)校正系统之中。还涉及制造该角速度传感器的工艺过程或方法。
已知的以前技术中的角速度传感器主要是在飞机和舰船上经常使用的那种价格高、体积大的顶置式陀螺仪。然而，近年来已研制出一种价廉的振荡式角速度传感器，并可在机动车辆的控制系统、小轿车的导航系统和照像机、摄像机的手颤校正系统中广泛应用。随着如此普遍和创新的使用，对小型、廉价的角速度传感器的需求更为迫切。
因此，近年来有人提出使用石英或钽酸锂制作的单晶体压电部件的角速度传感器，就可以使角速度传感器体积小、价格低。
在以前的使用单晶体压电部件的角速度传感器中，要将两条支臂相连，并将各自的一端固定在一个基座上，从而形成一个音叉振荡器。例如，这种音叉振荡器可以从一块石英材料板上切割下来而保持整体结构。在音叉振荡器的一条支臂的一端附加一组驱动电极，以便以压电方式驱动音叉振荡器以谐振频率沿正面方向振荡，此驱动电极由一个外接的振荡器电路通电驱动。在音叉振荡器的另一条支臂上附加一个监视器电极和一个接地电极，以测定振荡器电路引发的振幅。在附有监视器电极的一条支臂上还附有几个敏感电极，以便以压电方式测出作用于音叉的由复合向心力导致的应力。
在以前的角速度传感器中，监视器电极产生的电荷经一个外接电路放大，然后与由一个自动增益控制器预先输入的基准信号相比较，从而控制振荡器电路保持音叉振荡器振幅恒定不变。另一方面，敏感电极测出复合向心力引发的信号，此信号与监视器电极测得的信号经一个外接放大器电路同步放大，如此调制过的测定信号尔后再经过一次调制，不需要的频段便可被一个低通滤波器LPF滤除。
然而，由于诸多原因，这种角速度传感器至今尚未付诸实用。例如，石英是典型的由二氧化硅(SiO2)单晶体排列合成的单晶体压电材料，Si具有正极性，O2具有负极性，Si和O2对称排列将导致电中和，如果对SiO2压电材料附加一定应力，即可打破电对称性而产生出电荷。
图30A是一块石英晶体的各轴线示意图。如图所示，连接各端面的一条轴线被定为x轴线(或电轴线)，与x-x轴线组成的平面相垂直的一条轴线被定为z轴线(或光轴线)。图30B是标有极性的x-y平面的局部示意图。如上所述，诸如石英等单晶体压电材料具备特殊的压电性能和相对晶轴的特殊极性，而晶轴取决于晶体压电材料的分子排列结构。
另一方面，通过测出垂直于振荡方向的复合向心作用力，这种角速度传感器便可测定物体是否旋转，因此，要求角速度传感器应具备双轴线的压电特性，并具备赋予振荡的手段和探测垂直于被赋予的振荡方向的作用力或振荡的手段。一般情况下，音叉振荡器(振动子)是从一块压电材料沿图31所示方向切割下来的。虽然对按图31所示方向切割下来的音叉振荡器容易施以驱动振荡，但它对测出的复合向心力(即垂直振荡)的敏感度却很低。
因此，本发明的一个目的是提供一种介助于敏感电极而具备更高探测敏感度的角速度传感器。
根据本发明的另一个目的，这里还提供一种采用简单电极结构的角速度传感器，而这种结构可以用诸如光刻方法来实现。
为解决上述特定问题，根据本发明，特提供一种角速度传感器，它由双层结构组成，包括第一、二两个音叉件，第一音叉件有至少两条由单晶体压电材料制作的支臂和至少一个用来连接两个支臂的基座；第二音叉件的外形与第一音叉件基本相同，也用单晶体压电材料制作，两个音叉件在厚度方向直接焊接，形成一个双音叉振荡器整体结构，并且两个音叉件压电材料的晶轴方向有在宽度方向彼此相互相反极性。
更具体说，第一、二音叉件在电作用x轴向有相反的极性，因此，只需要在音叉振荡器的一条支臂的两个相对的外表面上附加一组敏感电极。如果在x轴向上施加一个电场，则在支臂一面的电场方向和极化方向完全一致，但在另一面却完全相反，方向相反的伸力和缩力作用方向与振荡方向相反，却与垂直于x轴向的平面平行。与此相比，在以前的装置中，在局部支臂中心附近因复合向心力而产生的电荷分量却被取消了。如上所述，颠倒压电材料的极性，局部支臂上因复合向心力而造成的电荷运动方向将大大提高角速度传感器的效能，因此，在以前的角速度传感器中那种消弱和降低电场强度的因素有所减弱，从而增强了本发明所述角速度传感器的探测敏感度。由于采用了这种组合方式，使本发明所述双层结构的探测复合向心力的敏感度较以前的传感器提高一倍。由于探测复合向心力的轴向又是压电特性较高的轴向，所以这样的角速度传感器具有很高的敏感度和很好的综合信噪比。
不仅如此，在本发明的角速度传感器中，导致相对音叉振荡器的主正面作平行振荡的驱动电极，最好配置在音叉的一条支臂的四个外周表面上，而那些用来测定因相对音叉振荡器主面垂直振荡而生成的电荷的敏感电极，最好配置在音叉另一条支臂的相反侧面上，如此，与以前的传感器相比，电极结构相对简化了。
根据本发明的另一方面，这里提供一种这样的角速度传感器，它只有一个音叉振荡器，该振荡器包括由单晶体压电材料制作的第一和第二支臂，及至少一个连接第一、二支臂的基座。两条支臂接合固定，使两条支臂的轴线极性在音叉振荡器的厚度方向上相互相反。因为本发明所述双层音叉的两条支臂中压电材料的极性是相反的，所以，从两条支臂测得的由复合向心力导致产生的电荷分量均在同一相位，但却在加速度分量的相反相位。这就便于将敏感电极与通用电极相连接，从而简化放大器的工作过程。这种结构的另一优点是：以前传感器中两个独立放大器的移相问题和因气温特点导致的中间电压漂移问题都不复存在了。
本发明的又一优点是：由于两条支臂之间(或音叉中心)压电材料的极性不同，一条支臂最好用来驱动音叉和监视驱动过程。另一条支臂最好用于感知复合向心力和监视感知过程或仅用于感知复合向心力。这样，就能够以压电方式有效地处理两种相互垂直的振动，即音叉振荡器的驱动和对因复合向心力引发的应力的探测。
根据本发明的又一方面，特提供这样一种角速度传感器，它包括两个由晶体压电板制作的音叉件，两个音叉件呈现正、反压电现像，电动x轴一端为正极，另一端为负极，从一个音叉基座延伸出来的一对支臂，用来确定横向或厚度方向的x轴向，两个音叉件直接焊接，使二者的x轴向的极性相互相反。
在本发明的又一方面中，上述角速度传感器可以配用一体式的敏感电极，即敏感电极是与支臂不可分割的，这样，作用方向相反的伸力和缩力共同作用于音叉振荡器的各条支臂上，而两条支臂的极性相反，所以探测敏感度得以提高。
根据本发明的再一方面，特提供角速度传感器的制作过程，这种角速度传感器中的音叉件是通过对一块板材进行光刻而成形的，板材是用至少两块单晶体压电材料板(有不同的晶轴向)直接焊接而制备的。因此，这种振荡器制作成本很低，也适于大批生产。
根据本发明的另外一方面，特提供这样一种角速度传感器的制作过程，这种角速度传感器的音叉件是通过对至少两块单晶体压电材料晶片进行光刻而成形的，两块晶片有不同的晶轴向方位角，通过直接焊接而成为一体。在焊接音叉件之前先对音叉件进行了刻触，即使是很厚的音叉振荡器也可采用光刻工艺制作，所以，这种工艺方法完全可以用来制作精度和信噪比要求条件很高的部件。
附图的简要说明
参照以下附图阅读下述详尽说明，将会更深入理解本发明的各项目的、特点、优点以及结构、工作过程。
图1为本发明第一个实施例所述角速度传感器中音叉振荡器的示意图；
图2为图1所示音叉振荡器左侧平视图，图中示出电极；
图3为图1所示音叉振荡器正面平视图；
图4为图1所示音叉振荡器右侧平视图；
图5为图1所示音叉振荡器后面平视图；
图6A为音叉振荡器在驱动阶段电流运动的示意图；
图6B为音叉振荡器在驱动阶段振荡应力和方向的示意图；
图7A为音叉振荡器在探测阶段电流运动的示意图；
图7B为音叉振荡器在探测阶段振荡应力和方向的示意图；
图8为本发明所述角速度传感器的电路框图；
图9为本发明所述音叉振荡器的制作过程图；
图10为本发明所述音叉振荡器的另一种制作过程图；
图11为图1所示音叉振荡器的驱动电极另一种排列方式图；
图12为图1所示音叉振荡器的敏感电极的另一种排列方式图；
图13为本发明第二个实施例所述角速度传感器的音叉振荡器示意图；
图14为图13所示音叉振荡器左侧平视图，图中示出电极；
图15为图1所示音叉振荡器正面平视图；
图16为图1所示音叉振荡器右侧平视图；
图17为图1所示音叉振荡器后面平视图；
图18A为音叉振荡器在驱动阶段电流运动的示意图；
图18B为音叉振荡器在驱动阶段振荡应力和方向的示意图；
图19A为音叉振荡器在探测阶段电流运动的示意图；
图19B为音叉振荡器在探测阶段振荡应力和方向的示意图；
图20为图13所示音叉振荡器的驱动电极另一种排列方式图；
图21为本发明第三个实施例所述角速度传感器的音叉振荡器图；
图22为图21所示音叉振荡器左侧平视图，图中示出电极；
图23为图22所示音叉振荡器正面平视图；
图24为图22所示音叉振荡器右侧平视图；
图25为图22所示音叉振荡器后面平视图；
图26A为音叉振荡器在驱动阶段电流运动的示意图；
图26B为音叉振荡器在驱动阶段振荡应力和方向的示意图；
图27A为音叉振荡器在探测阶段电流运动的示意图；
图27B为音叉振荡器在探测阶段振荡应力和方向的示意图；
图28为本发明第四个实施例所述角速度传感器的音叉振荡器图；
图29A～29G为本发明所述音叉振荡器另一种实施例的说明图；
图30A为石英晶体各种轴线的说明图；
图30B为石英晶体x-y平面局部图；
图31为以前的音叉振荡器图。
最佳实施例的说明
图1所示为本发明第一个实施例所述使用音叉振荡器的角速度传感器的结构。指示标号1a和1b指示的是两条支臂，两条支臂(1a和1b)与一个基座(1c)相连，从而形成第一个音叉件(1)。同样，指示标号2a和2b指示的是两条支臂，这两条支臂(2a和2b)与一个基座(2c)相连，从而形成第二个音叉件(2)。两个音叉件(1)和(2)都是用石英等单晶体压电材料制作的，二者直接焊接一起形成一个双层结构。这种直接焊接状态犹如一个整体结构，具体做法是：对欲键合的表面进行亲水处理，然后吸去氢氧原子团，使表面足够光洁，继而对部件进行叠加重合和热处理，使键合面上的氢氧原子团和氢元素释放。这是人们熟知的。
再如图1所示，音叉件(1)具有1d所示的晶轴方向，与音叉件(1)相焊接的音叉件(2)具有2d所示的晶轴方向，其中，音叉件(2)的x轴线方向与音叉件(1)的x轴线方向相反，换言之，两个音叉件(1和2)在焊接后，它们的x轴线方向在各自主面方向上是相互相反的。
图2～7专门描述了采用这种结构方式的角速度传感器中的音叉振荡。如图3、4、6A所示，驱动电极(3a和3b)安装在支臂(1a和2a)的A-B面上(即正面和背面)，目的是以压电方式驱动音叉振荡器在A-B面上以谐振频率振荡。驱动电极(3a和3b)由下述外接振荡器电路通电驱动。从图7A中还可以看到，在支臂(1b和2b)的A-B平面上，还装配有一个监视器电极(5)和一个接地电极(6)，它们用来测定音叉振荡器的振荡器电路所生成的振幅。另一方面，在支臂(1a、1b和2a、2b)的B-C平面上(见图2、3、4、6A和7A)，还装配有12个敏感电极(7a、7b、7c和7d)，用来以压电方式测定在音叉振荡器的B轴线上生成的相应于角速度的复合向心力(Coriolis)。在本实施例中，敏感电极(7a和7b)也是高效接地电极，并还具备驱动电极的功能。
在本实施例中，监视器电极(5)所生成的电荷被赋予外接电路的M输入端(见图8)，经放大器(20)放大，然后在比较器(22)中与由自动增益控制器预先输入的基准信号进行比较，以促使振荡器电路控制驱动信号(D-和D+)，确保音叉振荡器的振幅恒定不变。另一方面，敏感电极(7a和7b)测出复合向心力所导致的信号，此信号与监视器电极(5)的信号同步地送往敏感输入端(S1和S2)(见图8)。如此被调制的信号再经过调制器(24)的再次调制，不需要的频段即被低通滤波器滤除，从而形成传感器输出信号Vout。
图6A和6B显示的是在A-B平面振荡的驱动阶段支臂(1a)的局部所生成的应力和电荷的流动情况。在驱动阶段，驱动信号被赋予驱动电极(3a和3b)，使各支臂在横向上扩张和收缩，从而导致电荷流动。由于两个支臂(1a和2a)中的x轴线方向相反，正如图6B所示，便产生一个应力，且在支臂横向上产生相反的应变。这样，支臂(1a和1b)在A-B平面上开始振荡，监视器电极(5)以压电方式测定因音叉振荡器的振荡而引发的电荷。图7A和7B所示为在探测复合向心力阶段(或在B-C平面上)支臂(1b)的局部应变和电荷流动的情况。复合同心力是在B-C平面上的一种振荡(见图2)，如图7B所示，支臂将在高度方向上扩张和收缩。如图7A所示，电荷也在高度方向上流动，因为音叉件(1和2)支臂的x轴线方向是相反的，这样，敏感电极(7a、7b、7c和7d)便可以有效地探测到电荷。
图9所示为根据本发明的第一个实施例所述角速度传感器的制作过程。图中的指示标号8和9指示的是用诸如石英等单晶体材料制作的晶片，每块晶片(8和9)的尺寸限定是其厚度大约是最后制成的音叉振荡器(12)厚度的1/2。此外，所选用的晶片(8和9)必须具有不同方位角的晶轴，在本实施例中，晶片(8和9)的方位角在各自的主平面上呈相互相反的关系。
晶片(8和9)用焊接法直接焊接成一块整板(10)，通过普通的光刻工艺过程，与以前的音叉振荡器等的制作工艺一样，制出多个音叉振荡器(11)。然后，使用普通的工艺方法在音叉振荡器上加装电极，再将这些音叉振荡器分割成单个的音叉振荡器(12)。通过将具有不同晶体轴向的单晶体压电极材焊接一起，就可以使用制作一般音叉振荡器等的工艺方法来制作音叉振荡器。
图10所示为制作第一个实施例中所述角速度传感器的另一种方法。图中，在由石英等单晶体压电材料制成的晶片(13和14)上，用光刻工艺方法成形了音叉振荡器，晶片的厚度大约是最终成形的音叉振荡器(16)厚度的1/2。如前所述，音叉振荡器具有不同方位角的晶轴。两块晶片(13和14)介助校准器精确对正，然后直接焊接成指示标号15所示的一个双层结构，继而在各音叉振荡器上刻制电极，最后分切成单个的音叉振荡器(16)。使用这种方法制作音叉时，只需对相当于最终的音叉振荡器1/2面积的进行蚀刻，蚀刻所需时间大约只是一般要求时间的1/2，此外还易于保持蚀刻部分的平滑度，确保振荡器制作的方便性和精确性。
在本发明的第一个实施例中，音叉振荡器的支臂(1a和2a)上都具有敏感电极(7a和7b)，这些敏感电极也作为驱动电极使用。但在图11、12中，电极(7a和7b)只用作驱动电极，复合向心力则由敏感电极(7c和7d)感知。此外，监视器电极(5)和接地电极(6)可以除去。
图13～19显示的是本发明第二个实施例中的角速度传感器。图13中，指示标号1a和1b指示的是两条支臂，这两种支臂连接在一个基座(1c)上，从而组成一个音叉件(1)。同样，指示标号2a和2b指示的是另外两条支臂，它们也连接在一个基座(2c)上，从而组成又一个音叉件(2)。两个音叉件(1和2)均用诸如石英等单晶体压电材料制作，并相互焊接形成一个双层结构。如图13所示，音叉件(1)是沿晶体轴向(1d)焊接的，而音叉件(2)是沿晶体轴向(2d)焊接的，因此，两条支臂的x轴向是相反的。换言之，两个音叉件(1和2)相互焊接以后，它们的x轴向在高度方向上是相反的。
图14～19详细说明了第二个实施例，指示标号3a和3b指示的是驱动电极，指示标号5指示的监视器电极，指示标号6指示的是接地电极，所有这些电极均安装在音叉的一个支臂上，指示标号7a和7b指示的是安装在音叉另一个支臂上的敏感电极。如图18A所示，在驱动工作阶段，两个驱动电极(3a和3b)将导致产生电流，其中的驱动电极(3a)位于支臂(1b和2b)上。由于两个支臂(1b的2b)的x轴向相反，因而在支臂的横宽方向上便生成了方向相反的应力和应变，进而使两个支臂在A-B平面上振荡。监视器电极(5)测定音叉振荡器的振幅。为了测定复合向心力，两个支臂(1a和2a)(见图19A和19B)上的x轴向是相反的，所以在C轴方向的电流是单向的，这样使用安装在两个支臂(1a和2a)的A-B平面上的敏感电极(7a和7b)便可测出复合向心力。另一个方法，如图20所示，是将驱动电极(3a和3b)刻制在两个支臂(1b和2b)的四个表面上作为单用电极使用。
图21所示为本发明第三个实施例的角速度传感器。图中，指示标号1指示的是用石英等单晶体压电材料制成的音叉振荡器，它包括一对共同连接在一个基座(1c)上的支臂(1a和1b)。由于两条支臂(1a和1b)共同与一个基座相连接，因此，x轴线的晶轴方位角在支臂高度方向上是相反的。如图21所示，两条支臂(1a和2b)的晶体轴向分别用1d和2d表示，两条支臂(1a和2b)相互直接焊接时，各自的晶体轴向在x轴向上是相反的。在第三个实施例中，如图22-27B所示，驱动电极(3a和3b)安装在支臂(1a)的主正面上，敏感电极(7a)也安装在同一支臂(1a)的主正面上，而接地电极(6)则安装在同一支臂(1a)的主背面上。监视器电极(5)安装在另一条支臂(1b)的主正面上，敏感电极(7b)也安装在同一支臂(1b)的主面上，而接地电极(6)则安装在同一支臂(1b)的主背面上。
如图26A和26B所示，在驱动工作模式，从驱动电极(3a)经接地电极(6)到驱动电极(3b)之间将生成电流，从而形成一个持续的应力，相应此应力的应变在支臂(1a)的横宽方向上是反向的，因此在支臂(1a)中产生的张力和缩力将促使音叉振荡器振荡。此后，监视器电极(5)将测出与相对于接地电极(6)的音叉振荡器振幅成正比的电荷。在随后的复合向心力测定工作阶段中，如图27A和27B所示，在敏感电极(7a和7b)处生成电流，敏感电极(7a和7b)测得复合向心力，因为通常采用的是合力，所以加速度分量被消除，这样，外接电路无需差分放大器。
如图28所示，对第三个实施例中的结构可以作些变通，即将支臂(1a)和支臂(1b)相连时使它们的晶体轴向垂直于x轴向(见图中的1d和2d)。在这第四个实施例中，驱动和监视器电极(图中未显示)安装在支臂(1a)上，以驱动和监视音叉振荡器，敏感电极(图中未显示)安装在支臂(1b)上，以敏感复合向心力。
本发明所述使用音叉振荡器的角速度传感器也许可以采用三叉式音叉振荡器的结构(如图29A和29D)或闭合式音叉振荡器的结构(如图29B和29E)，最后，也可以采用H形音叉振荡器结构(如图29C和29F)。此外，甚至将音叉振荡器分解成三个部分(如图29G)也可以取得相同的使用效果。
以上各个实施例的说明都以石英板作为原材料，其中的压电板的x轴线和z轴线方向相互呈直角，然而，x轴线和z轴线方向相互呈水平角的其他任何石英板也可以用来制作音叉振荡器。具备音叉形状的压电板也可以用其他单晶体压电材料制作，如钽酸锂和铌酸锂等。
不仅如此，虽然压电材料一般是指单晶体材料，但是，压电材料也可以是像陶瓷那样的多晶体材料。只是，这种多晶体材料要经过烧结以集聚成单晶体颗粒并使这些颗粒具备不同的极性。也可以实施一种“极化处理”，即对多晶体材料施以高电压，以适当排列众多颗粒的极性。再有，这种情况下的极化方向即为x轴线方向。
至此，针对本发明的各项最佳实施例提供的图示和详尽说明，已使熟知有关技术的人员于本发明的变通和完善深有所悟，现拟定以下权利要求书，并仅以此而并非以上说明，复对本发明的原则和范围予以诠释与限定。

Claims (8)

1．一种角速度传感器，其特征在于包括：
第一音叉件，它包括至少两条用单晶体压电材料制作的支臂和至少一个连接所述两条支臂的基座；
第二音叉件，它的外形与第一音叉件基本相同，也用单晶体压电材料制作，第一、二两个音叉件在厚度方向上直接接合，构成一个整体结构，其中，所述各音叉件压电材料的极性在横宽方向上相互相反。
2．一种角速度传感器，其特征在于包括：
第一音叉件，它包括至少两条用单晶体压电材料制作的支臂和至少一个连接所述两条支臂的基座；
第二音叉件，它的外形与第一音叉件基本相同，也用单晶体压电材料制作，第一、二两个音叉件在厚度方向上直接接合，构成一个整体结构，其中，所述各音叉件压电材料的极性在厚度方向上相互相反。
3．权利要求1所述角速度传感器，其中，第一和第二支臂各包括四个外表面，此传感器还包括形成在所述两条支臂之一的所述四个外表面上的驱动电极，在另一条支臂的相对背面上形成的敏感电极，用来检测垂直于音叉振荡器主面的振荡所产生的电荷。
4．权利要求2所述角速度传感器，其中，第一和第二支臂各包括四个外表面，此传感器还包括形成在所述两条支臂之一的所述四个外表面上的驱动电极，在另一条支臂的相对背面上形成的敏感电极，用来检测垂直于音叉振荡器主面的振荡所产生的电荷。
5．一种角速度传感器，其特征在于包括：
两个用晶体压电板材料制作的音叉件，二者的压电现象相反，其电作用x轴的一端为正极，另一端为负极；
各音叉振动件包括一对自音叉基座伸出的支臂，用以确立x轴线的横纵方向，其中，两个音叉件直接接合并使所述x轴向的极性相互相反。
6．一种角速度传感器，其特征在于包括：
第一、二两条支臂，均用单晶体压电材料制作，并有至少一个连接两个支臂的基座，其中，第一和第二支臂在厚度方向上相互接合，并使两支臂单晶体压电材料的晶轴向相互垂直。
7．一种制造包括有音叉振荡器的角速度传感器的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
将至少两块单晶体压电材料板直接接合构成板材，使它具有不同的晶轴；
用所述板材形成所述音叉振荡器。
8．权利要求2所述角速度传感器的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
由第一块单晶体压电材料晶片形成第一音叉件；
由第二块单晶体压电材料晶片形成多个第二音叉件；
将包括第一和第二音叉件的所述第一、第二晶片直接焊接，使键合的第一和第二音叉件具有不同的晶轴方位角。
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