CN1240993C - 角速度传感器 - Google Patents

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Abstract

一种角速度传感器装置(10)，例如微型机加工振动结构陀螺仪，它包括谐振器(16)、驱动装置(18)、感测装置(20)和相关的电子控制装置。谐振器(16)、驱动装置(18)、感测装置(20)和控制装置由具有[100]主晶面的晶体硅片层(12)构造成。为了在不降低其性能的情况下使该谐振器(16)在这种材料中操作，谐振器(16)被设置成在电子控制装置的控制下由驱动和感测装置(18、20)以具有匹配成提供稳定的谐振器响应的模式参数(例如杨氏模量)的振动模式对进行操作。具体地说，该谐振器(16)设置成以具有简并的载波和响应参数的Sin3θ/Cos3θ振动模式对进行操作。

Description

角速度传感器
技术领域
本发明涉及角速度传感器装置的改进，更具体地说但是不是唯一地，涉及采用具有平面结构的振动谐振器的传感器的角速度传感器装置，例如用在微型机加工振动结构陀螺仪(VSG)以及相关的控制电子器件中。
背景技术
微型机加工振动结构陀螺仪即采用蚀刻技术形成在单晶硅基片中的VSG提供一种可以大量供应的小型低成本的速率传感器来源。这个可生产性(affordability)尤其在自动应用领域中已经产生出新的巨大市场。当前正在采用利用不同材料和工艺构成的多种传感器芯片结构研制许多装置。完成的装置由在适当的封装中的传感器芯片和相关的控制电子器件构成。对于高容量应用而言，这些控制电子器件通常实施作为一种分离的ASIC(专用集成电路)。
在这个竞争激烈的市场中，不可避免地会存在朝着低成本和高性能方面的驱动力。朝着这些目标的其中一个可看到的方法是通过将电子器件集成到传感器芯片上。人们认为控制电路的集成尤其对于采用电容传感的装置而言可以提供显著的性能改善。例如，将传感器放大器电路设置在传感电极附近有利于使来自杂散驱动电压的寄生耦合最小化并且有利于降低杂散电容。另外，将控制电子器件直接构成在传感器芯片还可以通过取消对于单独ASIC或分离的电子器件的要求来降低整个装置部件数目。这可以有利地降低整个装置尺寸并且可能减少单位成本。
电子器件在芯片上集成的可行性很大程度上取决于传感器结构和制造方法。电子器件和传感器在同一硅片上的构成要求生产这两个元件的工艺相互兼容。在没有对这些工艺方法中的一个或另一个做出显著改进的情况下这并不一定容易实现，这些改进在整个晶片产出上会有不利影响。还会需要在装置结构中的一些折衷来适应这些通常也在性能上具有负面影响的改变。
这些问题已经妨碍了这种由硅构成的芯片上电子集成平面谐振器装置的商业性开发，而且目前这种装置在市场上不能买到。现在参照在我们的共同未决申请GB9817347.9所披露的现有技术传感器来对在集成方面存在的这些困难的原因进行详细说明。
采用平面环结构的传感器例如在GB9817347.9中所披露的那种通常采用如在图1a和1b中所示的Cos2θ和Sin2θ振动模式对，在这些图面中显示出该结构关于主轴P和副轴S的振动。这些模式中的一种(图1a)被激励作为载波模式。当该结构绕着与环平面垂直的轴线转动时，科里奥利力(Coriolis force)将能量连接(couple)成响应模式(图1b)。如果载波和响应模式频率精确地相配，则响应模式运动的幅度由结构的Q进行放大。这就提高了灵敏度并且这些装置可以具有高性能。
决定装置性能的其中一个临界参数是这两个模式之间的差频及其在工作温度范围上的稳定性。为了实现这个频率匹配，材料特性必须是这样，即这两个模式的谐振参数精确匹配。当由晶体硅制造这种谐振结构时，当前要理解的是，这个要求只能通过采用[111]硅晶片来满足，即平行于[111]主晶面切割而成的硅晶片。对于该晶向而言，该临界材料参数在径向上是各向异性的。但是，这个要求与标准电子电路在装置层硅上的制造方法不兼容。标准的CMOS/BiCMOS制造方法通常是在[100]硅晶片基片上进行的。在铸造厂处采用的这些技术和工艺不能直接应用在[111]切割的硅晶片上。
因此，本发明的目的在于克服目前已经妨碍了由晶体硅构成的并且结合了被集成在传感器芯片上的电子电路的改进的传感器装置的商业开发的上述问题。
在US-A-5723790中披露了一种用于测量力分量、加速度和/或角速度的线性非环形结构的半导体装置，该装置由单晶半导体基片例如[100]取向硅片形成。承载着惯性质量的一根或多根悬臂梁从半导体基片中伸出，与基片表面倾斜并且在[111]晶面中取向以便响应于作用力而成比例地移动。
在EP-A-0836073中描述了一种速率传感器，它具有由晶体硅形成的在Cos2θ频率下以一种Cos2θ载波模式振动的环形振动结构。
发明内容
在广义上看，本发明基于这样的认识，包括谐振器的传感器可以由[100]晶体硅构成，从而使得传感器和相关的控制电子器件可以集成在一起。本发明人已经证实，如果谐振器以特定的方式布置和操作的话，如由可能的振动模式的具体分析所决定的一样，它可以以就好像形成在[111]晶体硅中一样的类似方式操作。
更具体地说，根据本发明的一个方面，本发明提供一种角速度传感器装置，它包括谐振器，具有基本上为平面的结构，驱动装置，感测装置和相关的电子控制装置，谐振器、驱动装置、感测装置和控制装置在一层具有[100]主晶面的硅片中构造在同一传感器芯片上，其中谐振器布置成由控制装置以提供简并载波和响应参数的Sin3θ/Cos3θ模式对进行操纵。
本发明的应用现在使得可以实现与集成的控制电子器件和传感器芯片自身相关的上述不能得到的优点。
提供了简并载波和响应参数的Sin3θ/Cos3θ模式对非常适于提供一种结合有一种微型机加工的VSG的装置。
已经发现基本上为平面环的谐振器结构对于微量机加工的VSG而言相对于其重量是一种高性能结构。
谐振器可以包括有支承装置，该支承装置包括多个柔性支承腿，这些腿使得平面环结构谐振器能够在传感器装置中进行相对运动。更具体地说，该谐振器可以设在基片中的空腔内，与基片间隔开并且通过从中心插座延伸到平面环结构谐振器上的支承腿悬吊在空腔中。
这些支承腿的数目和位置优选与振动模式对的模式对称性相匹配。这有利地防止了振动模式对的动态特性的任何预先形成，从而防止了任何频率分离。
电子控制装置优选包括供驱动装置使用的驱动电路和供感测装置使用的感测电路，但是还可以包括所有可以设在单独的ASIC(专用集成电路)或分离的电子器件上的附加电路。驱动和感测电路可以设置在谐振器的周围上，并且与相应的驱动装置和感测装置接近。还有，这是微型机加工VSG的另一种高性能结构形态。这有利地减少了在驱动装置和/或感测装置上的任何杂散寄生电容的影响。
优选的是，感测电路包括用于放大感测到的信号的大小的电子放大器。将放大器设置在硅片层中也为微型机加工VSG提供了一种高性能结构形态。
该装置还包括一种至少设在每个驱动和感测装置之间的电屏蔽装置，该屏蔽装置接地以使驱动和感测装置相互电屏蔽。这在不影响该装置的性能的情况下有利地使得该装置的结构能够更加紧凑。
本发明还涉及一种包括有多个如上所述的角速度装置的硅晶片。
本发明使得平面环速率传感器能够由[100]切割晶体硅提供制造，该传感器具有精确匹配的载波和响应模式谐振参数并且具有高性能。现在将对本发明是如何使得这种集成的电子和传感器装置能够被制造出进行说明。
晶体硅具有非常适于用在振动结构陀螺仪用途的材料特性。作为单晶材料，它具有低疲劳度并且非常坚固。这使得它经久耐用且有弹性，并且在受到冲击和振动时非常结实。更具体地说，它内耗低(高品质因数)且杨氏模量E高。这些参数在该装置的工作温度范围内也相对稳定。但是，它们确实具有明显的各向异性，这意味着它们通常随着角度方向而变化。在图2中显示出这个角度相关性，该图画出了杨氏模量对于分别由线条2、4和6显示出的三个主晶面[111，100和110]随着角度方向的变化。显然，对于[111]晶面的杨氏模量数值与角度无关，这使得它理想地适合用于采用如在GB9817347.9中所述的Sin2θ/Cos2θ谐振模式的平面环装置中。对于其它晶面的角度变化的周期性是这样的，在两个模式之间产生出大频率分离，从而使得它们不适于陀螺仪操作。
采用Lagrange等式已经分析出Sinnθ/Cosnθ在平面挠曲模式对中的固有频率。在应变能公式中可以解释该各向异性的效果。E变量对于[111]晶面的各向同性特性显然不会对任何模式阶次n产生频率分离。对于[100]晶面而言，Sinnθ/Cosnθ模式对于n＝2和4而言是分离的但是n＝3模式是简并的。(n＝4以上的模式阶次由于它们的幅度减小并且频率较高所以更不适合用在陀螺仪用途)。因此可以用[100]硅片构成平面环结构，该硅片通过利用Sin3θ/Cos3θ模式对可以具有与模式参数匹配的材料特性。
附图说明
现在将参照附图对本发明的当前优选实施方案进行说明。在这些图面中：
图1a和1b分别为代表载波模式和响应模式的Cos2θ和Sin2θ振动模式对的振动图样的示意图；
图2为显示出晶体硅的杨氏模量对于三个主晶面[111，100，110]中每一个的平面内角度变化的曲线图；
图3a和3b分别为根据本发明实施方案代表载波模式和响应模式的Sin3θ和Cos3θ振动模式对的振动图样的示意图；
图4为从根据本发明实施方案的部分角速度传感器上方看的平面示意图，显示出谐振器、支承结构和驱动和传感变换器；并且
图5为沿着图4中的直线A-A剖开的示意性剖视图。
具体实施方式
现在将参照图3a、3b、4和5对实施本发明的角速度传感器装置进行说明。传感器装置10包括微型机加工振动结构陀螺仪并且设置成以如上所述的Sin3θ和Cos3θ振动模式对进行操作。更具体地说，在图3a和3b中显示出Cos3θ载波和Sin3θ响应模式图样。
利用了这些模式的装置10安装有与在GB9817347.9中所述类似的静电驱动变换器和电容驱动变换器。用来生产该结构的制造工艺基本上与在GB9828478.9中所述相同，因此在下面就不再赘述。
装置10由一层阳极粘接在玻璃基片14上的[100]导电硅片12形成。该装置10的主要部件是环结构谐振器16、六个驱动电容变换器18和六个传感器电容变换器20。谐振器16以及驱动和传感器电容变换器18、20是通过深层反应离子蚀刻(DRIE)工艺形成，该工艺形成贯穿硅片层12的沟槽。该制造工艺与将微型电子器件(未示出)直接构造在硅片装置层12上完全兼容。在这种制造方法中所涉及的技术都是众所周知的并且在这里没有进行说明。
图4为平面示意图，显示出装置10的结构，并且图5显示出横穿装置10的结构的示意性剖视图。环形结构谐振器16在中心由柔性腿22支承。这些腿22具有弹性体的作用，从而在连接点处作用在环形结构谐振器16上。孤立的单个支承腿22将差动地干扰Sin3θ和Cos3θ振动模式的动力学特性，从而产生出频率分离。为了确保支承腿22的净效应不会产生任何分离，支承腿22的数目和位置通常与模式的对称性匹配。方便起见，以30°角度间隔设置12根相同的腿支承件12。这些腿支承件在一个端部处连接在环形结构谐振器16的内部24，并且在另一个端部处连接在中心支承插座26上。该插座26又刚性地连接在绝缘玻璃基片14上。在环形结构谐振器16和柔性腿结构22的边缘下面在玻璃基片14中设有空腔28，从而使得环形结构谐振器16能够自由运动。
在环形结构谐振器边缘的外圆周上设有12块分散的弯曲板30，从而每一块在面对着环形结构谐振器16的板30的平面和环形结构谐振器自身的外圆周表面之间形成电容器。这些板30刚性地连接在玻璃基片14上并且与环形结构谐振器16绝缘。这些板30在环形结构谐振器16的边缘上以30°角度间隔设置并且每一块对着25°角。方便起见，采用相对于固定参考轴线R位于0°、120°和240°处的三块板30作为载波驱动元件32。采用相对于固定参考轴线R位于60°、180°和300°处的板30作为传感变换器34来探测载波模式运动。在转动时，科里奥利力将把能量连接进响应模式中。通过相对于固定参考轴线R位于30°、150°和270°处的响应模式传感器变换器36来探测该运动。为了使得装置10能够在力反馈模式响应模式中操作，相对于固定参考轴线R将驱动元件38设置在90°、210°和330°处。在每个驱动和传感器变换器18、20上设有电连接片40以能够与控制电路(未示出)相连。
在操作中，以谐振频率将驱动电压施加在载波驱动元件32上。将环形结构谐振器16保持在固定的偏置电压上，该偏置电压导致与所施加的用于小电容间隙位移的电压成线性关系的展开力。通过设在中心插座26上的连接片41形成与环形结构谐振器16的电连接，该插座26通过腿22的导电硅片连接在环形结构谐振器16上。所产生出的运动使得载波模式传感器变换器34的电容间隙分离改变。这将产生出穿过间隙的电流，该电流可以被放大以给出与运动成比例的信号。同样探测出在响应模式传感器变换器36处由转动产生出的运动。在力反馈模式中，将驱动电压施加在响应模式驱动变换器38上，从而用与转速直接成比例的所施加的驱动电压将该运动调零。驱动信号直接电容耦合在传感器变换器20、34、36上会提高寄生信号输出，该输出看起来好像一种偏压输出并且降低了该装置的性能。为了减小这个误差，设置有屏蔽层42，该屏蔽层在除了面对着环形结构谐振器16之外的所有侧面上围绕着这些电容板30。该屏蔽42接地，这使得驱动和传感器变换器18、20相互接近。
为了减小杂散电容和寄生耦合的作用，最好在分散的传感器电容板20、34、36附近设置具有感测电路的传感器放大器(未示出)。在直接靠近各个感测板20、34、36的硅屏蔽层12上可以构造适当的感测电路，并且通过连接在形成在感测板20、34、36的上表面上的连接片40上的导线形成与这些感测板的电连接。
放大器电路(未示出)的构造将需要其中形成有多个装置10的装置晶片经过许多额外的加工步骤。因此在装置芯片上最好构造出尽可能多的电子电路以减小对附加外部电路的需求。这可以最好包括所有附加的电子控制电路，包括用于产生出所需要的驱动电压和施加在环形谐振器16上的偏置电压的驱动电路(未示出)。在该情况中，驱动电路将在靠近分散的驱动元件板18、32、38附近构造在硅屏蔽层上，并且可以通过与形成在驱动板18、32、38的上表面上的连接片40连接的导线连接件(未示出)与各个驱动板18、32、38电连接。
虽然已经对本发明的具体优选实施方案进行了说明，但是要理解的是，这些实施方案只是示例性的，并且在不脱离由附属权利要求所限定的本发明的精神和范围下本领域普通技术人员可以做出各种改变和改进。

Claims (14)

1.一种角速度传感器装置，包括有谐振器(16)，具有基本上为平面的环形结构，驱动装置(18)，感测装置(20)和相关的电子控制装置，其特征在于谐振器(16)、驱动装置(18)、感测装置(20)和控制装置在具有[100]主晶面(12)的硅片层中构造在相同的传感器芯片上，其中谐振器(16)被设置成由控制装置以提供简并的载波和响应参数的Sin3θ/Cos3θ振动模式对操作。
2.如权利要求1所述的角速度传感器装置，其特征在于角速度传感器装置包括用于谐振器(16)的支承装置，该支承装置包括多根柔性支承腿(22)。
3.如权利要求2所述的角速度传感器装置，其特征在于支承腿(22)的数目和位置与振动模式对的模式对称性匹配。
4.如权利要求2所述的角速度传感器装置，其特征在于所述谐振器(16)设置在空腔(28)内，它与基片(14)间隔开并且通过从中心插座(26)延伸到平面环形结构谐振器(16)的支承腿(22)悬吊在空腔(28)中。
5.如权利要求1所述的角速度传感器装置，其特征在于所述电子控制装置包括与驱动装置(18)一同使用的驱动电路和与感测装置(20)一同使用的感测电路。
6.如权利要求5所述的角速度传感器装置，其特征在于所述驱动电路和所述感测电路每个都在谐振器(16)的圆周上设置在相应驱动装置(18)和感测装置(20)附近。
7.如权利要求5或6所述的角速度传感器装置，其特征在于所述感测电路包括用于放大所感测到的信号的放大器。
8.如权利要求1所述的角速度传感器装置，其特征在于所述驱动装置包括相对于固定参考轴线(R)设置在0°、120°、240°处的三个载波模式驱动元件(32)，并且所述感测装置包括相对于固定参考轴线(R)设置在60°、180°、300°处的三个载波模式感测元件(34)。
9.如权利要求8所述的角速度传感器装置，其特征在于所述驱动装置包括相对于固定参考轴线(R)设置在90°、210°、330°处的三个响应模式驱动元件(38)，并且所述感测装置包括相对于固定参考轴线(R)设置在30°、150°、270°处的三个响应模式感测元件(36)。
10.如权利要求1所述的角速度传感器装置，其特征在于所述角速度传感器装置还包括至少设置在驱动和感测装置(18、20)中每一个之间的电屏蔽装置(42)，该屏蔽装置(42)接地从而使驱动和感测装置(18、20)相互电屏蔽。
11.如权利要求1所述的角速度传感器装置，其特征在于所述角速度传感器装置还包括由电绝缘材料制成的基片(14)。
12.如权利要求1所述的角速度传感器装置，其特征在于所述Sin3θ/Cos3θ振动模式对具有模式参数，所述模式参数包括用于该振动模式对的晶体硅片的杨氏模量。
13.如权利要求1所述的角速度传感器装置，其特征在于所述谐振器(16)包括微型机加工振动结构陀螺仪。
14.一种硅晶片，包括如权利要求1所述的角速度传感器装置。
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