CN1286751A - 转速传感器 - Google Patents

Abstract

作为微机械构件使用的转速传感器。环件(1),备有的一个刚性横梁(11)用挠性支撑件(10)和锚固件(9)以这样的方式支撑在基片上,能够沿着其中轴作旋转运动;当其受到外来扭矩作用时,能够沿着横梁倾斜。通过设在环件和基片上的电极能够施加电压,激光环件沿着它的中轴转动,检测沿着横梁的旋转摆动。还可以在环件和基片上添加电极,产生静电力,将环件稳定在它的静止位置上。

Description

转速传感器

本发明涉及一种在硅器件中作为微机械构件用的转速传感器。

转速传感器(陀螺仪)用来测量角速度。机械陀螺仪从功能上讲相当于一个罗盘，通过一个旋转体的精密运动，测量所产生的旋转运动。当这样的一种结构沿着一个位于和旋转体的转轴垂直的轴旋转时，产生一种沿着一条垂直于另外两个转轴的一条直线的旋转运动。受这种旋转影响的转矩强度是度量该整个系统的旋转运动的一个尺度。在一种不可能进行、或者不希望进行完整旋转运动的系统中，可以用一种摆动旋转运动来替代陀螺仪的自由旋转。在US 5,313,835和US 5,377,544中介绍了一种微机械陀螺仪，其中有一个用弹簧支撑的环件是用这样的方式固定在基片上的，即当在为此所备的电极上施加一个适当的电压时，通过静电力的作用，能够使环件处于一种摆动旋转状态，另外还在环件的上方和下方备有电极，用来检测环件偏离该旋转平面的情况。还介绍了一种另外的检测方法，利用一个闭合电路对于转子可能发生离开它的旋转平面的偏离加以完全补偿，并且根据为此所需的电压求出转矩的大小。

本发明的任务是提供一种微机械转速传感器，在可在VSLI兼容的优越工作特征的范围内，能以采用表面微力学的方法进行制造。

此项任务通过具有权利要求1特征的转速传感器进行解决。其余的结构从从属权利要求中可知。

按照本发明的机械式转速传感器具有一种环形结构，备有一个较粗的横梁，横梁是沿着该环件的一个直径设置的。俯视这个有横梁的环件，好象是一个辐轮。所有的辐条彼此保持一段距离，从环件上延伸到这两条成为一条直线的辐条上。这两条将环件补充完整的辐条首选用硅制造，形成的直线在以后以及在权利要求中统一称为横梁，也作为将环件固定在基片上之用。环件必须能够沿着中轴，也就是说沿着穿过环件的中点，并且垂直于环件平面的轴作摆动旋转。还必须能够通过离开环件的平面偏离环件的正常位置倾斜。在采用本发明时，转速传感器呈现沿着平行于环件在静止状态下的横梁位置的一个轴线倾斜。利用这样的转速传感器可以检出沿着垂直于环件的中轴并且垂直于环件在静止状态时横梁的轴线一种旋转运动。

环件所需的弹簧支吊是通过弹簧支撑件实现的。其一端装在横梁上，另一端固定在基片上的锚固件上。这种弹簧支撑首选在尽可能靠近环件中点的横梁部位；在基片上的锚固件也同样首选在尽可能靠近环件的中心。利用一个转子，也就是由一个环件和一个刚性尽可能大的、沿着一条直径走向的横梁构成的转子有这样的优点，即它不会产生、或者仅只存在小到可忽略不计的对弹簧复位的非线性补偿。在这方面特别重要的是，横梁的刚性要好，特别是与支撑它的弹簧支撑件相比要尽可能好。最好是通过横梁所备有的宽度加以实现。在倾斜角小的状态下，对于旋转刚性的相对改变对于本实施结构的影响特别小。旋转刚性的相对改变越大，与支撑件的线性关系越小，以此所做的检测的可靠性越小。另一方面，如果所选用的横梁的宽度不足，则不能尽可能对于作为支撑件所具备的支撑结构产生影响。

弹簧的形状和结构也对按照本发明的优越功能很是重要。首选多晶硅作为活动件的用料。如果环件只能够这样制造，即在制造时使环件产生拉应力，则应使横梁的支撑点尽可能远离环件的中点，也就是要靠近环圈。如果产生压应力，则应将支撑件的锚固件尽可能远离环件。在实际的实施结构中，首先遇到的是上述的第二个问题，即，也就是锚固件要尽可能向内设置。另外，必须要保证环件有足够的旋转运动。锚固件也必须设置在距离横梁足够远的部位，从而使环件可以沿着它的中轴作足够的旋转运动。具有特别重要意义的要属横梁和横梁支撑点之间的夹角。摆动的检测是沿着横梁的轴线进行的。根据所选横梁和弹簧支撑件的支撑点之间夹角的大小，环件在偏离它在静止状态下的横梁的轴线时会使弹簧支撑件产生弯曲或扭曲。由于扭曲摆动较弯曲摆动的柔性小(回弹扭矩与偏离角呈线性关系时的弹性系数小)，通过适当选择图示的角度，能以将沿着横梁轴线的旋转摆动的固有频率作适当的调整，从而使沿着中轴旋转摆动的固有频率与沿着横梁轴线的检测摆动彼此特别适配。

以下参阅图1及图2对本发明的转速传感器作详细说明。

图1所示是按照本发明的结构的俯视图。

图2所示是按照本发明的传感器的侧视图。

轮件是通过最少两个侧位驱动电极沿着(垂直于图1的图面)其中心轴作摆动旋转设置的。为了此目的，首先要在轮件的外侧设置一个支架。在这个支架可以做成横梁或支耳状的结构。在这个支架上装设电极。在电极的对面、在轮件的平面上，或者在该平面的上方或下方有一个相对于基片牢固固定的对电极。如果对电极是装在环件的平面上，将装在环件上的和装在基片上的电极结构做成梳装结构是有益的。当成对的对电极是以同样的距离装在轮件上方和下方时，采用将固定在基片上的对电极的位置设在轮件平面的上方或下方是有益的。图1中所示作为驱动电极用的相应的对电极使装在图示横梁的延长轴上。在这个示例中，在每个驱动结构中总共在基片接了4个作为驱动电极用的电极。在环件的上方和下方以及在两个转动方向上都分别都装了一个这样的电极。如果采用这样的结构，要想使固定在环件1上的电极和固定在基片上、位于环件平面上方和下方的电极保持同样精确的距离是不可能的。因此，就要设法再加装控制电极c，d，通过施加电压产生的静电力，使转子稳定在中间位置上。为了达到这个目的，通过容性差示测量，根据装在环件上的每个电极和位置设在环件上方和下方、固定在基片上的电极构成的电极对，求算出转子的精确位置。通过在电极对上施加附加电压，就可以将环件找正在它的中间位置上。这种附加的稳定方法不但能够用来防止环件偏离旋转平面失衡，还能够在结构形状中采用梳状结构的驱动电极。

环件通过装弹簧的支撑件10悬挂在装在基片上的锚固件9上。支撑件装在横梁11上。首选的方式是尽可能将支撑件10连同横梁11固定在接近环件1的中点。当在转子中有压应力存在时，同样要将锚固件9装在接近环件1的中点处。支撑件10的强度和长度要这样设计，即要使其起到所要求的弹性作用。首选的方式是将支撑件10至少做成两条沿着接近于环件半径走向的部件。图1所示支撑件的走势取决于锚固件9的配置方式以及支撑件10和横梁10之间的夹角，并不完全和图中所示的结构相同，而仅只是沿着近似于一条半径的走向。

通过驱动电极a，也可能是通过如图示在横梁11的范围内所附加的电极对，使环件1沿着垂直于图面的中心轴作旋转摆动。当在垂直于图面的横梁11的轴线的走向产生一转矩时，使正在作旋转摆动的轮件1沿着横梁的轴线倾斜。通过固定在基片上位于环件平面上方和下方的检测电极e检出这样的倾斜。由于环件的弹性支吊使这样的倾斜同样会导致产生一种摆动的旋转动作。为了验证这样的摆动，通过对于由设在环件上的一个电极和位于基片上方或下方的一个电极构成的电极对进行容性差示检测，检出该环件在这样的摆动中偏离其静止状态的程度。为了达到高的检测灵敏度，必须尽可能扩大电极面积。除了这种检测方法(开环法)以外，还可以采用闭合电路(闭环法)。当采用闭环操作时，要通过施加适当大小的补偿电压，使环件保持在其静止状态平面的位置上，测出为此所需的一种或多种电压，求出测量结果。

在图1所示的实施结构中，在横梁11上另外还备有作为控制摆动振幅和相位的电极b用的电极。在按照本发明的另一种结构中，在传感器上可以将图1中所示的全部电极对的一整半省略不用。对于环件偏离它的平面的倾斜度可以例如通过在驱动电极上施加适当的补偿电压加以抑制。因此能够对照图1所示实施结构将现存电极加以简化，或者按照某些要求作相应改动。

为了将沿着中轴旋转摆动的振幅扩大到最大限度，利用系统的共振频率激发环件沿着中轴旋转摆动是有益的。在此情况下，由线路工程产生的共振频率必须与转子沿着中轴旋转的固有频率相适配。另外还可以在共振状态下驱动由于受到为检测旋转运动而产生的科里奥利力作用的、沿着平行于横梁11的轴旋转摆动。由于此时是一种强制摆动，其频率与激发沿着中轴旋转的摆动的频率相同，所以在这种特定的实施结构的状态下需要将转子的启动摆动和检测摆动的特性频率调整一致。可以采用较为简单的办法将这种特定频率调整一致，即在电极对上另外施加电压。通过在电极上施加电压，由于静电力的作用而激发的摆动可以通过在用于为激发摆动所设的电极上施加额外的电压而使其在其特性频率状态下发生变化。这是在对传感器进行电子控制时所用的方法，用来使上述的特性频率彼此适配。当启动摆动和检测摆动的特性频率至少接近一致时适合于采用这种办法。为了增强谐振效果的品质，可以在真空中操作转速传感器。为了达到此目的，可以将转速传感器装在一个外壳中。

如果必须要在稳定状态下激发传感器，也就是说必须要在现有的电极上施加电压，使环件平面保持在它的原有位置上，并且使闭环路操作和检测摆动受到抑制，就不能够在谐振操作下测取检测摆动。这种困难可以采用这种办法避开，即沿着中轴的旋转摆动在规定的时间间隔内与环件平面的稳定化处理同时进行。利用驱动电极在最大振幅下激发旋转摆动。在处于这样的激发相下，可以通过在所设的电极对上施加适当电压产生静电力，将环件稳定在它的静止位置的平面上。经过激发之后，即将所施加的电压切断。这样就形成使摆动环件进行摆动的相位。在处于摆动相位期间，产生沿横梁的轴线的检测摆动。这样就形成明显的优点，即激发环件沿着中轴的摆动品质(摆动曲线较窄、较陡，就是明显的摆动)大大高于沿着横梁轴线的检测摆动的品质。这就意味着摆动相的持续时间(时间的长短与品质的乘积)够用，在此时间内完全能够形成检测摆动。在另一个实施例中采用交替使用传感器的驱动操作和检测操作。这两个相的持续时间可以首选例如10ms左右。

按照本发明的转速传感器的结构能够使该传感器设置在一个VLSI-程序范围以内，连同操作所需的电子电路集成在一块芯片上。制造主要是用一个标准VLSI程序。为了制造传感器，仅只要在该标准程序中额外插入不多的几个制造步骤。

在图2所示的一个实施例的剖面图中，在一块基片上制造一个半导体掺杂区5，其中备有作为下对电极用的，例如，驱动电极或者检测电极。同时还可以用来制造另一个供设置电子组件用的掺杂区。在一个CMOS程序的范围内制造例如供设置MOSFET的源极和漏极用的掺杂区。在上表面的一侧淀积一层辅助层。在这层的整个面积上首先淀积一整层准备制造环件用的材料，然后进行适当的成型加工。利用这一层件首选制造彼此互相关联的环件1、横梁11、弹簧支撑件10和锚固件9。为了使锚固件9能够牢固固定在基片上，最好是在敷设用来制备环件的层件之前，预先在辅助层上开出一个开孔，然后再用供制备环件用的材料填满。利用这种办法将环件通过支撑件和锚固件连接在基片的上表面上。如果选用多晶硅制作为此所用的层件，还可以一并淀积一层供MOSFET的栅电极用的多晶硅层。这样的一层层件首选制成大约400nm的厚度。也可以在淀积一层供电子组件用的多晶硅之后另外再淀积一层供设置环件用的硅层或多晶硅层。在此情况下，要将基片上的电子组件用一层氧化硅层或其他的保护层盖住。在对为传感器所设的转子进行结构加工时，要将电子部件上方的为此所敷设的硅层或多晶硅层完全去除。供转子用的层件要进行导电掺杂。

在一个优选制造实施例中，用硅在CMOS程序范围内制成层厚例如700nm的场氧化物，利用氧化物层作为辅助层。为了制备传感器用的转子，要将这样的一层用硅或多晶硅做的辅助层有选择的除掉。经过对转子进行成型加工之后，在辅助层上面淀积一层上辅助层，这一层层件也是用氧化物制成的。在CMOS的制造方法范围内，使用BPSG(硼磷硅酸盐玻璃)制的、层厚1000nm的层件。在这层辅助层件上有时候要反向蚀刻掉一个适当的厚度。在掺杂区中刻蚀出一个供导电连接用的接触孔和一个不活动的转子锚固件，并且用作为连接触点用的材料填满。

用金属、有时候用掺杂多晶硅淀积一层层件，并且进行结构加工，借以制成供驱动和检测用的电极。位于转子上方和下方的两层辅助层最早要在淀积和结构加工之后再用蚀刻剂(氧化硅例如用含HF的蚀刻剂)将其蚀掉，以备敷设上方对电极之用。有利之处在于，当在对环件进行结构加工而又要附带制造蚀刻孔6的时候，蚀刻剂也会通过这个蚀刻孔6流到环件1的下方。这样就容易将下方的辅助层除掉。凡是在基片上经过结构加工的层件，剩下的一部分辅助层可以留在该处不动。。这样的支撑部位可以是例如在锚固件下方的部位。敷设的金属层也可以用作覆盖层，当经过蚀刻蚀到基片时，可以用立柱支撑，例如可以用金属(例如钨)将接触孔填满制成支撑立柱。在图2中所示，就是未被加工成对电极而起到覆盖层或保护层作用的金属层4的部分通过立柱7将其支撑在基片上。在金属层4中，在经过结构加工的部分或蚀刻孔6之间的夹层部分的辅助层被这样除掉，从而使环件作为转子足以能够活动。为了支撑转子的活动部分，下方的辅助层2的剩余部分以及在基片和其他敷设层件之间的上辅助层3保持不动。在蚀刻出活动的转子之后，传感器可以通过淀积另一层层件8(例如氧化物或氮化物)作气密密封和/或钝化。上述的制造方法适用于：利用平行制造工序制造转速传感器的微机械构件及其附属的电子构件的方法。为此还可以采用另一种集成度更高的构件制造方法，就是先制造一部分(电子或机械)，然后制造另一部分。为此要将业已制好、以后又一定不要除掉的部分采用掩膜掩蔽(例如用氮化物)。

Claims (10)

1.作微机械构件用的转速传感器，有一个环件(1)，

—该环件沿着一条直径备有一个横梁(11)，

—该环件用弹簧支撑件(10)和锚固件(9)固定在基片上，

—该支撑件的结构形状和锚固件的设置方式为使环件的旋转运动能够总是沿着其中轴和沿着横梁按照两个方向至少保持一个预定的角度进行，

—在环件上以及在其附近的基片上备有用于启动沿着中轴的旋转摆动以及用于检测沿着横梁产生的转矩用的电极(a，e)。

2.如权利要求1的转速传感器，

其中，环件和弹簧支撑件是用多晶硅制成的。

3.如权利要求1或2的转速传感器，

其中，锚固件(9)与环件中心的距离小于环件内径的十分之一设置。

4.如权利要求1至3之一的转速传感器，

其中，支撑件是按照与环件中心的距离小于环件内径四分之一的距离装在横梁上的。

5.如权利要求3或4的转速传感器，

其中，弹簧支撑件分别是两个至少近似于沿着环件半径的走向的部件。

6.如权利要求1至5之一的转速传感器，

其中，在基片上的电极是装在位于环件所在平面的上方或下方。

7.如权利要求1至5之一的转速传感器，

其中，在基片上的电极是装在位于环件所在的平面上。

8.如权利要求1至7之一的转速传感器，

其中，其他电极(b，c，d)装在环件上和基片上，

其中，装在基片上的其他电极是装在环件所在平面的上方或下方，装在环件上所装其他的电极的上方或下方。

9.如权利要求1至8之一的转速传感器，

其中，集成为操作所需的电子电路，

备有下列用途的电路，一种是用于产生激发旋转摆动所需的交流电压，产生具有此其他电压的电路，即在传感器为此所需的电极上施加这些其他电压时，对于环件离开其静止位置的偏离量加以补偿。

10.如权利要求1至8之一的转速传感器，

其中，集成用于为操作所需的电子电路，

备有下列用途的电路，一种是用于产生激发旋转摆动所需的交流电压，产生具有此其他电压的电路，即在传感器为此所需的电极上施加这些其他的电压时，使环件沿着横梁的本征摆动与环件沿着其中轴的本征摆动以规定的精确度相适配。

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