CN1318821C - 使用调谐加速计的微机械硅陀螺仪 - Google Patents

使用调谐加速计的微机械硅陀螺仪 Download PDF

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Abstract

微机械加工的硅调谐加速计陀螺仪是通过微机械加工而由硅晶片形成的。其中安装了驱动器、压力器、调谐及保护环元件的顶盖和底盖被微机械加工在绝缘硅片SOI晶片上的阵列中。顶盖和底盖之间的中间，即驱动器及传感，元件微机械加工在四英寸直径的硅晶片阵列中。驱动器及传感结构是由弯曲接头连接到振动结构的调谐摆，然后该振动结构由平行四边形抖颤吊架而悬挂。通过调整直流信号的幅度以使摆的固有频率匹配振动结构的固有频率而对摆进行调谐。振动结构的抖颤吊架弯曲部分被唯一地限定并方便地加工，但是仍然提供了将振动结构没有谐波失真地限制在它的振动平面之内的抖颤吊架。

Description

使用调谐加速计的微机械硅陀螺仪
技术领域
本发明涉及惯性仪器，更具体地，涉及用于测量移动物体的线性加速度以及转速而作为多传感器使用的单轴振动加速计。
背景技术
众所周知，陀螺仪和加速计用于检测角速度和加速度，以确定移动车辆的位置(location)、方向、姿态(position)和速度。
对于小型化和改良性能的双重要求需要加速计的实际结构中具有几乎不可能的精确度。
发明内容
本发明提供了由三部分硅晶片微机械加工的调谐加速计陀螺仪。传感和驱动器元件包括调谐硅摆，其由顶部的挠性铰链连接到一振动结构上，限制振动结构向其运动平面移动的四个抖颤吊架弯曲部分将该振动结构连接到框架。四个抖颤吊架弯曲部分成对位于摆的相对面，靠近摆的顶部和底部。
附图说明
研究与附图相关的以下说明书，可以容易得理解本发明的确切性质及其目的和优点，在所有附图中相似的参考数字指代相似的部件，附图中：
图1是根据本发明的加速计的驱动和传感元件的顶视图；
图2是包含根据本发明的加速计的驱动器、压力器以及调谐电极的顶盖和底盖的顶视图；以及
图3是显示本发明的调谐加速计在装配前的三个元件的侧视图。
具体实施方式
本发明的硅加速计-陀螺仪作为用于测量角速度的装置，是基于对作用于转动中的振动加速计的科里奥利感应加速度的传感及测量。加速计包括三个元件：驱动及传感元件(图1)、具有驱动器、压力器及调谐电极的顶盖(图2)和具有驱动器、压力器及调谐电极的底盖(图2)。
每一驱动及传感元件30优选地微机械加工于硅晶片上的阵列中，硅晶片直径不小于四英寸、厚度不小于500微米。驱动及传感元件包括由固定在振动驱动结构32上的摆挠性铰链41支撑的调谐摆或检验块43，振动驱动结构32包括四个抖颤吊架弯曲部分39、40、42和44。驱动和拾取元件37被微机械加工在结构32上。调谐摆或检验块43以垂直于图1的纸面的方向在挠性铰链41周围弯曲。摆43的周边位于由振动驱动结构32切出的明渠35之内。
振动驱动结构32在框架31内得到支撑，以在图1的纸面中沿OA轴23振动。振动驱动结构由结构32和框架31之间的切出空间33而唯一地限定，形成四个抖颤吊架弯曲部分39、40、42和44。这些弯曲部分为振动驱动结构32和摆43提供了高度线性的抖颤吊架。
在闭环操作中，用于围绕挠性铰链41简单旋转的摆43的固有频率被设计为比整个振动驱动结构32和摆43的固有频率高1％至2％，由四个抖颤吊架弯曲部分39、40、42和44悬挂。
使用静电力元件37，驱动包括摆43的振动结构32以其固有频率及定义的振幅振荡。施力及拾取元件的详细设计依赖于为抖颤驱动而选择的特定电子电路设计。这种电路及设计在本领域中广为人知，这里不作进一步的介绍。
其上安装有驱动器、压力器和调谐电极作为一部分的顶盖和底盖都微机械加工在直径大于等于四英寸的绝缘硅片(SOI)晶片上的阵列中。SOI晶片包括由中间二氧化硅绝缘层熔焊在一起的手柄晶片和设备晶片。
参考图2，显示了本发明的调谐加速计陀螺仪的顶44，SOI晶片的手柄晶片部分构成盖45。微机械加工SOI晶片的设备层，以构成保护环47、调谐及施力电极51和53、和驱动器及拾取电极49。设备层47通过中间二氧化硅绝缘层(未显示)而与手柄晶片或盖45绝缘隔离。通孔被微机械加工在盖45中，并通过二氧化硅绝缘隔离层，以允许从触点到盖的设备层中的电极，即调谐及施力电极和驱动器及拾取电极的金属化。应当理解，图2描述了本发明的加速计陀螺仪的驱动及传感元件的顶盖和底盖。
在驱动及传感元件30的框架31(图1)的两侧还热生长并构图有二氧化硅绝缘层。在顶盖和底盖驱动器、压力器和调谐元件晶片的保护环47上还热生长并构图有另一二氧化硅绝缘层。
二氧化硅层在三个晶片接合时限定摆43和压力器及调谐电极51和53之间的间隙，以及驱动及拾取电极49和驱动器及拾取电极之间的间隙，所述二氧化硅层的一层在顶盖和底盖的保护环上，一层在驱动及传感元件的框架上。
参考图3，根据本发明，描述了顶盖44、驱动及传感元件30和底盖55，它们构成整个加速计陀螺仪。如上所述，使用直接晶片熔焊将这三个元件接合在一起。
在操作中，硅调谐加速计陀螺仪与其驱动及伺服电路合为一体，可以是开环或闭环的。在闭环操作中，驱动电极检测振动结构的姿态，并向驱动电极施加信号，以静电地使振动结构以其固有频率和定义的幅度进行振荡。伺服电路检测摆的位置并向压力器、拾取及调谐电极施加信号，以使摆姿态在其共振频率及弯曲部分无效。向调谐电极提供直流信号，以将负的静电弹力引至摆上。直流信号的幅度由减少摆及弯曲部分的固有频率以匹配振动结构的固有频率所需的负弹簧的幅度来确定。伺服电路的输出是与检测的科里奥利加速度的幅度成比例的直流信号，其与测量的角位移成比例。
迄今为止，描述的硅调谐加速计陀螺仪的结构是单轴、非均衡(non-counterbalanced)闭环陀螺仪。应当注意，通过装配两个硅调谐加速计陀螺仪芯片，使它们的撞击(percussion)加速计中心在一条直线上对齐，对于线性和角振动及噪声得到共态抑制，并引入均衡的测量。
在两个这样的硅调谐加速计陀螺仪的撞击中心在一条直线上对齐地装配的结构中，从本质上消除了对于角振动的敏感性。通过差分两个陀螺仪的输出而得到线性振动的共态抑制，两个陀螺仪的输出抵消了在陀螺仪比例因数相等时的线性振动信号并加倍角速度信号。
上述硅调谐加速计陀螺仪还可以开环运行，以较少成本但以性能降低为代价。在开环结构中，振动结构和摆的固有频率分隔开比所需带宽大一个数量级。这些频率的差别是应用所需的带宽及灵敏度之间的折中。
对于同等尺寸的芯片或更小的芯片，上述调谐加速计陀螺仪表现了更高的信噪比，允许对于相同的信噪比每晶片具有更多芯片以及随之而来的更低的芯片成本。这个好处是由于整个传感元件(摆)具有完全的抖颤速度，而不是像现有的硅陀螺仪中那样在角振荡传感元件的中心处减至0。另外，由于抖颤动作的幅度更高，信噪比有可能更高。这是由于抖颤吊架弯曲部分中的更低压力而引起的。
硅调谐加速计陀螺仪还表现了振动结构的抖颤驱动姿态和速度的谐波畸变更少。关于振动结构的抖颤姿态及速度的精确解调及再调制对于任何陀螺仪的性能都是很重要的。减小的谐波畸变是由于消除了现有的硅陀螺仪抖颤驱动中固有的加强弹簧(hard spring)。这些加强弹簧特性是由具有角位移的抖颤驱动弯曲的张力而引起的。支撑本发明的硅调谐加速计陀螺仪的振动结构的弯曲不被线性位移拉紧。

Claims (18)

1.一种用于检测线性加速度的加速计陀螺仪，具有由基本平坦的单片材料形成的检测元件，该加速计陀螺仪检测元件包括：
框架部分；
振动结构，其具有位于所述框架部分中的顶、底和侧面，并且它们由吊架连接至所述框架部分，该振动结构具有固有振动频率；和
摆，其位于所述振动结构内并通过挠性铰链连接至所述振动结构，该摆和挠性铰链被设计为具有高于振动结构和摆的固有振动频率的固有振荡频率。
2.如权利要求1的加速计陀螺仪，其中摆和挠性铰链被设计为具有比振动结构和摆的固有振动频率高1％的固有振荡频率。
3.如权利要求1的加速计陀螺仪，其中摆的固有振荡频率至多比振动结构和摆的固有振动频率高2％。
4.如权利要求3的加速计陀螺仪，其中振动结构和摆由至少厚500微米的硅晶片微机械加工而成。
5.如权利要求1的加速计陀螺仪，其中振动结构的吊架包括多个弯曲部分，每个弯曲部分具有一长轴和一短轴，每一弯曲部分的长轴与摆的侧面平行。
6.如权利要求1的加速计陀螺仪，进一步包括由绝缘硅片晶片制成的框架部分的顶盖和底盖，绝缘硅片晶片具有熔焊在一起且其间为二氧化硅绝缘层的手柄晶片和设备晶片。
7.如权利要求6的加速计陀螺仪，其中顶盖和底盖包括驱动器、施力及调谐电极和在设备晶片中形成的拾取电极。
8.如权利要求7的加速计陀螺仪，进一步包括在框架部分的两侧上以及顶盖和底盖的周边附近的二氧化硅层，层的厚度被选择以限定当顶盖和底盖及框架部分接合时摆和施力及调谐电极之间的间距。
9.如权利要求8的加速计陀螺仪，其中摆和挠性铰链被设计为具有比振动结构和摆的固有振动频率高1％的固有振荡频率。
10.如权利要求9的加速计陀螺仪，其中摆的固有振荡频率至多比振动结构和摆的固有振动频率高2％。
11.如权利要求10的加速计陀螺仪，其中振动结构和摆由至少厚500微米的硅晶片微机械加工而成。
12.如权利要求1的加速计陀螺仪，进一步包括信号发生器，用于施加预定幅度的直流信号，以将摆和挠性铰链的固有频率减至振动结构的固有频率。
13.如权利要求12的加速计陀螺仪，其中摆的固有振荡频率至多比振动结构和摆的固有振动频率高2％。
14.如权利要求13的加速计陀螺仪，其中振动结构和摆由至少厚500微米的硅晶片微机械加工而成。
15.如权利要求14的加速计陀螺仪，其中振动结构的吊架包括弯曲部分，每个弯曲部分具有一长轴和一短轴，每一弯曲部分的长轴与摆的侧面平行。
16.如权利要求15的加速计陀螺仪，进一步包括由绝缘硅片晶片制成的框架部分的顶盖和底盖，绝缘硅片晶片具有熔焊在一起且其间为二氧化硅绝缘层的手柄晶片和设备晶片。
17.如权利要求16的加速计陀螺仪，其中顶盖和底盖包括驱动器、施力及调谐电极和在设备晶片中形成的拾取电极。
18.如权利要求17的加速计陀螺仪，进一步包括在框架部分的两侧上以及顶盖和底盖的周边附近的二氧化硅层，层的厚度被选择以限定当顶和底及框架接合时摆和施力及调谐电极之间的间距。
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