CN1312906A - 角速度传感器 - Google Patents

Abstract

一种角速度传感器或陀螺包括通过一些支撑杆(2)安装的一个类似环形的谐振器(1),这些支撑杆(2)从环(1)的内周边延伸到基座(3)上的一个凸起(4)。支撑杆(2)是柔性的,并使得谐振器(1)能够响应于静电驱动装置(6、8)、以基本上非衰减的振荡模式振动,且使得该谐振器能够响应于转速、相对于支撑装置运动。支撑杆(2)和谐振器(1)用晶体硅制成。配置了静电传感装置(7、9),用于传感谐振器(1)的运动。驱动装置(6、8)和传感装置(7、9)具有类似平板的、用晶体硅制成的一些部件,具有基本上位于垂直于谐振器(1)的平面的、距谐振器(1)的相邻外周边处于某一间隔处的一些表面。谐振器(1)在外周边(1b)处的厚度与周边(1b)和所述部件的那些表面(10)之间的间距(11)的宽度之比值在10∶1到40∶1的范围内。

Description

角速度传感器

本发明涉及一种适于传感至少围绕一个轴的运动的传感器。

诸如振动结构的陀螺仪那样的通常的角速度传感器可用各种不同的振动结构来构造。这些包括一些杆、一些旋转轮叉、一些圆柱体、一些半球形壳以及一些环。在所有这些结构中的一个共同的特征是它们保持共振载体模式振荡。当陀螺围绕适当的轴旋转时，这提供了产生科里奥利力的线动量。这一感应出来的力将产生以载体模式的频率振荡的、沿着垂直于所施加的转动和线动量的轴的一根轴的振荡运动。所述振荡运动的振幅正比于角速度。

可通过设计振动结构来提高这样的振动结构的陀螺的灵敏度，也就是说，振动器或振动部件使得科里奥利力直接激发结构的自然振动模式。如果这一响应模式的频率严格地与载体的频率相匹配，那么，响应模式运动的振幅就会通过结构的机械品质因数Q放大。获得载体和响应模式频率的这一匹配不可避免地给构造的配合公差带来紧凑的限制。实践中，通常必须通过添加或去除围绕谐振器的一些适当位置处的材料来精细协调该谐振器的平衡。这局部地调整了质量或硬度参数，这样，高辨差地移动了模式的频率。

有许多采用传统的加工技术制造通常的振动结构的陀螺仪的例子。这些包括陶瓷圆柱体振动结构陀螺仪和半球形谐振器陀螺仪。最近，微切削加工技术的进展已经使得能够以基本上更低的成本制造尺寸和质量都大为减少的振动结构。这转而又为振动结构的陀螺仪在诸如在汽车导航和底盘控制系统这样的一些领域中打开了新的市场机会。

精确平衡载体和响应模式的频率的要求同样可用于微切削加工的振动结构的陀螺仪。通常在硅振动结构的微切削加工制造中所采用的石印技术能够在硅晶片的平面中获得极高的精度。三维的公差控制并没有这么精确。因此，对于载体和响应模式运动被限于晶片平面的的运动的那些振动结构是最适于发挥由微切削加工技术所提供的那些优点。

平面环振动结构或谐振器是特别适用于用微切削加工技术制造的谐振器的一个例子。这些一般激发成cos2θ共振模式。对于特别对称的谐振器，这种模式基本上是作为相互成45°的角那些振动模式的简并对激发。图1A和图1B中示意性地示出了这些，在图1A和图1B中，示出了结构的振动是围绕着主轴P和辅助轴S。这些模式中的一个被激发为载体模式，就如图1A所示出的那样。当结构围绕着垂直于环的平面的轴(z轴)转动时，科里奥利力将能量耦合给响应模式(图1B)。响应模式的运动的振幅正比于所施加的转速。

GB9703357.5和USA5450751中说明了采用平面环谐振器的转动结构的陀螺仪。GB9703357.5说明了用成块的硅制成的转动结构，该结构带有一个用八个柔顺的杆或柱从外部支撑的平面环谐振器。这种陀螺仪采用感应驱动和拾取方法产生驱动力，以便将谐振器激发成运动并传感最终的运动。陀螺仪需要施加于环结构区域中的磁路。这种结构有许多限制。例如，磁路部件必须用标准加工技术来制造。然后，随之以与谐振器精确对准的方式将这些组装在一起。加工和对准这些部件的精度并不与微切削加工方法所得到的精度相匹配。包括这些部件限制了可能使之最小化的程度，结果，陀螺仪并不适于减少尺寸而同时并不降低性能。

此外，这样的陀螺仪的性能的某些方面关键性地依赖于磁路和B场的大小。这些中最显著的是表明B2依赖性的标度因子。B场在整个工作温度范围内显著变化，导致了明显的标度因子的温度依赖性。

US-A5450751中说明的陀螺仪带有一个静电驱动成共振的、电成型的平面金属环谐振器，用电容传感所感应的运动。在环的外圆周边缘和围绕着所述环同心地定位的一些离散的平板两两之间形成驱动和拾取传感器。已设计这种结构用来使得平面中的自然频率最小化而同时保持它在任何输入的转动频率带之上。另外的要求是平面外的自然频率在平面内的自然频率之上。愿意使环的宽度最小化，以便满足这两个要求。最终所得到的谐振器的结构采用了环的宽度等于该环的那些支撑柱的宽度这样一种结构。这给出了这样一种结构，那些柱的组合起来的硬度与环的硬度相比要高。这意味着结构的共振频率主要由那些支撑柱和机械平衡方法来决定，例如GBA2292609A中所述的激光平衡方法就不能用。

通过给特定的一些传感器位置施加直流电压来获得载体和响应模式频率之间的平衡。这就像静电弹簧那样起作用，高辨差地移动模式频率。这些平衡电极占据了另外可能要用于驱动和拾取位置的那些位置，以便使整个装置头增益最大化，这样就改进了噪声性能。这种平衡技术还要求采用另外的控制电子学中的反馈回路，该反馈回路本身会给系统带来噪声，这里就需要大的补偿电压来平衡那些模式。

这样，就需要改进的角速度传感器，优选的是，具有基本上是与温度无关的标度因子，具有高的驱动和拾取增益，能够被机械平衡，而且可制作得尺寸小。

按照本发明的一个方面，提供了一种角速度传感器，这种角速度传感器包括一个基本上是平面的振动谐振器，这个振动谐振器基本上具有环形或类似环带形的结构且内、外周边围绕一个共同的轴延伸，这种角速度传感器还包括用于使所述谐振器振动的静电驱动装置和支撑装置，该支撑装置包括许多柔软的支撑杆，用于支撑所述谐振器并使得该谐振器能够响应所述静电驱动装置、以一种基本上是非衰减的振荡模式而振动，例如，使得所述谐振器响应于转速而相对于上述支撑装置运动，用晶体硅制作那些支撑杆和谐振器，这种角速度传感器还包括用于传感所述谐振器运动的静电传感装置，静电驱动装置和静电传感装置包括用晶体硅制作的、类似平板的一些部件，这些部件具有处于距所述谐振器的相邻外周边一定间隔、基本上垂直于该谐振器的平面的一些表面，在所述相邻周边处的该谐振器的厚度与在所述谐振器周边和类似平板的部件的那些表面之间的间隔的宽度的比值是从10∶1到40∶1，以便使在所述谐振器和类似平板的部件两者之间的电容最大，因此，使得在所述用于所施加的给出的电压的谐振器上的驱动力最优化，并使得静电传感装置的灵敏度最优化。

优选的是，支撑装置还包括一个基座。这个基座用静电绝缘材料或具有绝缘氧化物表面层并具有一个突出的凸起的硅制成，基本上是环形或类似环带形的结构的内周边通过支撑杆与所述凸起接合，所述那些支撑杆从所述环形或环带形的结构内周边延伸到所述突出的凸起，这使得所述环形或类似环带形的结构与上述基座隔开，所那些述支撑杆的整个硬度小于所述环形或类似环带形的结构的硬度。

传感器方便地具有八个以相等角度隔开的支撑杆。

静电驱动装置的优点是包括两个类似于平板的、静电载体模式驱动部件，用于使谐振器以cos2θ的载体模式振动，该载体模式驱动部件的位置相对于一个位于所述谐振器平面内的一根固定的参考轴成0°和180°，而两个类似平板的、静电响应模式驱动部件的位置相对于所述固定参考轴成45°和225°，其中，静电传感装置包括两个用于传感所述谐振器的载体模式运动的、类似平板的、静电载体模式拾取部件，这两个载体模式拾取部件的位置相对于上述固定的参考轴成90°和270°，而且，所述静电传感装置还包括用于传感所述谐振器响应于传感器围绕一根垂直于该谐振器平面的轴转动的运动的、类似平板的、两个响应模式拾取部件，这两个响应模式拾取部件的位置相对于上述固定的参考轴成135°和315°

优选的是，传感器包括保持谐振器相对于静电驱动和拾取装置处于一个固定的直流偏压的装置。

传感器方便地包括一个电接地的屏，用于封闭除了驱动和拾取装置的面向谐振器的外周边的那些表面外的该驱动和拾取装置，并运行以便使得在所述驱动和拾取装置之间的直接电容耦合最小。

有益的是，其中用电绝缘材料制作基座，传感器包括用于使该基座电接地的装置。

优选的是，所用的晶体硅的电阻使得有效驱动装置的间隔电阻基本上大于支撑杆的电阻。

为了更好地理解本发明，并显示如何使得本发明有效地工作，现在借助于实施例来参考附图，在附图中：

图1A和图1B是用于本发明的角速度传感器的载体模式(图1A)和响应模式(图1B)的cos2θ振动方式的示意图，

图2是从本发明的角速度传感器的部分的上方看的示意性的平面图，显示了谐振器、支撑装置以及驱动和拾取装置，

图3是沿图2中的A-A线所取的示意性的剖面图，以及

图4是本发明的第二个实施例的传感器的、类似于图3的剖面图。

适于用作振动结构的陀螺仪的、本发明的角速度传感器包括一个基本上是平面的振动谐振器1，该谐振器1基本上具有环形或类似环带形的结构，该结构带有内周边1a和外周边1b。内周边1a和外周边1b如附图中的图2所示的那样围绕一个共同的轴延伸。传感器还包括支撑装置，该支撑装置又包括许多柔软的支撑杆2，用于支撑谐振器1，并当以一种基本上是非衰减的振荡模式驱动该谐振器1时，例如，当使得谐振器1响应于转速、相对于所述支撑装置移动时，使得谐振器1能够振动。支撑装置还包括用电绝缘材料制作的、并具有一个突出的凸起的基座3。用电绝缘材料制作的基座3具有用于使其电接地的装置。谐振器1的内周边1a通过从内周边1a延伸到凸起4的支撑杆2与凸起4接合，这使得所述环形或类似环带形的谐振器与凸起4隔开，就像从图3和图4中所见到的那样。支撑杆2的整个硬度小于类似环形的谐振器1的硬度。腔体5就以这种方式直接配置在环形谐振器1和支撑杆2下面的区域中，这使得它们能够从凸起4那里自由悬挂。在附图2、3、和4中所示的本发明的实施例中，有八个等角度隔开的支撑杆2。

所述那些杆具有在连接点处作用在谐振器上的点弹簧质量的效果。这样，它们局部干扰造成谐振频率移动的模式动力学，为了防止引入载体和响应模式的频率的所不希望的有分开，柱的数目和位置应该与模式对称性匹配。当采用cos2θ模式时，采用以等角度45°分开的、八个相同的杆2。那些杆2和谐振器1各自的大小使得杆2的整个硬度明显地小于谐振器1本身的硬度。这确保了cos2θ的状态主要由所述谐振器的环形部分的谐振器特性来确定。

这有两个不同的优点。首先，杆的柔顺性用来使环形谐振器与基座装置分离，这显著地降低了对于热感应的安装应力的灵敏度。其次，由于制作缺陷所造成任何频率的分开可用GB2292609A中所述的机械平衡方法来配平。这一技术涉及到从类似环形的谐振器的1的中性轴去除质量，并使得能够精确平衡载体和响应模式的频率。将在整个工作温度范围保持这一平衡。这种方法只能成功地用于由类似环形的谐振器的特性来控制谐振状态的情况。像US5450751中所述的那样的类似环形的谐振器的谐振频率将基本上不受这一方法的影响，这是因为谐振特性主要由支撑柱的尺寸来确定。

借助于电驱动装置将谐振器结构激发成cos2θ模式，用静电拾装置来检测最终的运动。

用晶体硅制作支撑杆2和谐振器1，而传感器还包括用于使谐振器1振动的静电驱动装置和用于传感谐振器1运动的静电传感装置。静电驱动装置和静电传感装置包括用晶体硅制成的、传感器形式的、类似平板的部件6、7、8、和9，所述这种传感器形式具有距谐振器1的相邻外周边1b间距11处的、基本上位于垂直于谐振1的平面的、一些表面10。

静电驱动装置包括两个用于使谐振器1以cos2θ载体模式振动的、类似平板的、静电载体模式驱动部件6，该载体模式驱动部件6的位置相对于位于谐振器1的平面内的一个固定的参考轴R处于0°和180°处。参考轴R是从谐振器1的几何中心到那些载体模式驱动部件6中的一个的中心点处。静电驱动装置还包括位置相对于参考轴R处于45°和225°处的、类似平板的、两个静电响应模式驱动部件8。

静电传感装置包括两个相对于参考轴R处于90°和270°处的、类似平板的、两个静电载体模式拾取部件7以及用于传感谐振器1响应于所述传感器围绕一个垂直于谐振器1的平面的轴(即Z轴)的转动的运动的、类似平板的、两个响应模式拾取部件9，该响应模式拾取部件9的位置对于参考轴R处于135°和315°处。

当传感器围绕Z轴旋转时，科里奥利力将能量耦合给响应模式，运动的振幅正比于所施加的速率。用拾取装置9检测这一运动。可借助于响应模式驱动装置8使速率所导致的运动为零，以便使得传感器能够以已知的、封闭的环形结构工作，这给出了性能优点。在这种工作模式中，上述使得为零的力正比于所施加的力。

如前所述，驱动和拾取传感器是由晶体硅构成的、类似平板的、相同的传感器。垂直于谐振器1的平面的平板表面10形成面向谐振器1的相邻部分的表面的电容器。平板以在两个相邻的传感器部件之间成5°角的方式对着一个40°角的弧。在整个电容器平板区域上，将电容器间距11保持在恒定值。谐振器1的传感器的位置和中心凸起4刚性地固定在制成基座3上，该基座3含有诸如玻璃那样的电绝缘材料。如图4所示的那样，可选择使用具有绝缘表面氧化物层13的硅基片。

谐振器结构相对于驱动和拾取部件保持在一个固定的直流偏压。借助于连接导线(未示出)进行从控制电路到金属连接基座14的电连接，该金属连接基座14沉积在中心凸起4处的谐振器结构的表面上。一些连接基座15类似地沉积在驱动和拾取部件的上表面上。

按照本发明，在谐振器1的外周边1b处的谐振器1的厚度(t)与在谐振器外周边1b和相邻的、类似平板的、驱动或拾取部件的那些表面10两两之间的间距11的宽度(w)的比值必须是从10∶1到40∶1，以便使在谐振器1和部件6、7、8、和9两两之间的电容最大，因此，使得在谐振器1上的、用于给定的所施加的电压的、驱动力最大，并且，还使得由部件7和9所提供的静电传感装置电阻灵敏度最大化。

施加给驱动部件6的振荡电压将产生一个驱动力F,F由下式给出： $F=\frac{e_{0}A}{d^2}{V}_{\mathrm{DC}}{V}_p-------\left(1\right)$

这里，V_DC是固定直流补偿电压，V_P是以频率ω施加到驱动部件6上的振荡电压，d是电容器平板间距，A是电容器平板面积，而ε₀是自由空间的电容率。谐振运动调整拾取部件间距11，因此，调整电容。这将在拾取部件7产生电流I_PO，电流I_PO由下式给出： $I_{\mathrm{PO}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{d^2}{V}_{\mathrm{DC}}{a}_{\mathrm{\ω}}-------\left(2\right)$

这里，a是运动的振幅，假定该运动的振幅与电容器间距d相比要小。当采用电容驱动和拾取传感器时，封闭回路的标度因子由下式给出： $\mathrm{SF}=\frac{{\mathrm{m\πd}}^2}{180}\frac{I}{C_8^2}\frac{V_{\mathrm{ref}}}{V_{\mathrm{DC}}^2}------\left(3\right)$

这里，m是谐振器1的质量，C_g是传感器电容，而V_ref是原始拾取输出的、固定电压参考电平(这补偿一个恒定的载体模式振幅)。由于谐振器1和部件6、7、8、9都用同样的成块的硅晶片来制作，整个结构的几何形状随温度变化将极为稳定。电压电平还可以以高精度保持，这样，标度因子在整个温度范围将基本上是恒定的。这表明，当采用依赖于B²的感应驱动器和拾取器时，对于整个相应的情况有显著的改进。

驱动信号可直接耦合给拾取装置。配置了一个电接地的屏16，该屏16除了面向谐振器1的外周边1b外封闭了垂直于所示谐振器的平面的所有表面。这个屏16用与谐振器1和传感器平板同样的硅晶片层构成，这使得驱动和拾取部件能够彼此紧密地邻近而不会产生不适当的拾取电平。然后，这些部件能够对着一个更大的角，这帮助使得驱动和拾取部件的增益最大化。

在驱动和拾取部件两两之间的寄生电容还可间接出现，这里，通过所施加的驱动电压偶然地调制谐振器1的直流偏压补偿。通过有效驱动传感器间隙电阻R_gap与连接基座到环形周界电阻的偏压补偿的电阻的比值来确定这一调制的振幅(注意，这通过支撑杆电阻R_leg控制)。通过选择一定电阻率的硅晶片材料，这一误差来源可处于在可接受的限度之内，这使得R_gap＞＞R_leg。可以选择地，通过在谐振器1和支撑杆2的整个上表面上沉积金属，然后，可采用相当更高电阻率的硅。

晶体硅的电阻率使得有效驱动传感器间隙电阻，也就是说，有效驱动装置间隔电阻，基本上大于支撑杆电阻。

这里，基片或基座12由具有绝缘氧化物表面层13的硅晶片构成，就如图4中那样，存在另外的寄生耦合机制。为了消除通过在氧化物表面层下面的硅的的电容耦合，晶片12必须另外电接地。可以在控制电路中方便地做到这一点，使该控制电路直接与所述基片电连接。如果传感器容纳在一个接地的金属包内，可借助于施加在该传感器下面和所述包的表面两者之间的导电环氧树脂方便地做到这一点。可以选择地，可通过在硅屏层中刻蚀另外的洞从而在器件片上做到这一点，所述洞穿过表面氧化物，以便暴露基片表面，就如图4所示的那样。然后，可直接将金属连接基座18沉积在硅基片上，并从连接基座20到上述屏用导线19连接。

为了使由于给定的所施加的电压的、可能获得的驱动力最大化，愿意使电容器板区域最大化，并使间距11的尺寸最小化(也就是说，使得电容最大)。可通过增加谐振器1的半径和深度或厚度(t)来增加电容区域。补偿自然模式频率在任何输入振动范围之上的要求，对这些尺寸加上了某些限制。对于诸如这里所述的谐振器结构，这里，谐振器1明显地比那些支撑杆硬，最低谐振频率是谐振器1的平面平移的输出。增加谐振器的半径会降低这一模式的频率，然而，可通过增加结构的深度来部分地补偿这一点。现代深度反应离子刻蚀(DRIE)设备，和技术能够在硅中刻蚀高质量的垂直沟槽一直到数百微米的深度。这提供了制作具有大板区域的电容器的可能性。不过，使电容最大化还取决于减少间距11。

设计传感器的尺寸使得给出适于所有这些设计要求的最佳解决方案。图2中所示的结构中的谐振器半径为2毫米，且边缘宽度为50微米。支撑杆2宽24微米，且所有支撑杆的整个硬度明显地小于谐振器1的硬度。电容器间距11为10微米，这样，谐振器的环深度或厚度为100微米，沟槽的纵横比为10∶1。采用这种尺寸的电容器间距使得能够获得适当的传感器增益，且对谐振器具有低的补偿电压(～5V)。这避免了需要产生超过电源的电压，并便于低成本的ASIC集成化。采用这些尺寸，可制造具有与现代大量自动化的要求相称的性能和制造成本的传感器。

Claims (9)

1、一种角速度传感器，包括基本上是平面的振动谐振器，该谐振器具有基本上是环形或环带形的结构，且具有围绕着共同轴的内边缘和外边缘；使所述谐振器振动的静电驱动装置；支撑装置，包括许多柔软的支撑杆，用于支撑上述谐振器并用于使得该谐振器能够以一种基本上是非衰减振荡的模式、响应于上述静电驱动装置振动，这样，使得所述谐振器能够相对于上述支撑装置、响应于转速而运动，所述那些支撑杆和谐振器用晶体硅制成；用于检测所述谐振器运动的静电传感装置，所述静电驱动装置和静电传感装置包括用晶体硅制成的、类似平板的一些部件，所述硅晶体具有位置基本上是垂直于上述谐振器平面的、距所述谐振器的相邻外周边处于某一间距处的一些表面，且在所述相邻的周边处的上述谐振器的厚度与在所述谐振器周边和类似平板的部件的那些表面之间的间距的比值从10∶1到40∶1，以便使得在上述谐振器和那些类似平极的部件之间的电容最大化，从而，使得对于给定的施加电压、在上述谐振器上的驱动力最优化，并使得上述静电传感装置的灵敏度最优化。

2、如权利要求1所述的一种传感器，其特征在于上述支撑装置还包括用弹性电绝缘材料或具有绝缘氧化物表面层并具有一个突出的凸起的硅制成的基座，且基本上是环形或类似环带形的结构的内周边通过上述那些支撑杆与所述凸起连接，所述这些支撑杆从所述环形或类似环带形状的结构的内周边延伸到所述突出的凸起，这使得所述环形或类似环带形的结构与上述基座隔开，且所述那些支撑杆的整个硬度小于所述环形或类似环带形状的结构的硬度。

3、如权利要求2所述的一种传感器，其特征在于具有八个等角距离隔开的支撑杆。

4、如权利要求2或权利要求3所述的一种传感器，其特征在于所述静电驱动装置包括两个类似平板的、静电载体模式驱动部件，用于使所述谐振器以cos2θ载体模式振动，所述这两个类似平板的、载体模式驱动部件的位置相对于位于上述谐振平面内的一根固定的参考轴处于0°和180°处，所述静电驱动装置还包括两个类似平板的、静电响应模式驱动部件，所述这两个类似平板的、静电响应模式驱动部件的位置相对于所述固定的参考轴处于45°和225°处，上述静电传感装置包括两个类似平板的、静电载体模式拾取部件，用于传感所述谐振器的载体模式的运动，所述这两个载体模式拾取部件的位置相对于上述固定的参考轴位于90°和270°处，且所述静电传感装置还包括两个类似平板的、响应模式拾取部件，用于响应于所述传感器围绕垂直于所述谐振器的平面的一根轴的转动的运动，所述这两个类似平板的、响应模式拾取部件的位置相对于上述固定的参考轴处于135°和315°处。

5、如权利要求2到权利要求4中的任何一个所述的传感器，其特征还在于，包括用于保持所述谐振器相对于所述静电驱动和拾取装置处于一个固定直流偏压的装置。

6、如权利要求2到权利要求5中的任何一个所述的传感器，其特征还在于，包括一个电接地屏，该接地屏用于封闭除了上述驱动和拾取装置的面向所述谐振器的外周边的那些表面之外的该驱动和拾取装置，并工作使得在所述驱动装置和拾取装置之间的直接电容耦合最小化。

7、如权利要求2到权利要求6中的任何一个所述的传感器，其特征在于，上述基座用电绝缘材料制成，并且，包括用于使所述基座电接地的装置。

8、如权利要求1到权利要求7中的任何一个所述的传感器，其特征在于所用的晶体硅的电阻率使得有效驱动装置间隔电阻基本上大于上述支撑杆的电阻。

9、基本上如前述的一种角速度传感器，以及如图2、图3、和图4所述的、且并没有如附图中的图1A或图1B所修改的那样的、一种角速度传感器。

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