专利名称：振动型微机械角速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测量角速度的测量装置，更具体地，涉及振动型微机械角速度传 感器。本发明的目的是提供一种改进的传感器结构，其使得特别是在小型振动型微机械式 角速度传感器解决方案中能够以两个自由度或三个自由度并以良好性能来实现可靠的测量。
背景技术：
已经证明了基于振动型角速度传感器的测量技术是一种具有简单构思并且很可 靠的角速度测量方法。最常使用的振动型角速度传感器的工作原理是所谓的音叉原理。在振动型角速度传感器中，产生某种已知的主运动，并在该传感器中使上述主运 动持续。随后，检测出将要通过该传感器而被测量的运动以作为上述主运动的偏差。在音 叉原理中，上述主运动是两个以反相的方式进行振动的线性共振器的振动。在与上述共振器的运动方向垂直的方向上对该传感器起影响作用的外部角速度 产生在相反的方向上对块体起影响作用的科里奥利力(Coriolis force)。与角速度成比例 的科里奥利力既可以直接从各块体中检测出来，也可以通过将各块体在同一转动轴上进行 关联而检测出来，因此所检测的运动是在角速度轴的方向上的角振动。角速度传感器所要求具有的主要特性是抗震性和耐冲击性。尤其是在例如汽车工 业中的驱动控制系统等的高需求应用中，上述这些要求是极其严格的。即使猛烈的冲击，例 如由石头造成的外部撞击等，或者由汽车立体声系统造成的震动，都不应该影响角速度传 感器的输出。下面示例性地参照一些附图来对现有技术进行说明，这些附图中图1示出了现有技术中振动型微机械Z轴角速度传感器的功能性结构图；图2示出了现有技术中振动型微机械Z轴角速度传感器的示例性电容实施方案的 图；图3示出了现有技术中振动型微机械X/Y轴角速度传感器的功能性结构图。图1示出了现有技术中振动型微机械Z轴角速度传感器的功能性结构图。现有技 术中所描述的该振动型微机械Z轴角速度传感器包括块体1，该块体1在X轴方向上通过弹 簧4和弹簧5而被激励框架2支撑着。上述激励框架2进一步在Y轴方向上通过弹簧6和 弹簧7而被支撑结构3支撑着。在现有技术的振动型微机械Z轴角速度传感器中，通过被支撑结构3支撑着的弹 簧6和弹簧7来激发处于中央的块体1及围绕着该块体1的激励框架2，使块体1及激励框 架2进入Y轴方向上的主运动。由用于将块体1支撑于激励框架2中的悬挂弹簧4和悬挂 弹簧5形成的沿X轴方向的检测轴与上述主运动垂直。当在该主运动下进行振动的上述结构相对于与表平面垂直的Z轴旋转时，在该主 运动下进行运动的块体1在与其运动方向垂直的X轴方向上受到科里奥利力。随后，进一 步地，检测用弹簧4和5除了测定阻尼之外还测定所产生的待检测运动的振动振幅和振动相位。图2示出了现有技术中振动型微机械Z轴角速度传感器的示例性电容实施方案的 图。在所描述的ζ轴角速度传感器中，块体1和激励框架2的共同主运动是通过激发用梳 状结构8而被静电激发的，并通过检测用梳状结构9而被检测。另一方面，由科里奥利力引 起的次运动(secondary motion)是通过电容梳状结构10和11而被差分检测。这种传感 器通常由于如上述那样将两个构件相互结合因而存在着差异，所以会获得对外部机械干扰 极其更不敏感的结构。在美国专利第US 6，752，017号中描述了现有技术中的这样一种传 感器方案。图3示出了现有技术中振动型微机械X/Y轴角速度传感器的功能性结构图。在美 国专利第US 5，377，544号中描述了现有技术中的这种传感器方案的原理。现有技术中所 描述的振动型微机械X/Y轴角速度传感器包括转动块体12，该转动块体12在中央处通过悬 挂弹簧14和悬挂弹簧15而被支撑结构13支撑着。现有技术中该振动型微机械X/Y轴角 速度传感器还包括设置在转动块体12上方或下方的电容电极18。在现有技术的上述振动型微机械X/Y轴角速度传感器中，通过静电激励用梳状结 构16和主运动检测用梳状结构17将位于中央的转动块体12激发得使其进入主运动，该主 运动是在表平面内绕着ζ轴进行转动的运动。由支撑结构13以及悬挂弹簧14和15形成 的在X/Y平面中的方向上的检测轴与主运动的转动轴垂直。当现有技术中所描述的振动型微机械X/Y轴角速度传感器相对于X轴旋转时，在 转动块体12中产生了与其速度同相的科里奥利力，并且由弹簧14产生的相对于Y轴的扭 矩使该转动块体12发生扭转振动。相应地，当该X/Y轴角速度传感器相对于Y轴旋转时， 在转动块体12中产生与其速度同相的科里奥利力，并且由弹簧15产生的相对于X轴的扭 矩使该转动块体12发生扭转振动。通过电容电极18能够对所产生的振动进行电容检测。对于在消费者电子产品中的大量应用，需要具有极小尺寸和成本效益的角速度传 感器。由于常常需要多于一个自由度的激发和检测，因此以数个自由度进行的测量技术对 角速度传感器提出了挑战。特别地，已证明了在一个构件中测量相对于表平面内的轴的角 速度和相对于与该表平面垂直的轴的角速度时想要实现成本效益是一项挑战。角速度传感器的成本效益除了取决于表面积，还取决于该元件所需的电子组件的 复杂度。在不同轴的测量用共振器中以数个自由度出现的激发运动也许是使表面积和电子 组件的复杂度增大的最大一个因素。因此，本发明的目的是获得一种适合于小尺寸的振动型角速度传感器的结构，利 用该结构，通过共同激发运动能够以两个自由度或三个自由度的方式测量角速度。
发明内容
本发明的目的在于提供这样一种改进的振动型角速度传感器其能够以两个自由 度或三个自由度且以良好性能来实现可靠测量，特别是在小型振动型角速度传感器的方案 中，相比于现有技术的方案，其具有显著的成本效益，同时，可以将其设计为对外部机械干 扰的耦合不敏感。本发明提供了一种振动型微机械角速度传感器，其包括至少两个振动块体，它们 通过支撑结构和/或弹簧结构而被悬挂着；以及用于将所述振动块体相互结合起来的弹簧构件。其中，所述角速度传感器适于通过所述振动块体的电极和/或通过以与所述振动块 体相关联的方式而结合的检测用梳状结构来测量相对于两个轴或三个轴的角速度，并且所 述角速度传感器的所述至少两个振动块体适于通过共同模式而被激发至进入主运动振动。优选地，所述至少两个振动块体包括至少一个转动块体。更优选地，所述至少两个 振动块体包括至少一个线性块体。优选地，所述角速度传感器还包括至少一个激励框架结 构。此外，优选地，所述至少两个振动块体通过弹簧而被所述激励框架结构支撑着。另外， 优选地，所述角速度传感器还包括激励用梳状结构，所述激励用梳状结构适于通过共同模 式信号而将所述至少两个振动块体激发至进入主运动。优选地，所述检测用梳状结构适于对上述主运动进行差分检测。此外，优选地，所 述转动块体适于被所述激励框架结构同步化地在绕着ζ轴的表平面内以所述主运动进行 振动。另外，优选地，所述转动块体适于将各所述激励框架结构的运动以反相的方式相互结 合。此外，优选地，在所述线性块体内部设有连接至所述支撑结构的弹簧结构，这些弹簧结 构防止用于检测ζ方向角速度的所述检测用梳状结构以主模式进行运动。优选地，所述电极适于测量通过使所述角速度传感器相对于χ轴进行旋转而产生 的振动。优选地，所述电极适于测量通过使所述角速度传感器相对于y轴进行旋转而产生 的振动。优选地，所述检测用梳状结构适于测量通过使所述角速度传感器相对于ζ轴进行 旋转而产生的振动。优选地，所述角速度传感器采用绝缘体上硅(SOI)型晶片材料来予以 实现。优选地，所述角速度传感器的结构在支撑区域处被基板和/或覆盖物支撑着。优选 地，所述角速度传感器元件的框架连接至所述基板且连接至位于所述角速度传感器的结构 上方的气体空间密封用覆盖物。
下面示例性地参照附图对本发明及其优选实施例进行详细说明，附图中图1示出了现有技术中振动型微机械Z轴角速度传感器的功能性结构图；图2示出了现有技术中振动型微机械Z轴角速度传感器的示例性电容实施方案的 图；图3示出了现有技术中振动型微机械X/Y轴角速度传感器的功能性结构图；图4示出了本发明具有三个轴的振动型微机械角速度传感器的功能性结构图；图5示出了本发明具有三个轴的第一可供替换振动型微机械角速度传感器的功 能性结构图；图6示出了本发明具有三个轴的第二可供替换振动型微机械角速度传感器的功 能性结构图；图7示出了本发明具有三个轴的第三可供替换振动型微机械角速度传感器的功 能性结构图；以及图8示出了本发明具有两个轴的振动型微机械角速度传感器的功能性结构图。前文中已经描述了图1至图3。下面参照图4至图8对本发明及其优选实施例进 行说明。
具体实施例方式图4示出了本发明具有三个轴的振动型微机械角速度传感器的功能性结构图。本 发明所描述的具有三个轴的振动型微机械角速度传感器包括转动块体34，该转动块体34 在中央处通过弹簧观和四而被支撑结构19支撑着，并且在X轴方向上通过弹簧30、31而 被激励框架结构32、33支撑着。该转动块体34还包括电极37 40。另外，本发明的具有 三个轴的振动型微机械角速度传感器还包括线性块体35和36，这些线性块体在X轴方向上 通过弹簧45、46而被激励框架结构32、33支撑着。所述激励框架结构32、33在Y轴方向上 通过弯曲弹簧M 27而被传感器周边的框架23支撑着。另外，本发明具有三个轴的振动 型微机械角速度传感器包括通过弹簧41、42而被激励框架结构32、33支撑着的电容梳状 结构47、48 ；连接至激励框架结构32、33的激励用梳状结构43 ；检测用梳状结构44 ；连接至 壳体的支撑弹簧49 ；以及支撑结构20 22。本发明具有三个轴的振动型微机械角速度传感器特别适于采用绝缘体上硅 (Silicon on Insulator, SOI)型晶片材料来予以实现。在SOI晶片中，可将支撑区域19 22设置于基板层上且有例如氧化物等绝缘膜介于二者之间，同时可通过将这些支撑区域中 的氧化物选择性地蚀刻掉以便从基板中分离出活动构件。本发明具有三个轴的振动型微机械角速度传感器的结构在支撑区域19 22处被 晶片的基板层和/或该结构上方的气体空间密封用覆盖物晶片支撑着，另外，围绕上述各 构件的框架结构23也被粘附至基板层且粘附至上述覆盖物。在本发明具有三个轴的振动型微机械角速度传感器中，经结合而得到的结构的主 运动由下列构件决定线性运动的激励框架结构32、33的弯曲弹簧M 27 ；转动块体34 的弹簧观、29 ；以及使各块体相互结合的弹簧30、31。在本发明具有三个轴的振动型微机械角速度传感器中，在线性块体35、36的内部 还可以存在有弹簧结构41、42和支撑弹簧49。上述弹簧结构41、42连接至检测用梳状结构 47、48，且这些弹簧结构防止用于检测Z方向角速度的检测用梳状结构47、48以主模式进行 运动。另外，支撑弹簧49连接至壳体，该支撑弹簧在要被检测的次运动的方向上向检测用 梳状结构47、48轮流提供自由度。因此，弹簧41、42也参与了主运动。然而，在本发明的方 案中，附图中在ζ方向上被固定的检测用梳状结构47、48不是必需的。在本发明具有三个轴的振动型微机械角速度传感器中，主运动是利用相对放置的 激励用梳状结构43通过共同模式信号而被静电激发的，并通过检测用梳状结构44而被差 分检测。中央的转动块体34被激励框架结构32、33同步化地在表平面内绕着ζ轴振动，同 时，将激励框架结构32、33的运动以彼此反相的方式进行结合。当上述经结合而得到的、由在本发明具有三个轴的微机械角速度传感器的表平面 内振动的三个块体34 36构成的振动器相对于χ轴旋转时，对块体34 36起影响作用 的科里奥利力在中央转动块体34中产生与其速度同相的相对于y轴的转矩，该转矩使转动 块体34发生扭转振动。转动块体34进行振动的振幅和相位部分地取决于提供检测自由度 的弹簧观、30和31，这些弹簧的尺寸被设计成具有适合于该模式的柔软度，以使该模式的 共振处于适当的频率，典型地而言，略微高于块体34 36的共同主运动的频率。可通过转 动块体34顶部的电极39和40来对所生成的振动进行电容检测和差分检测。上述这些电 极37 40例如可以被沉积作为覆盖物晶片内表面上的金属薄膜。
当上述经结合而得到的、由在本发明具有三个轴的微机械角速度传感器的表平面 内振动的三个块体34 36构成的振动器相对于y轴旋转时，转动块体34在其旋转中受到 与其速度同相的相对于χ轴的力矩，该力矩产生相对于同一 χ轴的次振动。在该运动中，弹 簧四 31轮流以扭转模式发生扭变，从而分别确定振动的振幅和相位。可通过位于转动 块体34顶部的电极37和38来对所生成的振动进行电容检测和差分检测。当上述经结合而得到的、由在本发明具有三个轴的微机械角速度传感器中以主运 动进行振动的三个块体34 36构成的振动器相对于与表平面垂直的ζ轴旋转时，沿相反 方向运动的线性块体35和36在χ轴方向上受到相反方向的科里奥利力。在该运动中，ζ方 向检测用弹簧45、46和49分别确定所产生的振动的振幅和相位。通过位于上述各块体内 部的电容梳状结构47和48来对ζ方向待检测振动进行差分检测。在本发明具有三个轴的微机械角速度传感器中，由于在差分检测中抵消了由于冲 击和震动而产生的线性加速度和角加速度，因此ζ方向上的双差分检测对机械干扰特别不 敏感。图5示出了本发明具有三个轴的第一替换振动型微机械角速度传感器的功能性 结构图。这里所描述的本发明具有三个轴的第一替换振动型微机械角速度传感器包括转动 块体34，其在中央处通过弹簧观和四而被支撑结构19支撑着，并且在X轴方向上通过弹 簧30和31而被激励框架结构50和51支撑着。本发明具有三个轴的第一替换振动型微机 械角速度传感器还包括线性块体52、53，它们在X轴方向上通过弹簧而被激励框架结构50、 51支撑着。所述激励框架结构50、51在Y轴方向上通过弯曲弹簧M 27而被围绕传感器 的框架23支撑着。本发明具有三个轴的第一替换振动型微机械角速度传感器还包括被支 撑构件21支撑着的ζ方向电容检测用梳状结构M、55 ；连接至激励框架结构50、51的各激 励用梳状结构；以及检测用梳状结构。本发明具有三个轴的第一替换振动型微机械角速度传感器特别适于采用绝缘体上 硅(SOI)型晶片材料来予以实现。本发明具有三个轴的第一替换振动型微机械角速度传感器 的结构在支撑区域19和21处被晶片的基板层和/或覆盖物晶片支撑着，另外，围绕上述各构 件的框架结构幻连接至基板层且连接至位于上述结构上方的气体空间密封用覆盖物晶片。在本发明具有三个轴的第一替换振动型微机械角速度传感器中，经结合而得到的 结构的主运动由下列构件确定线性运动的激励框架结构50、51的弯曲弹簧M 27 ；转动 块体34的弹簧观、29 ；以及使各块体相互结合的弹簧30、31。中央的转动块体34被激励框 架结构50、51同步化地在表平面内绕着ζ轴振动，同时，将激励框架结构50、51的运动以彼 此反相的方式进行结合。当上述经结合而得到的、由在本发明具有三个轴的第一替换振动型微机械角速度 传感器的表平面内振动的三个块体34、52和53构成的振动器相对于χ轴旋转时，对块体 34、52、53起影响作用的科里奥利力在中央的转动块体34中产生与其速度同相的相对于y 轴的转矩，该转矩使转动块体34发生扭转振动。转动块体34进行振动的振幅和相位分别 取决于提供检测自由度的弹簧观、30和31，这些弹簧的尺寸被设计成具有适合于该模式的 柔软度，以使该模式的共振处于适当的频率，典型地，略微高于块体34的主运动。可通过转 动块体34的电极来对所生成的振动进行电容检测和差分检测。当上述经结合而得到的、由在本发明具有三个轴的第一替换振动型微机械角速度传感器的表平面内振动的三个块体34、52和53构成的振动器相对于y轴旋转时，转动块体 ；34在其转动中受到与速度同相的相对于χ轴的力矩，该力矩产生相对于同一 χ轴的次振动。 在该运动中，弹簧四 31依次以扭转模式发生扭变，从而分别确定振动的振幅和相位。可 通过转动块体34的电极来对所生成的振动进行电容检测和差分检测。当上述经结合而得到的、由在本发明具有三个轴的第一替换振动型微机械角速度 传感器中以主运动进行振动的三个块体34、52和53构成的振动器相对于与表平面垂直的ζ 轴旋转时，沿相反方向运动的线性块体52和53在χ轴方向上受到相反方向的科里奥利力。在本发明具有三个轴的第一替换振动型微机械角速度传感器中，上述各块体内部 的ζ方向电容检测用梳状结构54、55可以在主运动方向随上述各块体一起运动。在具有三 个轴的第一替换振动型微机械角速度传感器中，可通过电容检测用梳状结构M55对ζ方 向上产生的待检测振动进行差分检测。从检测用梳的主运动产生的正交信号(quadrature signal)在差分侦听中被抵消。所述第一替换结构占用的空间更小并且在相同结构尺寸下 可以获得更强的信号。图6示出了本发明具有三个轴的第二替换振动型微机械角速度传感器的功能性 结构图。这里所描述的本发明具有三个轴的第二替换振动型微机械角速度传感器包括中央 块体71，其在中央处通过弹簧65、66而被支撑构件56支撑着，并且在X轴方向上通过弹簧 67和68而被激励框架结构69和70支撑着。中央块体71还包括电极76和77。另外，这 里所描述的具有三个轴的角速度传感器还包括侧面块体72和73，它们通过弹簧而被激励 框架结构69、70支撑着。侧面块体72、73还分别包括电极78、79。本发明具有三个轴的第 二替换振动型微机械角速度传感器还包括线性块体74、75，它们在X轴方向上通过弹簧84、 85而被激励框架结构69、70支撑着。所述激励框架结构69、70在Y轴方向上通过弯曲弹簧 61 64而被框架结构60支撑着。此外，本发明具有三个轴的第二替换振动型微机械角速 度传感器包括通过弹簧80和81而被激励框架结构69、70支撑着的电容梳状结构86、87 ； 连接至激励框架结构69、70的激励用梳状结构82 ；检测用梳状结构83 ；支撑弹簧 ’以及支 撑构件57 59。本发明具有三个轴的第二替换振动型微机械角速度传感器特别适于采用绝缘体 上硅(SOI)型晶片材料来予以实现。本发明具有三个轴的第二替换振动型微机械角速度传 感器的结构在支撑区域56 59处被晶片的基板层和/或覆盖物晶片支撑着，另外，围绕上 述各构件的框架结构60也连接至基板层且连接至位于上述结构上方的气体空间密封用覆 盖物晶片。在本发明具有三个轴的第二替换振动型微机械角速度传感器中，经结合而得到的 结构的主运动由下列构件确定线性运动的激励框架结构69、70的弯曲弹簧61 64冲央 块体71的弹簧65、66 ；以及使各块体相互结合的弹簧67、68。在本发明具有三个轴的第二替换振动型微机械角速度传感器中，在线性块体74、 75的内部还可以存在有连接至支撑构件58的弹簧结构80和81，这些弹簧结构防止用于检 测ζ方向角速度的检测用梳状结构86、87以主模式进行运动。因此，上述弹簧80和81也 参与了主运动。然而，在本发明的方案中，附图中在ζ方向上被固定的检测用梳状结构86、 87不是必需的。在本发明具有三个轴的第二替换振动型微机械角速度传感器中，主运动是通过相对放置的激励用梳状结构82而由共同模式信号进行静电激发的，并通过检测用梳状结构 83而被差分检测。角速度传感器的中央块体71被激励框架结构69、70同步化地在表平面 内绕着ζ轴振动，同时，将激励框架结构69、70的运动以彼此反相的方式进行结合。当由在本发明具有三个轴的第二替换振动型微机械角速度传感器的表平面内振 动的五个结合块体71 75构成的振动器相对于y轴旋转时，对块体71 75起影响作用 的科里奥利力在中央块体71中产生与其速度同相的相对于χ轴的转矩，该转矩使中央块体 71发生扭转振动。中央块体71进行振动的振幅和相位取决于提供检测自由度的弹簧66、 67、68，这些弹簧的尺寸被设计成具有适于该模式的柔软度，以使该模式的共振处于适当的 频率，典型地，略微高于主运动。可通过位于转动块体71顶部的电极76和77来对所生成 的振动进行电容检测和差分检测。这些电极76和77典型地是被沉积在覆盖物晶片的下表 面上。当由在本发明具有三个轴的第二替换振动型微机械角速度传感器的表平面内振 动的五个结合块体71 75构成的振动器相对于χ轴旋转时，悬挂于扭转弹簧上的侧面块 体72、73在ζ轴方向上依次受到与其速度同相的科里奥利力，该力在它们中产生反相的相 对于y轴的扭转振动。可通过位于侧面块体72、73顶部的电极78、79来对所生成的振动进 行电容检测和差分检测。当由在本发明具有三个轴的第二替换振动型微机械角速度传感器的表面平面内 振动的五个结合块体71 75构成的振动器相对于与该表平面垂直的ζ轴旋转时，沿相反 方向运动的线性块体74、75在χ轴方向上受到相反方向的科里奥利力。在该运动中，ζ方 向检测用弹簧84、85轮流地分别确定所产生的振动的振幅和相位。通过上述各块体内部的 电容梳状结构86、87来对该ζ方向待检测振动进行差分检测。在本发明具有三个轴的第二 替换振动型微机械角速度传感器中，由于在差分检测中抵消了由于冲击和震动而产生的线 性加速度和角加速度，因此ζ方向上的双差分检测对机械干扰特别不敏感。所述的第二替 换结构的优点在于，能够更有效地利用空间并能更好地分离各块体的模式。图7示出了本发明具有三个轴的第三替换振动型微机械角速度传感器的功能性 结构图。这里所描述的本发明具有三个轴的第三替换振动型微机械角速度传感器包括转动 块体34，其在中央处通过弹簧观、四而被支撑结构19支撑着，并且在X轴方向上通过弹簧 30而被激励框架结构32支撑着。转动块体34还包括电极37 40。本发明具有三个轴的 振动型微机械角速度传感器还包括线性块体35，其在X轴方向上通过弹簧45、46而被激励 框架结构32支撑着。所述激励框架结构32在Y轴方向上通过弯曲弹簧M、25而被用于形 成传感器周边的框架23支撑着。此外，本发明具有三个轴的振动型微机械角速度传感器还 包括通过弹簧41、42而被激励框架结构32支撑着的电容梳状结构47、48 ；连接至激励框 架结构32的激励用梳状结构43 ；检测用梳状结构44 ；连接至壳体的支撑弹簧49 ；以及支撑 构件20 22。本发明具有三个轴的第三替换振动型微机械角速度传感器特别适于采用绝缘体 上硅(SOI)型晶片材料来予以实现。在SOI晶片中，可将上述支撑区域19 22设置于基 板层上且有例如氧化物等绝缘层介于二者之间，同时可通过将这些支撑区域中的氧化物选 择性地蚀刻掉以便从基板中分离出活动构件。本发明具有三个轴的第三替换振动型微机械角速度传感器的结构在支撑区域19 22处被晶片的基板层和/或位于上述结构上方的气体空间密封用覆盖物晶片支撑着， 另外，围绕上述各构件的框架结构23连接至基板层且连接至上述覆盖物。在本发明具有三个轴的第三替换振动型微机械角速度传感器中，经结合而得到的 结构的主运动由下列构件确定线性运动的激励框架结构32的弯曲弹簧M、25 ；转动块体 34的弹簧观、29 ；以及使各块体相互结合的弹簧30。在本发明具有三个轴的第三替换振动型微机械角速度传感器中，在线性块体35 的内部还可以存在有弹簧结构41、42和支撑弹簧49，上述弹簧结构41、42连接至检测用梳 状结构47、48，这些弹簧结构防止用于检测ζ方向角速度的检测用梳状结构47、48以主模式 进行运动，另外，支撑弹簧49连接至壳体，该支撑弹簧在要被检测的次运动的方向上向检 测用梳状结构47、48轮流提供自由度。因此，弹簧41、42也参与了主运动。然而，在本发明 的方案中，附图中在ζ方向上被固定的检测用梳状结构47、48不是必需的。在本发明具有三个轴的第三替换振动型微机械角速度传感器中，主运动是通过激 励用梳状结构43而被静电激发的，并通过检测用梳状结构44而被检测。转动块体34被激 励框架结构32同步化地在表平面内绕着ζ轴振动。当上述经结合而得到的、由在本发明具有三个轴的第三替换振动型微机械角速度 传感器的表平面内振动的两个块体34、35构成的振动器相对于χ轴旋转时，对块体34、35 起影响作用的科里奥利力在转动块体34中产生与其速度同相的相对于y轴的转矩，该转矩 使转动块体；34发生扭转振动。转动块体34进行振动的振幅和相位取决于轮流提供检测自 由度的弹簧观、30，这些弹簧的尺寸被设计成具有适合于该模式的柔软度，以使该模式的共 振处于适当的频率，典型地，略微高于块体34、35的共同主运动。可通过转动块体34顶部 的电极39、40来对所生成的振动进行电容检测和差分检测。上述这些电极37 40例如可 以被沉积作为覆盖物晶片内表面上的金属薄膜。当上述经结合而得到的、由在本发明具有三个轴的第三替换振动型微机械角速度 传感器的表平面内振动的两个块体34、35构成的振动器相对于y轴旋转时，上述转动块体 34受到与其速度同相的相对于χ轴的力矩，该力矩产生相对于同一 χ轴的次振动。在该运 动中，弹簧四和30轮流以扭转模式发生扭变，从而分别确定振动的振幅和相位。可通过位 于转动块体34顶部的电极37和38来对所生成的振动进行电容检测和差分检测。当上述经结合而得到的、由在本发明具有三个轴的第三替换振动型微机械角速度 传感器中以主运动进行振动的两个块体34、35构成的振动器相对于与表平面垂直的ζ轴旋 转时，线性运动的块体35受到在χ轴方向上与其速度同相振动的科里奥利力。在所产生的 运动中，通过ζ方向检测用弹簧45、46和49来分别确定所产生振动的振幅和相位。通过位 于上述块体内部的电容梳状结构47、48来对ζ方向待检测振动进行差分检测。在本发明具有三个轴的第三替换振动型微机械角速度传感器中，因为甚至是由于 冲击和震动而产生的线性加速度也会使块体35发生位移，所以ζ方向上的单端检测对机械 干扰特别敏感。本实施例的最大优势在于极小的尺寸以及简单、容易实现的结构。除了可以采用所述的各示例性结构外，本发明具有三个轴的角速度传感器可以在 本发明的范围内进行多种变形。图8示出了本发明具有两个轴的振动型微机械角速度传感器的功能性结构图。这 里所描述的本发明具有两个轴的振动型微机械角速度传感器包括转动块体71，其在中央处通过弹簧观和四而被支撑结构19支撑着，并且在X轴方向上通过弹簧30而被激励框架 结构32支撑者。转动块体71还包括电极76和77。此外，这里所描述的本发明具有两个轴 的振动型微机械角速度传感器还包括线性块体35，其在X轴方向上通过弹簧45和46而被 激励框架结构32支撑着。所述激励框架结构32在Y轴方向上通过弯曲弹簧M、25而被用 于形成传感器周边的框架23支撑着。另外，这里所描述的本发明具有两个轴的振动型微机 械角速度传感器还包括通过弹簧41、42而被激励框架结构32支撑着的电容梳状结构47、 48 ；连接至激励框架结构32的激励用梳状结构43 ；检测用梳状结构44 ；连接至壳体的支撑 弹簧49;以及支撑结构20 22。本发明具有两个轴的振动型微机械角速度传感器特别适于采用绝缘体上硅(SOI) 型晶片材料来予以实现。在SOI晶片中，可以将上述支撑区域19 22设置于基板层上且 有例如氧化物等绝缘层介于二者之间，同时可通过将这些支撑区域中的氧化物选择性地蚀 刻掉以便从基板中分离出活动构件。本发明具有两个轴的振动型微机械角速度传感器的结构在支撑区域19 22处被 晶片的基板层和/或位于上述结构上方的气体空间密封用覆盖物晶片支撑着，另外，围绕 上述各构件的框架结构23也连接至基板层且连接至上述覆盖物。在本发明具有两个轴的振动型微机械角速度传感器中，经结合而得到的结构的主 运动由下列构件确定线性运动的激励框架结构32的弯曲弹簧M、25 ；转动块体71的弹簧 28,29 ；以及使各块体相互结合的弹簧30。在本发明具有两个轴的振动型微机械角速度传感器中，在线性块体35的内部还 可以存在有弹簧结构41、42和支撑弹簧49。弹簧结构41、42连接至检测用梳状结构47、48， 这些弹簧结构防止用于检测ζ方向角速度的检测用梳状结构47、48以主模式进行运动。另 外，支撑弹簧49连接至壳体，该支撑弹簧在要被检测的次运动的方向上分别向检测用梳状 结构47、48提供自由度。因此，弹簧41、42也参与了主运动。然而，在本发明的方案中，附 图中在ζ方向上被固定的检测用梳状结构47、48不是必需的。在本发明具有两个轴的振动型微机械角速度传感器中，主运动是通过激励用梳状 结构43而被静电激发的，并通过检测用梳状结构44进行检测。转动块体71被激励框架结 构32同步化地在表平面内绕着ζ轴振动。当上述经结合而得到的、由在本发明具有两个轴的微机械角速度传感器的表平面 内振动的两个块体35、71构成的振动器相对于y轴旋转时，对块体35、71起影响作用的科 里奥利力在转动块体71中产生与其速度同相的相对于χ轴的转矩，该转矩使转动块体71 发生扭转振动。转动块体71进行振动的振幅和相位分别取决于提供检测自由度的弹簧29、 30，这些弹簧的尺寸被设计成具有适合于该模式的柔软度，以使该模式的共振处于适当的 频率，典型地，略微高于块体35、71的共同主运动。可通过转动块体71顶部的电极76、77 来对所生成的振动进行电容检测和差分检测。上述这些电极例如可以被沉积作为覆盖物晶 片内表面上的金属薄膜。当上述经结合而得到的、由在本发明具有两个轴的微机械角速度传感器中以主运 动进行振动的两个块体35、71构成的振动器相对于与表平面垂直的ζ轴旋转时，线性运动 的块体35受到在χ轴方向上与其速度同相振动的科里奥利力。在所产生的运动中，检测用 弹簧45、46和49分别确定所产生振动的振幅和相位。通过位于上述块体内部的电容梳状结构47和48来对ζ方向上的待检测振动进行差分检测。在本发明具有两个轴的微机械角速度传感器中，因为甚至是由于冲击和震动而产 生的线性加速度也会使块体35发生位移，所以ζ方向上的单端检测对机械干扰特别敏感。 因此，本实施例的最大优势在于极小的尺寸和易于实现的简单结构。除了可以采用所述的各示例性结构外，本发明具有两个轴的角速度传感器可以在 本发明的范围内进行多种变形。与现有技术中的传感器结构相比，本发明的振动型微机械角速度传感器最显著的 优势在于由于结合起来的块体以数个自由度进行主运动，因而能够得到具有明显成本效 益的结构。同时，由于进行差分检测，因而能够将传感器设计为对外部机械干扰的耦合不敏感。由于准确地考虑了运动方向，因此本发明的振动型微机械角速度传感器还可以使 极大的信号电平成为可能。例如，通过设置于块体下方或顶部的大电极可以有效地利用转 动块体的大尺寸和转动惯量。
权利要求
1.一种振动型微机械角速度传感器，其包括至少两个振动块体(34 36、52 53、71 75)，它们通过支撑结构(19 23、56 60)和/或弹簧结构(24 29、49、61 66)而被悬挂着；以及用于将所述振动块体(34 36、52 53、71 75)相互结合起来的弹簧构件(30 31,67 68)，其特征在于，所述角速度传感器适于通过所述振动块体(34 36、52 53、71 75) 的电极(37 40、76 79)和/或通过以与所述振动块体(34 36、52 53、71 75)相 关联的方式设置的检测用梳状结构(44、47 48、54 55、83、86 87)来测量相对于两个 轴或三个轴的角速度，并且所述角速度传感器的所述至少两个振动块体(34 36、52 53、71 75)适于通过共 同模式而被激发至进入主运动振动。
2.根据权利要求1所述的角速度传感器，其特征在于，所述至少两个振动块体(34 36,52 53,71 75)包括至少一个转动块体(34,71)。
3.根据权利要求1或2所述的角速度传感器，其特征在于，所述至少两个振动块体 (34 36、52 53、71 75)包括至少一个线性块体(35 36、52 53、72 75)。
4.根据权利要求1或2或3所述的角速度传感器，其特征在于，所述角速度传感器还包 括至少一个激励框架结构(32 33、50 51、69 70)。
5.根据权利要求4所述的角速度传感器，其特征在于，所述至少两个振动块体(34 36、52 53、71 75)通过弹簧(30 31、45 46、67 68、84 85)而被所述激励框架 结构(32 33,50 51,69 70)支撑着。
6.根据权利要求4或5所述的角速度传感器，其特征在于，所述角速度传感器还包括激 励用梳状结构(43、82)，所述激励用梳状结构(43、82)适于通过共同模式信号而将所述至 少两个振动块体(34 36、52 53、71 75)激发至进入主运动。
7.根据前述权利要求1至6中任一项所述的角速度传感器，其特征在于，所述检测用梳 状结构(44、47 48、54 55、83、86 87)适于对所述主运动进行差分检测。
8.根据前述权利要求4至7中任一项所述的角速度传感器，其特征在于，所述转动块体 (34,71)适于被所述激励框架结构(32 33、50 51、69 70)同步化地在表平面内绕着 ζ轴以所述主运动进行振动。
9.根据前述权利要求4至8中任一项所述的角速度传感器，其特征在于，所述转动块体 (34,71)适于将各所述激励框架结构(32 33、50 51、69 70)的运动以反相的方式相 互结合。
10.根据前述权利要求3至9中任一项所述的角速度传感器，其特征在于，在所述线性 块体(35 36、52 53、72 75)内部设有连接至所述支撑结构(23、60)的弹簧结构(41 42、80 81)，这些弹簧结构(41 42、80 81)防止用于检测ζ方向角速度的所述检测用 梳状结构(47 48、86 87)以主模式进行运动。
11.根据前述权利要求1至10中任一项所述的角速度传感器，其特征在于，所述电极 (37 40、76 79)适于测量通过使所述角速度传感器相对于χ轴进行旋转而产生的振动。
12.根据前述权利要求1至11中任一项所述的角速度传感器，其特征在于，所述电极 (37 40、76 79)适于测量通过使所述角速度传感器相对于y轴进行旋转而产生的振动。
13.根据前述权利要求1至12中任一项所述的角速度传感器，其特征在于，所述检测用 梳状结构(47 48、54 55、86 87)适于测量通过使所述角速度传感器相对于ζ轴进行 旋转而产生的振动。
14.根据前述权利要求1至13中任一项所述的角速度传感器，其特征在于，所述角速度 传感器由SOI型亦即绝缘体上硅型晶片材料予以实现。
15.根据前述权利要求1至14中任一项所述的角速度传感器，其特征在于，所述角速度 传感器的结构在支撑区域(19 22、56 59)处被基板和/或覆盖物支撑着。
16.根据前述权利要求1至15中任一项所述的角速度传感器，其特征在于，所述角速度 传感器元件的框架(23、60)连接至所述基板且连接至位于所述角速度传感器的结构上方 的气体空间密封用覆盖物。
全文摘要
本发明涉及用于测量角速度的测量装置，更具体地，涉及振动型微机械角速度传感器。本发明的角速度传感器适于测量相对于两个轴或三个轴的角速度，并且所述角速度传感器的至少两个振动块体(34～36、52～53、71～75)适于通过共同模式而被激发至进入主运动振动。本发明的角速度传感器的结构使得特别是在小型化的振动型微机械角速度传感器中能够以良好性能实现可靠测量。
文档编号G01P3/44GK102066874SQ200980122679
公开日2011年5月18日 申请日期2009年4月8日 优先权日2008年4月16日
发明者安斯·布卢姆奎斯特 申请人:Vti技术有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
