CN121311736A - 具有微机械加工的机电微系统的惯性角度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种角度传感器（1），其包括支撑板、在固定锚定点（17）处从支撑板悬挂并且适于在平面（P）中振动的内质量块（10）、包围内质量块（10）的外质量块（11）、以及外部框架（5），外质量块（11）耦合到内质量块（10）并且适于在平面（P）中振动，外部框架（5）相对于轴线（Z）布置在支撑板上方并且包围内质量块（10）和外质量块（11）。角度传感器（1）还包括内框架（6），内框架（6）布置在外质量块（11）和外框架（5）之间，通过电绝缘元件固定到支撑板，外质量块（11）悬挂在内框架（6）的固定锚定点（15）处，并且通过第一悬挂元件（13）电连接到内框架（6）。

Description

具有微机械加工的机电微系统的惯性角度传感器

本发明涉及一种具有微机械加工的机电微系统的惯性角度传感器。

这种角度传感器用于测量角位置或角速度。在第一种情况下，这些传感器用作陀螺仪，而在第二种情况下，它们用作陀螺测试仪。使用类似于集成电路制造的技术在硅或石英圆片上对这些传感器进行微机械加工。这允许低生产成本并且因此允许各种应用领域。

惯性角度传感器通常包括若干振动的可移动质量块，其弹性地连接到支撑件并且通过用作弹簧的元件彼此弹性地耦合。从现有技术已知将硅梁用于这些元件。由质量块和用作弹簧的元件形成的组件形成谐振器，该谐振器可以有利地通过激励系统在其自然模式下振动，该激励系统可以是电激励系统。该激励导致质量块在板的平面中并且垂直于称为角度传感器的“敏感轴线”的方向振动，该方向因此垂直于板的平面。

当角度传感器具有围绕敏感轴线的特定旋转速度时，科里奥利效应产生力，该力使质量块在垂直于激励方向的方向上振动，仍然在板的平面中。测量该振动允许推断旋转速度。

如前所述，质量块由电激励系统激励。例如，具有两个同心质量块（内质量块和围绕内质量块的外质量块）的系统是已知的。

电气系统是例如电极，并且特别是与移动电极相关联的固定电极，这些移动电极例如由质量块直接承载。

质量块处于相同的电势，因为它们通过通常由导电材料制成的耦合元件彼此耦合。如果将电压施加到移动电极，则该电势可以是非零的，例如以便于检测振动。

质量块通常经由例如由氧化硅制成的绝缘层弹性地连接到支撑件。

外质量块由构成硅芯片的外部的外部框架围绕。该框架被设置为固定电势以用下硅层和上硅层（体和盖）屏蔽敏感部件。

在这种情况下，在外质量块和框架之间施加电势差，从而产生静电刚度，这导致由外质量块和将其连接到支撑件的元件形成的半谐振器的表观刚度的改变。半谐振器的表观刚度的改变产生刚度不平衡，而刚度不平衡改变谐振器的平衡。

这种现象也称为“静电修整”，并且虽然它可以有意地用于补偿质量块中的缺陷，但是它在振动结构中产生不平衡，使其对外部振动特别敏感。由于半谐振器的表观刚度的这种改变，传感器不再最佳地用于确定旋转速度。

因此，需要优化传感器的功能，包括当质量块和围绕外质量块的框架之间存在电势差时。

本发明旨在通过提出对质量块和外部框架之间的电势差的存在不敏感的惯性角度传感器来解决该缺点。

为此，本发明包括具有微机械加工的机电微系统的惯性角度传感器，包括：

- 支撑板；

- 内质量块，其悬挂在支撑板的固定锚定点处并且适于在基本上平行于支撑板的平面中振动；

- 外质量块，其包围所述内质量块，耦合到所述内质量块并且适于在基本上平行于所述支撑板的平面中振动；

- 外部框架，所述外部框架相对于轴线布置在所述支撑板上方并且包围所述内质量块和所述外质量块；

其特征在于，所述传感器还包括内部框架，所述内部框架布置在所述外质量块和所述外部框架之间并且通过电绝缘元件固定到所述支撑板，所述外质量块悬挂在所述内部框架的固定锚定点处并且通过第一悬挂元件电连接到所述内部框架。

借助于本发明，外质量块连接到固定的内部框架，该内部框架与外部框架电隔离，并且因此具有与内质量块和外质量块相同的电势。因此，在外质量块和围绕其的框架之间不再施加电压。因此，当向质量块施加电压时，不改变表观刚度，即由外质量块和第一悬挂元件形成的外部半谐振器的机械刚度和静电刚度之和。因此，传感器不是不平衡的，并且在质量块的振动期间不产生与支撑件的能量耦合。换句话说，“静电修整”的现象被最小化或甚至被消除。因此，无论所施加的电压如何，传感器的功能都是相同的，并且无论施加到质量块的电压如何，传感器的功能都保持最佳。

传感器可以包括单独地或以任何技术上可能的组合采取的以下特征中的一个或多个：

- 内质量块通过第二悬挂元件悬挂在支撑板的固定锚定点处，并且外质量块通过耦合元件耦合到内质量块。

- 第一悬挂元件和第二悬挂元件以及耦合元件是硅梁。

- 外部框架连接到电气接地端。

- 施加到内质量块的机械力和/或静电力基本上等于施加到外质量块的机械力和/或静电力。

- 该传感器还包括由内质量块和外质量块中的一个承载的至少一个移动电极，以及至少一个固定电极，该固定电极或每个固定电极相对于支撑板（4）固定并且面向至少一个移动电极中的一个。

- 当内质量块和外质量块静止时，它们的重心重合，并且由内质量块和外质量块和每个移动电极组成的组件相对于平行于支撑板、穿过两个质量块的重心的第一轴线对称，并且相对于平行于支撑板、垂直于第一轴线（X）并且穿过两个质量块的重心的第二轴线对称。

- 沿着第一轴线和第二轴线施加到内质量块的机械力和/或静电力分别基本上等于沿着第一轴线和第二轴线施加到外质量块的机械力和/或静电力。

- 该传感器还包括：

- 四个移动激励电极，所述四个移动激励电极中的两个由所述内质量块承载，并且另外两个移动激励电极由所述外质量块承载；

- 四个移动检测电极，所述四个移动检测电极中的两个由所述内质量块承载，并且另外两个移动检测电极由所述外质量块承载；以及

- 八个固定电极，每个固定电极相对于所述支撑板固定并且面向所述八个移动电极中的一个。

-四个激励电极和/或四个检测电极被配置为通过非零连续电压和/或幅值调制交流电压。

-该传感器还包括覆盖外部框架、内部框架、外质量块和内质量块的硅盖。

-该传感器还包括电绝缘层，该电绝缘层布置在外部框架的分别与盖和支撑板接触的面上。

通过阅读仅作为非限制性示例给出的以下描述并参考附图，将更好地理解本发明，其中：

-[图1]图1是根据本发明的具有微机械加工的机电微系统的惯性角度传感器的示意性俯视图；

-[图2]图2是图1所示的具有微机械加工的机电微系统的惯性角度传感器的横截面图；

-[图3]图3是类似于图1所示的视图，其中附加元件是可见的。

图1至图3示出了具有微机械加工的机电微系统1的惯性角度传感器，在下文中称为角度传感器1。

角度传感器1是微机械加工而成的，它形成微机电系统，也称为MEMS，“Micro-Electromechanical System（微机电系统）”的缩写。

角度传感器1例如是被配置为测量角速度的陀螺测试仪。替代地或附加地，角度传感器1是被配置为测量角位置的陀螺仪。

特别地，角度传感器1旨在嵌入在交通工具（未示出）中，该交通工具是例如飞行器、无人机或船舶，更特别地嵌入在交通工具的导航、驾驶或引导系统中。

角度传感器1在这里是音叉型陀螺测试仪，更具体地，是具有两个振动质量块的音叉型陀螺测试仪。根据未示出的替代方案，角度传感器可以包括多于两个振动质量块。

术语“振动质量块”是指两个质量块能够振荡，无论是由于激励还是由于角度传感器1的旋转期间的科里奥利效应。

角度传感器1包括支撑板4、外部框架5、内部框架6、盖7、内质量块10和外质量块11。

支撑板4平行于由第一轴线X和垂直于第一轴线X的第二轴线Y限定的平面P延伸，连接到支撑板4。支撑板4通常由硅制成，但是可以可选地由玻璃制成。

相对于垂直于第一轴线X和第二轴线Y（因此垂直于平面P）的轴线Z在支撑件4上方布置有外部框架5和内部框架6。

外部框架5的电势保持固定。有利地，外部框架5的电势保持为零，这意味着外部框架电连接到电气接地端。外部框架5和内部框架6通常由导电材料制成，例如掺杂硅。

盖7覆盖外部框架5、内部框架6、内质量块10和外质量块11。有利地，盖7由硅制成，但是其可以可选地由玻璃制成。

外部框架5通过例如由氧化硅制成的电绝缘层8与支撑件4和盖7分离。该电绝缘层8一方面布置在外部框架5的与支撑板4接触的面上，另一方面布置在外部框架5的与盖7接触的面上。这允许电屏蔽，从而保护角度传感器1免受可能改变其功能或甚至损坏其的寄生电磁波的影响。

内部框架6由外部框架5包围并且通过电绝缘元件9固定到支撑板4。替代地，内部框架6固定到支撑板4和盖7两者。该电绝缘元件9可以与电绝缘层8相同，特别地，电绝缘元件9沿着轴线Z测量的厚度和材料与电绝缘层8的厚度和材料相同。有利地，电绝缘层8和电绝缘元件9都由氧化硅制成。

由于该电绝缘元件9，内部框架6可以处于与支撑件4不同的电势。

内质量块10和外质量块11是角度传感器1的振动质量块。外质量块11围绕内质量块10布置。内质量块10和外质量块11由内部框架6包围，因此也由外部框架5包围。内质量块10和外质量块11例如由硅制成，并且相对于支撑板4可移动并且相对于彼此可移动。

内质量块10和外质量块11各自具有重心，当角度传感器1静止时，这意味着当内质量块10和外质量块11不振动时，在点O处基本上重合，点O也是轴线X和Y的交点。

这里和在文本的其余部分中的术语“基本上”意味着允许与所声称的值的10%的偏差。

有利地，内质量块10和外质量块11具有基本相同的质量。

内质量块10和外质量块11适于在由轴线X和Y限定的平面P中振动。因此，角度传感器1具有轴线Z作为其敏感轴线。换句话说，角度传感器1适于测量围绕轴线Z的旋转或旋转速度。

角度传感器1还包括第一悬挂元件13和第二悬挂元件14。

第一悬挂元件13将外质量块11连接到内部框架6，更具体地连接到内部框架6的固定锚定点15。

这些第一悬挂元件13的数量有利地为四个，如图1和图3所示。

这些第一悬挂元件13被同化为弹簧，并且可以是弹簧，或者优选地是梁，特别是由硅制成的梁。在第一悬挂元件13是硅梁的情况下，外质量块11和内部框架6彼此机械连接和电连接。它们明显处于相同的电势。

第二悬挂元件14通过支撑板4的固定锚定点17将内质量块10连接到支撑板4。这些第二悬挂元件14有利地数量为四个，有利地类似于第一悬挂元件13，并且特别是硅梁。电绝缘材料层（未示出）沿着轴线Z插置在固定锚定点17和支撑板4之间。其有利地类似于电绝缘元件9。

有利地，第一悬挂元件13和第二悬挂元件14具有基本上相等的刚度。

内质量块10和外质量块11还通过耦合元件19彼此连接。这些耦合元件19的数量有利地为四个，并且有利地为适于表现得像弹簧的硅梁。在后一种情况下，内质量块10和外质量块11彼此电耦合和机械耦合。因此，它们明显处于相同的电势。如果相对于彼此可移动并连接到悬挂元件13或14中的一个的两个表面被放置在例如由具有电势差的两个部件产生的电势场中，则可以产生悬挂元件13、14的机械刚度的附加静电刚度。

在当前情况下，内质量块10和外质量块11彼此耦合，外质量块11连接到内部框架6，内部框架6与支撑板4和外部框架5电隔离。因此，内质量块10、外质量块11和内部框架6处于相同的电势。因此，外质量块11的周边与内部框架6的内部之间的电压为零，并且第一悬挂元件13不会出现静电刚度。

如图3所示，角度传感器1还包括电极。在图3中，示出了八个移动电极，四个电极在内质量块10上，四个电极在外质量块11上。

在图3中，示出了沿轴X的移动激励电极31、沿轴Y的移动激励电极32、沿轴X的移动检测电极33和沿轴Y的移动检测电极34。移动电极31、32、33和34的定位可以变化，并且特别地，根据未示出的变型，电极31可以在电极34的位置处。

移动电极31、32、33和34未在图1中示出，但它们有利地存在于图3中。八个固定电极面向移动电极，但未示出。固定电极和移动电极例如由叉指梳形成。固定电极-移动电极对形成机电换能器。

包括移动电极31、32、33、34的机电换能器能够将电压转换成运动和/或反之亦然。

特别地，移动激励电极31和32能够通过向其上布置有电极的质量块施加静电力来分别沿着轴线X和Y生成内质量块10和外质量块11的振动。

为此，在电极31和32与它们分别面对的固定电极之间有利地施加交流电压。该电压的频率基本上等于内质量块10和外质量块11的机械共振频率，称为音叉频率。这导致内质量块10和外质量块11以该频率振动。

包括移动检测电极33和34的机电换能器能够分别检测内质量块10和外质量块11沿轴线X和Y的振动。为此，被称为极化电压的连续电压被有利地施加在每个移动检测电极33和34与它们分别面对的固定电极之间。由于内质量块10和外质量块11的移动，移动电极和固定电极之间的电荷变化被测量，并且允许推断内质量块10和外质量块11的移动。

当然，除了图3所示的那些之外的其他电极可以被添加到内质量块10和外质量块11，诸如用于补偿正交偏置或频率的电极。

在实践中，在具有微机械加工机电微系统的惯性角度传感器中使用的电极和换能器本身是已知的，而不是限制性的。值得注意的是，可以使用电极的其他位置以及激励和检测的其他原理。例如，移动电极31至34可以通过幅度被调制的交流电压，以实现检测电极33和34对振动的检测。

图1至图3中所示的角度传感器1在静止时沿轴线X和Y呈现对称性。特别地，在质量块10和11没有振动的情况下，由内质量块10、外质量块11以及固定电极与移动电极31~34组成的组件相对于轴线X和Y对称。然而，根据未示出的变型，该组件相对于轴线X和Y不对称。

现在将解释角度传感器1的功能。

角度传感器被激励，这意味着在电极31和32与它们所面对的固定电极之间施加激励电压。激励电压产生静电力，该静电力使内质量块10和外质量块11运动，其开始振动。如前所述，该振动发生在平面P中。

我们注意到：

- 是质量Mi的内质量块10在平面P中的平移位移；

- 是质量Me的质量块11在平面P中的平移位移；

- 是在平面P中平移的谐振模式上与由第二悬挂元件14和 内质量块10形成的内部半谐振器相关联的刚度之和，即，施加到质量块Mi的机械刚度和静 电刚度之和；

是将内质量块10连接到支撑件4的第二悬架元件14在轴线X上的刚度之和，类似但针对轴线Y；

表示轴线X与轴线Y之间的耦合刚度。耦合刚度与内质量块10和外质量块11 的移动正交的力相关联。

- 是在平面P中平移的谐振模式上与由第一悬挂元件13 和外质量块11形成的外部半谐振器相关联的刚度之和，即，施加到质量块Me的机械刚度和 静电刚度之和；

-F=激励力。实际上，当角度传感器围绕轴线Z旋转时，可以施加其他力，特别是由于科里奥利效应引起的力，或阻尼力。

通过将动力学的基本原理应用于系统，我们获得：

。

然后通过组合第一项和 ：

。

该等式给出了与内质量块10和外质量块11之间的质量差相关联的同相加速度，以及与平均质量块相关联的被称为音叉的异相加速度。

通过组合第二项，我们获得：

。

该等式表示与外部半谐振器和内部半谐振器之间的刚度差相关联的同相运动，以及与平均刚度相关联的异相运动。

因此，通过组合两个先前的等式：

。

在内质量块10和外质量块11的质量基本上不相同的情况下，或者在第一悬挂元件13和第二悬挂元件14的机械刚度基本上不相同的情况下，或者再次，在施加到内质量块10和外质量块11的静电刚度不相等的情况下，角度传感器1是不平衡的。在这种情况下，当角度传感器1经受其频率基本上等于音叉频率的外部振动时，与所描述的同相和异相移动和加速度相关联的同相和异相模式被同时激励，这降低了角度传感器1的功能。

与外部半谐振器相关联的刚度Ke的总和取决于第一悬挂元件13的机械刚度，但也取决于施加在外部半谐振器与固定电极或内部框架6之间的电压。类似地，与内部半谐振器相关联的刚度Ki的总和取决于第二悬挂元件14的机械刚度，但也取决于施加在外部半谐振器和固定电极之间的电压。

我们先前已经看到，有利地，第一悬挂元件13和第二悬挂元件14具有基本上相等 的机械刚度。另一方面，根据本发明，悬架元件13和14、内质量块10、外质量块11、内部框架6 和耦合元件19都基本上处于相同的电势，如前所述。在这种情况下，与两个半谐振器相关联 的刚度之和因此基本上相等，从而使得角度传感器1的功能最佳。换句话说，项Ki和Ke基本 上相等，因此与同相运动相关联的项消失。

因此，在上述角度传感器1中，与沿着第一轴线X和第二轴线Y施加到内质量块10的机械和/或静电刚度相关的机械和/或静电力基本上等于与分别沿着第一轴线X和第二轴线Y施加到外质量块11的机械和/或静电刚度相关的机械和/或静电力。

在角度传感器1不呈现沿着第一轴线X和第二轴线Y的对称性的情况下，施加到内质量块10的机械力和/或静电力基本上等于施加到外质量块11的机械力和/或静电力。

因此，内部框架6使得可以不产生需要通过添加附加电极来校正的附加静电刚度，该附加电极产生抵消该静电刚度的静电力。

当角度传感器1围绕轴线Z旋转时，科里奥利效应引起附加力，该附加力产生内质量块10和外质量块11沿着方向X和Y的附加振动。该振动的振幅与角度传感器1围绕轴线Z的旋转速度成比例。内质量块10和外质量块11的整体移动由包括检测电极33和34的换能器检测。如此接收的信号的处理然后允许推断角度传感器1的角速度或角位置。

因此，内部框架6和外质量块11基本上处于相同的电势，不产生增加第一悬架元件13的机械刚度的静电刚度。因此，与内质量块10相关联的刚度的总和和与外质量块11相关联的刚度的总和基本上相等。上述角度传感器1没有看到其功能受到由刚度差引起的不平衡的干扰。角度传感器1因此可靠地起作用，而与施加到电极31至34的电压无关。

Claims (10)

1.一种具有微机械加工的机电微系统（1）的惯性角度传感器，包括：

- 支撑板（4）；

- 内质量块（10），其悬挂在所述支撑板（4）的固定锚定点（17）处，并且适于在基本上平行于所述支撑板（4）的平面（P）中振动；

- 外质量块（11），其包围所述内质量块（10），耦合到所述内质量块（10）并且适于在基本上平行于所述支撑板（4）的平面（P）中振动；

- 外部框架（5），其相对于垂直于所述平面（P）的轴线（Z）布置在所述支撑板（4）上方，并且包围所述内质量块（10）和所述外质量块（11）；

其特征在于，所述传感器还包括内部框架（6），所述内部框架（6）布置在所述外质量块（11）和所述外部框架（5）之间并且通过电绝缘元件（9）固定到所述支撑板（4），所述外质量块（11）悬挂在所述内部框架（6）的固定锚定点（15）处并且通过第一悬挂元件（13）电连接到所述内部框架（6）。

2.根据权利要求1所述的角度传感器（1），其中所述内质量块（10）通过第二悬挂元件（14）悬挂在所述支撑板（4）的所述固定锚定点（17）处，并且所述外质量块（11）通过耦合元件（19）耦合到所述内质量块（10）。

3.根据权利要求2所述的角度传感器（1），其中所述第一悬挂元件和所述第二悬挂元件（13、14）以及所述耦合元件（19）是硅梁。

4.根据前述权利要求中任一项所述的角度传感器（1），其中所述外部框架（5）连接到电气接地。

5.根据前述权利要求中任一项所述的角度传感器（1），还包括：由所述内质量块（10）和所述外质量块（11）中的一个承载的至少一个移动电极（31、32、33、34），以及至少一个固定电极，所述固定电极或每个固定电极相对于所述支撑板（4）固定并且面向所述至少一个移动电极（31、32、33、34）中的一个。

6.根据前述权利要求中任一项所述的角度传感器（1），其中，当所述内质量块（10）和所述外质量块（11）静止时，它们的重心重合，并且其中由所述内质量块（10）和所述外部质量块（11）以及所述移动电极或每个移动电极（31、32、33、34）组成的组件相对于平行于所述支撑板（4）、穿过所述两个质量块（10、11）的重心的第一轴线（X）对称，并且相对于平行于所述支撑板（4）、垂直于所述第一轴线（X）并穿过所述两个质量块（10、11）的重心的第二轴线（Y）对称。

7.根据前述权利要求中任一项所述的角度传感器（1），还包括：

- 四个移动激励电极（31、32），所述四个移动激励电极中的两个由所述内质量块（10）承载，并且另外两个移动激励电极由所述外质量块（11）承载；

- 四个移动检测电极（33、34），所述四个移动检测电极中的两个由所述内质量块（10）承载，并且另外两个移动检测电极由所述外质量块（11）承载；以及

- 八个固定电极，每个固定电极相对于支撑板（4）固定，并且面向八个移动电极（31、32、33、34）中的一个。

8.根据权利要求7所述的角度传感器（1），其中，四个激励电极（31、32）和/或四个检测电极（33、34）被配置为通过非零连续电压和/或幅值调制交流电压。

9.根据前述权利要求中任一项所述的角度传感器（1），还包括覆盖所述外部框架（5）、所述内部框架（6）、所述外质量块（11）和所述内质量块（10）的硅盖（7）。

10.根据权利要求9所述的角度传感器（1），还包括电绝缘层（8），所述电绝缘层（8）布置在所述外部框架（5）的分别与所述盖（7）和所述支撑板（4）接触的面上。