專利名稱：振動(dòng)微機(jī)械角速度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量角速度的測量裝置，更具體地涉及一種振動(dòng)微機(jī)械角速 度傳感器。本發(fā)明的目的是提供一種特別是在用于角速度傳感器的小型振動(dòng)微機(jī)械方案 中，能夠以良好的性能實(shí)現(xiàn)可靠測量的改進(jìn)的傳感器結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在角速度的測量中，基于振動(dòng)角速度傳感器的測量方法的原理已證實(shí)是簡單且 可靠的。在振動(dòng)角速度傳感器中，在傳感器中激發(fā)并保持某種已知的主運(yùn)動(dòng)(primary motion)。于是，想要借助于傳感器測量的運(yùn)動(dòng)被檢測為主運(yùn)動(dòng)的偏差。在與諧振器的作用于傳感器的運(yùn)動(dòng)方向垂直的方向上的外部角速度在測震質(zhì)量 塊(seismic mass)中垂直于測震質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)方向的方向上激發(fā)科里奧利力(Coriolis force)。例如，從質(zhì)量塊的振動(dòng)中以電容方式檢測與角速度成比例的科里奧利力。微機(jī)械振動(dòng)角速度傳感器中的一個(gè)最重要的問題是所謂的正交信號(hào)，該正交信號(hào) 由結(jié)構(gòu)中的尺寸精度不良而導(dǎo)致。在利用微機(jī)械方法制造的諧振器中，在與運(yùn)動(dòng)方向垂直 的方向上可能存在容許誤差，其在角速度傳感器的檢測中產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，稱為正交信號(hào)，在 最壞的情況下，其幅值比輸出標(biāo)度的最大值所對應(yīng)的角速度信號(hào)大幾百倍。待測量的角速度信號(hào)相對于正交信號(hào)碰巧相移90度，從而在理想的解調(diào)中正交 信號(hào)會(huì)消失，所述角速度信號(hào)與質(zhì)量塊的速度成比例。然而，由于顯著大于待測量的信號(hào)， 故正交信號(hào)限制了待測信號(hào)的動(dòng)態(tài)。正交信號(hào)的另一個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)是，如果得不到補(bǔ)償，則由 于電子信號(hào)隨著例如溫度變化而相移，所述正交信號(hào)會(huì)顯著降低傳感器的零點(diǎn)的穩(wěn)定性。在傳感器中，正交信號(hào)可通過使用電場力(electric force)來補(bǔ)償。一種已知的 技術(shù)例如是前饋補(bǔ)償，在該技術(shù)中，將由被檢測的主運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)制的力以與正交信號(hào)相反 的相位反饋到檢測諧振器中。電氣補(bǔ)償?shù)奶娲绞嚼绨ㄍㄟ^靜電力或者通過由運(yùn)動(dòng)調(diào) 制的靜態(tài)實(shí)體而產(chǎn)生的力來校正運(yùn)動(dòng)方向，所述力可以補(bǔ)償由于剩余彈力而導(dǎo)致的正交信 號(hào)。借助于電場力的補(bǔ)償構(gòu)成了對傳感器的電子器件的挑戰(zhàn)。在該傳感器中，要么需 要精確的相位控制，要么可能需要大的電壓和獨(dú)立的結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明的目的是提供一種振動(dòng)角速度傳感器的結(jié)構(gòu)，其中直接通過機(jī)械設(shè) 計(jì)來實(shí)施對正交信號(hào)的補(bǔ)償，而不需要電場力。參照現(xiàn)有技術(shù)，芬蘭專利公報(bào)FI-116543B1描述了一種根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的角速度傳 感器，其中測震質(zhì)量塊由彈性結(jié)構(gòu)和/或剛性輔助結(jié)構(gòu)而連接到支撐區(qū)域，彈性結(jié)構(gòu)和/或 剛性輔助結(jié)構(gòu)為質(zhì)量塊提供了與垂直于它們所形成的盤的平面的旋轉(zhuǎn)軸以及至少一個(gè)在 盤的平面方向延伸的旋轉(zhuǎn)軸相關(guān)的自由度。而且，參照現(xiàn)有技術(shù)，芬蘭專利公報(bào) -116544B1描述了一種根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的角 速度傳感器，其中與測震質(zhì)量塊的邊緣關(guān)聯(lián)形成有至少一對電極，這對電極與質(zhì)量塊的表 面形成兩個(gè)電容，從而，作為質(zhì)量塊的主運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)角的函數(shù)，該對電極的一個(gè)電容增加，且該對電極的另一個(gè)電容減小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供這樣一種改進(jìn)的振動(dòng)角速度傳感器，尤其在小型振動(dòng)角速度 傳感器的方案中，其能夠以良好的性能實(shí)現(xiàn)可靠測量，其中對正交信號(hào)的補(bǔ)償通過機(jī)械設(shè) 計(jì)來實(shí)施，而不需要電氣補(bǔ)償，或者，可選地，與上述的電氣補(bǔ)償方法相結(jié)合。本發(fā)明的第一方面，提供了一種振動(dòng)微機(jī)械角速度傳感器，其包括至少一個(gè)測震 質(zhì)量塊以及與該質(zhì)量塊相關(guān)聯(lián)的活動(dòng)電極，所述質(zhì)量塊具有要被激發(fā)的主運(yùn)動(dòng)，并且不僅 具有主運(yùn)動(dòng)，還具有與基本垂直于所述主運(yùn)動(dòng)的一個(gè)檢測軸或多個(gè)檢測軸有關(guān)的至少一個(gè) 自由度，并且所述一個(gè)或多個(gè)質(zhì)量塊借助于彈性結(jié)構(gòu)支撐于傳感器元件的框架處，以使得 彈性結(jié)構(gòu)是非對稱的，從而由彈性結(jié)構(gòu)傳遞的從一種運(yùn)動(dòng)模式到另一種運(yùn)動(dòng)模式的耦合使 得由于彈性結(jié)構(gòu)或其支撐部中的偏斜造成的不理想性而導(dǎo)致的耦合消除或減少。優(yōu)選地，將彈性結(jié)構(gòu)的一個(gè)角蝕刻掉?；蛘撸趶椥越Y(jié)構(gòu)中蝕刻有一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償 槽。再或者，在彈性結(jié)構(gòu)中蝕刻有一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償腔。又或者，在彈性結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)附著 點(diǎn)中蝕刻有一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償槽或補(bǔ)償腔。而且，優(yōu)選地，通過恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)補(bǔ)償槽或補(bǔ)償腔的 尺寸，以使所述補(bǔ)償槽或補(bǔ)償腔有效地校正偏斜的彈性結(jié)構(gòu)的端部?；蛘撸瑥椥越Y(jié)構(gòu)的一個(gè)邊緣是鋸齒狀的。再或者，彈性結(jié)構(gòu)的兩個(gè)邊緣都是鋸齒狀的。而且，優(yōu)選地，將鋸齒狀的尺寸恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)為單側(cè)的或非對稱的，以使得鋸齒狀將彈性 結(jié)構(gòu)的彎曲軸扭轉(zhuǎn)。優(yōu)選地，將彈性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為非對稱的，從而由彈性結(jié)構(gòu)傳遞的從一種運(yùn)動(dòng)模式到 另一種運(yùn)動(dòng)模式的耦合使得由于不理想性而導(dǎo)致的耦合消除或減少，其中不理想性是由于 相對于DRIE蝕刻處理的槽的盤的垂線的傾斜而產(chǎn)生的。本發(fā)明的第二方面，提供了 一種借助于微機(jī)械盤結(jié)構(gòu)的振動(dòng)微機(jī)械角速度傳感器 的制造方法，該振動(dòng)微機(jī)械角速度傳感器包括至少一個(gè)質(zhì)量塊以及與該質(zhì)量塊相關(guān)聯(lián)的活 動(dòng)電極，所述質(zhì)量塊具有要被激發(fā)的主運(yùn)動(dòng)，并且不僅具有主運(yùn)動(dòng)，還具有與基本垂直于所 述主運(yùn)動(dòng)的一個(gè)檢測軸或多個(gè)檢測軸有關(guān)的至少一個(gè)自由度，并且所述一個(gè)或多個(gè)質(zhì)量塊 借助于彈性結(jié)構(gòu)支撐于傳感器元件的框架處，使得角速度傳感器的彈性結(jié)構(gòu)通過蝕刻而制 造成非對稱的。優(yōu)選地，通過設(shè)計(jì)蝕刻掩模，以使所述蝕刻掩模補(bǔ)償在盤表面上發(fā)生的由制造 工藝導(dǎo)致的不理想性。優(yōu)選地，在制造中使用DRIE蝕刻技術(shù)(DRIE，De印Reactive Ion Etching,深反應(yīng)離子蝕刻)。優(yōu)選地，在制造中利用DRIE蝕刻處理的不理想性，例如利用 ARDE效應(yīng)(ARDE, AspectRatio Dependent Etch rate，縱橫比決定蝕刻率)。優(yōu)選地，在制 造中使用兩級(jí)DRIE蝕刻處理，借助于該處理，被蝕刻的槽或腔的深度可具有恰當(dāng)?shù)某叽纭?br>

下面，示例性地參照附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明及其優(yōu)選實(shí)施例，在附圖中圖1表示本發(fā)明的用于支撐振動(dòng)角速度傳感器的測震質(zhì)量塊的彈性結(jié)構(gòu)的截面，圖2表示本發(fā)明的用于支撐振動(dòng)角速度傳感器的測震質(zhì)量塊的彈性結(jié)構(gòu)的立體 圖，
圖3表示本發(fā)明的用于支撐振動(dòng)角速度傳感器的測震質(zhì)量塊的可選彈性結(jié)構(gòu)的 截面，圖4表示本發(fā)明的用于支撐振動(dòng)角速度傳感器的測震質(zhì)量塊的可選彈性結(jié)構(gòu)的 立體圖，圖5表示本發(fā)明的用于支撐振動(dòng)角速度傳感器的測震質(zhì)量塊的第二可選彈性結(jié) 構(gòu)的立體圖，圖6表示本發(fā)明的用于支撐振動(dòng)角速度傳感器的測震質(zhì)量塊的第三可選彈性結(jié) 構(gòu)的立體圖，圖7表示本發(fā)明的用于支撐振動(dòng)角速度傳感器的測震質(zhì)量塊的第四可選彈性結(jié) 構(gòu)的立體圖，圖8表示本發(fā)明的振動(dòng)角速度傳感器的結(jié)構(gòu)的立體圖，圖9表示本發(fā)明的具有兩個(gè)軸的振動(dòng)角速度傳感器的結(jié)構(gòu)的立體圖，圖10表示本發(fā)明的用于支撐振動(dòng)角速度傳感器的測震質(zhì)量塊的第五可選彈性結(jié) 構(gòu)的立體圖，圖11表示本發(fā)明的用于支撐振動(dòng)角速度傳感器的測震質(zhì)量塊的第六可選彈性結(jié) 構(gòu)的立體圖。
具體實(shí)施例方式在本發(fā)明的振動(dòng)角速度傳感器中，要被激發(fā)的主運(yùn)動(dòng)是至少一個(gè)測震質(zhì)量塊和相 關(guān)聯(lián)的活動(dòng)電極的振動(dòng)。測震質(zhì)量塊不僅具有主運(yùn)動(dòng)，還具有與基本垂直于主運(yùn)動(dòng)的檢測 軸相關(guān)的另一自由度。而且，本發(fā)明的角速度傳感器包括測震質(zhì)量塊和相關(guān)聯(lián)的活動(dòng)電極，所述質(zhì)量塊 借助于彈性結(jié)構(gòu)支撐于傳感器元件的框架處。處于本發(fā)明的振動(dòng)角速度傳感器的主運(yùn)動(dòng)模式中的活動(dòng)電極被激發(fā)以進(jìn)行振動(dòng)。 于是，由科里奧利力導(dǎo)致的耦合激活檢測運(yùn)動(dòng)模式。主運(yùn)動(dòng)模式的運(yùn)動(dòng)軸與一個(gè)或多個(gè)檢 測運(yùn)動(dòng)模式的運(yùn)動(dòng)軸基本互相垂直。由于已知的不理想性，在沒有角速度激發(fā)時(shí)，模式之間 會(huì)存在耦合。在本發(fā)明的振動(dòng)角速度傳感器的一種結(jié)構(gòu)中，要被激發(fā)的主運(yùn)動(dòng)是至少一個(gè)測震 質(zhì)量塊和相關(guān)聯(lián)的活動(dòng)電極的振動(dòng)。相應(yīng)地，檢測運(yùn)動(dòng)模式的運(yùn)動(dòng)于是例如可基本在盤的 平面內(nèi)發(fā)生?；蛘?，檢測運(yùn)動(dòng)模式的運(yùn)動(dòng)可在基本垂直于盤的平面內(nèi)發(fā)生。本發(fā)明的振動(dòng)角速度傳感器通常通過盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行制造。通常例如借助于蝕刻技 術(shù)，將多個(gè)角速度傳感器的結(jié)構(gòu)制造在中央盤上，然后該中央盤例如被上方和下方的盤密 封。從已完成的盤封裝結(jié)構(gòu)中切出角速度傳感器。在具有振動(dòng)角速度傳感器的結(jié)構(gòu)的傳感器中，所述傳感器用DRIE蝕刻技術(shù) (DRIE，深反應(yīng)離子蝕刻)制造，在這些傳感器中，一種運(yùn)動(dòng)模式處于盤的平面內(nèi)，而另一種 運(yùn)動(dòng)模式垂直于盤的平面，正交信號(hào)是由DRIE槽相對于盤的法線的傾斜造成的。該現(xiàn)象可 重復(fù)性好，并且其在盤上的分布是已知的。 根據(jù)本發(fā)明，由于在盤上的分布是已知的，故可借助于制造掩模來實(shí)施對振動(dòng)角 速度傳感器的結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償，從而，不需要對角速度傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行個(gè)別機(jī)械調(diào)諧。
導(dǎo)致本發(fā)明的振動(dòng)角速度傳感器的結(jié)構(gòu)中的正交信號(hào)這一現(xiàn)象是已知的，例如正 交信號(hào)是由DRIE蝕刻處理槽相對于盤的法線的傾斜而導(dǎo)致的，所以正交信號(hào)在盤上的分 布也是已知的且可重復(fù)的。在本發(fā)明的方案中，通過將彈性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為非對稱的，從而由彈性結(jié)構(gòu)傳遞的從 一種運(yùn)動(dòng)模式到另一種運(yùn)動(dòng)模式的耦合使得由于正交信號(hào)造成的不理想性而導(dǎo)致的耦合 消除或顯著減少，以使正交信號(hào)得到補(bǔ)償。根據(jù)本發(fā)明，作為所述方案的具體情況，振動(dòng)角速度傳感器的結(jié)構(gòu)中的非對稱彈 性結(jié)構(gòu)可通過使用DRIE蝕刻處理的其它不理想性來制作。作為這種不理想性DRIE蝕刻處 理的例子，可使用ARDE效應(yīng)(ARDE，縱橫比決定蝕刻率)和輪廓的楔狀特性。因此，可在不 需要任何額外的處理步驟的情況下完成本發(fā)明的補(bǔ)償。圖1至11表示本發(fā)明的振動(dòng)角速度傳感器的結(jié)構(gòu)的彈性結(jié)構(gòu)的例子，正交信號(hào)可 借助于這些彈性結(jié)構(gòu)而得到補(bǔ)償。圖1表示本發(fā)明的用于支撐振動(dòng)角速度傳感器的測震質(zhì)量塊的彈性結(jié)構(gòu)的截面。 本發(fā)明的角速度傳感器的彈性結(jié)構(gòu)以附圖標(biāo)記1表示。將本發(fā)明的彈性結(jié)構(gòu)1的一個(gè)角蝕 刻掉。本發(fā)明的彈性結(jié)構(gòu)是非對稱的，從而由彈性結(jié)構(gòu)傳遞的從一種運(yùn)動(dòng)模式到另一種運(yùn) 動(dòng)模式的耦合使得由于正交信號(hào)造成的不理想性而導(dǎo)致的耦合消除或顯著減少。圖2表示本發(fā)明的用于支撐振動(dòng)角速度傳感器的測震質(zhì)量塊的彈性結(jié)構(gòu)的立體 圖。本發(fā)明的角速度傳感器的彈性結(jié)構(gòu)以附圖標(biāo)記1表示。將本發(fā)明的彈性結(jié)構(gòu)1的一個(gè) 角蝕刻掉。在制造如圖1 圖2所示的本發(fā)明的彈性結(jié)構(gòu)時(shí)，可設(shè)計(jì)蝕刻掩模，以使其補(bǔ)償在 盤上發(fā)生的由制造工藝造成的不理想性。這些不理想性的一種情況例如是由于DRIE蝕刻 處理的槽相對于盤的法線的傾斜而導(dǎo)致的不理想性。于是，本發(fā)明的彈性結(jié)構(gòu)1的切掉的 角的尺寸在整個(gè)盤上是變化的。圖3表示本發(fā)明的用于支撐振動(dòng)角速度傳感器的測震質(zhì)量塊的可選彈性結(jié)構(gòu)的 截面。本發(fā)明的角速度傳感器的可選彈性結(jié)構(gòu)以附圖標(biāo)記2表示。在本發(fā)明的可選的彈性 結(jié)構(gòu)2中蝕刻有一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償槽。本發(fā)明的可選彈性結(jié)構(gòu)2是非對稱的，從而由彈性結(jié) 構(gòu)傳遞的從一種運(yùn)動(dòng)模式到另一種運(yùn)動(dòng)模式的耦合使得由于正交信號(hào)造成的不理想性而 導(dǎo)致的耦合消除或顯著減少。圖4表示本發(fā)明的用于支撐振動(dòng)角速度傳感器的測震質(zhì)量塊的可選彈性結(jié)構(gòu)的 立體圖。本發(fā)明的角速度傳感器的可選彈性結(jié)構(gòu)以附圖標(biāo)記2表示。在本發(fā)明的可選彈性 結(jié)構(gòu)2中蝕刻有一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償槽。在制造如圖3 圖4所示的本發(fā)明的彈性結(jié)構(gòu)2時(shí)，可設(shè)計(jì)蝕刻掩模，以使所述蝕 刻掩模補(bǔ)償在盤上發(fā)生的由制造工藝導(dǎo)致的不理想性。這些不理想性的一種情況例如是由 于DRIE蝕刻處理的槽相對于盤的法線的傾斜而導(dǎo)致的不理想性。于是，本發(fā)明的可選彈性 結(jié)構(gòu)2的補(bǔ)償槽的尺寸在整個(gè)盤上是變化的。本發(fā)明的可選彈性結(jié)構(gòu)2的補(bǔ)償槽可與其它結(jié)構(gòu)在同一個(gè)DRIE蝕刻中進(jìn)行蝕刻。 在制造本發(fā)明的可選彈性結(jié)構(gòu)2時(shí)，由于ARDE效應(yīng)，補(bǔ)償槽不會(huì)一直蝕刻到貫穿所述盤，而 是，可恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)槽的深度尺寸。或者，例如可通過兩級(jí)蝕刻處理以蝕刻出具有恰當(dāng)深度的槽。
圖5表示本發(fā)明的用于支撐振動(dòng)角速度傳感器的測震質(zhì)量塊的第二可選彈性結(jié)構(gòu)的立體圖。本發(fā)明的角速度傳感器的第二可選彈性結(jié)構(gòu)以附圖標(biāo)記3表示。在本發(fā)明的 第二可選彈性結(jié)構(gòu)3中蝕刻有一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償腔。本發(fā)明的第二可選彈性結(jié)構(gòu)3是非對稱 的，從而由彈性結(jié)構(gòu)傳遞的從一種運(yùn)動(dòng)模式到另一種運(yùn)動(dòng)模式的耦合使得由于正交信號(hào)造 成的不理想性而導(dǎo)致的耦合消除或顯著減少。在制造如圖5所示的本發(fā)明的彈性結(jié)構(gòu)3時(shí)，可設(shè)計(jì)蝕刻掩模，以使其補(bǔ)償在盤上 發(fā)生的由制造工藝導(dǎo)致的不理想性。這些不理想性的一種情況例如是由于DRIE蝕刻處理 的槽相對于盤的法線的傾斜而導(dǎo)致的不理想性。于是，本發(fā)明的第二可選彈性結(jié)構(gòu)3的補(bǔ) 償腔的尺寸在整個(gè)盤上是變化的。本發(fā)明的第二可選彈性結(jié)構(gòu)3的補(bǔ)償腔可與其它結(jié)構(gòu)在同一個(gè)DRIE蝕刻中進(jìn)行 蝕刻。在制造本發(fā)明的第二可選彈性結(jié)構(gòu)3時(shí)，由于ARDE效應(yīng)，補(bǔ)償腔不會(huì)一直蝕刻到貫 穿所述盤，而是，可恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)腔的深度尺寸?；蛘撸缈赏ㄟ^兩級(jí)蝕刻處理以蝕刻出具 有恰當(dāng)深度的腔。圖6表示本發(fā)明的用于支撐振動(dòng)角速度傳感器的測震質(zhì)量塊的第三可選彈性結(jié) 構(gòu)的立體圖。本發(fā)明的角速度傳感器的第三可選彈性結(jié)構(gòu)以附圖標(biāo)記4表示。本發(fā)明的第 三可選彈性結(jié)構(gòu)包括附著點(diǎn)5、6。在彈性結(jié)構(gòu)4的至少一個(gè)附著點(diǎn)5、6中蝕刻有一個(gè)或多 個(gè)補(bǔ)償槽或補(bǔ)償腔。本發(fā)明的第三可選彈性結(jié)構(gòu)4是非對稱的，從而由彈性結(jié)構(gòu)傳遞的從 一種運(yùn)動(dòng)模式到另一種運(yùn)動(dòng)模式的耦合使得由于正交信號(hào)造成的不理想性而導(dǎo)致的耦合 消除或顯著減少。圖7表示本發(fā)明的用于支撐振動(dòng)角速度傳感器的測震質(zhì)量塊的第四可選彈性結(jié) 構(gòu)的立體圖。本發(fā)明的角速度傳感器的第四可選彈性結(jié)構(gòu)以附圖標(biāo)記7表示。本發(fā)明的第 四可選彈性結(jié)構(gòu)7包括附著點(diǎn)8、9。在彈性結(jié)構(gòu)7的至少一個(gè)附著點(diǎn)8、9中蝕刻有一個(gè)或 多個(gè)補(bǔ)償槽或補(bǔ)償腔。本發(fā)明的第四可選彈性結(jié)構(gòu)7是非對稱的，從而由彈性結(jié)構(gòu)傳遞的 從一種運(yùn)動(dòng)模式到另一種運(yùn)動(dòng)模式的耦合使得由于正交信號(hào)造成的不理想性而導(dǎo)致的耦 合消除或顯著減少。在制造如圖6 圖7所示的所介紹的彈性結(jié)構(gòu)4、7時(shí)，可設(shè)計(jì)蝕刻掩模，以使其補(bǔ) 償在盤上發(fā)生的由制造工藝導(dǎo)致的不理想性。這些不理想性的一種情況例如是由于DRIE 蝕刻處理的槽相對于盤的法線的傾斜而導(dǎo)致的不理想性。于是，所介紹的彈性結(jié)構(gòu)4、7的 補(bǔ)償槽或補(bǔ)償腔的尺寸在整個(gè)盤上是變化的。圖6 圖7中所示的彈性結(jié)構(gòu)4、7的補(bǔ)償槽或補(bǔ)償腔可與其它結(jié)構(gòu)在同一個(gè)DRIE 蝕刻中進(jìn)行蝕刻。在制造所介紹的彈性結(jié)構(gòu)4、7時(shí)，由于ARDE效應(yīng)，補(bǔ)償槽或補(bǔ)償腔不會(huì) 一直蝕刻到貫穿所述盤，而是，可恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)槽或腔的深度尺寸?；蛘撸缈赏ㄟ^兩級(jí)蝕 刻處理以蝕刻出具有恰當(dāng)深度的槽或腔。在所介紹的彈性結(jié)構(gòu)4、7中，具有恰當(dāng)尺寸的補(bǔ) 償槽或補(bǔ)償腔可以有效地校正偏斜的彈性結(jié)構(gòu)的端部。圖8表示本發(fā)明的振動(dòng)角速度傳感器的結(jié)構(gòu)的立體圖。本發(fā)明的角速度傳感器的 振動(dòng)質(zhì)量塊以附圖標(biāo)記10和11表示。角速度傳感器的振動(dòng)質(zhì)量塊10、11通過彈性結(jié)構(gòu)支 撐于它們的附著點(diǎn)12、13處。在角速度傳感器的彈性結(jié)構(gòu)的附著點(diǎn)12的質(zhì)量塊側(cè)的相對端 14處，或者，在彈性結(jié)構(gòu)的附著點(diǎn)13側(cè)的端15處，蝕刻有一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償槽或補(bǔ)償腔14、 15。本發(fā)明的彈性結(jié)構(gòu)是非對稱的，從而由彈性結(jié)構(gòu)傳遞的從一種運(yùn)動(dòng)模式到另一種運(yùn)動(dòng)模式的耦合使得由于正交信號(hào)造成的不理想性而導(dǎo)致的耦合消除或顯著減少。圖9表示本發(fā)明的具有兩個(gè)軸的振動(dòng)角速度傳感器的結(jié)構(gòu)的立體圖。本發(fā)明的具 有兩個(gè)軸的角速度傳感器的振動(dòng)質(zhì)量塊以附圖標(biāo)記16表示。具有兩個(gè)軸的角速度傳感器 的質(zhì)量塊16通過彈性結(jié)構(gòu)支撐于其附著點(diǎn)17處。在具有兩個(gè)軸的角速度傳感器的彈性結(jié) 構(gòu)的端18、20處，與附著點(diǎn)17相對，或者，在彈性結(jié)構(gòu)的附著點(diǎn)17側(cè)的端19、21處，蝕刻有 一個(gè)或兩個(gè)補(bǔ)償槽或補(bǔ)償腔18 21。本發(fā)明的彈性結(jié)構(gòu)是非對稱的，從而由彈性結(jié)構(gòu)傳遞 的從一種運(yùn)動(dòng)模式到另一種運(yùn)動(dòng)模式的耦合使得由于正交信號(hào)造成的不理想性而導(dǎo)致的 耦合消除或顯著減少。圖10表示本發(fā)明的用于支撐振動(dòng)角速度傳感器的測震質(zhì)量塊的第五可選彈性結(jié) 構(gòu)的立體圖。本發(fā)明的角速度傳感器的第五可選彈性結(jié)構(gòu)以附圖標(biāo)記22表示。本發(fā)明的 第五可選彈性結(jié)構(gòu)22的一個(gè)邊緣是鋸齒狀23。本發(fā)明的第五可選彈性結(jié)構(gòu)22是非對稱 的，從而由彈性結(jié)構(gòu)傳遞的從一種運(yùn)動(dòng)模式到另一種運(yùn)動(dòng)模式的耦合使得由于正交信號(hào)造 成的不理想性而導(dǎo)致的耦合消除或顯著減少。在制造圖10所示的本發(fā)明的第五可選彈性結(jié)構(gòu)22時(shí)，可設(shè)計(jì)蝕刻掩模，以使其補(bǔ) 償在盤上發(fā)生的由制造工藝導(dǎo)致的不理想性。這些不理想性的一種情況例如是由于DRIE 蝕刻處理的槽相對于盤的法線的傾斜而導(dǎo)致的不理想性。于是，本發(fā)明的第五可選彈性結(jié) 構(gòu)22的鋸齒狀23的尺寸在整個(gè)盤上是變化的。本發(fā)明的第五可選彈性結(jié)構(gòu)22的鋸齒狀 23可與其它結(jié)構(gòu)在同一個(gè)DRIE蝕刻中進(jìn)行蝕刻。圖11表示本發(fā)明的用于支撐振動(dòng)角速度傳感器的測震質(zhì)量塊的第六可選彈性結(jié) 構(gòu)的立體圖。本發(fā)明的角速度傳感器的第六可選彈性結(jié)構(gòu)以附圖標(biāo)記24表示。本發(fā)明的 第六可選彈性結(jié)構(gòu)24的兩個(gè)邊緣都是鋸齒狀25、26。本發(fā)明的第六可選彈性結(jié)構(gòu)24是非 對稱的，從而由彈性結(jié)構(gòu)傳遞的從一種運(yùn)動(dòng)模式到另一種運(yùn)動(dòng)模式的耦合使得由于正交信 號(hào)造成的不理想性而導(dǎo)致的耦合消除或顯著減少。在制造圖11中所示的本發(fā)明的第六可選彈性結(jié)構(gòu)24時(shí)，可設(shè)計(jì)蝕刻掩模，以使其 補(bǔ)償在盤上發(fā)生的由制造工藝導(dǎo)致的不理想性。這些不理想性的一種情況例如是由于DRIE 蝕刻處理的槽相對于盤的法線的傾斜而導(dǎo)致的不理想性。于是，本發(fā)明的第六可選彈性結(jié) 構(gòu)24的鋸齒狀25、26的尺寸在整個(gè)盤上是變化的。本發(fā)明的第六可選彈性結(jié)構(gòu)24的鋸齒 狀25、26可與其它結(jié)構(gòu)在同一個(gè)DRIE蝕刻中進(jìn)行蝕刻。如圖10 圖11所示的彈性結(jié)構(gòu)22、24中的DRIE蝕刻輪廓，實(shí)際上不僅傾斜，而 且稍微呈楔形，即槽在深度方向上變寬，從而，鋸齒圖案在彈性結(jié)構(gòu)的上部表面和下部表面 之間是不同的。在本發(fā)明的方案中，可將鋸齒狀23、25、26的尺寸恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)為單側(cè)的或非 對稱的，從而，鋸齒狀23、25、26使彈性結(jié)構(gòu)22、24的彎曲軸扭轉(zhuǎn)。本發(fā)明的方案可用于補(bǔ)償所有這種角速度傳感器的正交信號(hào)，在所述角速度傳感 器中，主運(yùn)動(dòng)是至少一個(gè)測震質(zhì)量塊和相關(guān)聯(lián)的活動(dòng)電極的振動(dòng)，并且所述角速度傳感器 中，質(zhì)量塊不僅具有主運(yùn)動(dòng)，還具有與基本垂直于主運(yùn)動(dòng)的一個(gè)檢測軸或多個(gè)檢測軸相關(guān) 的第二自由度。
權(quán)利要求
一種振動(dòng)微機(jī)械角速度傳感器，其包括至少一個(gè)測震質(zhì)量塊和相關(guān)聯(lián)的活動(dòng)電極，所述質(zhì)量塊具有必須被激發(fā)的主運(yùn)動(dòng)，并且不僅具有所述主運(yùn)動(dòng)，還具有與基本垂直于所述主運(yùn)動(dòng)的一個(gè)或多個(gè)檢測軸相關(guān)的至少一個(gè)自由度，并且所述一個(gè)或多個(gè)質(zhì)量塊借助于彈性結(jié)構(gòu)支撐于所述傳感器元件的框架處，其特征在于，所述彈性結(jié)構(gòu)(1)、(2)、(3)、(4)、(22)、(24)是非對稱的，從而由所述彈性結(jié)構(gòu)(1)、(2)、(3)、(4)、(22)、(24)傳遞的從一種運(yùn)動(dòng)模式到另一種運(yùn)動(dòng)模式的耦合使得由于所述彈性結(jié)構(gòu)或所述彈性結(jié)構(gòu)的支撐部中的偏斜造成的不理想性而導(dǎo)致的耦合消除或減少。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角速度傳感器，其特征在于，所述彈性結(jié)構(gòu)(1)的一個(gè)角被蝕 刻掉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角速度傳感器，其特征在于，在所述彈性結(jié)構(gòu)(2)中蝕刻有一 個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角速度傳感器，其特征在于，在所述彈性結(jié)構(gòu)(3)中蝕刻有一 個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償腔(14)、(15)、(18) (21)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角速度傳感器，其特征在于，在所述彈性結(jié)構(gòu)(4)的至少一個(gè) 附著點(diǎn)(5)、(6)中蝕刻有一個(gè)或多個(gè)補(bǔ)償槽或補(bǔ)償腔(14)、(15)、(18) (21)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的角速度傳感器，其特征在于，通過恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)所述補(bǔ)償槽或 補(bǔ)償腔(14)、(15)、(18) (21)的尺寸，以使所述補(bǔ)償槽或補(bǔ)償腔有效地校正偏斜的彈性 結(jié)構(gòu)⑷的端部。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角速度傳感器，其特征在于，所述彈性結(jié)構(gòu)(22)的一個(gè)邊緣 是鋸齒狀的(23)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角速度傳感器，其特征在于，所述彈性結(jié)構(gòu)(24)的兩個(gè)邊緣 都是鋸齒狀的(25)、(26)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的角速度傳感器，其特征在于，通過將所述鋸齒狀(23)、 (25)、(26)的尺寸恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)為單側(cè)的或非對稱的，使得所述鋸齒狀(23)、(25)、(26)將所 述彈性結(jié)構(gòu)(22)、(24)的彎曲軸扭轉(zhuǎn)。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求1至9的任何一項(xiàng)所述的角速度傳感器，其特征在于，通過非對 稱地設(shè)計(jì)所述彈性結(jié)構(gòu)(1)、(2)、(3)、(4)、(22)、(24)，使得由所述彈性結(jié)構(gòu)(1)、(2)、(3)、 (4)、(22)、(24)傳遞的從一種運(yùn)動(dòng)模式到另一種運(yùn)動(dòng)模式的所述耦合使得由于DRIE蝕刻 處理的槽相對于盤的法線的傾斜造成的所述不理想性而導(dǎo)致的所述耦合消除或減少。
11.一種借助于微機(jī)械盤結(jié)構(gòu)的振動(dòng)微機(jī)械角速度傳感器的制造方法，所述角速度傳 感器包括至少一個(gè)測震質(zhì)量塊和相關(guān)聯(lián)的活動(dòng)電極，所述質(zhì)量塊具有必須被激發(fā)的主運(yùn) 動(dòng)，并且不僅具有所述主運(yùn)動(dòng)，還具有與基本垂直于所述主運(yùn)動(dòng)的一個(gè)或多個(gè)檢測軸有關(guān) 的至少一個(gè)自由度，并且所述一個(gè)或多個(gè)質(zhì)量塊借助于彈性結(jié)構(gòu)支撐于所述傳感器元件的 框架處，其特征在于，通過蝕刻將所述角速度傳感器的所述彈性結(jié)構(gòu)(1)、(2)、(3)、(4)、 (22)、(24)制造成非對稱的。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，通過設(shè)計(jì)蝕刻掩模，以使所述蝕刻掩模 補(bǔ)償在所述盤上發(fā)生的由所述制造工藝而導(dǎo)致的不理想性。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其特征在于，在所述制造中使用DRIE蝕刻技術(shù) (DRIE，深反應(yīng)離子蝕刻)。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求11至13中的任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在制造中利用 了諸如ARDE效應(yīng)(ARDE，縱橫比決定蝕刻率)的所述DRIE蝕刻處理的不理想性。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求11至14中的任何一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在制造中，通過 利用兩級(jí)DRIE蝕刻處理，要蝕刻的槽或腔的深度可以具有恰當(dāng)?shù)某叽纭?br> 全文摘要
本發(fā)明涉及用于測量角速度的測量裝置，更具體地，涉及振動(dòng)微機(jī)械角速度傳感器。在本發(fā)明的角速度傳感器中，質(zhì)量塊借助于非對稱的彈性結(jié)構(gòu)(1)、(2)、(3)、(4)、(22)、(24)支撐于傳感器元件的框架處，以此方式，由彈性結(jié)構(gòu)(1)、(2)、(3)、(4)、(22)、(24)傳遞的從一種運(yùn)動(dòng)模式到另一種運(yùn)動(dòng)模式的耦合使得由于彈性結(jié)構(gòu)中或其支撐部中的偏斜造成的不理想性而導(dǎo)致的耦合消除或減少。特別是在用于角速度傳感器的小型振動(dòng)微機(jī)械方案中，本發(fā)明的角速度傳感器結(jié)構(gòu)能夠以良好的性能實(shí)現(xiàn)可靠測量。
文檔編號(hào)G01C19/5712GK101815949SQ200880109941
公開日2010年8月25日 申請日期2008年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月5日
發(fā)明者凱薩·內(nèi)拉, 安斯·布盧姆奎斯特, 安蒂·利普薩內(nèi)恩, 彼得里·克萊默提, 阿爾蒂·托爾克里 申請人:Vti技術(shù)有限公司