CN1782713B - 具有沿转动方向振荡的惯性质量块的角速度探测器 - Google Patents

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Abstract

一种角速度探测器(100)包括通过驱动梁(40)支承在基体(10)上的盘状惯性质量块(30)和通过探测梁(50)连接在惯性质量块上的第二质量块(32)。惯性质量块(30)由静电力驱动沿其绕中心轴(z)的转动方向振荡。当惯性质量块(30)在振荡时，同时绕与中心轴(z)垂直的探测轴(x)的角速度(Ωx)施加在第二质量块(32)上时，第二质量块(32)沿平行于中心轴(z)的方向位移。第二质量块(32)与基体(10)之间的电容随着第二质量块的位移而变化。基于电容的变化而探测角速度(Ωx)。因为驱动梁(40)允许惯性质量块(30)仅沿其转动方向振荡，可以容易地设计和制造驱动梁(40)。

Description

具有沿转动方向振荡的惯性质量块的角速度探测器
技术领域
本发明涉及一种具有沿其转动方向振荡的惯性质量块的角速度探测器。
背景技术
该类型角速度探测器用来探测施加在探测轴上的角速度，其中该探测轴与惯性质量块的旋转轴垂直。当惯性质量块绕其转动中心振荡时，惯性质量块由于施加在惯性质量块上的科氏力而发生位移。该类型角速度探测器的例子如JP-A-2001-99855所揭示。
在利用科氏力的另一类型角速度探测器中，惯性质量块沿直线振动。在这种类型的角速度探测器中，惯性质量块由于沿垂直于直线(其中惯性质量块沿该直线振动)的方向上的角速度而发生位移。然而，在该类型探测器中，当线性加速度被施加在探测方向上时，即使没有角速度，也会测得错误的角速度。为了消除这种错误测得的线性加速度，使用了两个具有相反相位振动的惯性质量块。然而，这不可避免地使该角速度探测器的结构复杂化。
与具有沿直线振动的惯性质量块的角速度探测器相反，具有绕其转动中心振动的质量块的探测器不需要任何消除线性加速度的装置。具有绕转动中心振动的质量块的传统探测器的基本结构如附图3A和3B所示。角速度探测器J100包括支承在基体10上的惯性质量块30。惯性质量块30绕垂直于基体10平面的中心轴z振荡。
通过蚀刻三层半导体板来制成角速度探测器J100，其中该三层半导体板由基体10、牺牲层11和半导体层12组成，并依此顺序层叠而成。如图3A中所示的盘形惯性质量块30、驱动梁40、驱动电极60、61和其他部件是通过对半导体层12制作布线图案而制成。然后，通过部分地除去牺牲层11，使得惯性质量块30从基体10上分离出来。惯性质量块30通过驱动梁40弹性连接在由牺牲层11制成的支承件20上。驱动梁40被制成使得，惯性质量块30可以围绕中心轴z振荡，并且当角速度Ωx施加在探测轴x(其与基体10平面平行且与中心轴z垂直)上时，该惯性质量块30可沿与中心轴z平行的方向变形。
用于使惯性质量块30围绕中心轴z振荡的驱动电极60、61通过牺牲层11固定在基体10上。具有相反交流电相位的驱动信号分别地供应到第一驱动电极60和第二驱动电极61，以使得惯性质量块30围绕着中心轴z振荡。每个驱动电极60、61连接着固定电极60a、61a，其中固定电极60a、61a面对着连接在惯性质量块30上的可移动电极31a。一旦将驱动电流供应至驱动电极60、61上，在固定电极60a、61a和可移动电极31a之间的静电力的作用下，惯性质量块30绕中心轴z来回振荡，如图3A中的箭头所示。为了在较小的驱动电流的作用下获得较高的振荡力，惯性质量块30的共振频率被制成与驱动电流的频率相同。惯性质量块30的共振频率由驱动梁40的杨氏系数和惯性质量块30的质量所确定。
当在惯性质量块30振荡期间角速度Ωx施加在探测轴x上时，惯性质量块30的外周部分由科氏力驱动、沿垂直于基体10平面的方向(即与中心轴z平行的方向)变形，如图3B所示。因此，惯性质量块30的外周部分和形成在基体10上的探测电极70之间的距离(电容)变化与角速度Ωx相对应。基于探测电极70和惯性质量块30的外周部分之间的电容而探测角速度Ωx。
在上述的传统探测器J100中，因为基于垂直于基体10平面方向上的惯性质量块30变形量而探测角速度，所以驱动梁40必须被制成允许惯性质量块30在两个方向上移动，也就是转动方向和轴向(中心轴z的方向)。因此，必须谨慎地设计和制造驱动梁40，并考虑在转动方向和轴向上的共振频率。显然地，很难制作精确尺寸的驱动梁40，以在两个方向上都具有理想的共振频率。
发明内容
考虑到上述问题作出本发明，本发明的目的是提供一种具有容易设计和制造的驱动梁的改进角速度探测器。
该角速度探测主要由通过驱动梁支承在基体上的盘形惯性质量块和通过探测梁连接在惯性质量块上的第二质量块组成。惯性质量块由施加在其上的静电力驱动、围绕中心轴z沿其转动方向振荡。驱动梁是弹性的，从而允许惯性质量块仅在转动方向上振荡。连接第二质量块和惯性质量块的探测梁是弹性的，从而允许第二质量块仅沿轴向方向(其垂直于惯性质量块平面且平行于中心轴z)上位移。
角速度探测器由基体、牺牲层、半导体层并依此顺序层叠组成的三层板制成。通过蚀刻去除牺牲层，从而使得盘形惯性质量块从基体上分离出来，并仅通过驱动梁支承在基体上。驱动梁、第二质量块和探测梁也是通过蚀刻在半导体层上制作布线图案而形成。
当角速度被施加在探测轴x(其与惯性质量块平面平行且与中心轴z垂直)上时，同时惯性质量块围绕中心轴z来回振荡时，通过探测梁连接在惯性质量块上的第二质量块沿与中心轴z平行的方向位移。在第二质量块和形成于基体上的探测电极之间形成的电容的变化与第二质量块的位移相对应。基于电容的变化而探测围绕探测轴x的角速度。
一对第二质量块关于中心轴z对称布置，用来消除绕探测轴x的角速度沿中心轴z方向中所施加的任何加速度分量。通过成对的第二质量块之间的位移差来实现消除加速度分量。也可以使用两对第二质量块，以使得通过一对第二质量块来探测绕探测轴x的角速度，并使用另一对第二质量块来探测绕垂直于探测轴x的轴y的另一个角速度。
在本发明的角速度探测器中，连接着惯性质量块和基体的驱动梁仅允许惯性质量块在其转动方向上振荡，而连接着第二质量块和惯性质量块的探测梁仅允许第二质量块在轴向上位移。因此，可以不受限于各种因素而容易地设计和制造出上述梁。通过阅读以下优选实施例和参考附图，本发明的其他特性和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1A是本发明第一实施例的角速度探测器的俯视图。
图1B是图1A所示角速度探测器沿IB-IB线的剖视图。
图2A是本发明第二实施例的角速度探测器的俯视图。
图2B是图2A所示角速度探测器沿IIB-IIB线的剖视图。
图3A是传统的角速度探测器的俯视图。
图3B是图3A所示传统的角速度探测器沿IIIB-IIIB线的剖视图。
具体实施方式
本发明的第一实施例如图1A和1B所示，分别展示了本发明的角速度探测器100的俯视图和剖视图。图1A中的剖面线不是指剖面而是表示各个部件的顶面。为了清楚地将惯性质量块30与驱动电极60、61区分出来，前者打以剖面线，后者用点来表示。
角速度探测器100由一个三层板制成，该三层板由基体10，牺牲层11(例如二氧化硅层)和半导体层12(例如外延多晶硅层(epitaxial poly-silicone layer))组成，所述各层依此顺序层叠。探测器100通过已知的半导体处理技术来制造。牺牲层11的一部分通过蚀刻被去除，来使惯性质量块30从基体10上分离出来。另一种方法，角速度探测器100可以由绝缘体上硅(SOI)的基体来制造。在使用SOI的情形下，优选地，通过扩散杂质使顶部半导体层具有高导电性。
角速度探测器100例如用作安装在汽车上的设备(如偏转角速度(yaw rate)传感器、侧倾角速度(roller rate)传感器或者俯仰角速度(pitch rate)传感器)。将角速度探测器100用作偏转角速度传感器时，它被安装在车辆上使得基体10的平面成为竖直的。将角速度探测器100用作侧倾角速度传感器或者俯仰角速度传感器时，基体10的平面被设置成水平的。
角速度探测器100例如由三层板按下述方式制造。首先，通过蚀刻在半导体层12上制作布线图案而形成各个部件如惯性质量块30、驱动梁40、探测梁50和驱动电极60、61。然后，通过蚀刻去除部分的牺牲层11，从而在基体10上形成了支承件20。
由牺牲层11制成的支承件20被固定在基体10上，且惯性质量块30通过4个驱动梁40被支承在支承件20上。支承件20为方形且位于基体10的中心。驱动梁40的一端固定在支承件20上，且其另一端连接在惯性质量块30的内周上。驱动梁40是弹性的，以至于惯性质量块30可以围绕着与基体10的平面相垂直的中心轴z旋转或振荡。驱动梁40仅允许惯性质量块30大致在转动方向上移动，而不允许惯性质量块30在轴向(也就是与中心轴z平行的方向)上移动。
惯性质量块30被制成具有中心孔的盘状，其中驱动梁40安装在中心孔中。惯性质量块30由第一质量块31和关于中心轴z对称并位于第一质量块31的切口部分内的一对第二质量块32组成，如图1A所示。通过将第二质量块32放置在第一质量块31的切口部分内，避免了增加探测器100的尺寸。第二质量块32通过仅可大致沿轴向弹性变形的探测梁50被连接在第一质量块31上。惯性质量块30(其包括第一质量块31和成对的第二质量块32)整体上可以围绕轴z振荡，而仅第二质量块32可以沿轴向位移。
为了使惯性质量块30在绕中心轴z的转动方向上振荡，可移动电极31a在第一质量块31上的四个位置处连接到其上，如图1A所示。连接在第一驱动电极60上的固定电极60a和连接在第二驱动电极61上的固定电极61a被排列成面对着可移动电极31a。具有相反相位的交流电的电流被分别地供应至第一驱动电极60和第二驱动电极61，用来引起惯性质量块30围绕中心轴z的振荡运动。惯性质量块30由可移动电极31a和固定电极60a、61a之间的静电力沿转动方向振荡。优选地，驱动电流的频率被设置成与惯性质量块30的共振频率相同，用来使驱动电流最小化。当然，第二质量块32的共振频率不同于惯性质量块30的共振频率。
一对探测电极70在面对着第二质量块32的位置处形成在基体10上。在探测电极70和第二质量块32间形成了电容器。当第二质量块32沿轴向位移时，如图1B中虚线所示，电容器的电容发生变化。探测电极70连接在用来探测电容变化的电路上(图中未示出)。驱动电极60、61连接在用来供应驱动电流的电源上。这些探测电路和电源电路可形成在与角速度探测器100不同的芯片上。可选地，这些电路也可形成在具有角速度探测器100的同一块芯片上。
现在，将描述角速度探测器100的操作。具有交流电的第一驱动电流供应至第一驱动电极60上，且第二驱动电流(其具有与第一驱动电流相位相反的交流电)供应至第二驱动电极61。惯性质量块30由固定电极60a、61a和可移动电极31a之间的静电力驱动绕中心轴z来回振荡，如图1A中箭头所示。
如果绕探测轴x(该探测轴x平行于基体10平面且垂直于中心轴z)的角速度Ωx被施加在角速度探测器100上，同时惯性质量块30围绕中心轴z振荡，则第二质量块32在科氏(coriolis)力作用下沿平行于中心轴z的方向位移。在第二质量块32和探测电极70之间的电容随着角速度Ωx而变化。通过探测电容的变化，测得角速度Ωx。在本实施例中，两个第二质量块32关于中心轴z对称布置，且两个第二质量块32彼此相反地移动。因此，在本实施例中，基于两个探测电极70的输出量之间的差值而探测角速度Ωx的数值。
上文所述第一实施例具有的优点总结如下。因为包括第一质量块31和第二质量块32的惯性质量块30沿转动方向振荡，而第二质量块32沿轴向(即垂直于基体10平面的方向)位移，探测梁50可独立于驱动梁40进行设计和制造，以使得它们仅在轴向上发生变形。另一方面，驱动梁40被设计和制造成使得它们仅在转动方向上振荡。因此，驱动梁40和探测梁50可以容易地进行设计和制造。特别是，不需要梁40、50具有非常精确的尺寸。
因为驱动梁40被设计成不沿轴向(即平行于中心轴z的方向)振动，转动方向上的振荡不会泄漏至轴向探测信号，所以角速度探测器的探测精度可以得到改进。因为两个第二质量块32关于中心轴z对称设置，两个第二质量块32之间的输出信号由于沿中心轴z方向的线性加速度而被消除。所以，可确保角速度Ωx与线性加速度分离开。
本发明的第二实施例如图2A和2B所示。第二实施例200与上述第一实施例100相似，但是额外增设了一对第二质量块32，用来探测绕轴y(其与基体10的平面平行且垂直于探测轴x)的角速度Ωy。换句话说，在第二实施例中，除了探测到绕轴x的角速度Ωx之外，还探测绕轴y的角速度Ωy。附加的一对第二质量块32沿轴y设置。所有的第二质量块32都位于第一质量块31的切口部分内，且角速度探测器200的尺寸没有因为附加的一对第二质量块32而增大。
当角速度探测器200被安装在汽车中从而基体10处于水平且y方向为前进方向时，俯仰角速度可以由角速度Ωx测得，且侧倾角速度可以由角速度Ωy测得。第二实施例具有与第一实施例相似的优点。
本发明不局限于上述实施例，而是可以做出各种各样的改变。例如，尽管第二质量块32在上述实施例中设置为一对，但是绕一根轴的角速度可以由一个第二质量块32测得。尽管在上述实施例中角速度探测器由三层板制作，但是它也可能由其他原料制作。包括第一质量块31和第二质量块32的惯性质量块30的形状可以作出各种各样的改变，只要能实现了上文中所述的功能就可以。更进一步地，驱动梁40和探测梁50的形状可以做出各种各样的改变，只要使驱动梁40可以大致沿转动方向变形且探测梁50可以大致沿轴向变形就可以。驱动电极60、61，固定电极60a、61a和可移动电极31a的形状可以做出各种各样的改变，只要它们可以给予惯性质量块30适当的转动振荡就可以。本发明的角速度探测器还可以被用于除了汽车外的各种设备中。
尽管参照前文中的优选实施例已对本发明进行说明和描述，但是很明显地，本领域的一般技术人员能够做出形式和细节上的变化而不超出附加权利要求书所限定的本发明范围。

Claims (4)

1.一种角速度探测器(100)，包括：
基体(10)；
被固定在基体(10)上的支承件(20)；和
由支承件所支承的惯性质量块(30)，该惯性质量块可以绕与基体平面相垂直的中心轴(z)进行振荡，其中：
所述惯性质量块(30)包括通过弹性驱动梁(40)连接到支承件上的第一质量块(31)，以及包括通过弹性探测梁(50)连接到第一质量块(31)上且被定位成位于弹性驱动梁(40)延伸方向上的第二质量块(32)，从而使得当惯性质量块绕中心轴(z)振荡时，一旦绕垂直于中心轴(z)的探测轴(x)施加角速度(Ωx)，第二质量块就沿平行于中心轴(z)的方向进行位移；并且，第二质量块相对于第一质量块而形成并且第二质量块位于第一质量块的切口部分内，以使得惯性质量块具有总体的盘形；并且，
基于第二质量块(32)在平行于中心轴(z)方向上相对于基体(10)平面的位移，来探测绕探测轴(x)的角速度(Ωx)。
2.如权利要求1所述的角速度探测器(100)，其特征在于：
第二质量块(32)由沿着探测轴(x)进行放置并关于中心轴(z)对称的一对质量块组成。
3.如权利要求2所述的角速度探测器(100)，其特征在于：
第二质量块(32)还包括沿着第二探测轴(y)进行放置且关于中心轴(z)对称的第二对质量块，其中第二探测轴(y)垂直于探测轴(x)并平行于基体(10)所在的平面；并且
基于第二对质量块相对于基体(10)平面的位移，来探测绕第二探测轴(y)的角速度(Ωy)。
4.如权利要求1所述的角速度探测器(100)，其特征在于：所述第二质量块(32)被放置在驱动电极(60，61)之间以使惯性块(30)绕中心轴(z)进行振荡，从而连同第一质量块(31)一起形成了总体的盘形。
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