[發明專利]具有嵌套激振體質量塊的慣性傳感器和用于制造這樣的傳感器的方法

有效

• 申請號: 201480073695.4
• 申請日: 2014-10-21
• 公開（公告）號: CN105917193B
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: A·金洛伊;P·恩夫羅伊
• 申請（專利權）人: 薩甘安全防護公司
• 主分類號: G01C19/574
• 分類號: G01C19/574;B81B3/00
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司31100
• 代理人: 顧嘉運

本發明涉及具有振動質量塊的慣性傳感器，諸如速度陀螺儀或自由陀螺儀之類的角度傳感器。

這樣的慣性傳感器包括框架和激振(seismic)體(當前也稱為激振質量塊或測試質量塊)，所述激振體通常被并排安置并通過彈性鉸鏈被連接到框架以便在由激振體的兩個正交的位移方向所定義的懸掛平面中是可移動的。與激振體的質量塊相關聯的鉸鏈的彈力定義了激振體的自身模式的頻率。傳感器還包括被這樣安置以振動激振體的致動器和被這樣安置以檢測相對于激振體的移動的檢測器。

由激振體和彈性鉸鏈構成的諧振器具有兩種振動有用模式，其定義了激振體的兩個位移方向。激振體沿這樣的方向的振動的檢測使得完成角度測量成為可能。

這樣的傳感器的性能都是更高的，因為諧振器的阻尼各向異性是穩定的。這種穩定性依賴于諧振器的阻尼特性和在諧振器和外部之間的功率傳輸的穩定性。阻尼各向異性必須盡可能地穩定以不在使用角度傳感器完成的測量中產生不準確性。

在諧振器和外部之間的功率傳輸取決于：

-(與傳感器的時間常數結合的)平均阻尼，它必須盡可能地低，以便限制維持振動的恒定振幅所需的功率輸入并限制這樣的功率輸入的不準確性，

-激振體的有用的振動模式的平衡，所述平衡針對有用模式必須限制在框架上的反作用力和力矩，并因而限制到外部的功率傳送，并且反過來，限制了對有用的振動模式的外部振動環境的靈敏度。

-激振體的頻率面，其在有用模式的頻率和不是為了測量而工作的振動模式的頻率之間必須具有顯著的差異以便限制在這樣的模式之間的功率傳送。

當諧振器包括兩個并排安置的激振體時，諧振器在所述兩個有用模式中的一個模式上的平移中是平衡的，對于該模式，激振體沿相同軸反相振蕩但力矩由另一個有用模式生成，對于該另一個模式，激振體沿兩個遠隔且平行的軸反相振蕩。這樣的力矩將作用力以及進而功率傳送到外部，并且反之亦然，激振體的位移由響應于傳感器載體的角度位移生成的力矩來對抗。

當諧振器包括安置為方形的四個激振體時，諧振器對于兩個自身的有用模式是完全平衡的，但是其頻率面不是最優的，因為振動有用模式接近于不操作的模式，所述不操作的模式可以創建與這兩個有用模式的功率傳送。

已經提議了各種解決方案以改進傳感器的性能，諸如例如在文檔FR-A-2983574中。

本發明的一個目的是提供用于改進傳感器的性能的手段。

為了這個目的，本發明提供了一種慣性傳感器，包括框架和換能器，其中通過彈性裝置至少兩個激振體被連接到該框架以便在懸掛平面中是可移動的，并且所述換能器保持激振體振動并確定激振體相對于彼此的相對移動。激振體具有單一形狀和單一質量，并且激振體包括互鎖部件，這樣激振體在彼此內部是嵌套的，同時在懸掛平面中相對于另一個激振體是可移動的，而所述激振體具有彼此重合的重心。

由于激振體具有單一形狀和單一質量，并且由于其重心彼此重合，激振體可以具有相同的慣性并經受來自外部作用的相同影響。這有助于諧振器針對這兩個有用的自身模式的平衡并有助于阻尼各向異性的穩定性。

本發明的目的還是一種用于制造這樣的傳感器的方法，包括將傳感器蝕刻到晶片中的步驟，所述晶片包括在兩個半導體材料層之間的至少一個電絕緣層，以便所述電絕緣層在每個激振體的翼和核之間延伸。

在閱讀了下面的對特定的非限制性本發明的實施例的描述之后，本發明的其他特征以及優點將變得顯而易見。

將參考附圖，在附圖中：

-圖1是傳感器的透視圖，

-圖2是傳感器的外殼的一部分的透視圖，

-圖3是在本發明的第一實施例的傳感器的激振體之一的透視圖，

-圖4是類似于圖1的傳感器的另一激振體的示圖，

-圖5是沒有外殼的情況下的傳感器的透視圖。

參考圖，根據本發明的第一實施例的傳感器(被整體標記為1)在此是一種MEMS(《微機電系統》)類型的傳感器，并且是由包括兩個半導體層100.1和100.2以及電絕緣層101.1的晶片制成的。絕緣層101.1在第一半導體層100.1和第二半導體層100.2之間延伸。半導體層100.1、100.2由半導體材料制成，在此為硅，并且絕緣層101.1由硅的氧化物，例如SiO₂，制成。

在每個半導體層100.1,100.2中，下述元件被形成：

形成外部框架的框架2.1、2.2；

中間框架9.1、9.2；

激振體的部分，通常稱為3.1、3.2；