[发明专利]用于角速率传感器的MEMS结构

说明书

技术领域

本发明涉及用于测量角速度的装置。更具体地，本发明涉及用于具有双面实施手段的角速率传感器的完全对称的微机电系统（MEMS）结构，以提供高精度和高稳定性。

背景技术

存在对用于各种电子测量系统的高精度和高稳定性的角速率传感器的相当大的需要。现有的角速率传感器包括振动角速度仪或陀螺仪（gyros），其使用振动构件例如音叉，并用金属、石英和硅构造和测试。基于石英和硅的陀螺仪是优选的，优于基于金属的陀螺仪，因为它们可被小型化，并能在大生产运行中通过批量制造被相对便宜地制造。

音叉型陀螺仪需要具有至少两个正交的自由度的布置。在这样的设备中，相应于第一自由度的某个已知的主运动必须在传感器中产生并维持。在垂直于主运动的方向上影响传感器的外部角速度在相应于第二自由度的方向上引起振荡科里奥利力。所引起的科里奥利力与外部角速度和主运动的振幅成比例。产生并维持具有大振幅的主振荡因此是有利的，该主振荡最好是由在真空中密封并展示高品质因数的结构来实现。

这样的音叉型陀螺仪可被制造成在各种动态平衡模式的布置中振荡，这使这样的设备对振动和线性加速不敏感。它们可被构造有开环、闭合反馈或两者的组合。

一些现有的设备使用元件的静电激发，并接着以电容方式探测由科里奥利力所引起的运动。由于硅的显著的机电特征，通常使用硅晶片、绝缘体上硅晶片或多晶硅来制造这些设备。

通常，在基于硅的陀螺仪中，静电激发被成直角应用于衬底表面。然而，使用例如在US-B-7325451和US-B-7454971中公开的这样的布置的现有微机械陀螺仪，虽然制造起来相对容易，但展示较低的陀螺仪比例因子。

可通过使用倾向于在实质上平行于衬底的平面的方向上弯曲的梁来处理这个问题，因而允许具有大振荡振幅的主运动，例如使用在EP-A-1467179中教导的非对称梁。

此外，很多现有布置中都有一个局限，存在不均匀特征和固有应力，该不均匀特征和固有应力能够引起对外部机械和热负载的非预期的敏感或引起不可预测的特征漂移。这个问题以前通过应力释放结构、基座或梁系统的使用或通过材料的谨慎选择来处理。例如，EP-A-1096260公开了以基座构件的使用为特征的微机械设备，而US-B-7454971公开了以基座和应力释放梁的使用为特征的几种布置。

根据现有技术的振动陀螺仪的布置的另一局限是存在无补偿正交信号。

发明内容

本发明的目的是提供具有提高的精度和稳定性的角速率传感器，其实现角速度的可靠和有效的测量，特别是在紧凑振荡设备解决方案中，且其与现有技术解决方案相比，对机械和热干扰明显较不敏感。

根据本发明，提供了用于角速率传感器的微机电系统（MEMS）结构，该结构位于由多个结构化硅部分形成的第一和第二硅-绝缘体复合晶片之间，结构化硅部分通过绝缘体材料彼此电绝缘，该结构包括：构造形成传感系统和框架的单晶硅衬底，传感系统与框架完全分离并被框架围绕，框架位于第一和第二复合晶片的啮合表面之间，使得传感系统密封在由第一和第二复合晶片以及框架限定的腔内，传感系统包括：具有前表面和后表面的两个敏感质量块；两个驱动梁，每个驱动梁具有连接到敏感质量块的第一端和通过设置在硅衬底上的固定基座连接到第一和第二复合晶片的第二端；以及布置成直接连接在这两个敏感质量块之间并使这两个敏感质量块的主运动同步的弯曲弹簧，敏感质量块中的每个布置成具有绕着实质上垂直于硅衬底的平面的轴的第一旋转自由度，且敏感质量块和驱动梁被布置成具有绕着实质上与驱动梁的纵轴重合的轴的第二旋转自由度；用于产生并探测主运动的装置，所述主运动由这两个敏感质量块的在第一旋转自由度中的反相的主振荡组成；以及用于探测次级运动的装置，所述次级运动的装置由这两个敏感质量块的在第二旋转自由度中的反相的次级振荡组成的，用于产生并探测主运动的装置和用于探测次级运动的装置设置在第一和第二敏感质量块中的每个的前表面和后表面上，其中传感系统被布置成使得当设备受到绕着实质上在硅衬底的平面中且垂直于梁的纵轴的第三轴的角速度时，产生科里奥利力，所述科里奥利力引起敏感质量块的次级振荡。

本发明提供了用于具有双面激发和探测的角速率传感器的结构，其与现有布置比较时，可通过适当地位于敏感质量块的相对的平面表面上的几个补偿电极的使用，实现明显提高的准确度和稳定性，并因此处理不均匀特征和无补偿正交信号的问题。