[发明专利]具有嵌套激振体质量块的惯性传感器和用于制造这样的传感器的方法

说明书

本发明涉及具有振动质量块的惯性传感器，诸如速度陀螺仪或自由陀螺仪之类的角度传感器。

这样的惯性传感器包括框架和激振(seismic)体(当前也称为激振质量块或测试质量块)，所述激振体通常被并排安置并通过弹性铰链被连接到框架以便在由激振体的两个正交的位移方向所定义的悬挂平面中是可移动的。与激振体的质量块相关联的铰链的弹力定义了激振体的自身模式的频率。传感器还包括被这样安置以振动激振体的致动器和被这样安置以检测相对于激振体的移动的检测器。

由激振体和弹性铰链构成的谐振器具有两种振动有用模式，其定义了激振体的两个位移方向。激振体沿这样的方向的振动的检测使得完成角度测量成为可能。

这样的传感器的性能都是更高的，因为谐振器的阻尼各向异性是稳定的。这种稳定性依赖于谐振器的阻尼特性和在谐振器和外部之间的功率传输的稳定性。阻尼各向异性必须尽可能地稳定以不在使用角度传感器完成的测量中产生不准确性。

在谐振器和外部之间的功率传输取决于：

-(与传感器的时间常数结合的)平均阻尼，它必须尽可能地低，以便限制维持振动的恒定振幅所需的功率输入并限制这样的功率输入的不准确性，

-激振体的有用的振动模式的平衡，所述平衡针对有用模式必须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传送，并且反过来，限制了对有用的振动模式的外部振动环境的灵敏度。

-激振体的频率面，其在有用模式的频率和不是为了测量而工作的振动模式的频率之间必须具有显著的差异以便限制在这样的模式之间的功率传送。

当谐振器包括两个并排安置的激振体时，谐振器在所述两个有用模式中的一个模式上的平移中是平衡的，对于该模式，激振体沿相同轴反相振荡但力矩由另一个有用模式生成，对于该另一个模式，激振体沿两个远隔且平行的轴反相振荡。这样的力矩将作用力以及进而功率传送到外部，并且反之亦然，激振体的位移由响应于传感器载体的角度位移生成的力矩来对抗。

当谐振器包括安置为方形的四个激振体时，谐振器对于两个自身的有用模式是完全平衡的，但是其频率面不是最优的，因为振动有用模式接近于不操作的模式，所述不操作的模式可以创建与这两个有用模式的功率传送。

已经提议了各种解决方案以改进传感器的性能，诸如例如在文档FR-A-2983574中。

本发明的一个目的是提供用于改进传感器的性能的手段。

为了这个目的，本发明提供了一种惯性传感器，包括框架和换能器，其中通过弹性装置至少两个激振体被连接到该框架以便在悬挂平面中是可移动的，并且所述换能器保持激振体振动并确定激振体相对于彼此的相对移动。激振体具有单一形状和单一质量，并且激振体包括互锁部件，这样激振体在彼此内部是嵌套的，同时在悬挂平面中相对于另一个激振体是可移动的，而所述激振体具有彼此重合的重心。

由于激振体具有单一形状和单一质量，并且由于其重心彼此重合，激振体可以具有相同的惯性并经受来自外部作用的相同影响。这有助于谐振器针对这两个有用的自身模式的平衡并有助于阻尼各向异性的稳定性。

本发明的目的还是一种用于制造这样的传感器的方法，包括将传感器蚀刻到晶片中的步骤，所述晶片包括在两个半导体材料层之间的至少一个电绝缘层，以便所述电绝缘层在每个激振体的翼和核之间延伸。

在阅读了下面的对特定的非限制性本发明的实施例的描述之后，本发明的其他特征以及优点将变得显而易见。

将参考附图，在附图中：

-图1是传感器的透视图，

-图2是传感器的外壳的一部分的透视图，

-图3是在本发明的第一实施例的传感器的激振体之一的透视图，

-图4是类似于图1的传感器的另一激振体的示图，

-图5是没有外壳的情况下的传感器的透视图。

参考图，根据本发明的第一实施例的传感器(被整体标记为1)在此是一种MEMS(《微机电系统》)类型的传感器，并且是由包括两个半导体层100.1和100.2以及电绝缘层101.1的晶片制成的。绝缘层101.1在第一半导体层100.1和第二半导体层100.2之间延伸。半导体层100.1、100.2由半导体材料制成，在此为硅，并且绝缘层101.1由硅的氧化物，例如SiO₂，制成。

在每个半导体层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；

中间框架9.1、9.2；

激振体的部分，通常称为3.1、3.2；