具有平面结构的振动陀螺仪制造技术

惯性角位置传感器包括围绕所述传感器的灵敏轴(A

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有平面结构的振动陀螺仪


[0001]本专利技术涉及一种惯性角位置传感器，以及一种包括这种传感器的陀螺仪。本专利技术提供具有平面结构的陀螺仪的多种模型，所述模型可以通过集体蚀刻工艺生产并且每个模型都提供积分陀螺仪的操作。本专利技术适用于例如石英晶体的压电材料，并且适用于在微系统领域中常见的其它晶体材料，例如硅。

技术介绍

[0002]通过已知的方式，当至少两种不同的振动模式能够通过施加到至少一个振动部分的旋转彼此耦合时，可以由具有这两种模式的至少一个振动部分形成陀螺仪。然后，除了振动部分之外，陀螺仪还包括用于激励两种振动模式其中之一(称为导频模式)的装置，以及用于检测另一种模式(称为感测模式)的振动幅度的装置。
[0003]对于所谓的积分陀螺仪，它并不直接测量旋转速度，而是对应于陀螺仪已经相对于伽利略参考系旋转的旋转角的值。这种工作原理称为“主体振动的惯性”，并且由莱昂
·
傅科(L
é
on Foucault)在1851年用他的钟摆证明。当由古斯塔夫
·
科里奥利(Gustave Coriolis)揭示的惯性力施加在不具有任何优选的振动轴的一个或多个谐振器上时，这种工作原理涉及这些惯性力的结果表达。当有关角度偏差的信息至关重要时，直接测量角速度随时间积分的结果对于高动态应用可能非常有利。特别是在惯性导航应用中，情况就是如此。
[0004]此类众所周知的积分陀螺仪使用半球形谐振器或钟，如布莱恩勋爵(Lord Bryan)于1892在论文“关于旋转圆柱体或钟(On a revolving cylinder or bell)”，《剑桥哲学学会会刊》，第VII卷，1889年10月28日至1892年5月30日中理论化。对于此类谐振器配置，旋转产生谐振器振动的部分夹带，这是由于谐振器的两种简并模式之间的振动能量的部分转移造成的。
[0005]通过已知方式，当两种振动模式对应于谐振器的不同类别的几何变形，但具有相同的振动频率值时，这两种振动模式被称为简并。在整个本说明书中，谐振器或惯性角位置传感器的振动模式被简单地指定为其振动本征模式之一，即，其中在不存在外部干扰的情况下，在此模式下的过程中的振动继续，而不与谐振器或传感器的另一振动本征模式混合。在陀螺仪的情况下，科里奥利力在两个本征模之间产生耦合，使得根据两个本征模式之一激发的振动部分地或完全地转移到另一本征模式。这种振动能量传递的强度构成旋转速度的测量，或在积分陀螺仪的情况下构成旋转角的测量。
[0006]当旨在弯曲地振动的梁由各向同性材料制成并且具有截面，使得其弯曲惯性在不同的至少两个弯曲方向上相同时，积分陀螺仪的另一实例基于这种梁。特别是当梁的截面是圆形、方形、或甚至等腰三角形时，并且更一般来说，当与梁具有矩形截面的情况相比，梁不具有优选的弯曲振动轴时，情况就是如此。读者将理解，梁或其在支撑件中的嵌入的任何不对称性都可能破坏期望的效果，并且为了获得振动的惯性，振动部分必须能够被视为与外部世界分离，这意味着振动部分的振动不取决于振动部分的附接条件。另外，振动部分的
材料对于所考虑的振动可能需要具有合适的对称性。
[0007]对于微系统形式的谐振器，平面结构是必要的，以便可以通过基于为形成陀螺仪谐振器而选择的材料晶片的集体制造工艺来容易地实现。这种材料通常是单晶硅或多晶硅，或石英晶体。
[0008]对于硅基谐振器，通常通过使用静电力使质量块运动，并且通常通过在移动部分与固定部分之间形成的至少一个电容器上进行的电容测量来检测由此产生的运动。
[0009]对于由压电材料制成的谐振器，压电效应产生的有用振动激励和检测到的有用信号不再由移动组成，而是由机械应力或变形组成。因此，应力和变形分布在谐振器的扩展区域上的谐振器结构比与弹簧相关联的不可变形惯性质量块形式的结构更适合于压电材料，对于弹簧而言，应力和变形仅位于充当弹簧的材料部分中。
[0010]具有平面结构并且由压电材料制成的积分陀螺仪标题为“压电盘式陀螺仪的理论(theory of a piezoelectric disc gyroscope)”在J.S.Burdess等人，《航空航天和电子系统的IEEE会刊》，1986年，第AES
‑
22卷，第4期。所述文章中考虑的谐振器具有圆盘形状，并且其两种简并振动模式通过激励和检测电极的设计来选择。当谐振器垂直于圆盘进行轴旋转时，振荡电子电路可以遵循振动的自然进动。此陀螺仪的主要缺点来源于谐振器对其附接条件非常敏感：位于圆盘中心的附接区域必须足够大才能有效地连接谐振器，但它会极大地改变两种有用振动模式的频率和阻尼。最常见的是，附接区域会导致两种模式的简并损失，从而使其难以或甚至不可能作为积分陀螺仪进行操作。例如在FR 2,723,635中已经提出通过使用更高阶模式的改进，但是没有实现谐振器与其环境的充分隔离。
[0011]通过提出一种有孔圆盘，谐振器的圆盘形状也与硅材料一起使用，所述有孔圆盘实现插入用于通过静电力激励的装置以及用于振动模式的电容检测的装置，如在US 7,040,163中所描述。但是实际上与由压电材料制成的圆盘一样，其在其中心处的附接不允许获得足够的振动模式简并，并且需要采用复杂且昂贵的平衡和/或电子补偿技术。
[0012]其它振动结构实施不可变形的质量块，这些质量块与刚度和质量块之间的耦合方式相关，例如在“扁平化并未消亡：Si
‑
MEMS四质量陀螺仪(QMG)系统的当前和未来的性能(Flat is not dead:current and future performance of Si
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MEMS Quad Mass Gyro(QMG)system)”，A.A.Trusov等人，DOI：10.1109/PLANS.2014.6851383中描述的振动结构。所述文章中描述的结构由四个质量块构成，这些质量块通过杠杆系统成对连接在一起以迫使反相移动。然而，这些杠杆生产起来很复杂并且需要高水平的制造精度，才能在结构平面内的振动模式之间获得对称性。因此，这种结构需要引入辅助系统来平衡有用模式，特别是通过增加静电刚度。
[0013]文档CN 106,441,261A描述一种具有连接到内环和外环的四个振荡质量块的微机械陀螺仪，这些振荡质量块与内环的连接通过杠杆进行。整个陀螺仪在90
°
旋转下保持不变。
[0014]技术问题
[0015]基于这种情况，本专利技术的目标是提供一种用于积分陀螺仪的新型惯性角位置传感器，其针对如上所述的现有传感器的至少一些缺点进行改进。
[0016]本专利技术的辅助目标是提供这样一种传感器：减少到外部的振动能量损失，以便提供增加的质量因数值并且更容易地获得两种简并模式。
[0017]本专利技术的另一辅助目标是当传感器的形状由湿式化学蚀刻工艺产生时减少可能会影响传感器形状的对称性缺陷，所述湿式化学蚀刻工艺是低成本生产工艺，因为在用于形成传感器的材料的不同晶体定向之前存本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种惯性角位置传感器(101
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107)，其包括围绕称为灵敏轴(A
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A)的轴线对称地布置的至少三个相同的谐振器(R1
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R3；R1
‑
R4)，以便在围绕所述灵敏轴旋转2π/n的情况下保持不变，其中n是所述传感器的谐振器的数目，所述n个谐振器(R1
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R3；R1
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R4)耦合在一起，使得所述传感器具有至少两种简并振动模式，从而可以表征所述传感器围绕所述灵敏轴(A
‑
A)的旋转，所述谐振器(R1
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R3；R1
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R4)中的每一个包括具有平坦且平行的两个相对面的晶片的相应部分，专用于每个谐振器的晶片部分预期在使用所述传感器期间弯曲地振动并且被称为所述谐振器的振动部分，所述晶片对于所述传感器的所述n个谐振器(R1
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R3；R1
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R4)是共用的，并且所述传感器进一步包括耦合元件(Ec)，所述耦合元件将每个谐振器(R1
‑
R3；R1
‑
R4)的振动部分连接到所述传感器的所述n个谐振器中的所有其它谐振器的振动部分，所述耦合元件还在围绕所述灵敏轴(A
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A)旋转2π/n的情况下保持不变，并且所述n个谐振器的振动部分围绕所述耦合元件成角度地分布，所述传感器的特征在于，每个谐振器(R1
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R3；R1
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R4)的振动部分通过称为支脚(Pd)的所述晶片的中间片段连接到所述传感器的支撑部分(Pf)，所述支撑部分在所述振动部分和所述耦合元件(Ec)外部，所述支脚专用于所述谐振器，所述支脚与所述振动部分成一体并且在所述支撑部分与所述振动部分之间形成连接，且其中，对于每个谐振器(R1
‑
R3；R1
‑
R4)：所述谐振器的振动部分具有：称为中平面的第一对称平面，其平行于所述晶片的两个面并且与所述两个面等距；以及称为正交于所述晶片的对称平面的第二对称平面，其垂直于所述中平面且纵向穿过由所述支撑部分与所述振动部分之间的所述支脚(Pd)形成的所述连接，所述中平面与正交于所述晶片的所述对称平面之间的交线形成所述振动部分的中心轴线(X
m
)，所述振动部分包括各自预期弯曲地振动的两个延伸部(P1、P2)，所述两个延伸部在正交于所述晶片的所述对称平面的每一侧上从所述支脚(Pd)对称地延伸，每个延伸部(P1、P2)具有纵向槽(FL1、FL2)，所述纵向槽从正交于所述晶片的所述对称平面，朝向所述延伸部的远端但不到达所述远端，垂直于所述中平面穿过所述振动部分，使得每个延伸部呈曲折形状，两个延伸部(P1、P2)的相应槽(FL1、FL2)相对于正交于所述晶片的所述对称平面对称，并且在正交于所述晶片的所述对称平面处会合，使得所述振动部分包括各自将所述支脚(Pd)连接到所述延伸部中的一个的远端的两个主要片段(L
1ext
、L
2ext
)，以及两个次要片段(L
1int
、L
2int
)，所述两个次要片段在正交于所述晶片的所述对称平面处通过所述次要片段的相应近端互连，且各自延伸到所述延伸部中的一个的远端以便在所述远端处连接到所述主要片段中的一个，使得，对于能够表征围绕所述灵敏轴(A
‑
A)的所述旋转的所述传感器的两种简并振动模式，每个谐振器的振动部分仅具有平行...

【专利技术属性】
技术研发人员：奥利维尔，
申请(专利权)人：国家航空航天研究所，
类型：发明
国别省市：