專利名稱：具有沿轉(zhuǎn)動方向振蕩的慣性質(zhì)量塊的角速度探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有沿其轉(zhuǎn)動方向振蕩的慣性質(zhì)量塊的角速度探測器。
背景技術(shù)：
該類型角速度探測器用來探測施加在探測軸上的角速度，其中該探測軸與慣性質(zhì)量塊的旋轉(zhuǎn)軸垂直。當(dāng)慣性質(zhì)量塊繞其轉(zhuǎn)動中心振蕩時，慣性質(zhì)量塊由于施加在慣性質(zhì)量塊上的科氏力而發(fā)生位移。該類型角速度探測器的例子如JP-A-2001-99855所揭示。
在利用科氏力的另一類型角速度探測器中，慣性質(zhì)量塊沿直線振動。在這種類型的角速度探測器中，慣性質(zhì)量塊由于沿垂直于直線(其中慣性質(zhì)量塊沿該直線振動)的方向上的角速度而發(fā)生位移。然而，在該類型探測器中，當(dāng)線性加速度被施加在探測方向上時，即使沒有角速度，也會測得錯誤的角速度。為了消除這種錯誤測得的線性加速度，使用了兩個具有相反相位振動的慣性質(zhì)量塊。然而，這不可避免地使該角速度探測器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。
與具有沿直線振動的慣性質(zhì)量塊的角速度探測器相反，具有繞其轉(zhuǎn)動中心振動的質(zhì)量塊的探測器不需要任何消除線性加速度的裝置。具有繞轉(zhuǎn)動中心振動的質(zhì)量塊的傳統(tǒng)探測器的基本結(jié)構(gòu)如附圖3A和3B所示。角速度探測器J100包括支承在基體10上的慣性質(zhì)量塊30。慣性質(zhì)量塊30繞垂直于基體10平面的中心軸z振蕩。
通過蝕刻三層半導(dǎo)體板來制成角速度探測器J100，其中該三層半導(dǎo)體板由基體10、犧牲層11和半導(dǎo)體層12組成，并依此順序?qū)盈B而成。如圖3A中所示的盤形慣性質(zhì)量塊30、驅(qū)動梁40、驅(qū)動電極60、61和其他部件是通過對半導(dǎo)體層12制作布線圖案而制成。然后，通過部分地除去犧牲層11，使得慣性質(zhì)量塊30從基體10上分離出來。慣性質(zhì)量塊30通過驅(qū)動梁40彈性連接在由犧牲層11制成的支承件20上。驅(qū)動梁40被制成使得，慣性質(zhì)量塊30可以圍繞中心軸z振蕩，并且當(dāng)角速度Ωx施加在探測軸x(其與基體10平面平行且與中心軸z垂直)上時，該慣性質(zhì)量塊30可沿與中心軸z平行的方向變形。
用于使慣性質(zhì)量塊30圍繞中心軸z振蕩的驅(qū)動電極60、61通過犧牲層11固定在基體10上。具有相反交流電相位的驅(qū)動信號分別地供應(yīng)到第一驅(qū)動電極60和第二驅(qū)動電極61，以使得慣性質(zhì)量塊30圍繞著中心軸z振蕩。每個驅(qū)動電極60、61連接著固定電極60a、61a，其中固定電極60a、61a面對著連接在慣性質(zhì)量塊30上的可移動電極31a。一旦將驅(qū)動電流供應(yīng)至驅(qū)動電極60、61上，在固定電極60a、61a和可移動電極31a之間的靜電力的作用下，慣性質(zhì)量塊30繞中心軸z來回振蕩，如圖3A中的箭頭所示。為了在較小的驅(qū)動電流的作用下獲得較高的振蕩力，慣性質(zhì)量塊30的共振頻率被制成與驅(qū)動電流的頻率相同。慣性質(zhì)量塊30的共振頻率由驅(qū)動梁40的楊氏系數(shù)和慣性質(zhì)量塊30的質(zhì)量所確定。
當(dāng)在慣性質(zhì)量塊30振蕩期間角速度Ωx施加在探測軸x上時，慣性質(zhì)量塊30的外周部分由科氏力驅(qū)動、沿垂直于基體10平面的方向(即與中心軸z平行的方向)變形，如圖3B所示。因此，慣性質(zhì)量塊30的外周部分和形成在基體10上的探測電極70之間的距離(電容)變化與角速度Ωx相對應(yīng)?；谔綔y電極70和慣性質(zhì)量塊30的外周部分之間的電容而探測角速度Ωx。
在上述的傳統(tǒng)探測器J100中，因為基于垂直于基體10平面方向上的慣性質(zhì)量塊30變形量而探測角速度，所以驅(qū)動梁40必須被制成允許慣性質(zhì)量塊30在兩個方向上移動，也就是轉(zhuǎn)動方向和軸向(中心軸z的方向)。因此，必須謹慎地設(shè)計和制造驅(qū)動梁40，并考慮在轉(zhuǎn)動方向和軸向上的共振頻率。顯然地，很難制作精確尺寸的驅(qū)動梁40，以在兩個方向上都具有理想的共振頻率。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述問題作出本發(fā)明，本發(fā)明的目的是提供一種具有容易設(shè)計和制造的驅(qū)動梁的改進角速度探測器。
該角速度探測主要由通過驅(qū)動梁支承在基體上的盤形慣性質(zhì)量塊和通過探測梁連接在慣性質(zhì)量塊上的第二質(zhì)量塊組成。慣性質(zhì)量塊由施加在其上的靜電力驅(qū)動、圍繞中心軸z沿其轉(zhuǎn)動方向振蕩。驅(qū)動梁是彈性的，從而允許慣性質(zhì)量塊僅在轉(zhuǎn)動方向上振蕩。連接第二質(zhì)量塊和慣性質(zhì)量塊的探測梁是彈性的，從而允許第二質(zhì)量塊僅沿軸向方向(其垂直于慣性質(zhì)量塊平面且平行于中心軸z)上位移。
角速度探測器由基體、犧牲層、半導(dǎo)體層并依此順序?qū)盈B組成的三層板制成。通過蝕刻去除犧牲層，從而使得盤形慣性質(zhì)量塊從基體上分離出來，并僅通過驅(qū)動梁支承在基體上。驅(qū)動梁、第二質(zhì)量塊和探測梁也是通過蝕刻在半導(dǎo)體層上制作布線圖案而形成。
當(dāng)角速度被施加在探測軸x(其與慣性質(zhì)量塊平面平行且與中心軸z垂直)上時，同時慣性質(zhì)量塊圍繞中心軸z來回振蕩時，通過探測梁連接在慣性質(zhì)量塊上的第二質(zhì)量塊沿與中心軸z平行的方向位移。在第二質(zhì)量塊和形成于基體上的探測電極之間形成的電容的變化與第二質(zhì)量塊的位移相對應(yīng)?；陔娙莸淖兓綔y圍繞探測軸x的角速度。
一對第二質(zhì)量塊關(guān)于中心軸z對稱布置，用來消除繞探測軸x的角速度沿中心軸z方向中所施加的任何加速度分量。通過成對的第二質(zhì)量塊之間的位移差來實現(xiàn)消除加速度分量。也可以使用兩對第二質(zhì)量塊，以使得通過一對第二質(zhì)量塊來探測繞探測軸x的角速度，并使用另一對第二質(zhì)量塊來探測繞垂直于探測軸x的軸y的另一個角速度。
在本發(fā)明的角速度探測器中，連接著慣性質(zhì)量塊和基體的驅(qū)動梁僅允許慣性質(zhì)量塊在其轉(zhuǎn)動方向上振蕩，而連接著第二質(zhì)量塊和慣性質(zhì)量塊的探測梁僅允許第二質(zhì)量塊在軸向上位移。因此，可以不受限于各種因素而容易地設(shè)計和制造出上述梁。通過閱讀以下優(yōu)選實施例和參考附圖，本發(fā)明的其他特性和優(yōu)點將變得更加清楚。


圖1A是本發(fā)明第一實施例的角速度探測器的俯視圖。
圖1B是圖1A所示角速度探測器沿IB-IB線的剖視圖。
圖2A是本發(fā)明第二實施例的角速度探測器的俯視圖。
圖2B是圖2A所示角速度探測器沿IIB-IIB線的剖視圖。
圖3A是傳統(tǒng)的角速度探測器的俯視圖。
圖3B是圖3A所示傳統(tǒng)的角速度探測器沿IIIB-IIIB線的剖視圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的第一實施例如圖1A和1B所示，分別展示了本發(fā)明的角速度探測器100的俯視圖和剖視圖。圖1A中的剖面線不是指剖面而是表示各個部件的頂面。為了清楚地將慣性質(zhì)量塊30與驅(qū)動電極60、61區(qū)分出來，前者打以剖面線，后者用點來表示。
角速度探測器100由一個三層板制成，該三層板由基體10，犧牲層11(例如二氧化硅層)和半導(dǎo)體層12(例如外延多晶硅層(epitaxial poly-silicone layer))組成，所述各層依此順序?qū)盈B。探測器100通過已知的半導(dǎo)體處理技術(shù)來制造。犧牲層11的一部分通過蝕刻被去除，來使慣性質(zhì)量塊30從基體10上分離出來。另一種方法，角速度探測器100可以由絕緣體上硅(SOI)的基體來制造。在使用SOI的情形下，優(yōu)選地，通過擴散雜質(zhì)使頂部半導(dǎo)體層具有高導(dǎo)電性。
角速度探測器100例如用作安裝在汽車上的設(shè)備(如偏轉(zhuǎn)角速度(yaw rate)傳感器、側(cè)傾角速度(roller rate)傳感器或者俯仰角速度(pitch rate)傳感器)。將角速度探測器100用作偏轉(zhuǎn)角速度傳感器時，它被安裝在車輛上使得基體10的平面成為豎直的。將角速度探測器100用作側(cè)傾角速度傳感器或者俯仰角速度傳感器時，基體10的平面被設(shè)置成水平的。
角速度探測器100例如由三層板按下述方式制造。首先，通過蝕刻在半導(dǎo)體層12上制作布線圖案而形成各個部件如慣性質(zhì)量塊30、驅(qū)動梁40、探測梁50和驅(qū)動電極60、61。然后，通過蝕刻去除部分的犧牲層11，從而在基體10上形成了支承件20。
由犧牲層11制成的支承件20被固定在基體10上，且慣性質(zhì)量塊30通過4個驅(qū)動梁40被支承在支承件20上。支承件20為方形且位于基體10的中心。驅(qū)動梁40的一端固定在支承件20上，且其另一端連接在慣性質(zhì)量塊30的內(nèi)周上。驅(qū)動梁40是彈性的，以至于慣性質(zhì)量塊30可以圍繞著與基體10的平面相垂直的中心軸z旋轉(zhuǎn)或振蕩。驅(qū)動梁40僅允許慣性質(zhì)量塊30大致在轉(zhuǎn)動方向上移動，而不允許慣性質(zhì)量塊30在軸向(也就是與中心軸z平行的方向)上移動。
慣性質(zhì)量塊30被制成具有中心孔的盤狀，其中驅(qū)動梁40安裝在中心孔中。慣性質(zhì)量塊30由第一質(zhì)量塊31和關(guān)于中心軸z對稱并位于第一質(zhì)量塊31的切口部分內(nèi)的一對第二質(zhì)量塊32組成，如圖1A所示。通過將第二質(zhì)量塊32放置在第一質(zhì)量塊31的切口部分內(nèi)，避免了增加探測器100的尺寸。第二質(zhì)量塊32通過僅可大致沿軸向彈性變形的探測梁50被連接在第一質(zhì)量塊31上。慣性質(zhì)量塊30(其包括第一質(zhì)量塊31和成對的第二質(zhì)量塊32)整體上可以圍繞軸z振蕩，而僅第二質(zhì)量塊32可以沿軸向位移。
為了使慣性質(zhì)量塊30在繞中心軸z的轉(zhuǎn)動方向上振蕩，可移動電極31a在第一質(zhì)量塊31上的四個位置處連接到其上，如圖1A所示。連接在第一驅(qū)動電極60上的固定電極60a和連接在第二驅(qū)動電極61上的固定電極61a被排列成面對著可移動電極31a。具有相反相位的交流電的電流被分別地供應(yīng)至第一驅(qū)動電極60和第二驅(qū)動電極61，用來引起慣性質(zhì)量塊30圍繞中心軸z的振蕩運動。慣性質(zhì)量塊30由可移動電極31a和固定電極60a、61a之間的靜電力沿轉(zhuǎn)動方向振蕩。優(yōu)選地，驅(qū)動電流的頻率被設(shè)置成與慣性質(zhì)量塊30的共振頻率相同，用來使驅(qū)動電流最小化。當(dāng)然，第二質(zhì)量塊32的共振頻率不同于慣性質(zhì)量塊30的共振頻率。
一對探測電極70在面對著第二質(zhì)量塊32的位置處形成在基體10上。在探測電極70和第二質(zhì)量塊32間形成了電容器。當(dāng)?shù)诙|(zhì)量塊32沿軸向位移時，如圖1B中虛線所示，電容器的電容發(fā)生變化。探測電極70連接在用來探測電容變化的電路上(圖中未示出)。驅(qū)動電極60、61連接在用來供應(yīng)驅(qū)動電流的電源上。這些探測電路和電源電路可形成在與角速度探測器100不同的芯片上?？蛇x地，這些電路也可形成在具有角速度探測器100的同一塊芯片上。
現(xiàn)在，將描述角速度探測器100的操作。具有交流電的第一驅(qū)動電流供應(yīng)至第一驅(qū)動電極60上，且第二驅(qū)動電流(其具有與第一驅(qū)動電流相位相反的交流電)供應(yīng)至第二驅(qū)動電極61。慣性質(zhì)量塊30由固定電極60a、61a和可移動電極31a之間的靜電力驅(qū)動繞中心軸z來回振蕩，如圖1A中箭頭所示。
如果繞探測軸x(該探測軸x平行于基體10平面且垂直于中心軸z)的角速度Ωx被施加在角速度探測器100上，同時慣性質(zhì)量塊30圍繞中心軸z振蕩，則第二質(zhì)量塊32在科氏(coriolis)力作用下沿平行于中心軸z的方向位移。在第二質(zhì)量塊32和探測電極70之間的電容隨著角速度Ωx而變化。通過探測電容的變化，測得角速度Ωx。在本實施例中，兩個第二質(zhì)量塊32關(guān)于中心軸z對稱布置，且兩個第二質(zhì)量塊32彼此相反地移動。因此，在本實施例中，基于兩個探測電極70的輸出量之間的差值而探測角速度Ωx的數(shù)值。
上文所述第一實施例具有的優(yōu)點總結(jié)如下。因為包括第一質(zhì)量塊31和第二質(zhì)量塊32的慣性質(zhì)量塊30沿轉(zhuǎn)動方向振蕩，而第二質(zhì)量塊32沿軸向(即垂直于基體10平面的方向)位移，探測梁50可獨立于驅(qū)動梁40進行設(shè)計和制造，以使得它們僅在軸向上發(fā)生變形。另一方面，驅(qū)動梁40被設(shè)計和制造成使得它們僅在轉(zhuǎn)動方向上振蕩。因此，驅(qū)動梁40和探測梁50可以容易地進行設(shè)計和制造。特別是，不需要梁40、50具有非常精確的尺寸。
因為驅(qū)動梁40被設(shè)計成不沿軸向(即平行于中心軸z的方向)振動，轉(zhuǎn)動方向上的振蕩不會泄漏至軸向探測信號，所以角速度探測器的探測精度可以得到改進。因為兩個第二質(zhì)量塊32關(guān)于中心軸z對稱設(shè)置，兩個第二質(zhì)量塊32之間的輸出信號由于沿中心軸z方向的線性加速度而被消除。所以，可確保角速度Ωx與線性加速度分離開。
本發(fā)明的第二實施例如圖2A和2B所示。第二實施例200與上述第一實施例100相似，但是額外增設(shè)了一對第二質(zhì)量塊32，用來探測繞軸y(其與基體10的平面平行且垂直于探測軸x)的角速度Ωy。換句話說，在第二實施例中，除了探測到繞軸x的角速度Ωx之外，還探測繞軸y的角速度Ωy。附加的一對第二質(zhì)量塊32沿軸y設(shè)置。所有的第二質(zhì)量塊32都位于第一質(zhì)量塊31的切口部分內(nèi)，且角速度探測器200的尺寸沒有因為附加的一對第二質(zhì)量塊32而增大。
當(dāng)角速度探測器200被安裝在汽車中從而基體10處于水平且y方向為前進方向時，俯仰角速度可以由角速度Ωx測得，且側(cè)傾角速度可以由角速度Ωy測得。第二實施例具有與第一實施例相似的優(yōu)點。
本發(fā)明不局限于上述實施例，而是可以做出各種各樣的改變。例如，盡管第二質(zhì)量塊32在上述實施例中設(shè)置為一對，但是繞一根軸的角速度可以由一個第二質(zhì)量塊32測得。盡管在上述實施例中角速度探測器由三層板制作，但是它也可能由其他原料制作。包括第一質(zhì)量塊31和第二質(zhì)量塊32的慣性質(zhì)量塊30的形狀可以作出各種各樣的改變，只要能實現(xiàn)了上文中所述的功能就可以。更進一步地，驅(qū)動梁40和探測梁50的形狀可以做出各種各樣的改變，只要使驅(qū)動梁40可以大致沿轉(zhuǎn)動方向變形且探測梁50可以大致沿軸向變形就可以。驅(qū)動電極60、61，固定電極60a、61a和可移動電極31a的形狀可以做出各種各樣的改變，只要它們可以給予慣性質(zhì)量塊30適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)動振蕩就可以。本發(fā)明的角速度探測器還可以被用于除了汽車外的各種設(shè)備中。
盡管參照前文中的優(yōu)選實施例已對本發(fā)明進行說明和描述，但是很明顯地，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員能夠做出形式和細節(jié)上的變化而不超出附加權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明范圍。
權(quán)利要求
1.一種角速度探測器(100)，包括基體(10)；固定在基體(10)上的支承件(20)；和由支承件支承的慣性質(zhì)量塊(30)，該慣性質(zhì)量塊可以繞與基體平面相垂直的中心軸(z)振蕩，其中所述慣性質(zhì)量塊(30)包括通過彈性驅(qū)動梁(40)連接到支承件上的第一質(zhì)量塊(31)和通過彈性探測梁(50)連接到第一質(zhì)量塊(31)上的第二質(zhì)量塊(32)，從而使得當(dāng)慣性質(zhì)量塊繞中心軸(z)振蕩時，一旦角速度(Ωx)施加在垂直于中心軸的探測軸(x)上，第二質(zhì)量塊就沿平行于中心軸(z)的方向位移；并且，基于第二質(zhì)量塊(32)在平行于中心軸(z)方向上相對于基體(10)平面的位移，來探測繞探測軸(x)的角速度(Ωx)。
2.如權(quán)利要求1所述的角速度探測器，其特征在于第二質(zhì)量塊(32)由沿著探測軸(x)進行放置并關(guān)于中心軸(z)對稱的一對質(zhì)量塊組成。
3.如權(quán)利要求2所述的角速度探測器，其特征在于第二質(zhì)量塊(32)還包括沿著第二探測軸(y)進行放置且關(guān)于中心軸(z)對稱的第二對質(zhì)量塊，其中第二探測軸(y)垂直于探測軸(x)并平行于基體(10)所在的平面；并且基于第二對質(zhì)量塊相對于基體(10)平面的位移，來探測繞第二探測軸(y)的角速度(Ωy)。
全文摘要
一種角速度探測(100)包括通過驅(qū)動梁(40)支承在基體(10)上的盤狀慣性質(zhì)量塊(30)和通過探測梁(50)連接在慣性質(zhì)量塊上的第二質(zhì)量塊(32)。慣性質(zhì)量塊(30)由靜電力驅(qū)動沿其繞中心軸(z)的轉(zhuǎn)動方向振蕩。當(dāng)慣性質(zhì)量塊(30)在振蕩時，同時繞與中心軸(z)垂直的探測軸(x)的角速度(Ωx)施加在第二質(zhì)量塊(32)上時，第二質(zhì)量塊(32)沿平行于中心軸(z)的方向位移。第二質(zhì)量塊(32)與基體(10)之間的電容隨著第二質(zhì)量塊的位移而變化。基于電容的變化而探測角速度(Ωx)。因為驅(qū)動梁(40)允許慣性質(zhì)量塊(30)僅沿其轉(zhuǎn)動方向振蕩，可以容易地設(shè)計和制造驅(qū)動梁(40)。
文檔編號G01P9/04GK1782713SQ200510120460
公開日2006年6月7日 申請日期2005年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月1日
發(fā)明者樋口祐史 申請人:株式會社電裝