用於具有結晶材料中加工的平面單片振動結構的機械共振器的生產方法以及這樣生產的...的製作方法

2023-12-10 21:50:22 1

專利名稱：用於具有結晶材料中加工的平面單片振動結構的機械共振器的生產方法以及這樣生產的 ...的製作方法
用於具有結晶材料中加工的平面單片振動結構的機械共振 器的生產方法以及這樣生產的共振器 本發明專利申請是國際申請號為PCT/FR03/01149，國際申請日為2003年4月11 日，進入中國國家階段的申請號為03813904. 9，名稱為"用於具有結晶材料中加工的平面 單片振動結構的機械共振器的生產方法以及這樣生產的共振器"的發明專利申請的分案申 請。 本發明涉及基於具有以結晶材料加工的平面單片振動結構的機械共振器對陀螺 裝置領域的改善。 陀螺裝置是用於測量繞一個或多個特定軸線的旋轉速度或旋轉角度的裝置。
當前，有許多技術用於生產陀螺裝置，但現在需要非常緊湊的裝置(尺寸小於幾 個立方釐米)，它可以成本較低，可以抵擋高度的突然加速，並能在較寬範圍的旋轉速度內 提供準確測量。在這種裝置的潛在應用領域中，特別提及小型自旋控制飛彈(例如，短程反 坦克飛彈)或自旋控制軍需品(炮彈或迫擊炮)的導航和引導，換言之射彈以高度恆定的 轉速繞翻滾軸旋轉，通常在自旋飛彈或鰭控制射彈的情況中每秒幾次旋轉，而在陀螺儀控 制的射彈的情況中每秒幾百次旋轉。 為了滿足這種需要，與微加工結構的製造相結合的振動陀螺儀技術特別合適。但 是，雖然出現了幾種規範並達到了開發和工業化的相對高級階段，但它們都不能正確地解 決上述應用所引起的問題，對於這些應用來說繞翻滾軸的旋轉測量是必要的。這些規範不 能正確地滿足需要是源於以下兩個原因的組合-第一個原因在於它們固有地適於陀螺測試儀型的反饋控制(角速度的測量)；
-第二個原因在於繞翻滾軸的旋轉速度的動力對於陀螺儀的反饋控制來說太快， 以致不能提供足夠的精度和/或導致所使用的傳感器電子儀器的飽和。 結果，已知，對所產生問題的僅有可能的一般解決方案是使用固有地適於陀螺儀 反饋控制(旋轉角度的測量)的裝置。此外，如文獻FR2756375中說明的，沿載體的翻滾軸 放置的振動機械共振器的陀螺儀反饋控制允許獲得高比例因子的精度。與繞載體的橫軸按 陀螺測試儀模式反饋控制的共振器相結合，就可以產生高性能系統，對於該高性能系統，在 載體繞其翻滾軸的一次旋轉上橫向共振器的偏離誤差得以抵償。 在基于振動陀螺儀技術的裝置的情況中，最佳陀螺儀反饋控制的條件包括查找一
些結構，在通過科裡奧利力效應耦合的兩種有用模式之間其頻率各向異性固有地是零。頻
率各向異性可以被分解成三個主項 Af = Afm+Afg+Afs 其中Af是總頻率各向異性， Afm是共振器的材料引起的頻率各向異性， Afg是共振器的幾何形態引起的頻率各向異性，以及 Afs是共振器的懸吊或附著引起的頻率各向異性。 可以添加其它項，諸如由於所使用的電子儀器引入的各向異性，但這些項被假定 為與這裡所述的項相比是二階的。
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因此，為了使總的頻率各向異性Af是零，三個分量Afm、 Afg禾P A fs三者都是 零就足夠了 。其它充分條件也是可能的，但它們必定暗示A fm和/或A fg和/或A fs分 量之間的補償，這終止了提升共振器的結構定義的複雜性並使得該結構對於任何參數的變 化特別靈敏。因此，查找每個項Afm、 Afg和Afs都是零的結構被認為是基本的。但是， 可以發現，在微加工共振器結構的情況下通常採用的設計方法是僅考慮幾何方面，而同樣 基本的是要通過其固有對稱或源於切割平面的其對稱來考慮共振器的組成材料，其中在上 述切割平面中切割支持共振器結構的晶片。 通過實例說明上述內容，可以考慮振動環的已知實例，其幾何結構優選適於獲得 陀螺儀反饋控制。通過在
平面中切割的(通過溼法蝕刻)矽晶片中生產這種結構並 通過將橢圓形變的兩種平面模式用作主模式和次模式，可以當然地獲得Afg = O，但Afm 遠大於lHz。實際上，對於具有400Hz的中間頻率並具有5mm直徑和100iim厚度的環，獲 得Afm = 250Hz，從而結果，通過忽略由於附著或其它元件引起的頻率各向異性，獲得約 250Hz的總頻率各向異性Af。該結果與有效的陀螺儀反饋控制不相容並清楚地說明使用 微電子技術獲得的共振器的情況中產生的問題。 這是因為，微加工共振器結構使用結晶材料作為支持材料，它們通常是自然地各 向異性的並從而使其能很好地通過化學蝕刻進行微加工，如微電子中的共同過程中進行 的。但是，同加工操作的共同方面有關的優點的抵消在於材料的各向異性的主要缺點。當 不考慮與所使用的模式對稱性一致的材料對稱性的選擇規則時，這種各向異性不可彌補地 導致非零項Afm。 因此，本發明的目的在於提出技術解決方案(方法和裝置)，它們當然地實現了由 結晶材料形成的頻率各向同性，其中具有平面結構的振動共振器從這種結晶材料上切下， 可以理解，本發明僅針對提供用於獲得由材料(Afm = 0)引起的頻率各向同性的裝置並解
決由於幾何形態(Afg)和懸吊(Afs)獲得頻率各向同性的問題，並為了獲得能構建固有 陀螺儀裝置的總頻率各向同性(Af = 0)(參見實例文獻FR01/02498)。
應理解，如果共振器的材料是各向同性的，則兩種k階模式的固有脈衝變得相等， 無論什麼k都是這樣，g卩"1 = " 2 ="。 此外，通過旋轉參考框架通過角度Ji/2k，兩個k階本徵型的形狀是一致的。因此， 振動環的2階模式對應於相對彼此偏移Ji/4 = 45°的角度的橢圓形。同樣，振動環的3階 模式對應於相對彼此偏移n/6 = 30°的角度的三葉形。 結晶材料的剖面由其法向矢量^的位置限定，它本身由正交坐標系Oex， ey， ez中
的其坐標[x， y， z]限定。因此，三個信息項[x， y， z]允許法向矢量P和切割平面被唯一地
限定。例如，
數據給出法向矢量的坐標且該平面平行於(ex， ey)平面。 此外，已知，從剛性和柔性矩陣表示的觀點來看，當前已知的結晶材料可以被分成
分布於9個系中的32類特別提及正方(l)，正方(2)，三角(l)，三角(2)，六邊和立方系。 最後，應指出，當前，在實際方式中僅使用振動共振器的階數k = 2和k = 3的振
動模式，而更高階& = 4，5等)的振動模式的使用將需要使用非常複雜的電子設備(增加
激勵/檢測電子設備的數量將與較小或更小尺寸的陀螺儀裝置的生產不相容)。 誠然，對於矽晶體，文獻WO 10/55675提及具有在[111]平面中切割的矽晶體的2
階振動模式和具有在[100]平面中切割的矽晶體的3階模式的可能性。但是，在2階和3階振動的情況中，關於對矽的其它可能切割平面，或者對於具有立方結構的其它結晶材料 的可能切割平面，或者更一般地關於對其它結晶材料的可能切割平面，這是一個特殊的信 息項，它不向本技術領域內熟練技術人員提供任何指示。 如上所述，在其第一個方面中，本發明提及一種用於用結晶材料中加工的平面單 片振動結構生產機械共振器的方法，其特徵在於-在從三角(1)或三角(2)或六角結構的結晶材料中選擇結晶材料時，在
平 面中切割該材料，當選自立方結構(矽除外)的材料時，在[111]平面中切割，且隨後使用 2階振動模式，
或者-當結晶材料選自正方(1)或正方(2)或六角結構的結晶材料時，在
平面中 切割該材料，或者當選自立方結構的材料時，在
或[100]平面(矽除外)或者
平面中切割，且隨後使用3階振動模式， 從而，共振器呈現自然的基於材料的頻率各向同性(Afm = 0)。這些特點可以概
括如下 系 三角(1)平面
三角(2)
對於k二2 六角
立方(矽除外) [111] 系 正方(1)平面 〔001〕正方(2) 〔001〕六角 〔001〕 對於k二3 〔001〕立方 〔100〕(矽除外) 〔010〕 當然，所述規定的使用可以伴隨軸對稱結構的構建，導致基於幾何形態的各向同 性Afg = 0。 根據其第二方面，本發明提出一種具有結晶材料中加工的平面單片振動結構的機 械共振器，其特徵在於，對於呈現基於材料的頻率各向同性(Afm = 0)的振蕩器，結晶材料 選自 a)在
平面中切割的正方(1)或正方(2)結構的結晶材料，則共振器在3階 振動模式中呈現基於材料的頻率各向同性； b)在
平面中切割的三角(1)或三角(2)結構的結晶材料，則共振器在2階 振動模式中呈現基於材料的頻率各向同性； c)在
平面中切割的六角結構的結晶材料，則共振器在2階和3階振動模式 中呈現基於材料的頻率各向同性；以及
d)立方結構的結晶材料-在平面[111]平面(矽除外)中切割時，則共振器在2階振動模式中呈現基於材
料的頻率各向同性
或者
5[OO49]-在平面
、 [100](矽除外)或
平面中切割時，則共振器在3階振動模式中呈現基於材料的頻率各向同性。 結果，通過組成結晶材料、所述結晶材料的切割平面和k階振動模式的合適選擇根據本發明製造的共振器呈現基於材料的頻率各向同性(Afm = O)，並假定獲得總頻率各向同性Af = O(例如，具有Afg = 0和Afs = O，或者Afg+Afs = O)，這種共振器可以構成最佳設計的陀螺儀裝置的核心。
權利要求
一種用於製造具有以結晶材料加工的平面單片振動結構的機械共振器的方法，其特徵在於，-當結晶材料選自立方結構的結晶材料時，·或者該立方結構的結晶材料是除矽以外的材料且在[111]平面中被切割，且隨後使用2階振動模式，·或者該立方結構的結晶材料是除矽以外的材料且在[100]平面中被切割，且隨後使用3階振動模式，從而，共振器呈現自然的基於材料的頻率各向同性(Δfm＝0)。
2. —種具有以結晶材料加工的平面單片振動結構的機械共振器，其特徵在於，該共振 器呈現基於材料的頻率各向同性(Afm = O)，該結晶材料選自a)立方結構的結晶材料-除矽以外且在[111]平面中切割，則共振器在2階振動模式中呈現基於材料的頻率各 向同性 或者-除矽以外且在[100]平面中切割，則共振器在3階振動模式中呈現基於材料的頻率各 向同性。
全文摘要
本發明涉及結晶材料中加工的平面單片振動結構的機械共振器的製造。當材料是三角(1)、三角(2)或六角結構時，在
平面中切割所述材料，或者當所述材料是立方結構時，在[111]平面中切割所述材料並使用2階振動模式。當材料是正方(1)或正方(2)或六角結構時，在
平面中切割所述材料或者當所述材料是立方結構時，在
、[100]或
平面中切割所述材料並使用3階振動模式。因此，共振器具有自然材料頻率各向同性(Δfm＝0)。
文檔編號G01C19/5684GK101706277SQ20091017875
公開日2010年5月12日 申請日期2003年4月11日 優先權日2002年4月17日
發明者J·貝笛亞 申請人:薩甘安全防護股份有限公司