專利名稱：角速度測量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及一種用于測量角速度的傳感器，它由以所述角速度旋轉(zhuǎn)的單個壓電音叉形成，該音叉包括底座，激勵腿和檢測腿從所述底座延伸，本發(fā)明尤其涉及對檢測腿上的檢測電極的設(shè)置。
背景技術(shù)：
從現(xiàn)有技術(shù)尤其是EP專利0 750 177已經(jīng)知道，由單個音叉形成的陀螺測試儀具有底座，從所述底座延伸出在其上設(shè)置激勵電極的第一腿和在其上設(shè)置檢測電極的第二腿。
圖1示出可以用于陀螺測試儀的音叉1的例子。圖1a中的縱向截面所示的音叉1主要包括被固定到兩條腿3、4上的底座2，該組件由壓電石英材料構(gòu)成。如圖1b中的橫截面所示，每個腿3、4包括電極。激勵腿3包括第一對彼此連接的激勵電極5a、5b，在與圖1a對應(yīng)的主平面中，以該音叉的諧振頻率將交流的電信號施加到所述電極；以及彼此連接的第二對激勵電極6a、6b，并將與施加到電極5a和5b的電信號反相的交流電信號施加到此。這些交流的電信號的施加激勵并且從而引起音叉1的腿3和4在第一平面機械振動，如箭頭9所示。檢測腿4包括第一對彼此連接的檢測電極7a、7b和第二對彼此連接的檢測電極8a、8b，它們將檢測腿的機械振動轉(zhuǎn)換成通過與所述的電極連接的檢測電路檢測的電信號。
根據(jù)音叉陀螺測試儀的原理，當(dāng)將激勵信號施加到激勵電極5a-5b、61-6b時，音叉1相對于其縱軸10的角轉(zhuǎn)動產(chǎn)生垂直于激勵腿的速度和旋轉(zhuǎn)軸10的科里奧利力，從而在與激勵振動平面垂直的平面中在檢測腿4中產(chǎn)生振動，如箭頭11所示。通過音叉1的壓電石英將該機械振動轉(zhuǎn)換為由音叉檢測電極7a-7b、8a-8b檢測的電信號。
采用這種檢測電極設(shè)置所觀察到的一個主要問題是，將在被施加相反電信號的兩個檢測電極之間檢測的場的電通路不是線性的，從而丟失了場線的不可忽略的部分。因此這種檢測測量不是最佳的。
理論上有利的方案是如圖1c所示設(shè)置的兩對檢測電極7a-7b、8a-8b。然而，該方案具有一個較大的缺點，即其需要實施難于控制的復(fù)雜的制造方法。實際上，通過“電極沉積”制造音叉?zhèn)让嫔系碾姌O，這必須在側(cè)面的整個厚度上進行。因此，很難將電極沉積分為兩個，以便獲得所需的兩個不同的電極7b、8b。而且，這種陀螺測試儀被成批地制造，即彼此相連。這樣，也很難將在音叉外側(cè)面上制造的電極沉積分為兩個不同的電極7a、8b。
而且，上述各種方案還具有另外的缺點，即音叉的尺寸，用在板狀陀螺測試儀上的音叉理所當(dāng)然優(yōu)選盡可能的小型化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個主要目的是通過制造這樣的用于測量角速度的傳感器來克服上述缺陷，所述傳感器采用具有音叉的壓電諧振器的形式，該音叉具有這樣的檢測電極結(jié)構(gòu)，所述電極結(jié)構(gòu)在使用容易實施的制造方法的同時，確保了對在檢測腿中產(chǎn)生的電場的最佳測量。
因此，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，以這樣的方式設(shè)置檢測電極，使得一方面其制造方法簡單，另一方面在檢測腿中檢測的電場線在相異的電極之間沿基本直線的電通路穿過檢測腿。為此，在所述音叉的檢測腿每個主頂面和底面上至少刻蝕一個槽，其在保持相同性能的同時有利地減小了所述音叉的尺寸。因此，本發(fā)明涉及根據(jù)在說明書開始所述的測量角速度的傳感器，其特征在于，所述檢測腿具有至少一個頂面上的第一槽和至少一個底面上的第二槽，每個所述第一和第二槽具有側(cè)面，并且所述檢測裝置包括相對于彼此設(shè)置的第一和第二檢測電極，該第一檢測電極被設(shè)置在所述第一槽的一個側(cè)面上，該第二檢測電極被這樣設(shè)置，使得所述第一和第二檢測電極之間的電場基本上直線地穿過所述檢測腿，還包括相對于彼此設(shè)置的第三和第四檢測電極，所述第三檢測電極被設(shè)置在所述第二槽的一個側(cè)面上，所述第四檢測電極被這樣設(shè)置，使得所述第三和第四檢測電極之間的電場基本上直線地穿過所述檢測腿。
根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例，所述測量傳感器的特征在于，所述檢測腿包括在所述頂面上的第三槽和在所述底面上的第四槽，每個所述第三和第四槽具有兩個側(cè)面，所述第一、第二檢測電極分別被設(shè)置在所述第一、第三槽的一個側(cè)面上，使得所述第一和第二檢測電極之間的電場基本上直線地穿過所述檢測腿，以及所述第三、第四檢測電極分別被設(shè)置在所述第二、第四槽的一個側(cè)面上，使得所述第三和第四檢測電極之間的電場基本上直線地穿過所述檢測腿。
根據(jù)本發(fā)明的第二實施例，所述測量傳感器的特征在于，所述第二檢測電極被設(shè)置在所述檢測腿第一側(cè)面的整個厚度上，使得所述第一和第二檢測電極之間的電場基本上直線地穿過所述檢測腿，以及所述第四檢測電極被設(shè)置在與所述檢測腿的第一側(cè)面相對的第二側(cè)面的整個厚度上，使得所述第三和第四檢測電極之間的電場基本上直線地穿過所述檢測腿。
同樣，為了小型化，在所述音叉底座上有利的提供機械解耦裝置，從而進一步減小音叉的尺寸。


通過閱讀對只是作為非限制性實例給出的、并由附圖示出的本發(fā)明實施例的詳細描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將更加顯而易見，其中已經(jīng)描述的圖1a是用于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的某種陀螺測試儀的音叉的縱向截面圖；已經(jīng)描述的圖1b是圖1a的音叉的激勵和檢測腿的橫向截面I-I；已經(jīng)描述的圖1c是具有對檢測電極的優(yōu)化設(shè)置的音叉的激勵和檢測腿的橫向截面圖；圖2a是根據(jù)本發(fā)明第一實施的例陀螺測試儀的音叉的縱向截面圖；
圖2b是圖2a所示音叉的激勵腿和檢測腿的放大的II-II橫截面圖；圖2c是根據(jù)本發(fā)明第一實施例變化的音叉兩個腿放大的橫截面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的音叉的激勵腿和檢測腿的放大的橫截面圖。
具體實施例方式
根據(jù)圖2a和2b中示出的本發(fā)明的第一優(yōu)選實施例，用于測量角速度的裝置包括由以角速度旋轉(zhuǎn)的單個壓電(常規(guī)為石英)的音叉21形成的傳感器，音叉21由底座22形成，兩個平行的腿23、24從底座22延伸、由槽分開，并且每一個載有形成具有相反極性的電極的導(dǎo)電沉積物，電極產(chǎn)生并檢測腿中的交流電場，其導(dǎo)致音叉由于壓電變形而振動，所述振動又導(dǎo)致形成交流電場。每個腿23、24具有兩個主頂面和底面以及兩個側(cè)面。
將激勵裝置25、26設(shè)置在兩個腿中稱為激勵腿23的一個腿上，用于響應(yīng)激勵信號在第一方向上產(chǎn)生特定頻率的傳感器的振動，所述頻率優(yōu)選對應(yīng)于音叉在其X-Y平面中的諧振頻率。圖2b示出了沿圖2a中II-II軸的橫截面，其中所述激勵裝置包括第一對激勵電極25a和25b，或分別設(shè)置在所述激勵腿的頂面和底面上的中央電極，還包括第二對激勵電極26a和26b，或分別設(shè)置在所述激勵腿的兩個側(cè)表面之一的整個厚度上的側(cè)向電極。
將電極設(shè)置成以其通常的方式將其電連接，其中將中央電極25a和25b電連接到激勵源的一個電極上，將側(cè)向電極26a和26b電連接到激勵源的一個相異電極上；這些連接主要通過沉積在音叉自身上的導(dǎo)電通路實現(xiàn)。圖2a所示實例中以振蕩器41的形式顯示了所述激勵源。由于腿23、24的平面內(nèi)的橫向交變電場，在運行中是通過彎曲(bend)音叉的激勵腿23來維持所述諧振振動。
根據(jù)優(yōu)選變形例，激勵腿23具有在激勵腿的每個頂面和底面上縱向挖空的兩個槽29-30、31-32，所述槽的深度為激勵腿厚度的20％和45％之間，優(yōu)選是30％左右。
分別設(shè)置中央電極25a和25b，使其分別橫向覆蓋蝕刻在相應(yīng)表面上的槽29-30、31-32。
在腿的厚度中蝕刻的槽中對中央電極的這種設(shè)置提高了壓電耦合。由于對相同的品質(zhì)因數(shù)，這種設(shè)置允許的諧振器尺寸更小，因此在相同尺寸的情況下，這種提高還減少了音叉的等效電阻，從而降低了諧振器的功耗。
在兩個表面上設(shè)置槽提供了對稱的腿截面，從而避免所述腿在其平面外側(cè)的變形。槽的存在有利于沿晶體的電軸線X產(chǎn)生均勻電場。
但是可以考慮，在激勵腿頂面和底面的每一個上僅提供一個槽，在這種情況下，中央電極橫向覆蓋在相應(yīng)表面上的單個槽。最后，還可以考慮在激勵腿上不提供任何槽。
再次參考圖2a和2b，在音叉的稱為檢測腿24的另一個腿上提供有檢測裝置27，28，用于響應(yīng)傳感器的第二振動產(chǎn)生電檢測信號，該第二振動是由于第一振動和圍繞縱軸10的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生，其具有相同的確定頻率，并在垂直于第一方向的第二方向上。該第二振動包括其振幅表示角速度的有效分量。
上述包括音叉的陀螺測試儀還包括適當(dāng)?shù)臏y量裝置，示出為檢測器42，由于其結(jié)構(gòu)取決于測量傳感器角速度所為的目的，所以在此將不對其進行描述，該測量裝置通過電檢測信號提供表示角速度的測量信號。檢測腿24包括被縱向蝕刻到每個所述頂面和底面上的兩個槽33-34，35-36，每個所述槽具有兩個側(cè)面。所述檢測裝置包括相對于彼此設(shè)置的第一檢測電極27a和第二檢測電極28，在頂面上，將所述第一電極27a設(shè)置在槽33的一個側(cè)面上，而將第二電極28a設(shè)置在槽34的一個側(cè)面上，這樣所述兩個電極27a和28a之間的電通路基本直線地穿過檢測腿24。該檢測裝置還包括在底面上相對于彼此設(shè)置的第三檢測電極27b和第四檢測電極28b，將所述第三電極27b設(shè)置在槽35的一個側(cè)面上，而將第四電極28b設(shè)置在槽36的一個側(cè)面上，這樣所述兩個電極27b和28b之間的電通路基本直線地穿過檢測腿24。電極27a和27b連接到檢測器42的第一極，而電極28a和28b連接到檢測器42的與所述第一電極異性的第二極。這樣，在優(yōu)化對檢測腿之間產(chǎn)生電場的檢測的同時，提供了類似于歐洲專利EP 0750 177公開的簡單的電極沉積方法。
作為示例，縱向刻蝕在所述檢測腿的每個頂面和底面上的槽深度在檢測腿厚度的20％和45％的范圍內(nèi)，并且優(yōu)選的是30％左右。
同樣，為了小型化，有利地將機械解耦裝置37設(shè)置在用于將音叉底座固定到陀螺測試儀的部件38和振動腿23，24之間。根據(jù)第一種變化，這些機械解耦裝置通過在底座上部制造的凹口37形成。根據(jù)在此未示出的第二種變化，這些機械解耦裝置通過在底座22上部中心部分設(shè)置的孔形成。也可以考慮使用上述變化的組合。
應(yīng)注意到，為了簡化起見，圖2c和3中沒有顯示下文將要描述的振蕩器43和檢測器42。
圖2c示出相對于圖2a和2b描述的音叉的變化。該變化基于所謂的交叉電極音叉。實際上，與前述第一實施例的差別在于，顛倒了激勵電極對與檢測電極對。應(yīng)理解到，這種具有交叉電極的音叉是以與前述實施例相同的方式工作，因此具有相同的優(yōu)點。
因此，根據(jù)該實施例，第一腿23包括例如在頂面設(shè)置的橫向覆蓋槽29-30的第一激勵電極25a，將第二激勵電極26a和第三激勵電極26b分別連接到與第一電極相反的電勢上，并分別設(shè)置在腿23的一個側(cè)面的整個厚度上、另一個側(cè)面的整個厚度上。同一個腿23在其底面具有相對于彼此設(shè)置的第一檢測電極27b和第二檢測電極28b，將所述第一電極27b設(shè)置在槽35的一個側(cè)面上，將所述第二電極28b設(shè)置在槽36的一個側(cè)面上，從而使所述兩個電極27b和28b之間的電通路基本上直線地穿過腿23。
同樣，另一個腿24在其頂面具有相對于彼此設(shè)置的第三檢測電極27a和第四檢測電極28a，將所述第三電極27a設(shè)置在槽33的一個側(cè)面上，將第四電極28a設(shè)置在槽34的一個側(cè)面上，從而使所述兩個電極27a和28a之間的電通路基本上直線地穿過腿24。腿24還包括設(shè)置在其底面的橫向覆蓋槽31-32的第四激勵電極25b，還包括分別覆蓋腿24的一個側(cè)面的整個厚度上、另一個側(cè)面的整個厚度上的第五激勵電極26c、第六激勵電極26d。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的用于陀螺測試儀的音叉。根據(jù)本實施例，檢測腿24在每個頂面和底面上只有一個槽37、38。在蝕刻到所述檢測腿頂面上的槽37的一個側(cè)面上設(shè)置第一檢測電極39a，而將第二檢測電極40a設(shè)置為覆蓋所述檢測腿一個側(cè)面的整個厚度，使得所述兩個檢測電極39a和40a之間的電通路基本上直線地穿過檢測腿24。
所述檢測腿還包括設(shè)置被蝕刻在所述腿的底面上的槽38的一個側(cè)面上的第三檢測電極39b、以及覆蓋所述檢測腿第二側(cè)面整個厚度的第四檢測電極40b，該第二側(cè)面與設(shè)置第二電極40a的側(cè)面相對，使得所述兩個檢測電極39b和40b之間的電通路基本上直線地穿過檢測腿24。
應(yīng)該注意，優(yōu)選如圖2b、2c和3所示，壓電音叉是石英的，其主要的頂面和底面基本垂直石英的光軸(z)，并且腿基本沿石英的機械軸(y)延伸。
顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本說明書中描述的本發(fā)明的各種實施例進行各種變化和改進，特別應(yīng)該注意，在不脫離由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的情況下，可以互換檢測腿和激勵腿，從而將激勵腿用作檢測腿，反之亦然；可以將機械解耦裝置用于此前提出的每個實施例；所謂的交叉型電極音叉方案是可行的，其中在兩腿之間顛倒激勵電極對和檢測電極對。
權(quán)利要求
1.一種用于測量角速度的傳感器，其通過以下形成單個壓電音叉(21)，其以所述角速度旋轉(zhuǎn)，所述音叉包括從底座(22)延伸的第一振動腿(23)和第二振動腿(24)，每個所述腿具有兩個頂面和底面以及兩個側(cè)面，用于激勵所述音叉的第一振動的裝置(25a、25b、26a、26b)，其被設(shè)置在所述兩個腿中被稱為激勵腿(23)的一個腿上，用于檢測所述音叉的第二振動的裝置(27a、27b、28a、28b；39a、39b、40a、40b)，所述第二振動響應(yīng)所述第一振動和所述音叉的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生，所述檢測裝置被設(shè)置在所述兩個腿中被稱為檢測腿(24)的另一個腿上，其特征在于，所述檢測腿包括至少一個在所述頂面上的第一槽(33，34；37)和至少一個在所述底面上的第二槽(35，36；38)，每個所述第一和第二槽具有側(cè)面，以及所述檢測裝置包括相對于彼此設(shè)置的第一和第二檢測電極(27a，28a；39a，40a)，所述第一檢測電極(27a；39a)被設(shè)置在所述第一槽(33；37)的一個所述側(cè)面上，所述第二檢測電極(28a；40a)被這樣設(shè)置，使得所述第一和第二檢測電極之間的電場基本上直線地穿過所述檢測腿，還包括相對于彼此設(shè)置的第三和第四檢測電極(27b，28b；39b，40b)，所述第三檢測電極(27b，39b)被設(shè)置在所述第二槽(36；38)的一個所述側(cè)面上，所述第四檢測電極(28b；40b)被這樣設(shè)置，使得所述第三和第四檢測電極之間的電場基本上直線地穿過所述檢測腿。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量角速度的傳感器，其特征在于，所述檢測腿包括在所述頂面上的第三槽(34)和在所述底面上的第四槽(36)，每個所述第三和第四槽具有兩個側(cè)面，所述第一檢測電極(27a)和第二檢測電極(28a)分別被設(shè)置在所述第一槽(33)和第三槽(34)的一個所述側(cè)面上，使得所述第一和第二檢測電極之間的電場基本上直線地穿過所述檢測腿，以及所述第三檢測電極(27b)和第四檢測電極(28b)分別被設(shè)置在所述第二槽(36)和第四槽(35)的一個所述側(cè)面上，使得所述第三和第四檢測電極之間的電場基本上直線地穿過所述檢測腿。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于測量角速度的傳感器，其中所述激勵裝置包括第一(25a)、第二(26a)、第三(25b)和第四(26b)激勵電極，其分別被設(shè)置在所述激勵腿(23)的頂面、底面和側(cè)面上，其特征在于，所述激勵腿具有分別在所述激勵腿的所述頂面上的至少一個第一槽(29)和所述底面上的至少一個第二槽(31)，并且所述第一激勵電極(25a)被設(shè)置為橫向覆蓋所述第一槽，所述第三激勵電極(25b)被設(shè)置為橫向覆蓋所述第二槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的用于測量角速度的傳感器，其特征在于，所述音叉是具有交叉電極的音叉。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量角速度的傳感器，其特征在于，所述第二檢測電極(40a)被設(shè)置在所述檢測腿(24)的第一側(cè)面的整個厚度上，使得所述第一和第二檢測電極之間的電場基本上直線地穿過所述檢測腿，以及所述第四檢測電極(40b)被設(shè)置在所述檢測腿的相對于所述第一側(cè)面的第二側(cè)面的整個厚度上，使得所述第三和第四檢測電極之間的電場基本上直線地穿過所述檢測腿。
6.根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的用于測量角速度的傳感器，其特征在于，所述壓電音叉是石英的，其主頂面和底面基本垂直所述石英的光軸(z)，并且所述腿基本沿所述石英的機械軸(y)延伸。
7.根據(jù)前面權(quán)利要求中任一項所述的用于測量角速度的傳感器，其特征在于，所述底座(22)在用于固定所述底座的部件和所述音叉的所述腿(23，24)之間被設(shè)置有機械解耦裝置(37)。
全文摘要
一種測量角速度的傳感器，其通過以所述角速度旋轉(zhuǎn)的單個壓電音叉(2 1)形成，所述音叉包括從底座(22)伸出的第一振動腿(23)和第二振動腿(24)，設(shè)置在所述激勵腿(23)上的激勵裝置(25a，25b，26a，26b)，設(shè)置在所述檢測腿(24)上的檢測裝置(27a，27b，28a，28b)，其特征在于，所述檢測腿包括至少一個在所述頂面上的第一槽(33，34)和至少一個在所述底面上的第二槽(35，36)，所述檢測裝置包括相對于彼此設(shè)置的第一和第二檢測電極，所述第一(27a)、第二(28a)檢測電極分別被設(shè)置在所述槽(33)和槽(34)的一個側(cè)面上，使得所述第一和第二檢測電極之間的電場基本上直線地穿過所述檢測腿，還包括相對于彼此設(shè)置的第三和第四檢測電極，所述第三(27b)、第四(28b)檢測電極分別被設(shè)置在所述槽(36)和槽(35)的一個側(cè)面上，使得所述第三和第四檢測電極之間的電場基本上直線地穿過所述檢測腿。
文檔編號G01C19/56GK1793935SQ20051013267
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月20日
發(fā)明者S·達拉·皮亞扎, B·施圖德 申請人:Eta瑞士鐘表制造股份有限公司