用于具有结晶材料中加工的平面单片振动结构的机械共振器的生产方法以及这样生产的共振器

摘要

本发明涉及结晶材料中加工的平面单片振动结构的机械共振器的制造。当材料是三角(1)、三角(2)或六角结构时，在[001]平面中切割所述材料，或者当所述材料是立方结构时，在[111]平面中切割所述材料并使用2阶振动模式。当材料是正方(1)或正方(2)或六角结构时，在[001]平面中切割所述材料或者当所述材料是立方结构时，在[001]、[100]或[010]平面中切割所述材料并使用3阶振动模式。因此，共振器具有自然材料频率各向同性(Δfm＝0)。

权利要求

1.一种用于制造具有以结晶材料加工的平面单片振动结构的机械共振器的方法，其特征在于，-当该结晶材料选自正方(1)结构或正方(2)结构的结晶材料时，在[001]平面中切割该材料，且随后使用3阶振动模式，-当该结晶材料选自六角结构的结晶材料时，在[001]平面中切割该材料，且随后使用

2阶振动模式或3阶振动模式，

-当结晶材料选自立方结构的结晶材料时，在[001]或[010]平面中切割该立方结构的结晶材料，且随后使用3阶振动模式，从而，共振器呈现自然的基于材料的频率各向同性Δfm＝0。

2.一种具有以结晶材料加工的平面单片振动结构的机械共振器，其特征在于，该共振器呈现基于材料的频率各向同性Δfm＝0，该结晶材料选自：a)在[001]平面中切割的正方(1)结构或正方(2)结构的结晶材料，则共振器在3阶振动模式中呈现基于材料的频率各向同性；

b)在[001]平面中切割的六角结构的结晶材料，则共振器在2阶振动模式和3阶振动模式中都呈现基于材料的频率各向同性；

c)立方结构的结晶材料在[001]或[010]平面中切割，则共振器在3阶振动模式中呈现基于材料的频率各向同性。

说明书

用于具有结晶材料中加工的平面单片振动结构的机械共振

器的生产方法以及这样生产的共振器

[0001] 本发明涉及基于具有以结晶材料加工的平面单片振动结构的机械共振器对陀螺装置领域的改善。

[0002] 陀螺装置是用于测量绕一个或多个特定轴线的旋转速度或旋转角度的装置。

[0003] 当前，有许多技术用于生产陀螺装置，但现在需要非常紧凑的装置(尺寸小于几个立方厘米)，它可以成本较低，可以抵挡高度的突然加速，并能在较宽范围的旋转速度内提供准确测量。在这种装置的潜在应用领域中，特别提及小型自旋控制导弹(例如，短程反坦克导弹)或自旋控制军需品(炮弹或迫击炮)的导航和引导，换言之射弹以高度恒定的转速绕翻滚轴旋转，通常在自旋导弹或鳍控制射弹的情况中每秒几次旋转，而在陀螺仪控制的射弹的情况中每秒几百次旋转。

[0004] 为了满足这种需要，与微加工结构的制造相结合的振动陀螺仪技术特别合适。但是，虽然出现了几种规范并达到了开发和工业化的相对高级阶段，但它们都不能正确地解决上述应用所引起的问题，对于这些应用来说绕翻滚轴的旋转测量是必要的。这些规范不能正确地满足需要是源于以下两个原因的组合：

[0005] -第一个原因在于它们固有地适于陀螺测试仪型的反馈控制(角速度的测量)；

[0006] -第二个原因在于绕翻滚轴的旋转速度的动力对于陀螺仪的反馈控制来说太快，以致不能提供足够的精度和/或导致所使用的传感器电子仪器的饱和。

[0007] 结果，已知，对所产生问题的仅有可能的一般解决方案是使用固有地适于陀螺仪反馈控制(旋转角度的测量)的装置。此外，如文献FR2756375中说明的，沿载体的翻滚轴放置的振动机械共振器的陀螺仪反馈控制允许获得高比例因子的精度。与绕载体的横轴按陀螺测试仪模式反馈控制的共振器相结合，就可以产生高性能系统，对于该高性能系统，在载体绕其翻滚轴的一次旋转上横向共振器的偏离误差得以抵偿。

[0008] 在基于振动陀螺仪技术的装置的情况中，最佳陀螺仪反馈控制的条件包括查找一些结构，在通过科里奥利力效应耦合的两种有用模式之间其频率各向异性固有地是零。频率各向异性可以被分解成三个主项：

[0009] Δf＝Δfm+Δfg+Δfs

[0010] 其中Δf是总频率各向异性，

[0011] Δfm是共振器的材料引起的频率各向异性，

[0012] Δfg是共振器的几何形态引起的频率各向异性，以及

[0013] Δfs是共振器的悬吊或附着引起的频率各向异性。

[0014] 可以添加其它项，诸如由于所使用的电子仪器引入的各向异性，但这些项被假定为与这里所述的项相比是二阶的。

[0015] 因此，为了使总的频率各向异性Δf是零，三个分量Δfm、Δfg和Δfs三者都是零就足够了。其它充分条件也是可能的，但它们必定暗示Δfm和/或Δfg和/或Δfs分量之间的补偿，这终止了提升共振器的结构定义的复杂性并使得该结构对于任何参数的变化特别灵敏。因此，查找每个项Δfm、Δfg和Δfs都是零的结构被认为是基本的。但是，可以发现，在微加工共振器结构的情况下通常采用的设计方法是仅考虑几何方面，而同样基本的是要通过其固有对称或源于切割平面的其对称来考虑共振器的组成材料，其中在上述切割平面中切割支持共振器结构的晶片。

[0016] 通过实例说明上述内容，可以考虑振动环的已知实例，其几何结构优选适于获得陀螺仪反馈控制。通过在[001]平面中切割的(通过湿法蚀刻)硅晶片中生产这种结构并通过将椭圆形变的两种平面模式用作主模式和次模式，可以当然地获得Δfg＝0，但Δfm远大于1Hz。实际上，对于具有400Hz的中间频率并具有5mm直径和100μm厚度的环，获得Δfm＝250Hz，从而结果，通过忽略由于附着或其它元件引起的频率各向异性，获得约250Hz的总频率各向异性Δf。该结果与有效的陀螺仪反馈控制不相容并清楚地说明使用微电子技术获得的共振器的情况中产生的问题。

[0017] 这是因为，微加工共振器结构使用结晶材料作为支持材料，它们通常是自然地各向异性的并从而使其能很好地通过化学蚀刻进行微加工，如微电子中的共同过程中进行的。但是，同加工操作的共同方面有关的优点的抵消在于材料的各向异性的主要缺点。当不考虑与所使用的模式对称性一致的材料对称性的选择规则时，这种各向异性不可弥补地导致非零项Δfm。

[0018] 因此，本发明的目的在于提出技术解决方案(方法和装置)，它们当然地实现了由结晶材料形成的频率各向同性，其中具有平面结构的振动共振器从这种结晶材料上切下，可以理解，本发明仅针对提供用于获得由材料(Δfm＝0)引起的频率各向同性的装置并解决由于几何形态(Δfg)和悬吊(Δfs)获得频率各向同性的问题，并为了获得能构建固有陀螺仪装置的总频率各向同性(Δf＝0)(参见实例文献FR01/02498)。

[0019] 应理解，如果共振器的材料是各向同性的，则两种k阶模式的固有脉冲变得相等，无论什么k都是这样，即ω1＝ω2＝ω。

[0020] 此外，通过旋转参考框架通过角度π/2k，两个k阶本征型的形状是一致的。因此，振动环的2阶模式对应于相对彼此偏移π/4＝45°的角度的椭圆形。同样，振动环的3阶模式对应于相对彼此偏移π/6＝30°的角度的三叶形。

[0021] 结晶材料的剖面由其法向矢量 的位置限定，它本身由正交坐标系Oex，ey，ez中的其坐标[x，y，z]限定。因此，三个信息项[x，y，z]允许法向矢量 和切割平面被唯一地限定。例如，[001]数据给出法向矢量的坐标且该平面平行于(ex，ey)平面。

[0022] 此外，已知，从刚性和柔性矩阵表示的观点来看，当前已知的结晶材料可以被分成分布于9个系中的32类：特别提及正方(1)，正方(2)，三角(1)，三角(2)，六边和立方系。

[0023] 最后，应指出，当前，在实际方式中仅使用振动共振器的阶数k＝2和k＝3的振动模式，而更高阶(k＝4，5等)的振动模式的使用将需要使用非常复杂的电子设备(增加激励/检测电子设备的数量将与较小或更小尺寸的陀螺仪装置的生产不相容)。

[0024] 诚然，对于硅晶体，文献WO 10/55675提及具有在[111]平面中切割的硅晶体的2阶振动模式和具有在[100]平面中切割的硅晶体的3阶模式的可能性。但是，在2阶和3阶振动的情况中，关于对硅的其它可能切割平面，或者对于具有立方结构的其它结晶材料的可能切割平面，或者更一般地关于对其它结晶材料的可能切割平面，这是一个特殊的信息项，它不向本技术领域内熟练技术人员提供任何指示。

[0025] 如上所述，在其第一个方面中，本发明提及一种用于用结晶材料中加工的平面单片振动结构生产机械共振器的方法，其特征在于：

[0026] -在从三角(1)或三角(2)或六角结构的结晶材料中选择结晶材料时，在[001]平面中切割该材料，当选自立方结构(硅除外)的材料时，在[111]平面中切割，且随后使用2阶振动模式，

[0027] 或者

[0028] -当结晶材料选自正方(1)或正方(2)或六角结构的结晶材料时，在[001]平面中切割该材料，或者当选自立方结构的材料时，在[001]或[100]平面(硅除外)或者[010]平面中切割，且随后使用3阶振动模式，

[0029] 从而，共振器呈现自然的基于材料的频率各向同性(Δfm＝0)。

[0030] 这些特点可以概括如下：

[0031] 系；三角(1) 平面：[001]

[0032] 三角(2) [001]

[0033] 对于k＝2

[0034] 六角 [001]

[0035] 立方(硅除外) [111]

[0036] 系：正方(1) 平面：〔001〕

[0037] 正方(2) 〔001〕

[0038] 六角 〔001〕

[0039] 对于k＝3

[0040] 〔001〕

[0041] 立方 〔100〕(硅除外)

[0042] 〔010〕

[0043] 当然，所述规定的使用可以伴随轴对称结构的构建，导致基于几何形态的各向同性Δfg＝0。

[0044] 根据其第二方面，本发明提出一种具有结晶材料中加工的平面单片振动结构的机械共振器，其特征在于，对于呈现基于材料的频率各向同性(Δfm＝0)的振荡器，结晶材料选自：

[0045] a)在[001]平面中切割的正方(1)或正方(2)结构的结晶材料，则共振器在3阶振动模式中呈现基于材料的频率各向同性；

[0046] b)在[001]平面中切割的三角(1)或三角(2)结构的结晶材料，则共振器在2阶振动模式中呈现基于材料的频率各向同性；

[0047] c)在[001]平面中切割的六角结构的结晶材料，则共振器在2阶和3阶振动模式中呈现基于材料的频率各向同性；以及

[0048] d)立方结构的结晶材料

[0049] -在平面[111]平面(硅除外)中切割时，则共振器在2阶振动模式中呈现基于材料的频率各向同性

[0050] 或者

[0051] -在平面[001]、[100](硅除外)或[010]平面中切割时，则共振器在3阶振动模式中呈现基于材料的频率各向同性。