应变解耦传感器.pdf

一种传感器，其包括衬底(16)和锚定至所述衬底(16)的传感器元件(20)，所述衬底(16)和传感器元件(20)的材料不同并且具有不同的热膨胀系数，所述传感器元件(20)和衬底(16)每个具有彼此基本上平行布置的一般平坦的表面；所述传感器还包括间隔物(26)，所述间隔物(26)被定位以便从所述衬底(16)的至少部分间隔所述传感器元件(20)的至少部分，其中所述间隔物(26)的面积比所述衬底(16)表面和所述传感器元件(20)表面中较小的所述面积小得多。

1.  一种传感器，其包括衬底和锚定至所述衬底的传感器元件，所述衬底和传感器元件的材料不同并且具有不同的热膨胀系数，所述传感器元件和衬底每个具有彼此基本上平行布置的一般平坦的表面；所述传感器还包括单个间隔物，由此所述传感器元件锚定在所述衬底上方，所述间隔物被定位以便从所述衬底的至少部分间隔所述传感器元件的至少部分，其中所述间隔物的面积比所述衬底表面和所述传感器元件表面中较小的所述面积小得多。

2.  根据权利要求1所述的传感器，其中所述间隔物与所述传感器元件和所述衬底中的一个或另一个一体成形。

3.  根据权利要求1所述的传感器，其中所述间隔物与所述传感器元件和所述衬底中的一个一体成形，并且结合至所述传感器元件和所述衬底中的另一个。

4.  根据权利要求3所述的传感器，其中所述间隔物与所述衬底一体成形。

5.  根据权利要求4所述的传感器，其中所述间隔物通过小直径突起部分来限定，其从所述衬底的周围部分竖立。

6.  根据权利要求5所述的传感器，其中空腔形成在所述衬底的所述表面中，所述间隔物从所述空腔的基部竖立。

7.  根据权利要求6所述的传感器，其中所述突起部分位于所述空腔的中心。

8.  根据权利要求7所述的传感器，其中所述空腔是环形的。

9.  根据权利要求5至8中的任一项所述的传感器，其中所述突 起部分一般是圆柱形的。

10.  根据前述权利要求中的任一项所述的传感器，其中所述间隔物的面积小于所述衬底和所述传感器元件中的较小的所述面积的一半。

11.  根据权利要求10所述的传感器，其中所述间隔物的面积小于所述衬底和所述传感器元件中的较小的所述面积的30％。

12.  根据前述权利要求中的任一项所述的传感器，其中所述间隔物将所述衬底和传感器元件间隔开在至少30μm的范围中的距离。

13.  根据前述权利要求中的任一项所述的传感器，并且包括振动环陀螺仪。

14.  根据权利要求13所述的传感器，其中所述传感器元件包括所述传感器的磁铁组件的部分。

15.  根据权利要求14所述的传感器，其中所述传感器元件包括所述磁铁组件的下极片。

应变解耦传感器
本发明涉及传感器，并且更具体来说涉及源于热感应应力的不准确度减小的传感器。
传感器通常由若干组成部分组成，其中至少一些是不同材料的并且彼此牢牢地互连。如果传感器易受温度改变影响，则每个组成部分的热膨胀或收缩将发生。在组成部分具有不同的热膨胀系数的情况下，如将常常在组成部分是不同材料的情况下，则通常将感生应力。
微机电系统(MEMS)技术已经用于生成若干传感器设计。例如，基于MEMS的加速计和陀螺仪已被熟知。此类装置通常包括锚定到例如玻璃或硅的衬底的基本上平坦的硅层。还可将其它部件锚定到衬底，并且如上文提及的在所述其它部件与衬底之间的差热膨胀可在硅层中感生应力，这继而可以在传感器的操作上引起负面影响。例如，可影响传感器的偏差或比例因子。
US2010/0072563和WO2008/069394描述传感器布置，其中传感器元件结合至衬底。在每个案例中，传感器元件包括可相对于固定部分移动的可移动部分，并且同时仅传感器元件的固定部分而不是传感器元件的整个表面结合至衬底，在传感器元件的若干部分结合至衬底时，差热膨胀或收缩导致在传感器元件中感生应力。
US2010/0251818和US2010/0300201描述一种布置，其中弹性或顺应性支撑物用于支撑传感器元件以适应差热膨胀。
US2003/0038415描述用于传感器的安装布置且其为顺应性的。
本发明的目的在于提供一种传感器，其中克服或减小了前文列出 的缺点的影响。
根据本发明，提供的传感器包括衬底和锚定至衬底的传感器元件，所述衬底和传感器元件的材料不同并且具有不同的热膨胀系数，所述传感器元件和衬底每个具有彼此基本上平行布置的一般平坦的表面；所述传感器还包括单个间隔物，由此传感器元件锚定在衬底上方，所述间隔物被定位以便从衬底的至少部分间隔传感器元件的至少部分，其中所述间隔物的面积比衬底表面和传感器元件表面中较小的面积小得多。
间隔物可与传感器元件和衬底中的一个或另一个或者两者一体形成。在间隔物与传感器元件和衬底中的一个一体形成的情况下，可例如使用适合的环氧树脂将间隔物适宜地结合至其它的传感器元件和衬底。将了解的是在间隔物与所述其它的传感器元件和衬底之间的接触面积，即间隔物的面积，比该部件的表面面积小得多。
在该布置中，由于传感器元件和衬底仅通过其面积的小部分互连，所以在间隔物的位置，源于传感器元件和衬底的差热膨胀的应力受限于间隔物处由于其互连的面积的较小部分的那些，并且因此对传感器的操作上的影响大大减小。
适宜地，间隔物与衬底一体形成。例如，可通过小直径突起部分限定间隔物，其从衬底的周围部分竖立。空腔可形成在衬底的表面中，突起部分优选定位在空腔的中心。空腔适宜是环形。
突起部分适宜是一般的圆柱形。然而，其它形状是可能的。例如，可具有多边形的横截面。
间隔物的面积适宜小于衬底和/或传感器元件面积的一半。优选地，间隔物面积小于衬底和/或传感器元件面积的30％。
间隔物优选将衬底和传感器元件间隔开在至少30μm范围中的距离。然而，本发明还适用于其它布置，其中该间隔例如更大。事实上， 诸如例如在300μm的范围中的更大的间隔可为有利的，因为其可衰减跨过间隔物耦合的应力。
传感器适宜包括振动环陀螺仪(vibratory ring gyroscope)。在此类布置中，传感器元件适宜包括传感器磁铁组件部分。例如，可包括磁铁组件的下极片。然而，将了解的是本发明可适用于其它形式的传感器，并且在此类布置中，传感器元件可为其它形式。
将参考附图以实例的方式进一步描述本发明，在附图中：
图1是振动环陀螺仪的已知形式的示意表示；
图2是类似于图1的视图，但是图示根据本发明的一个实施方案的传感器；
图3是图示典型传感器的三十个采样的随着温度的正交偏差变化；以及
图4是类似于图3的图，其示出根据本发明的实施方案的传感器的采样的正交偏差变化。
首先参照图1，所示的传感器包括通过从共振器10向外延伸的整体支撑纽带(图1中未示出)附接至支撑框架12的环状共振器10。支撑框架12安装在玻璃基座14上方，玻璃基座14继而安装在玻璃衬底16上方。
附接至衬底16的是磁铁组件18，其由下极片20、上极片24和位于其间的磁铁22组成。磁铁组件18，更具体来说其下极片20，通过位于下极片20与玻璃衬底16之间的薄的、基本上牢固的粘合剂层附接至玻璃衬底16。因此，下极片20的整个下表面固定至衬底16。下极片20通常是适合的铁磁材料，其具有相对较低的热膨胀系数。极片20可具有大约7x10^-6的热膨胀系数。硅和派热克斯(Pyrex)玻璃的热膨胀系数分别是在3x10^-6和2x10^-6的范围中。通常，粘合剂在例 如在130℃的范围中的高温下施加。随着组件从该温度开始冷却，差热膨胀/收缩发生在下极片20与衬底16之间，这如前文提及的在其中以共振器10和支撑框架12中感生应力。在使用期间的温度改变还将因为相同的原因感生应力。
该形式的传感器已被熟知并且因此其中的操作方式将不在本文中描述。例如，该一般类型的传感器在GB2322196和US2011/0167911中被描述。
支撑框架12、基座14和衬底16通常是一般方形横截面形状，基座14包括一般环形的横截面形状的内部开口，在其中定位一般圆柱形的磁铁组件18。因此，分布在传感器内的应力是非均匀的，其具有在基座14的宽度最小时的最大值以及在基座14的宽度最大时的最小值。该变化的应力图通过纽带耦合至经纽带安装至支撑框架12的共振器10中，这使共振器的刚度变化。
本领域的技术人员将了解的是该变化的应力图耦合至共振器中影响传感器的操作。申请人相信如本领域的技术人员将理解的源于这些热感应应力的变化是正交偏差变化的主要原因。图3是图示源自温度改变的正交偏差变化的图，并且将了解的是这些变化非常明显并因此将影响传感器的使用。
图2图示根据本发明的实施方案的传感器。图2的传感器非常类似于图1的传感器并且因此将在下文中仅详细描述其间的差异。在适当的情况下，可以参照前文的描述帮助理解图2的实施方案。在图1和图2中使用的相同的附图标记表示相似的或基本上执行相同功能的零件。
在图2的传感器中，下极片20的下面或下表面20a不接合衬底16的基本上全部面积。相反，下表面20a的大部分从衬底16间隔开较小距离d。例如，距离d可为大约30μm。如所示的，这借助于间隔物26的存在而实现。在图2的实施方案中，间隔物26与衬底16 一体成形。然而，间隔物26形成下极片20的部分或是单独的部件的布置可以是可能的。此外，间隔物可能是两部分形成，间隔物的部分形成在衬底上并且其另一部分形成在下极片上。
虽然在前文所述的布置中距离d是大约30μm，但是将了解的是可在不脱离本法明的范围的情况下使用其它间隔。事实上，更大的间隔，诸如例如300μm，可为有利的，因为其可导致跨过间隔物耦合的应力的衰减。一定程度上，深度将由用于形成间隔物的技术以及间隔物和衬底的其余部分的结构完整性控制。
间隔物26适宜通过在衬底16的表面16a中蚀刻较浅的凹陷或空腔28来形成。可使用其它制造技术。例如，可使用喷粉(powder blasting)加工技术。通常，蚀刻将导致形成相对浅的凹陷，喷粉适合希望较深凹陷的情况。凹陷或空腔28一般是环形，其具有比下极片20的直径稍大的外部直径；间隔物26通过环形凹陷或空腔28的中心形成或限定。因此，间隔物26从凹陷或空腔28的中心突起至基本上表面16a的平面。
如使用图1的传感器，在组装期间，例如通过使用适合的环氧树脂将下极片20固定至衬底16。然而，与图1的传感器不同，仅下极片20的下表面20a的部分固定至衬底16，下表面20a的所述部分固定至间隔物26。下极片20的下表面20a的其余部分借助于凹陷或空腔28和间隔物26从衬底16悬浮或隔开。在传感器元件20与衬底16之间的接触面积因此受限于间隔物26的面积。
因为仅下极片20的表面面积的相对小部分接触和固定至衬底16，所以将了解的是差热膨胀或收缩仅导致赋予或感生有限的应力至组件中。因此，耦合至共振器10中的热感应应力大大减小，这使传感器的操作和灵敏度增强。
例如，在所示的布置中下极片20的直径大概6mm，凹陷或空腔比极片20稍大，并且间隔物26的直径大概3mm。因此，将了解的 是在该实施方案中，在下极片20与衬底16之间的接触面积(即间隔物26的面积)大概是图1的布置的等效接触面积的25％。虽然在该实施方案中接触面积减小至图1的布置的等效接触面积的25％，但是将了解的是本发明不受限于此。例如，将通过减小接触面积至小于大概下极片20的面积的50％来增加本发明的一些益处。然而，接触面积优选小于这种情况，适宜小于下极片20的面积大概30％。将了解的是在实践中存在使接触面积最小化以减小耦合至共振器10中的热感应应力与确保将下极片20适当支撑并固定在衬底16上的适当位置之间的权衡。
图4是类似于图3的图且基本上按相同比例绘制，但是图示如前文所述的图2的实施方案的正交偏差变化。将通过比较图3和图4的图指出的是图2的布置的随着温度的正交偏差变化大大减小。
本发明的布置不仅实现了耦合至共振器的热感应应力的减小且因此减小了其负面影响，而且以相对简单和适宜的方式实现该结果，这包括仅仅引入形成空腔28的单个额外制造步骤。
在前文所述的布置中，下极片20形成固定至衬底16的传感器元件。然而，将了解的是在其它形式的传感器中，传感器元件可采用其它形式。本发明不受限于此。
在不脱离由所附的权利要求定义的本发明的范围的情况下，可对前文所述的布置做出宽泛的修改和改变。例如，在布置中所述的间隔物26形成于凹陷或空腔26的中心且一般是圆柱形。然而，可视需要采用其它形状和位置。