專利名稱：用于測(cè)定繞x軸、y軸和/或z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的MEMS陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測(cè)定繞χ軸、y軸和/或ζ軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的MEMS陀螺儀，所述MEMS陀螺儀尤其實(shí)施為三維傳感器，包括襯底和多個(gè)做振擺運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊，以便在所述襯底繞所述χ軸、y軸和/或ζ軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生作用于所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的科氏力。
背景技術(shù)：
Tff 286201 BB揭露一種三維微機(jī)電MEMS陀螺儀。其中，多個(gè)布置在中央錨件上的質(zhì)量塊發(fā)生振蕩旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這些質(zhì)量塊布置在襯底上，并且在圍繞X軸或1軸的轉(zhuǎn)矩以及由此而產(chǎn)生的科氏力作用下繞y軸或χ軸傾斜。通過用相應(yīng)的懸架將這些驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊安裝在襯底上，可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。如果再用相應(yīng)的懸架將子質(zhì)量塊安裝在采用可旋轉(zhuǎn)安裝方式的質(zhì)量塊上，這些子質(zhì)量塊就會(huì)在繞ζ軸的轉(zhuǎn)矩的作用下進(jìn)行平移偏斜。上述傾斜運(yùn)動(dòng)和平移運(yùn)動(dòng)都可用傳感器檢測(cè)，而且由于與襯底的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)成比例，因而可以用來推斷圍繞χ 軸、y軸或ζ軸的相應(yīng)旋轉(zhuǎn)。但是，偏斜就很難測(cè)定。為創(chuàng)造出一種三維傳感器形式的、能測(cè)定三個(gè)軸線上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的三維陀螺，D. Wood等人在1996年的論文“能同時(shí)感測(cè)三軸的單周期硅微陀螺(A monocyclic silicon gyroscope capital of sensing about three axes simultaneously)，，中了一禾中陀螺，這種陀螺具有多個(gè)呈環(huán)形圍繞中央錨件布置的振蕩質(zhì)量塊。這些質(zhì)量塊能夠在所產(chǎn)生的科氏力的作用下做傾斜運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。缺點(diǎn)是，這種傳感器的制造以及對(duì)受驅(qū)質(zhì)量塊的驅(qū)動(dòng)都很難。傳感器各部件的運(yùn)動(dòng)會(huì)相互影響，因而無法足夠精確地測(cè)量陀螺在X向、y 向或ζ向上的運(yùn)動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于測(cè)定繞χ軸、y軸和/或ζ軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的MEMS陀螺儀，該MEMS陀螺儀尤其實(shí)施為三維傳感器且具有較高檢測(cè)精度。本發(fā)明用來達(dá)成上述目的的解決方案為一種具有如權(quán)利要求1所述特征的MEMS 陀螺儀。根據(jù)本發(fā)明，所述用于測(cè)定繞χ軸、y軸和/或ζ軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的MEMS陀螺儀具有襯底和多個(gè)(至少兩個(gè)，優(yōu)選四個(gè))可沿徑向朝中心運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊。驅(qū)動(dòng)元件使這些驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊發(fā)生振擺形式的初級(jí)振蕩，以便在襯底繞X軸、y軸和/或Z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生作用于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的科氏力。這些振蕩驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊與至少一個(gè)其他的感測(cè)質(zhì)量塊相連，該感測(cè)質(zhì)量塊不振蕩，但可與振蕩驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊一起在襯底上繞χ軸、y軸和/或ζ軸旋轉(zhuǎn)。MEMS陀螺儀上設(shè)有多個(gè)感測(cè)元件，用于檢測(cè)感測(cè)質(zhì)量塊和/或驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊被所產(chǎn)生的科氏力引發(fā)的相對(duì)于襯底的偏斜(次級(jí)振蕩)。感測(cè)質(zhì)量塊借助至少兩個(gè)(優(yōu)選四個(gè))錨件和多個(gè)彈簧布置在襯底上，以便實(shí)現(xiàn)可旋轉(zhuǎn)式固定。根據(jù)本發(fā)明，振蕩驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊固定在感測(cè)質(zhì)量塊上，并且可以不受感測(cè)質(zhì)量塊影響地發(fā)生振蕩。感測(cè)質(zhì)量塊本身則借助至少兩個(gè)錨件固定在襯底上。借助彈簧來實(shí)現(xiàn)在錨件上的固定，這些彈簧允許感測(cè)質(zhì)量塊與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊一起相對(duì)于襯底運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)是圍繞突出在繪圖平面之外的ζ軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及圍繞繪圖平面內(nèi)的χ軸和y軸的傾斜運(yùn)動(dòng)。 這樣就可以借助布置在相應(yīng)位置上的感測(cè)元件分別測(cè)定襯底或陀螺儀繞χ軸、y軸和/或ζ 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如果用四個(gè)錨件來將感測(cè)質(zhì)量塊安裝在襯底上，就可以使質(zhì)量塊在襯底上的安裝特別平衡。襯底旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的科氏力將使質(zhì)量塊在所有方向上均勻偏斜，因此，所有方向上的偏斜運(yùn)動(dòng)都是相同的。特別優(yōu)選地，四個(gè)錨件布置在χ軸和y軸上，其中，每軸各布置兩個(gè)錨件。這樣一來，繞χ軸的傾斜運(yùn)動(dòng)與繞y軸的傾斜運(yùn)動(dòng)是相同的。用于將感測(cè)質(zhì)量塊固定在錨件上的彈簧既允許上文所述的圍繞χ軸或y軸的傾斜運(yùn)動(dòng)，也允許圍繞ζ軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。但相對(duì)于χ向或y向平移運(yùn)動(dòng)，這些彈簧在其共同作用下是剛性的。由此形成一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)平移運(yùn)動(dòng)為剛性，但是對(duì)感測(cè)質(zhì)量塊的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為柔性。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，感測(cè)質(zhì)量塊以框架形式包圍驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊。這樣可將驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊很好地容置在感測(cè)質(zhì)量塊中，從而確保傳感器的工作不受干擾?？蚣苓€能使驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊得到均勻的驅(qū)動(dòng)與安裝，從而達(dá)到將所產(chǎn)生的科氏力和相應(yīng)的傾斜運(yùn)動(dòng)從驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊均勻傳遞到感測(cè)質(zhì)量塊上的目的。如果驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊成對(duì)地以及點(diǎn)對(duì)稱地圍繞傳感器中心布置，就可通過簡(jiǎn)單的方式平衡驅(qū)動(dòng)振蕩，從而使靜止?fàn)顟B(tài)下的傳感器具有基本不動(dòng)的感測(cè)質(zhì)量塊。這樣一來，感測(cè)質(zhì)量塊就不會(huì)在無科氏力產(chǎn)生的情況下，受到受驅(qū)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的不利影響，更不會(huì)與之一起振蕩。用于檢測(cè)質(zhì)量塊繞χ軸或y軸的偏斜的感測(cè)元件如果是水平的平板電容，則優(yōu)選布置在感測(cè)質(zhì)量塊下方和/或驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊下方，如果是豎向電容，則優(yōu)選布置在感測(cè)質(zhì)量塊中。無論采用上述哪種布置方式，都可通過電容變化或電壓變化檢測(cè)到質(zhì)量塊做次級(jí)振蕩時(shí)圍繞X軸或y軸的偏斜。根據(jù)相應(yīng)振幅可以推斷出作用在轉(zhuǎn)速傳感器上的轉(zhuǎn)速。為檢測(cè)質(zhì)量塊繞ζ軸的偏斜，優(yōu)選在感測(cè)質(zhì)量塊內(nèi)部或外部設(shè)置豎向電容或梳狀電極形式的感測(cè)元件。這樣也能根據(jù)電變量的變化推斷出繞ζ軸的轉(zhuǎn)速。優(yōu)選用柔性彈簧將感測(cè)質(zhì)量塊固定在襯底上。柔性彈簧可以確保感測(cè)質(zhì)量塊通過相應(yīng)錨件穩(wěn)定地布置在襯底上。理想情況下，當(dāng)感測(cè)質(zhì)量塊和驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊因科氏力所引起的振蕩發(fā)生偏斜時(shí)，各柔性彈簧的共同作用可以防止這些質(zhì)量塊與襯底發(fā)生接觸。上述柔性彈簧優(yōu)選采用能讓感測(cè)質(zhì)量塊繞χ軸、y軸和ζ軸旋轉(zhuǎn)的實(shí)施方式。借此可將襯底被所產(chǎn)生的科氏力引發(fā)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式的次級(jí)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為感測(cè)質(zhì)量塊繞X軸、 y軸和/或ζ軸的振蕩旋轉(zhuǎn)。上述柔性彈簧優(yōu)選采用能阻止感測(cè)質(zhì)量塊沿X向、y向和/或Z向移動(dòng)的實(shí)施方式。相對(duì)于感測(cè)質(zhì)量塊在襯底上的平移移動(dòng)，柔性彈簧在其共同作用下為剛性，從而避免感測(cè)質(zhì)量塊在襯底上沿線性方向移動(dòng)。錨件布置在傳感器的中心區(qū)域內(nèi)，以便感測(cè)質(zhì)量塊能夠良好而靈敏地偏斜。這樣一來，柔性彈簧可以采用相應(yīng)長(zhǎng)度，在期望方向上具有較小的彈簧常數(shù)，從而具有較大柔性。這樣就能在受到相應(yīng)程度的力作用時(shí)，方便地實(shí)現(xiàn)變形。在此情況下，較小的科氏力就能使懸掛安裝在柔性彈簧上的感測(cè)質(zhì)量塊以較高重復(fù)精度發(fā)生傾斜。
錨件優(yōu)選布置在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊之間。由此可產(chǎn)生分布均勻的錨點(diǎn)和受驅(qū)質(zhì)量塊。感測(cè)質(zhì)量塊則可均勻而明確地朝各個(gè)方向偏斜。根據(jù)本發(fā)明特別優(yōu)選的實(shí)施方案，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊借助在驅(qū)動(dòng)方向上具有彈性的柔性彈簧固定在感測(cè)質(zhì)量塊上。這樣一來，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊可以受驅(qū)沿驅(qū)動(dòng)方向振蕩，而不會(huì)對(duì)感測(cè)質(zhì)量塊產(chǎn)生顯著影響。因此，盡管驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊和感測(cè)質(zhì)量塊通過柔性彈簧彼此相連，但驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)并不會(huì)直接引起感測(cè)質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)。這些柔性彈簧在不同于驅(qū)動(dòng)方向的方向上與感測(cè)質(zhì)量塊剛性相連，借此可將作用在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊上的科氏力轉(zhuǎn)化為感測(cè)質(zhì)量塊與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊共同進(jìn)行的傾斜運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明特別優(yōu)選的實(shí)施方案，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊借助同步彈簧彼此相連。其優(yōu)點(diǎn)是可以讓驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊同步運(yùn)動(dòng)，從而避免驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)不一致，以及由此產(chǎn)生的反作用力對(duì)感測(cè)質(zhì)量塊產(chǎn)生影響。否則，感測(cè)質(zhì)量塊將會(huì)發(fā)生不是由科氏力引起的偏斜。這樣就會(huì)產(chǎn)生不想要的測(cè)量誤差。而同步彈簧將各驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊連接起來，使各驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊做相同的驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并且相互間對(duì)所產(chǎn)生的力進(jìn)行補(bǔ)償。特別優(yōu)選地，同步彈簧極其靠近中心布置。如果同步彈簧比感測(cè)質(zhì)量塊的錨件更靠近中心，就能避免同步彈簧與感測(cè)質(zhì)量塊的柔性彈簧之間發(fā)生沖突。另外，柔性彈簧可以像同步彈簧那樣實(shí)施得足夠長(zhǎng)，在相應(yīng)方向上具有足夠大的彈性，從而既確保感測(cè)質(zhì)量塊的可動(dòng)性，又能確保驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的同步化和可動(dòng)性。如果驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的各驅(qū)動(dòng)方向之間相互成角度，四個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊時(shí)優(yōu)選成90° 角，三個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊時(shí)優(yōu)選成120°角，就可確保驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊受到均勻驅(qū)動(dòng)，而不會(huì)有不是由科氏力引起的力作用在感測(cè)質(zhì)量塊上。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，如果驅(qū)動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)方向與χ軸/y軸成45°角，就能形成特別穩(wěn)定的系統(tǒng)。這樣一來，該系統(tǒng)將極其靈敏地對(duì)科氏力產(chǎn)生反應(yīng)，圍繞相應(yīng)軸線的較小轉(zhuǎn)速就能使該系統(tǒng)反映出科氏力對(duì)其的作用。驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的驅(qū)動(dòng)元件優(yōu)選為電極，特別是叉形電極或梳狀電極。其中，一部分電極固定在襯底上，另一部分電極布置在驅(qū)動(dòng)元件上。施加交流電壓后，這些電極會(huì)受到引力和斥力的作用，從而使驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊發(fā)生振蕩運(yùn)動(dòng)。


下面借助實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行說明。其中 圖1為本發(fā)明MEMS陀螺儀的俯視圖2為另一 MEMS陀螺儀的俯視圖； 圖3為另一 MEMS陀螺儀的俯視圖。
具體實(shí)施例方式圖1為三維MEMS陀螺儀1的俯視圖。圖中尤其展示了陀螺儀1的受驅(qū)部件，即四個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2和一個(gè)感測(cè)質(zhì)量塊3。感測(cè)質(zhì)量塊3如框架般包圍四個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2。驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2位于感測(cè)質(zhì)量塊3內(nèi)部。感測(cè)質(zhì)量塊3借助柔性彈簧4和錨件5布置在圖中未展示的襯底上。柔性彈簧4 在橫向于其縱向延伸方向的方向上是柔性的。在其縱向延伸方向上為剛性。其效果是，感測(cè)質(zhì)量塊3既可圍繞繪圖平面內(nèi)的χ軸和y軸旋轉(zhuǎn)，又可圍繞繪圖平面以外的ζ軸旋轉(zhuǎn)。附圖用相應(yīng)箭頭表示這些振蕩旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2被感測(cè)質(zhì)量塊3包圍。驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2借助柔性彈簧6固定在感測(cè)質(zhì)量塊3上。每個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2各具有四個(gè)這樣的柔性彈簧6。驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2在驅(qū)動(dòng)元件7 的驅(qū)動(dòng)下沿雙向箭頭所示的方向振蕩。驅(qū)動(dòng)元件7例如由多個(gè)梳狀電極構(gòu)成，這些梳狀電極中的一部分固定在襯底上，另一部分固定在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2上，因此在被施加交流電壓后， 可讓驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2做振擺運(yùn)動(dòng)。柔性彈簧6在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2的驅(qū)動(dòng)方向上為柔性，在所有其他方向上則為剛性。其效果是，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2在其驅(qū)動(dòng)方向上基本上可自由振蕩，在其他方向上則與感測(cè)質(zhì)量塊3 的運(yùn)動(dòng)耦合。因此，當(dāng)襯底繞χ軸、y軸和/或ζ軸中的一個(gè)或多個(gè)軸線旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生科氏力時(shí)，感測(cè)質(zhì)量塊3將在該科氏力作用下與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2 —起沿相應(yīng)方向旋轉(zhuǎn)，此為次級(jí)運(yùn)動(dòng)。四個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2在感測(cè)質(zhì)量塊3內(nèi)的布置方式使其可以成對(duì)地相對(duì)振蕩，并且點(diǎn)對(duì)稱地圍繞ζ軸布置。這樣一來，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的力和轉(zhuǎn)矩會(huì)相互抵消，僅驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2的驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)并不會(huì)讓感測(cè)質(zhì)量塊3發(fā)生運(yùn)動(dòng)。為確保這種平衡，進(jìn)而確保感測(cè)質(zhì)量塊3的靜止，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2借助同步彈簧8彼此相連。同步彈簧8布置在錨件5與陀螺儀1位于ζ軸上的中心之間。這樣可避免這些同步彈簧與柔性彈簧4的運(yùn)動(dòng)或與錨件5發(fā)生沖突。同步彈簧8呈u形。當(dāng)通過同步彈簧8 彼此相連的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2做周期性的分離運(yùn)動(dòng)及相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2之間的距離會(huì)發(fā)生變化。在此過程中，同步彈簧8可以通過變形來叉開相應(yīng)程度。同步彈簧 8對(duì)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2施力以補(bǔ)償速度差，從而使四個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2的驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)同步進(jìn)行。在感測(cè)質(zhì)量塊3下方的χ軸和y軸區(qū)域內(nèi)設(shè)有平板電容9。一旦感測(cè)質(zhì)量塊3繞 χ軸或y軸旋轉(zhuǎn)，這些平板電容9就會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)。這個(gè)信號(hào)與襯底繞χ軸或y軸旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的科氏力成比例。為檢測(cè)感測(cè)質(zhì)量塊3繞ζ軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，例如設(shè)有梳狀電極，這些梳狀電極特定而言布置在感測(cè)質(zhì)量塊3的周邊或外側(cè)區(qū)域，它們同樣以電信號(hào)的形式檢測(cè)感測(cè)質(zhì)量塊3繞ζ軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，據(jù)此可推斷出襯底相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過用柔性彈簧4將感測(cè)質(zhì)量塊3固定在襯底的錨件5上，以及通過用柔性彈簧6 將驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2固定在感測(cè)質(zhì)量塊3上，將產(chǎn)生一個(gè)系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2的初級(jí)運(yùn)動(dòng)將在最大程度上與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2及其與感測(cè)質(zhì)量塊3的耦合所引發(fā)的次級(jí)運(yùn)動(dòng)去耦合。陀螺儀1或襯底的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)引起固定在其上面的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2和感測(cè)質(zhì)量塊3的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以在不受驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2的驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)干擾的情況下被感測(cè)到。既然次級(jí)運(yùn)動(dòng)是因驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2與感測(cè)質(zhì)量塊3耦合而產(chǎn)生，則作為上述實(shí)施例的替代方案，也可以不僅在感測(cè)質(zhì)量塊3下方，也在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2下方布置感測(cè)元件(在此指平板電容9)。當(dāng)然，用于檢測(cè)繞ζ軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的感測(cè)元件也是如此。此處的運(yùn)動(dòng)也是由驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2和感測(cè)質(zhì)量塊3共同進(jìn)行，因此，這種運(yùn)動(dòng)也可在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊和/或感測(cè)質(zhì)量塊3區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。圖2為圖1所示的MEMS陀螺儀1的替代實(shí)施例。相似部件用與圖1中相同的元件符號(hào)表示。與圖1所示一樣，MEMS陀螺儀11同樣具有四個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2，這些驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊各借助四個(gè)柔性彈簧6與感測(cè)質(zhì)量塊3相連。感測(cè)質(zhì)量塊3如框架般包圍四個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2。驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2在一個(gè)穿過陀螺儀1位于ζ軸區(qū)域內(nèi)的中心的方向上，與χ軸和y軸成 45°角地朝該中心以及遠(yuǎn)離該中心運(yùn)動(dòng)。相對(duì)布置的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2逆向振蕩，以免振蕩傳遞到感測(cè)質(zhì)量塊3上。感測(cè)質(zhì)量塊3每邊各借助一個(gè)柔性彈簧4，以可繞χ軸、y軸和ζ軸旋轉(zhuǎn)及傾斜的方式各固定在一個(gè)錨件5上，總共固定在四個(gè)錨件5上。在錨件5和陀螺儀1的中心之間設(shè)有同步彈簧8，其任務(wù)是保證驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2同步振蕩。用來連接驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2和感測(cè)質(zhì)量塊3的柔性彈簧6能讓驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2沿驅(qū)動(dòng)方向做振蕩運(yùn)動(dòng)，但在所有其他方向上為剛性， 這樣就能將所產(chǎn)生的科氏力從驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2傳遞到感測(cè)質(zhì)量塊3上。圖3為本發(fā)明三維MEMS陀螺儀1的另一實(shí)施方式的示意圖。驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2與感測(cè)質(zhì)量塊3的連接方式以及感測(cè)質(zhì)量塊3通過柔性彈簧4及錨件5與襯底之間的連接方式與圖1和圖2所示的實(shí)施例相似。在該實(shí)施方式中，同步彈簧8實(shí)施為箭頭狀，但同樣是朝陀螺儀1的中心定向。本發(fā)明的這種實(shí)施方式用布置在感測(cè)質(zhì)量塊3的框架中的多個(gè)感測(cè)元件10檢測(cè)感測(cè)質(zhì)量塊3和驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2圍繞χ軸、y軸或ζ軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這些感測(cè)元件10例如是豎向電容，會(huì)在感測(cè)質(zhì)量塊3繞ζ軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生可變電信號(hào)。如果采用相應(yīng)設(shè)計(jì)，則可借助這些感測(cè)元件10或類似的感測(cè)元件或如圖1所示的平板電容，檢測(cè)感測(cè)質(zhì)量塊3圍繞χ軸或y軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明不限于上述實(shí)施例。舉例而言，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的數(shù)量可不同于上述數(shù)量。感測(cè)質(zhì)量塊3的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)方式也可不同于以上所述。此外，根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2和感測(cè)質(zhì)量塊3也可以是倒圓或圓形的形狀，而不一定必須帶角。最后， 本發(fā)明包括所有與有效權(quán)利要求書相符的實(shí)施方案。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)定繞一 χ軸、y軸和/或ζ軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的MEMS陀螺儀，所述MEMS陀螺儀尤其實(shí)施為三維傳感器，包括一襯底，多個(gè)(至少兩個(gè)，優(yōu)選四個(gè))可沿徑向朝一中心運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2)，多個(gè)用于使所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2)發(fā)生振擺的驅(qū)動(dòng)元件(7)，以便在所述襯底繞所述χ 軸、y軸和/或ζ軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生作用于所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2)的科氏力，其中，所述振蕩驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2)與至少一個(gè)其他的感測(cè)質(zhì)量塊(3)相連，所述感測(cè)質(zhì)量塊不振蕩，但可與所述振蕩驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2) —起在所述襯底上繞所述χ軸、y軸和/或ζ軸旋轉(zhuǎn)，多個(gè)感測(cè)元件(9，10)，用于檢測(cè)所述感測(cè)質(zhì)量塊(3)和/或所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2)被所產(chǎn)生的科氏力引發(fā)的相對(duì)于所述襯底的偏斜，以及至少兩個(gè)(優(yōu)選四個(gè))錨件(5 )，用于借助彈簧(4 )將所述感測(cè)質(zhì)量塊(3 )可旋轉(zhuǎn)地固定在所述襯底上。
2.如權(quán)利要求1所述的MEMS陀螺儀，其特征在于，所述感測(cè)質(zhì)量塊(3)以框架形式包圍所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2)。
3.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的MEMS陀螺儀，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2)成對(duì)地以及點(diǎn)對(duì)稱地圍繞所述傳感器的中心布置，以便平衡驅(qū)動(dòng)振蕩。
4.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的MEMS陀螺儀，其特征在于，用于檢測(cè)所述質(zhì)量塊(2，3)繞所述χ軸和/或y軸的偏斜的感測(cè)元件(9，10)如果是水平的平板電容(9)， 則布置在所述感測(cè)質(zhì)量塊(3 )下方和/或所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2 )下方，如果是豎向電容(10 )， 則布置在所述感測(cè)質(zhì)量塊(3)中。
5.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的MEMS陀螺儀，其特征在于，所述感測(cè)質(zhì)量塊(3)內(nèi)部和/或外部設(shè)有多個(gè)豎向電容或梳狀電極形式的感測(cè)元件(10)，用于檢測(cè)所述質(zhì)量塊(2，3)繞所述ζ軸的偏斜。
6.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的MEMS陀螺儀，其特征在于，所述感測(cè)質(zhì)量塊(3)借助多個(gè)柔性彈簧(4)固定在所述襯底上。
7.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的MEMS陀螺儀，其特征在于，所述柔性彈簧 (4)允許所述感測(cè)質(zhì)量塊(3)繞所述χ軸、y軸和ζ軸旋轉(zhuǎn)。
8.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的MEMS陀螺儀，其特征在于，所述柔性彈簧 (4)采用能阻止所述感測(cè)質(zhì)量塊(3)沿所述χ向、y向或ζ向移動(dòng)的實(shí)施方式。
9.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的MEMS陀螺儀，其特征在于，所述錨件(5)布置在所述中心的區(qū)域內(nèi)。
10.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的MEMS陀螺儀，其特征在于，所述錨件(5) 布置在所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2)之間。
11.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的MEMS陀螺儀，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2)借助多個(gè)在驅(qū)動(dòng)方向上具有彈性的柔性彈簧(6)固定在所述感測(cè)質(zhì)量塊(3)上。
12.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的MEMS陀螺儀，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2)借助多個(gè)同步彈簧(8)彼此相連。
13.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的MEMS陀螺儀，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)方向相互間成角度，優(yōu)選成90°角或120°角。
14.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的MEMS陀螺儀，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)方向與所述χ軸/y軸成45°角。
15.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的MEMS陀螺儀，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2)的驅(qū)動(dòng)元件(7)為電極，特別是叉形電極。
全文摘要
一種用于測(cè)定繞一x軸、y軸和/或z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的MEMS陀螺儀，所述MEMS陀螺儀尤其實(shí)施為三維傳感器，包括一襯底、多個(gè)(至少兩個(gè)，優(yōu)選四個(gè))可沿徑向朝一中心運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2)和多個(gè)用于使所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2)發(fā)生振擺的驅(qū)動(dòng)元件(7)，以便在所述襯底繞所述x軸、y軸和/或z軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生作用于所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2)的科氏力。所述振蕩驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2)與至少一個(gè)其他的感測(cè)質(zhì)量塊(3)相連，所述感測(cè)質(zhì)量塊不振蕩，但可與所述振蕩驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2)一起在所述襯底上繞所述x軸、y軸和/或z軸旋轉(zhuǎn)。多個(gè)感測(cè)元件(9，10)用于檢測(cè)所述感測(cè)質(zhì)量塊(3)和/或所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2)被所產(chǎn)生的科氏力引發(fā)的相對(duì)于所述襯底的偏斜。至少兩個(gè)(優(yōu)選四個(gè))錨件(5)用于借助彈簧(4)將所述感測(cè)質(zhì)量塊(3)可旋轉(zhuǎn)地固定在所述襯底上。
文檔編號(hào)G01C19/56GK102334010SQ201080009207
公開日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2010年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月27日
發(fā)明者亞歷桑德魯·羅基 申請(qǐng)人:感應(yīng)動(dòng)力股份公司