微機(jī)電陀螺儀裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】諧振器微電子陀螺儀、優(yōu)選微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）陀螺儀包括懸掛用于旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的第一和第二諧振器質(zhì)量塊（1，2）。兩個(gè)質(zhì)量塊（1，2）被四個(gè)機(jī)械耦合元件（4，5，6，7）彈性地連接以反相振動(dòng)。在每個(gè)諧振器質(zhì)量塊（1，2）上有至少一個(gè)正感測(cè)電極和至少一個(gè)負(fù)感測(cè)電極（S11+，S11-，S21+，S21-），用于檢測(cè)質(zhì)量塊（1，2）的面外輸出運(yùn)動(dòng)。檢測(cè)電路被連接到所述正感測(cè)電極和負(fù)感測(cè)電極，并基于下式由信號(hào)的差分檢測(cè)確定輸出信號(hào)：Sxout=({S21+}-μ{S11+})–({S21-}-μ{S11-})，其中，S21+}，{S21-}=第二質(zhì)量塊的正檢測(cè)電極和負(fù)檢測(cè)電極的各感測(cè)電極信號(hào)；{S11+}，{S11-}=第一質(zhì)量塊的正檢測(cè)電極和負(fù)檢測(cè)電極的各感測(cè)電極信號(hào)，μ=補(bǔ)償因子。
【專(zhuān)利說(shuō)明】微機(jī)電陀螺儀裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)諧振器微電子陀螺儀、優(yōu)選微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀的輸出信號(hào)的方法，包括以下步驟:
[0002]a)激活懸掛用于旋轉(zhuǎn)震動(dòng)的第一和第二諧振器質(zhì)量塊的振動(dòng)面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，
[0003]b)通過(guò)彈性地連接第一和第二諧振器質(zhì)量塊以反相振動(dòng)的至少一個(gè)機(jī)械耦合元件，提供第一和第二振動(dòng)質(zhì)量塊的反相振動(dòng)。
[0004]本發(fā)明還涉及一種諧振器微電子陀螺儀，包括:
[0005]a)懸掛用于旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的第一和第二諧振器質(zhì)量塊，
[0006]b)彈性地連接第一和第二諧振器質(zhì)量塊以反相振動(dòng)的至少一個(gè)機(jī)械耦合元件，
[0007]c)在用于檢測(cè)質(zhì)量塊的面外輸出運(yùn)動(dòng)的每個(gè)諧振器質(zhì)量塊中有至少一個(gè)正感測(cè)電極和至少一個(gè)負(fù)感測(cè)電極，
[0008]d)連接到正感測(cè)電極和負(fù)感測(cè)電極的檢測(cè)電路。
[0009]術(shù)語(yǔ)“陀螺儀”是指包括用于測(cè)量角度的陀螺儀和用于測(cè)量角速率的旋轉(zhuǎn)速率陀螺儀的一般術(shù)語(yǔ)。
【背景技術(shù)】
[0010]有許多用于檢測(cè)角速率的MEMS裝置，如US5，329，815 (摩托羅拉)，US5，025，346(加州大學(xué))，EP0623807 (GM)和 US5，377，544 (摩托羅拉)。
[0011]US7, 624，494 (Challoner等人)公開(kāi)了一種慣性傳感器，其包括熱膨脹系數(shù)低的微機(jī)械加工晶片的中尺度盤(pán)式諧振器，該中尺度盤(pán)式諧振器用于實(shí)質(zhì)上感測(cè)面內(nèi)振動(dòng)。剛性支撐件由徑向懸架梁在諧振器的中央安裝點(diǎn)耦合到諧振器。激勵(lì)電極在諧振器內(nèi)部，以激發(fā)諧振器的內(nèi)部面內(nèi)振動(dòng)。諧振器內(nèi)部范圍內(nèi)的至少一個(gè)感測(cè)電極用于感測(cè)諧振器的內(nèi)部面內(nèi)振動(dòng)。
[0012]US6, 062, 082 (Guenther等人)公開(kāi)了一種科式(Coriolis)旋轉(zhuǎn)速率傳感器,其具有可移動(dòng)地懸掛在襯底(基底)上、并且可因加速作用而偏轉(zhuǎn)的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)。該傳感器還具有用于產(chǎn)生擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的平面旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的裝置。評(píng)估裝置用于檢測(cè)受科式加速度規(guī)范的擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)。將擺動(dòng)結(jié)構(gòu)懸掛以進(jìn)行平面旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)的問(wèn)題是在移動(dòng)質(zhì)量塊的擺動(dòng)過(guò)程中作用于基底板上的凈反作用力。
[0013]US6, 629，460 (Challoner)公開(kāi)了一種包括諧振器的諧振器陀螺儀，該諧振器包括兩個(gè)主體,每個(gè)主體的質(zhì)量塊中心和相對(duì)于軸的橫向慣性對(duì)稱(chēng)性大致一致,并且每個(gè)主體被一個(gè)或多個(gè)彈性元件支撐。該主體共同組成垂直于軸、頻率基本相同的振動(dòng)的兩個(gè)差分搖擺模式。這兩個(gè)主體在激發(fā)諧振器時(shí)實(shí)質(zhì)上沒(méi)有向基底板傳遞凈動(dòng)量。陀螺儀進(jìn)一步包括由一個(gè)或多個(gè)彈性元件固定于諧振器的基底板。
[0014]在抑制測(cè)量干擾方面，現(xiàn)有技術(shù)不理想。需要降低環(huán)境對(duì)測(cè)量的影響，以使該裝置具有更好的靈敏度。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的是提供一種用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)裝置，該裝置對(duì)熱機(jī)械效用和干擾性的線性加速度的敏感性低，。
[0016]根據(jù)本發(fā)明，上述目的通過(guò)包括以下步驟的方法實(shí)現(xiàn)。
[0017]a)激活懸掛用于旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的第一和第二諧振器質(zhì)量塊的振動(dòng)面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，
[0018]b)通過(guò)彈性地連接第一和第二諧振器質(zhì)量塊以反相振動(dòng)的至少一個(gè)機(jī)械耦合元件，提供第一和第二諧振器質(zhì)量塊的反相振動(dòng)，
[0019]c)檢測(cè)兩個(gè)諧振器質(zhì)量塊各自的至少兩個(gè)正感測(cè)電極和兩個(gè)負(fù)感測(cè)電極的至少兩個(gè)正感測(cè)電極信號(hào){S21+}、{S11+}和至少兩個(gè)負(fù)感測(cè)電極信號(hào){S21-}、{S11-}，以檢測(cè)質(zhì)量塊的面外運(yùn)動(dòng)，
[0020]d)基于下式由所述信號(hào)的差分檢測(cè)確定至少一個(gè)輸出信號(hào)Sxrat:
[0021]Sxout= ({S21+} - μ {Sll+}) - ({S21-} - μ {Sll-}),
[0022]其中，
[0023]{S21+}，{S21-} =第二質(zhì)量塊的正檢測(cè)電極和負(fù)檢測(cè)電極的各感測(cè)電極信號(hào)；
[0024]{Sll+}，{S11-} =第一質(zhì)量塊的正檢測(cè)電極和負(fù)檢測(cè)電極的各感測(cè)電極信號(hào)，
[0025]μ=補(bǔ)償因子。
[0026]本發(fā)明的差分檢測(cè)避免(或至少最小化)環(huán)境影響和在ζ方向上的加速力的失真效用。通過(guò)補(bǔ)償因子μ，能夠消除兩個(gè)質(zhì)量塊在給定旋轉(zhuǎn)水平的靈敏度差。靈敏度差可能是起因于兩個(gè)質(zhì)量塊的不同直徑(即，距振動(dòng)軸線的徑向距離)。如果無(wú)需補(bǔ)償，則補(bǔ)償因子是μ=1。如果需要補(bǔ)償，則補(bǔ)償因子不為I。通常情況下，補(bǔ)償因子在0.2?5的范圍內(nèi)，更優(yōu)選為0.5?2的范圍內(nèi)。
[0027]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可通過(guò)已確立的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。特別是，用于產(chǎn)生和處理電信號(hào)的部件和電路，例如:
[0028].用于激活質(zhì)量塊的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的電路，
[0029].用于檢測(cè)感測(cè)電極信號(hào)的電路，以及
[0030].進(jìn)一步的電需求、基準(zhǔn)和轉(zhuǎn)換器，
[0031]類(lèi)似于用于傳統(tǒng)MEMS陀螺儀的部件和電路。
[0032]兩個(gè)輸出信號(hào):
[0033]雖然可以將本發(fā)明只用于一個(gè)單一輸出信號(hào)，但優(yōu)選檢測(cè)在平行于質(zhì)量塊的振動(dòng)平面的兩個(gè)軸X和y的旋轉(zhuǎn)。這意味著要測(cè)定兩個(gè)輸出信號(hào)Sx-dy-。詳細(xì)而言，有附加步驟，即:
[0034]a)檢測(cè)所述兩個(gè)諧振器質(zhì)量塊各自的至少兩個(gè)額外的正感測(cè)電極和兩個(gè)負(fù)感測(cè)電極的兩個(gè)額外的正感測(cè)電極信號(hào){S22+}、{S12+}和至少兩個(gè)額外的負(fù)感測(cè)電極信號(hào){S22-}、{S12-}，以檢測(cè)質(zhì)量塊的額外面外輸出運(yùn)動(dòng)，
[0035]b)基于下式由所述額外信號(hào)的差分檢測(cè)確定額外輸出信號(hào)Syrat:
[0036]Syout= ({S22+} - μ {S12+}) - ({S22-} - μ {S12_})，
[0037]其中，
[0038]{S22+}，{S22-} =第二質(zhì)量塊的正檢測(cè)電極和負(fù)檢測(cè)電極的各感測(cè)電極信號(hào)；
[0039]{S12+}，{S12-} =第一質(zhì)量塊的正檢測(cè)電極和負(fù)檢測(cè)電極的各感測(cè)電極信號(hào)，[0040]μ=補(bǔ)償因子。
[0041]補(bǔ)償因子μ對(duì)兩個(gè)輸出信號(hào)是相同的。
[0042]環(huán)形耦合元件:
[0043]根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述耦合元件以帶有將環(huán)形結(jié)構(gòu)與兩個(gè)質(zhì)量塊連接的徑向梁的環(huán)形彈性結(jié)構(gòu)的形式提供?；蛘?，也可以使用其它設(shè)計(jì)，例如Z形或S形的彈簧元件。
[0044]采用本發(fā)明方法的諧振器微電子陀螺儀、優(yōu)選微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀，包括:
[0045]a)懸掛用于旋轉(zhuǎn)面內(nèi)振動(dòng)的第一和第二諧振器質(zhì)量塊，
[0046]b)彈性地連接所述第一和第二諧振器質(zhì)量塊以反相振動(dòng)的至少一個(gè)機(jī)械耦合元件，
[0047]c)在每個(gè)用于檢測(cè)質(zhì)量塊的面外運(yùn)動(dòng)的諧振器質(zhì)量塊中有至少一個(gè)正感測(cè)電極和至少一個(gè)負(fù)感測(cè)電極，
[0048]d)連接到所述正感測(cè)電極和負(fù)感測(cè)電極的檢測(cè)電路，
[0049]e)應(yīng)用在檢測(cè)電路中的計(jì)算器，所述計(jì)算器基于前述計(jì)算式由信號(hào)的差分檢測(cè)確定輸出信號(hào):
[0050]Sxout= (S21+-μ Sll+) - (S21_-y SllJ。
[0051]應(yīng)當(dāng)指出的是，術(shù)語(yǔ)“計(jì)算器”不應(yīng)以狹隘的方式來(lái)理解。根據(jù)本發(fā)明的計(jì)算器可以是一般用途的計(jì)算器裝置以及能夠執(zhí)行所需的信號(hào)差別化的特定用途電路。
[0052]根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，用于確定兩個(gè)輸出信號(hào)SXwt、Syout的裝置具有:
[0053]a)在每個(gè)用于檢測(cè)質(zhì)量塊的額外面外輸出運(yùn)動(dòng)的諧振器質(zhì)量塊中的至少一個(gè)額外的正感測(cè)電極和至少一個(gè)額外的負(fù)感測(cè)電極，
[0054]b)其中，所述額外的正感測(cè)電極和負(fù)感測(cè)電極連接于同一檢測(cè)電路作為第一感測(cè)電極，并且，其中
[0055]c)檢測(cè)電路中的計(jì)算器還基于下式(已經(jīng)在上文中描述過(guò))由信號(hào)的差分檢測(cè)確定額外輸出信號(hào):
[0056]Syout= ({S22+}-μ {S12+}) - ({S22-}-y {S12_})
[0057]環(huán)形外部質(zhì)量塊:
[0058]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，第二質(zhì)量塊具有環(huán)的形狀，第一質(zhì)量塊同心地懸掛于第二質(zhì)量塊內(nèi)。環(huán)是具有用于第二質(zhì)量塊的中心開(kāi)口的閉合主體。兩個(gè)質(zhì)量塊都繞共用的幾何軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)振動(dòng)。振動(dòng)軸的方向?yàn)棣品较?，并且與振動(dòng)運(yùn)動(dòng)發(fā)生的平面垂直。
[0059]最優(yōu)選地，環(huán)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的形狀。通常的形狀是圓環(huán)板。但也可以使用具有多邊形(例如，八角形或方形)的環(huán)，這樣的環(huán)在襯底上占有更大面積。也可以不是閉合的環(huán)，而是將第二質(zhì)量塊設(shè)計(jì)成更復(fù)雜的形狀(例如具有幾個(gè)分離的環(huán)段)。
[0060]第一質(zhì)量塊的圓形形狀:
[0061]懸掛在第二質(zhì)量塊內(nèi)的第一質(zhì)量塊優(yōu)選圓盤(pán)(盤(pán)狀)的形狀。當(dāng)兩個(gè)質(zhì)量塊都是圓形(盤(pán)狀或環(huán)狀)時(shí)，襯底所需的表面積最小，振動(dòng)面內(nèi)的對(duì)稱(chēng)性最佳。兩個(gè)輸出信號(hào)Sxwt和Sytjut待定時(shí)，該實(shí)施方式最理想。然而，內(nèi)部質(zhì)量塊也可以具有環(huán)形板的形狀。
[0062]耦合元件:
[0063]優(yōu)選地，耦合元件(或者兩個(gè)或更多耦合連接元件中的每一個(gè))固定于錨定器，并懸掛兩個(gè)質(zhì)量塊。因此，耦合元件也是每個(gè)質(zhì)量塊的懸掛元件。耦合元件和懸掛元件也可以為兩種不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
[0064]一般情況下，為了對(duì)稱(chēng)，將每個(gè)質(zhì)量塊懸掛在至少兩個(gè)懸掛元件上。優(yōu)選地，每個(gè)質(zhì)量塊有4個(gè)懸掛元件。懸掛元件是柔性的，允許質(zhì)量塊在χ-y面(平行于該裝置的襯底的面)內(nèi)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)。它們也是彈性的，以允許質(zhì)量塊(憑借施加的科式力)的面外擺動(dòng)。
[0065]機(jī)械稱(chēng)合元件被設(shè)計(jì)成允許質(zhì)量塊的反相振動(dòng)。同相振動(dòng)會(huì)被稱(chēng)合元件衰減或抑制。例如通過(guò)梁來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述梁被強(qiáng)固地連接在兩個(gè)質(zhì)量塊中的每一個(gè)的每端，并且被附接在襯底錨柱的中心(或一般來(lái)說(shuō):在其中央部分)，以這樣的方式，(通過(guò)振動(dòng)的內(nèi)部質(zhì)量塊施加于耦合元件額)面內(nèi)彎曲力可以穿過(guò)錨定器從梁的一端傳遞或擴(kuò)散至梁的另一端(夕卜部質(zhì)量塊)。
[0066]錨定器:
[0067]優(yōu)選地，每個(gè)錨定器被布置在兩個(gè)質(zhì)量塊之間的自由空間中，并在中間區(qū)域支撐耦合元件。當(dāng)使用多個(gè)(例如4個(gè))單獨(dú)的耦合元件時(shí)，意味著每個(gè)耦合梁有一個(gè)單獨(dú)的錨定點(diǎn)。不同錨定器的多個(gè)錨定點(diǎn)可以彼此相等的角距布置成圓。每個(gè)耦合元件也可有兩個(gè)單獨(dú)的錨定點(diǎn)。
[0068]耦合元件的形狀:
[0069]有多種設(shè)計(jì)方案可以用于實(shí)現(xiàn)耦合元件。當(dāng)兩個(gè)質(zhì)量塊之間的距離對(duì)提供元件要求的彈性來(lái)說(shuō)足夠大時(shí)，耦合元件可以是直梁。優(yōu)選地，耦合元件是彎曲的。然后，可以具有Z形或S形。然而，也可有更復(fù)雜的形狀。該耦合元件還可以具有直的中心部和叉子形的兩個(gè)端部，叉子的兩個(gè)叉齒連接于質(zhì)量塊(Y形)。
[0070]根據(jù)進(jìn)一步的變型例，該耦合元件為環(huán)形彈性結(jié)構(gòu)的形式，具有將環(huán)形結(jié)構(gòu)與兩個(gè)質(zhì)量塊連接的徑向梁。因此，只有一個(gè)(復(fù)雜的)耦合元件，而不是多個(gè)單獨(dú)的耦合元件。此優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量塊的反相振動(dòng)模式被強(qiáng)力支撐，并且其他面內(nèi)振動(dòng)模式被抑制。
[0071]徑向梁可以是直的或彎曲的。也可以具有叉子形，并且叉子的多個(gè)叉齒被連接于質(zhì)量塊中的一個(gè)。
[0072]環(huán)形彈性結(jié)構(gòu)可固定于至少三個(gè)、優(yōu)選四個(gè)錨柱。在多個(gè)錨柱之間，環(huán)可以在質(zhì)量塊振動(dòng)時(shí)偏離它的圓形狀。環(huán)形結(jié)構(gòu)例如通過(guò)徑向延伸的梁(相對(duì)于該環(huán)的中心)連接到兩個(gè)質(zhì)量塊。梁與環(huán)形彈性結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)相對(duì)于環(huán)形結(jié)構(gòu)的錨定點(diǎn)發(fā)生角位移。連接點(diǎn)可以在兩個(gè)相鄰錨定點(diǎn)的中部。
[0073]電極:
[0074]從質(zhì)量塊的中心看時(shí)，兩個(gè)質(zhì)量塊的正感測(cè)電極在同一扇區(qū)(例如同區(qū))。同樣地，質(zhì)量塊的負(fù)感測(cè)電極在共用扇區(qū)(例如與正感測(cè)電極區(qū)錯(cuò)開(kāi)的區(qū))。在每種情況下，感測(cè)電極限定因質(zhì)量塊的面外運(yùn)動(dòng)而改變的電容。一個(gè)電極層設(shè)置在振動(dòng)質(zhì)量塊的主表面，而另一個(gè)電極層可以在固定的兀件上方并與移動(dòng)的電極相對(duì)。
[0075]兩個(gè)質(zhì)量塊中的每一個(gè)有四對(duì)感測(cè)電極層(2個(gè)正感測(cè)電極和2個(gè)負(fù)感測(cè)電極)。然而，可以有更少(在只檢測(cè)一個(gè)科式旋轉(zhuǎn)軸時(shí))或更多(例如，6個(gè))的電極對(duì)。
[0076]移動(dòng)質(zhì)量塊的幾何形狀:
[0077]選擇移動(dòng)質(zhì)量塊的幾何形狀，以此方式使得內(nèi)部質(zhì)量塊和外部質(zhì)量塊的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)頻率相同。當(dāng)某一科式加速度作用于兩個(gè)振動(dòng)質(zhì)量塊時(shí)，它們通常以不同的面外振幅作出反應(yīng)。(需要注意的是，角速率產(chǎn)生科式加速度)。采取使振幅不會(huì)太過(guò)不同的措施是有利的。
[0078]—個(gè)優(yōu)選措施是與外部質(zhì)量塊的懸掛元件不同地構(gòu)成內(nèi)部質(zhì)量塊的懸掛元件，使得內(nèi)部質(zhì)量塊具有與外部質(zhì)量塊基本相同的輸出振幅。
[0079]另一項(xiàng)措施是以具有比外部質(zhì)量塊高的面內(nèi)振動(dòng)振幅的方式懸掛內(nèi)部質(zhì)量塊，從而結(jié)果兩個(gè)質(zhì)量塊的面外擺動(dòng)振幅是相同的(或至少是相似的)幅度。
[0080]激活裝置:
[0081]移動(dòng)質(zhì)量塊的振動(dòng)通過(guò)激活電極而產(chǎn)生。它們可具有梳狀結(jié)構(gòu)。梳齒可以與運(yùn)動(dòng)方向平行地定向。這樣的電極結(jié)構(gòu)是現(xiàn)有技術(shù)中已知的。例如，本發(fā)明的圓周定向激活電極可以具有US5，025，346 (加州大學(xué))的圖5、圖6、圖10中所示的結(jié)構(gòu)。如果在圓環(huán)形的外部質(zhì)量塊內(nèi)有圓盤(pán)狀的內(nèi)部質(zhì)量塊，則激活電極優(yōu)選設(shè)置在兩個(gè)質(zhì)量塊之間的徑向空間。也可以將外部質(zhì)量塊的激活電極設(shè)置在外部質(zhì)量塊的外周。進(jìn)而，如果質(zhì)量塊不是閉合環(huán)，則激活電極也可以設(shè)置在質(zhì)量塊的徑向范圍，即在一定程度上被移動(dòng)質(zhì)量塊覆蓋的環(huán)形區(qū)域。在本專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)的開(kāi)頭引用的現(xiàn)有技術(shù)示出了用于激活電極的不同實(shí)施方式。這樣的結(jié)構(gòu)也可用于本發(fā)明。
[0082]應(yīng)當(dāng)注意的是，由于內(nèi)部質(zhì)量塊與外部質(zhì)量塊的不同徑向延伸，在質(zhì)量塊的周?chē)邢蛩俣仁遣煌?，因此科式加速度是不同的。為補(bǔ)償這種差異，在外部質(zhì)量塊的傳感電極和內(nèi)部質(zhì)量塊的傳感電極之間引入不同的增益?；蛘呖蛇M(jìn)行激活控制以使得質(zhì)量塊的振動(dòng)的振幅不同，從而使切向速度相同。
[0083]選擇移動(dòng)質(zhì)量塊的幾何形狀，以此方式使得內(nèi)部質(zhì)量塊和外部質(zhì)量塊的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)頻率相同。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0084]附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，并與本說(shuō)明書(shū)結(jié)合說(shuō)明優(yōu)選實(shí)施方式:
[0085]圖1是具有一個(gè)置于另一個(gè)之中的兩個(gè)同心的移動(dòng)質(zhì)量塊的裝置的示意性俯視圖；
[0086]圖2是圖1的裝置被施加科式加速度時(shí)的示意性橫截面圖；
[0087]圖3是圖1的裝置被施加線性ζ軸加速度時(shí)的示意性橫截面圖；
[0088]圖4是耦合結(jié)構(gòu)的示意性俯視圖；
[0089]圖5是控制和檢測(cè)電路的示意圖。
[0090]一般來(lái)說(shuō)，相同的參考標(biāo)號(hào)指代相同的部分。
【具體實(shí)施方式】
[0091]圖1不出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。有第一移動(dòng)質(zhì)量塊I和第二移動(dòng)質(zhì)量塊2。第一質(zhì)量塊I基本上是圓盤(pán)。在本實(shí)施方式中，盤(pán)在中心有開(kāi)口 3。圓盤(pán)的半徑Rl可以在
0.1mm至3mm的范圍內(nèi)。第二質(zhì)量塊2是環(huán)形的并圍繞第一質(zhì)量塊I。第二質(zhì)量塊2的內(nèi)半徑R4可在0.12mm至4mm的范圍內(nèi)，外半徑R5可以在大約0.2mm至6mm的范圍內(nèi)。第二質(zhì)量塊2完全包圍第一次質(zhì)量塊I。
[0092]兩個(gè)質(zhì)量塊由四個(gè)Z形耦合元件4、5、6、7機(jī)械地連接。它們?nèi)窍嗤摹Ｒ虼嗽谝韵碌拿枋鲋袃H涉及耦合元件4。
[0093]耦合元件4被支撐于襯底的柱8.1 (錨定點(diǎn))上。柱8.1作為耦合元件4的點(diǎn)狀錨定器。它將耦合元件4支撐在襯底上方的一定距離處并處于該耦合元件4的中心。耦合元件4的第一端4.1固定于內(nèi)部質(zhì)量塊I,第二端4.2固定于外部質(zhì)量塊2。當(dāng)內(nèi)部質(zhì)量塊I自其靜止位置順時(shí)針移動(dòng)時(shí)，耦合元件4被彎曲并將動(dòng)量傳遞到外部質(zhì)量塊2，該動(dòng)量使得外部質(zhì)量塊2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。這意味著，兩個(gè)質(zhì)量塊被機(jī)械耦合以執(zhí)行反相的面內(nèi)振動(dòng)。
[0094]因?yàn)轳詈显潭ㄓ谥?.1上，所以還具有彈性地懸掛質(zhì)量塊1、2的功能。因此，質(zhì)量塊可以圍繞兩個(gè)質(zhì)量塊1、2的中心C進(jìn)行振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。耦合元件4的兩端4.1,4.2猶如彈簧，允許質(zhì)量塊1、2執(zhí)行面內(nèi)旋轉(zhuǎn)和面外擺動(dòng)。
[0095]Z形耦合元件4是彎曲梁，其長(zhǎng)度L長(zhǎng)于質(zhì)量塊之間的徑向空間9.1(L>R4 一 R1)。每一部分的長(zhǎng)度(柱8.1和與內(nèi)部質(zhì)量塊及外部質(zhì)量塊1、2的連接點(diǎn)之間)分別為徑向空間
9.1的徑向延伸的I?1.5倍。因此，Z形耦合元件的臂的彈力能夠適應(yīng)于一個(gè)足夠?qū)挼姆秶鷥?nèi)，以便控制質(zhì)量塊1、2在xy面和xy面外的振幅。兩端4.1,4.2可以具有相同的或不同的形狀和長(zhǎng)度，錨定柱8.1可偏離Z形耦合元件4的中心。耦合元件的橫截面沿彎曲梁的長(zhǎng)度方向優(yōu)選是恒定的。但是，也可改變以使臂中的一個(gè)比另一個(gè)僵硬。
[0096]對(duì)于每個(gè)質(zhì)量塊1、2，有四個(gè)激活電極結(jié)構(gòu)，S卩，用于第一質(zhì)量塊I的All+、All-、A12+、A12-，和用于第二質(zhì)量塊2的A21+、A21-、A22+、A22-。它們的位置相對(duì)于x軸和y軸是對(duì)稱(chēng)的。在本實(shí)施方式中，激活電極結(jié)構(gòu)A12+、A12-和A22+、A22-沿x軸排列，另一激活電極結(jié)構(gòu)沿y軸排列。內(nèi)部質(zhì)量塊I的激活電極結(jié)構(gòu)All+、All-、A12+、A12-被布置在內(nèi)偵順量塊I的外周，即在Rl和R2之間的徑向范圍。外部質(zhì)量塊塊2的激活電極結(jié)構(gòu)A21+、A21-、A22+、A22-被布置在環(huán)形外部質(zhì)量塊2的內(nèi)周，即在R3和R4之間的徑向范圍。(也可以考慮用于外部質(zhì)量塊的激活電極處于外圍，用于內(nèi)部質(zhì)量塊的電極處于內(nèi)部中心部分。)在方位角方向，激活電極結(jié)構(gòu)在四個(gè)自由區(qū)域9.1、9.2、9.3、9.4之間。每個(gè)激活電極結(jié)構(gòu)可占據(jù)例如50-70°的方位角范圍，而余下的40-20°被自由區(qū)域9.1、9.2、9.3、9.4占據(jù)。在內(nèi)部質(zhì)量塊I的激活電極結(jié)構(gòu)All+、All-、A12+、A12-與外部質(zhì)量塊2的激活電極結(jié)構(gòu)A21+、A21-、A22+、A22-之間，對(duì)應(yīng)于R2和R3之間的差，存在小的徑向間隙10。
[0097]激活電極結(jié)構(gòu)可以具有現(xiàn)有技術(shù)中已知的梳狀結(jié)構(gòu)(圖中未示出)。它們?cè)趚y平面中產(chǎn)生質(zhì)量塊1、2的反相振動(dòng)。
[0098]每個(gè)質(zhì)量塊1、2上有四個(gè)感測(cè)電極，Sll+、Sll-、S12+、S12-在內(nèi)部質(zhì)量塊I上，S21+、S21-、S22+、S22-在外部質(zhì)量塊2上。它們中的每個(gè)占據(jù)質(zhì)量塊1、2的四分之一表面。它們通過(guò)小的徑向取向的間隙11.1、...、11.4和12.1、...、12.4彼此電絕緣。在本實(shí)施方式中，內(nèi)部質(zhì)量塊I的間隙11.1、...>11.4和外部質(zhì)量塊2的間隙12.1、...,12.4
彼此在一條直線上。因此，占據(jù)間隙12.1.....12.4之間的方位角區(qū)域的感測(cè)電極彼此在
一條直線上。需要明確的是，感測(cè)電極Sll+和S21+在y軸的正軸彼此在一條直線上。感測(cè)電極Sll-和S21-與感測(cè)電極S11+S21+在y軸的負(fù)軸是鏡像對(duì)稱(chēng)的。同樣地，感測(cè)電極S12+和S22+在X軸的正軸彼此在一條直線上，感測(cè)電極S12-和S22-在x軸的負(fù)軸彼此在一條直線上。
[0099]質(zhì)量塊1、2上的每個(gè)感測(cè)電極具有固定載體元件(未示出)上的匹配電極，從而形成了根據(jù)質(zhì)量塊自其靜止位置起的偏差而變化的電容。[0100]檢測(cè)電路被連接到用于通過(guò)計(jì)算下述差分信號(hào)而檢測(cè)質(zhì)量塊1、2的面外擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的感測(cè)電極。
[0101]激活電極結(jié)構(gòu)和電路都沒(méi)有詳細(xì)示出。它們對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是公知的(激活電極結(jié)構(gòu)參見(jiàn)例如US6, 062，082、US5, 377，544、W02007/003501 ；電路參見(jiàn)例如W02005/066584)。
[0102]圖2示意性示出了該裝置的橫截面，尤其是當(dāng)該裝置受到繞X軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的面外振幅。由于質(zhì)量塊1、2的反相運(yùn)動(dòng)，內(nèi)部質(zhì)量塊I的面外振幅與外部質(zhì)量塊2面外振幅相反。
[0103]圖2還示出了匹配電極13.1.....13.4，其設(shè)置于裝置的蓋體元件14，并且與感測(cè)
電極協(xié)作。該裝置通過(guò)MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)，包括襯底15、位于襯底15和蓋體14之間的MEMS層
16。質(zhì)量塊1、2和耦合元件4、5、6、7被機(jī)械加工到MEMS層16中。振動(dòng)質(zhì)量塊1、2被封裝在蓋體元件14和襯底15之間形成的空腔中。
[0104]圖3示意性示出了當(dāng)裝置受到沿ζ軸線性加速時(shí)的面外振幅。兩個(gè)質(zhì)量塊1、2都在ζ方向移動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明，感測(cè)信號(hào)的相應(yīng)變化通過(guò)差分檢測(cè)被中和。
[0105]圖4示出了強(qiáng)固地支撐兩個(gè)質(zhì)量塊21、22的反相振動(dòng)的耦合結(jié)構(gòu)。內(nèi)部質(zhì)量塊21的外周和環(huán)形外部質(zhì)量塊22的內(nèi)周之間有環(huán)形的自由區(qū)域23。在自由區(qū)域23中，例如有8個(gè)錨定點(diǎn)，其中的4個(gè)、即24.1、24.3、24.5、24.7被布置成圍繞中心C的內(nèi)部假想圓，其中的另外4個(gè)、即24.2,24.4,24.6、24.8被布置成圍繞中心C的外部假想圓。8個(gè)錨定點(diǎn)構(gòu)成4個(gè)錨定點(diǎn)對(duì)、即24.1/24.2,24.3/24.4,24.5/24.6,24.7/24.8。每個(gè)所述錨定點(diǎn)對(duì)與自中心C開(kāi)始徑向延伸并與將內(nèi)部質(zhì)量塊21的傳感器電極彼此分離的間隙25.1、...、25.4在一條直線上。
[0106]與內(nèi)部質(zhì)量塊和外部質(zhì)量塊21、22同心的柔性耦合環(huán)26被放置在內(nèi)部錨定點(diǎn)24.1、24.3、24.5、24.7和外部錨定點(diǎn)24.2、24.4、24.6、24.8之間。耦合環(huán)26通過(guò)短的徑向
臂27.1.....27.8支撐在與錨定點(diǎn)24.1.....24.8間隔一定距離處并且同時(shí)處于裝置的襯
底上方，徑向臂的長(zhǎng)度L小于自由區(qū)域23的徑向延伸的一半(優(yōu)選小于四分之一)(參見(jiàn)圖1 中的距離:L< (R4-R1) /2)。
[0107]在兩個(gè)相鄰的錨定點(diǎn)對(duì)24.1/24.2和24.3/24.4的中間，有兩個(gè)徑向梁28.1、28.2，用于將外部質(zhì)量塊和內(nèi)部質(zhì)量塊分別連接于耦合環(huán)26。有三個(gè)相似的徑向梁結(jié)構(gòu)28.3/28.4,28.5/28.6,28.7/28.8，它們相對(duì)于第一徑向梁結(jié)構(gòu)28.1/28.2移位90°方位角。
[0108]徑向梁28.1、28.2可以是直的，并直接連接到質(zhì)量塊21、22，本實(shí)施方式示出了不同的方案。徑向梁27.1在其內(nèi)端部有叉子，叉子的兩個(gè)臂29.1,29.2垂直于徑向梁28.1取向，并以與徑向梁28.1的軸和質(zhì)量塊21的外周的虛擬交叉點(diǎn)存在橫向距離的方式連接到環(huán)形質(zhì)量塊21的外周。徑向梁28.1和臂29.1,29.2構(gòu)成耦合環(huán)26和內(nèi)部質(zhì)量塊21之間的Y形連接。同樣地，外部質(zhì)量塊22被連接到耦合環(huán)26。從圖4中可以看出，每個(gè)質(zhì)量塊21、22有四個(gè)與耦合環(huán)的Y形連接。
[0109]圖5示意性示出了控制連接到激活電極A11+、A11-、A21+、A21-、A12+、A21-、A22+、A22-的激活信號(hào)發(fā)生器31的控制電路30。檢測(cè)電路電連接到感測(cè)電極S11+、S11-、S21+、S21-、S12+、S12-、S22+、S22-。該檢測(cè)電路32包括用于根據(jù)下式計(jì)算差分信號(hào)的計(jì)算器33:[0110]Sxout= ({S21+}-y {Sll+}) - ({S21-}-y {Sll-})
[0111]Syout= ( {S22+} - μ {S12+} ) - ( {S22_} - μ {S12_})
[0112]本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式。可有對(duì)二次項(xiàng)補(bǔ)償電極提供每個(gè)感測(cè)電極的一部分的附加特征。這樣的附加電極可被用于加入與激活振幅成正比的信號(hào)。
[0113]可以將本發(fā)明的檢測(cè)方案僅用于一個(gè)軸。在這種簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)中，只需要兩個(gè)感測(cè)電極。它們相對(duì)于振動(dòng)質(zhì)量塊的中心軸C彼此截然相反。它們也可以不僅僅占據(jù)質(zhì)量塊頂面的四分之一，而是占據(jù)更大的區(qū)域。
[0114]應(yīng)當(dāng)指出的是，下述信號(hào)表示沿ζ軸(Szrat)的線性加速度。這個(gè)信號(hào)可以被評(píng)估并輸出。
[0115]S_3= {S21+} + {Sll+} + {S21-} + {Sll-} + {S22+} + {S12+} + {S22-} + {S12-}
[0116]質(zhì)量塊和支撐件相對(duì)于質(zhì)量塊的中心軸和對(duì)于X軸、y軸的良好幾何對(duì)稱(chēng)性確保避免擺動(dòng)的質(zhì)量塊的平衡失調(diào)。
[0117]優(yōu)選地，質(zhì)量塊和耦合元件設(shè)計(jì)成質(zhì)量塊的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)高于(即大于兩倍以上)任何環(huán)境干擾信號(hào)的頻率。這有利于陀螺儀的操作。比最高的機(jī)械性運(yùn)動(dòng)干擾頻率還要高的典型激發(fā)頻率是至少3KHz。優(yōu)選的頻率范圍為3?12KHz。作為感測(cè)頻率，可以使用相比激發(fā)頻率為5?10%的頻移。
[0118]總之，本發(fā)明提供了一種減少科式旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置的環(huán)境影響的技術(shù)方案。
【權(quán)利要求】
1.一種用于檢測(cè)諧振器微電子陀螺儀、優(yōu)選微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀的輸出信號(hào)的方法，其包括以下步驟: a)激活懸掛用于旋轉(zhuǎn)震動(dòng)的第一和第二諧振器質(zhì)量塊(1，2)的振動(dòng)面內(nèi)運(yùn)動(dòng)， b)通過(guò)彈性地連接所述第一和第二諧振器質(zhì)量塊(1，2)以反相振動(dòng)的至少一個(gè)機(jī)械耦合元件(4，5，6，7)，提供所述第一和第二振動(dòng)質(zhì)量塊(1，2)的反相振動(dòng)， 其特征在于， c)檢測(cè)所述兩個(gè)諧振器質(zhì)量塊(I，2)各自的至少兩個(gè)正感測(cè)電極和兩個(gè)負(fù)感測(cè)電極的至少兩個(gè)正感測(cè)電極信號(hào){S21+}、{S11+}和至少兩個(gè)負(fù)感測(cè)電極信號(hào){S21-}、{S11-}，以檢測(cè)所述質(zhì)量塊的面外運(yùn)動(dòng)， d)基于下式由所述信號(hào)的差分檢測(cè)確定至少一個(gè)輸出信號(hào)Sxwt:
Sxout= ({S21+}-μ {Sll+}) - ({S21-}-y {Sll-})， 其中， {S21+}，{S21-} =第二質(zhì)量塊的正檢測(cè)電極和負(fù)檢測(cè)電極的各感測(cè)電極信號(hào)； {Sll+}，{S11-} =第一質(zhì)量塊的正檢測(cè)電極和負(fù)檢測(cè)電極的各感測(cè)電極信號(hào)， μ =補(bǔ)償因子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，用于確定與X方向和y方向的科式旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)輸出信號(hào)SX()Ut、Syout的附加步驟是: a)檢測(cè)所述兩個(gè)諧振器質(zhì)量塊(1，2)各自的至少兩個(gè)額外的正感測(cè)電極和兩個(gè)負(fù)感測(cè)電極的兩個(gè)額外的正感測(cè)電極信號(hào){S22+}、{S12+}和至少兩個(gè)額外的負(fù)感測(cè)電極信號(hào){S22-}、{S12-}，以檢測(cè)所述質(zhì)量塊(1，2)的額外面外輸出運(yùn)動(dòng)， b)基于下式由所述額外信號(hào)的差分檢測(cè)確定額外輸出信號(hào)Sywt:
Syout= ({S22+}-μ {S12+}) - ({S22-}-y {S12-})， 其中， {S22+}，{S22-} =第二質(zhì)量塊的正檢測(cè)電極和負(fù)檢測(cè)電極的各感測(cè)電極信號(hào)； {S12+}，{S12-} =第一質(zhì)量塊的正檢測(cè)電極和負(fù)檢測(cè)電極的各感測(cè)電極信號(hào)， μ =補(bǔ)償因子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述耦合元件環(huán)形彈性結(jié)構(gòu)的形式提供，并且具有將環(huán)形結(jié)構(gòu)連接到所述兩個(gè)質(zhì)量塊的徑向梁。
4.一種諧振器微電子陀螺儀、優(yōu)選微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀,包括: a)懸掛用于旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的第一和第二諧振器質(zhì)量塊， b)彈性地連接所述第一和第二諧振器質(zhì)量塊以反相振動(dòng)的至少一個(gè)機(jī)械耦合元件， c)用于檢測(cè)質(zhì)量塊的面外輸出運(yùn)動(dòng)的每個(gè)諧振器質(zhì)量塊中的至少一個(gè)正感測(cè)電極和至少一個(gè)負(fù)感測(cè)電極， d)連接到所述正感測(cè)電極和負(fù)感測(cè)電極的檢測(cè)電路， e)應(yīng)用在所述檢測(cè)電路中的計(jì)算器，所述計(jì)算器基于下式由信號(hào)的差分檢測(cè)確定輸出信號(hào):
Sxout= ({S21+}-μ {Sll+}) - ({S21-}-y {Sll-}), 其中， {S21+}，{S21-} =第二質(zhì)量塊的正檢測(cè)電極和負(fù)檢測(cè)電極的各感測(cè)電極信號(hào)；{Sll+}, {Sll-} =第一質(zhì)量塊的正檢測(cè)電極和負(fù)檢測(cè)電極的各感測(cè)電極信號(hào)， μ =補(bǔ)償因子。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，確定與X方向和y方向的科式旋轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)輸出信號(hào)SX()Ut、Syout, a)用于檢測(cè)質(zhì)量塊的額外面外輸出運(yùn)動(dòng)的每個(gè)諧振器質(zhì)量塊中的至少一個(gè)額外的正感測(cè)電極和至少一個(gè)額外的負(fù)感測(cè)電極， b)至少一個(gè)額外電路基于下式由所述信號(hào)的差分檢測(cè)確定額外輸出信號(hào):
Syout= ({S22+}-μ {S12+}) - ({S22-}-y {S12-})， 其中， {S22+}，{S22-} =第二質(zhì)量塊的正檢測(cè)電極和負(fù)檢測(cè)電極的各感測(cè)電極信號(hào)； {S12+}，{S12-} =第一質(zhì)量塊的正檢測(cè)電極和負(fù)檢測(cè)電極的各感測(cè)電極信號(hào)， μ =補(bǔ)償因子。
6.根據(jù)權(quán)利要求4~5中的一項(xiàng)所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，所述第二質(zhì)量塊具有環(huán)的形狀，所述第一質(zhì)量塊同心地懸掛于所述第二質(zhì)量塊內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，所述第一質(zhì)量塊具有圓形形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求4~7中的一項(xiàng)所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，所述至少一個(gè)耦合元件每個(gè)都被固定于錨定器上并懸掛兩個(gè)質(zhì)量塊。
9.根據(jù)權(quán)利要求1~8中的一項(xiàng)所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，所述至少一個(gè)錨定器每個(gè)都設(shè)置在所述兩個(gè)質(zhì)量塊之間的自由空間中，并在中間區(qū)域支撐所述耦合元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，所述至少一個(gè)耦合元件為Z形。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，所述耦合元件具有環(huán)形彈性結(jié)構(gòu)的形式，并且具有將環(huán)形結(jié)構(gòu)連接到所述兩個(gè)質(zhì)量塊的徑向梁。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，所述環(huán)形結(jié)構(gòu)固定在相對(duì)于所述梁有角度地位移的至少四個(gè)錨定器。
13.根據(jù)權(quán)利要求4~12中的一項(xiàng)所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，所述兩個(gè)質(zhì)量塊的正感測(cè)電極在同一扇區(qū)。
14.根據(jù)權(quán)利要求4~13中的一項(xiàng)所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，選擇移動(dòng)質(zhì)量快的幾何形狀，以此方式使得所述內(nèi)部質(zhì)量塊和所述外部質(zhì)量塊的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)頻率相同。
15.根據(jù)權(quán)利要求6~14中的一項(xiàng)所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，所述內(nèi)部質(zhì)量塊以具有比所述外部質(zhì)量塊高的輸出振幅的方式懸掛。
16.根據(jù)權(quán)利要求6~15中的一項(xiàng)所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，所述內(nèi)部質(zhì)量塊以具有比所述外部質(zhì)量塊高的振動(dòng)振幅的方式懸掛。
【文檔編號(hào)】G01C19/5712GK103842771SQ201280045905
【公開(kāi)日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月21日
【發(fā)明者】雅克·勒克萊克 申請(qǐng)人:特羅尼克斯微系統(tǒng)有限公司