專利名稱：導航級微機械加工的轉動傳感系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的涉及用于導航之類的場合的轉動傳感器。本發(fā)明尤其是涉及一種在重返大氣層航空器等的高G、高振動環(huán)境中工作時可提供高精度的轉動傳感系統(tǒng)。更具體地說，本發(fā)明涉及一種基于硅芯片的轉動傳感系統(tǒng)，它具有測量圍繞兩根正交傳感軸線的轉速的科氏加速度傳感器。
以前所知道的微機械加工的科氏轉動傳感系統(tǒng)已表明偏離可重復性(biasrepeatability)在10°到1000°/小時的范圍內(nèi)。根據(jù)這些原理的分析，盡管它符合本發(fā)明的轉動傳感系統(tǒng)目前設置的低成本和高可靠性的目的，但并沒有可靠地表現(xiàn)出其性能可以提高三到五個數(shù)量級而產(chǎn)生高精度的導航級設備。
本發(fā)明的轉動傳感器具有一設置在一殼體中的安裝板，殼體和安裝板之間設置有多個柔性阻尼墊。從安裝板上延伸出來一輪轂，用以產(chǎn)生繞一驅(qū)動軸線的旋轉振動，該輪轂連接有一第一驅(qū)動件。
驅(qū)動件連接有一具有一支承件的第一傳感裝置，因而驅(qū)動件繞驅(qū)動軸線的旋轉振動可傳遞到支承元件。第一傳感裝置還具有一傳感元件，它連接于支承元件，并設置成與支承元件一起繞驅(qū)動軸線振動。傳感元件設置成可響應于框架繞垂直于傳感軸線和驅(qū)動軸線的一輸入軸線的輸入轉速而相對于支承元件繞垂直于驅(qū)動軸線的一傳感軸線旋轉振動。傳感元件制成其繞驅(qū)動軸線的轉動慣量基本上等于繞其垂直于驅(qū)動軸線的兩根主軸線的轉動慣量的和。該轉動傳感器還具有用于產(chǎn)生作為傳感元件繞第一傳感軸線的振幅的函數(shù)的、表示輸入轉速的信號的裝置。
該轉動傳感器還包括一連接于第一驅(qū)動件的第二驅(qū)動件。該第二驅(qū)動件設置成可產(chǎn)生繞驅(qū)動軸線的反向于第一驅(qū)動件所產(chǎn)生的旋轉振動的旋轉振動。該驅(qū)動件連接有一第二傳感裝置，它最好基本上與第一傳感裝置相同。第二傳感裝置具有一第二傳感元件，它設置成可相對于支承元件而繞平行于第一傳感軸線的第二傳感軸線旋轉振動，并具有用于產(chǎn)生作為第二傳感元件繞第二傳感軸線的振幅的函數(shù)的、表示輸入轉速的信號的裝置。
第二傳感軸線最好垂直于第一傳感軸線。
本發(fā)明的轉動傳感器可以制成具有一從一基座上延伸出來的輪轂和第一套形成于基座上的驅(qū)動電極。輪轂上安裝有一驅(qū)動元件。該驅(qū)動元件上形成有第二套驅(qū)動電極，它與第一套驅(qū)動電極相對應?；万?qū)動元件設置成彼此面對，使第一和第二套電極的相應部分在角度上彼此錯開，因而電信號施加于第一和第二套電極上可在驅(qū)動元件上產(chǎn)生轉矩，該轉矩使驅(qū)動元件在一個平面內(nèi)產(chǎn)生繞一驅(qū)動軸線旋轉振動。該轉動傳感器還具有一傳感件，它制成具有一安裝于驅(qū)動元件上的外支承環(huán)，因而驅(qū)動元件的旋轉振動可傳遞到傳感件。傳感件還具有一位于支承環(huán)內(nèi)的傳感元件和一對連接于外支承環(huán)和傳感元件之間的轉矩桿，這對轉矩桿對齊而限定出一輸出傳感軸線。


圖1是本發(fā)明的固態(tài)雙軸線轉動傳感器的分解立體圖；圖2是可以包括在圖1的轉動傳感器中的速率傳感元件的立體圖；圖3是可以包括在圖1的裝置中的驅(qū)動件的一部分的立體圖；圖4是可以包括在圖3的裝置中的撓性桿的剖視圖；圖5是可以包括在圖1的裝置中的驅(qū)動件和傳感器敏感元件和扭轉電極的仰視圖；圖6是圖1和圖5的驅(qū)動件的俯視圖；圖7是可以包括在圖1的裝置中的轉動傳感組件沿圖5中的7-7線剖開的剖視圖，該組件具有一電容信號敏感元件；圖8示意性地說明了圖7裝置的偏置和電信號拾?。粓D9示出了處理科氏轉動傳感器輸出的信號的電路，傳感器對每根軸線都有獨立收集的傳感元件；圖10是說明圖9電路的附加特征的方框圖；圖11是處理科氏轉動傳感器輸出信號的電路的總體方框圖，其中兩傳感元件同時組合在每根軸線的一收集回路中；圖12是本發(fā)明的固態(tài)單軸線轉動傳感器的分解立體圖；圖13是包括在圖12所示的本發(fā)明該實施例中的傳感元件的俯視圖；圖14是包括在圖12所示的本發(fā)明該實施例中的驅(qū)動元件的俯視圖；圖15是圖14的驅(qū)動元件的仰視圖；圖16是沿圖14中的16-16線剖開的剖視圖；圖17-19可以包括在圖12和13的傳感元件中的轉矩元件的剖視圖；圖20A是本發(fā)明的雙軸線雙相反振動角速率傳感器的第二實施例的分解立體圖；圖20B是本發(fā)明的雙傳感器、單軸線轉動傳感器的分解立體圖；圖21是圖20A的裝置的剖視圖；圖22是本發(fā)明的固態(tài)單軸線轉動傳感器的第三實施例的分解立體圖；圖23是本發(fā)明的組合兩個圖22的裝置而產(chǎn)生一雙軸線雙相反振動角速率傳感器的裝置的剖視圖；圖24是圖22的驅(qū)動元件的一個側部的立體圖，示出了一正極接合區(qū)和許多驅(qū)動電極。
參見圖1，本發(fā)明的轉動傳感器20包括一基座22，該基座具有一底蓋23和一頂蓋(未示出)，頂蓋最好基本與底蓋23相同?；?2具有一大致呈矩形的截面?；?2包括分別安裝在基座22內(nèi)角落28-31處的基座架24-27。
轉動傳感器20包括一對速率傳感件34和36，它們最好相同。每個速率傳感件34和36最好由單片硅晶體通過微機械加工制成。轉動傳感器20還包括一對驅(qū)動件38和40，它們也是相同的，而且每個都由單片硅晶體制成。
圖1示出了速率傳感件34和36相對的表面42和44。如圖1所示，當組裝轉動傳感器20時，將速率傳感件34的表面42接合到驅(qū)動件38的下表面上。同樣，將速率傳感件36的下表面接合到驅(qū)動件40上。
驅(qū)動件38具有一邊框50，它在圖中大致表示成矩形以便于說明。邊框50也可以具有其它的外形。參見圖3，驅(qū)動件38上表面54的中央部分52比邊框50薄。參見圖1和3，中央部分52具有側邊55-58，它們通過撓性桿60-63連接到邊框50上。撓性桿60-63最好從側邊55-58的中心延伸到邊框50。在圖3中，省略了部分驅(qū)動件38，以便更清楚地示出中央部分52和撓性桿60-63。圖4示出了撓性桿60的剖面，它由硅晶體蝕刻而成。如圖1、3、4和7所示，撓性桿60-63最好是相同的，并具有較高的抵抗在豎直面內(nèi)彎曲的能力。撓性桿60-63抵抗在水平面內(nèi)彎曲的能力較低，因而中央部分52可以以繞通過其幾何中心的一豎直軸線的小幅轉動而振動。
圖5示出了驅(qū)動件38的底側。該驅(qū)動件38具有四個扭轉電極227a-227d，它們可以通過金屬化處理驅(qū)動件38的選定部分而制成。這些扭轉電極227a-227d最好與圖1所示的位于驅(qū)動件40上的扭轉電極228a和228d相同。傳感元件110和112分別面對扭轉電極227a-227d和228a-228d。扭轉電極可用來向傳感元件110和112施加反饋轉矩，這將在下面對可包括在本發(fā)明內(nèi)的信號處理裝置的描述中說明。
參見圖1和6，通過對制成驅(qū)動件38的晶體的諸部分進行適當?shù)亟饘倩幚恚隍?qū)動件38上形成四組電極組件70-73。該電極組件在撓性桿60-63之間連接于中央部分52。參見圖6，例如，電極組件70的斜陰影線部分表示分離的電極80-88。電極80-88相對于電極組件70的角落90而定位成在相同的驅(qū)動件40內(nèi)，相應的電極相互發(fā)生角位移。
當驅(qū)動件40被翻轉而使電極組件面對面時，相應的電極之間可產(chǎn)生位移。兩個驅(qū)動件38和40中的電極的這種角位移可使電極以二倍于所加頻率的頻率的振動方式彼此吸引，引起驅(qū)動件的電極與相應的中央部分的相反方向的旋轉振動。這兩個驅(qū)動件連接有電信號源，用以在電極上施加驅(qū)動信號。驅(qū)動信號最好以其共振頻率驅(qū)動各驅(qū)動件。驅(qū)動件38和40的共振頻率最好相同，一般約為5kHz。
兩個中心驅(qū)動件38和40一起形成一相反扭轉共振機械振動器。兩個外側的速率傳感件34和36一起形成一雙軸線調(diào)諧的慣性速率傳感系統(tǒng)。
參見圖1、3和7，驅(qū)動件38的中央部分52的厚度小于邊框50的厚度。驅(qū)動件40的中央部分150也比其邊框100薄。當把驅(qū)動件38的邊框50與驅(qū)動件40的邊框100接合在一起時，中央部分與邊框的厚度差在中央部分之間形成一小間隙。
參見圖1、2和7，速率傳感件34和36分別具有傳感元件110和112。速率傳感件34具有一中央部分120和多個從中央部分120延伸到傳感元件110的柔性片簧122-125。同樣，速率傳感件36具有從其中央部分121延伸到傳感元件112的片簧130-133。傳感元件112最好形成一大致呈薄矩形的結構，它具有一大致呈矩形的中央開口113。從圖2和7中可以看出，中央部分121比傳感元件112厚，傳感元件112比片簧130-133厚。科氏加速度ac可造成這些振動，它迫使傳感元件110和112繞圖2中所示的x-輸出軸線振動。所示的科氏加速度等于兩倍的輸入速率乘高頻振動驅(qū)動運動所產(chǎn)生的傳感元件112的瞬間速度v+。
圖7表示將驅(qū)動件38和40接合在一起、然后將速率傳感件34和36分別接合于驅(qū)動件38和40背面的中央部分而產(chǎn)生的結構。僅把速率傳感件34和36最厚的中央部分120和121分別接合于相應的驅(qū)動件38和40。因此，片簧121-125和130-133能以小幅度地在圖7的紙平面內(nèi)沿圖1和2所示的Z軸線自由振動。
參見圖1和7，在將驅(qū)動件38和40與速率傳感件34和36接合在一起后，將它們放置在基座22內(nèi)，使驅(qū)動件38和40的角落與基座架24-27接觸。各基座架24-27最好形成為在機械振動器支承基座22與驅(qū)動件38的邊框50之間包含一阻尼柔性元件。該柔性元件對于確保相反轉動機械振動器具有單一的共振頻率是必需的。該柔性元件還具有衰減外部振動輸入的附加作用。
當轉動傳感器20完全組裝成，并把驅(qū)動電壓施加到兩驅(qū)動件38和40的電極組件上時，轉動傳感器20便可用于檢測繞圖1和2中標為X和Y的同平面軸線的轉動了。繞X或Y軸線的轉動輸入在速率傳感元件110和112內(nèi)產(chǎn)生不同平面的振動。這些不同平面的振動是在因繞如圖2所示平面內(nèi)的一軸線轉動而在該平面內(nèi)振動的一物體上所產(chǎn)生的不同平面的科氏力引起的。片簧122-125和130-133允許響應于輸入轉動的繞同平面軸線的適量不同平面的振動。兩個速率傳感件34和36在X軸線上的共振頻率最好基本相等。同樣，速率傳感元件110和112的Y軸線共振頻率最好也相同。這些共振頻率最好等于驅(qū)動件的振動頻率。
繞X軸線或Y軸線的輸入轉速所引起的不同平面的振動造成驅(qū)動件38和40與相應的速率傳感元件110和112之間相對位移的變化。這些變化的位移可以作為電容的變化，它提供容性拾取，下面將作說明。
在圖1和7中，驅(qū)動件40的中央部分由標號150表示。驅(qū)動件40也表示成具有分別與驅(qū)動件38的撓性桿61和63相對應的撓性桿152和154。
圖8示意性地示出了容性信號的拾取。振蕩器160向速率傳感元件110和112提供ωc頻率的基準激勵信號。基準激勵信號的電壓可約為10V，頻率ωc=250kHz。電容器162和164形成于驅(qū)動件38與速率傳感元件110之間。電容器166和168形成于驅(qū)動件40與速率傳感元件112之間。將一約為+10V的驅(qū)動電壓加到電容器162和166上。將一約為-10V的驅(qū)動電壓加到電容器164和168上。電線170-173把表示轉速的振蕩信號傳送給下面將要討論的信號處理電路。
參見圖9，圖中示出了用于本發(fā)明實施例的信號處理的一種基本形式，其中本發(fā)明的實施例對X和Y軸線中的每根軸線都具有兩個諸如在速率傳感件34和36中所示的傳感元件。轉速可施加于第一和第二X軸線傳感元件200和202以及第一和第二Y軸線傳感元件204和206。第一和第二X軸線傳感元件200和202的輸出分別輸入到一加法器208。同樣，第一和第二Y軸線傳感元件204和206的輸出分別輸入到一加法器210。然后，加法器208和210將X和Y軸線轉動信號提供給量化器。
傳感電路200-206可以是相同的。圖10示出了一種用于四個傳感電路200-206的每個電路的結構。角速率施加于速率傳感器34上。一拾取組件214可產(chǎn)生一電信號，該信號表示傳感元件110對轉速的響應。拾取組件214輸出的信號表示以頻率ωD的相反轉動驅(qū)動運動引起的科氏力所產(chǎn)生動態(tài)調(diào)制信號，如圖2所示。這些同相信號可以任意表示成驅(qū)動信號的余弦函數(shù)。而表示90°相位差動態(tài)誤差的信號則可表征為驅(qū)動信號的正弦函數(shù)。
而后，信號拾取組件214的輸出由一放大器230放大。該放大器230將輸出提供給一對解調(diào)器232和236，它們分別用sinωDt和cosωDt來解調(diào)信號。解調(diào)器232和236的輸出分別被輸入到相應的伺服補償電路234和237。伺服補償電路234的信號輸出是送到圖9的適當?shù)募臃ㄆ?08或210的角速率信號。伺服補償電路234和237的輸出信號還分別被輸入到扭轉調(diào)制電路238和240，它們分別用sinωDt和cosωDt來調(diào)制輸入到它們的信號。扭轉調(diào)制電路238和240的輸出信號被輸入一加法器242。加法器242的輸出進而被送入圖5的驅(qū)動件38上的傳感件扭轉電極227a-227d，以向傳感件34提供反饋轉矩。
圖11示出了其中兩個傳感元件的信號組合在一收集回路的信號處理電路。一X速率輸入被施加到正在于驅(qū)動頻率ωD下以科氏力進行調(diào)制的傳感件34和36上。拾取電路254和256在頻率ωD下產(chǎn)生第一和第二速率傳感件34和36的振幅響應。放大器260和262分別放大電路254和256輸出的信號。加法器264產(chǎn)生一表示電路254和256輸出信號和的信號，加法器266產(chǎn)生一表示電路254和256輸出信號差的信號。然后，這些和信號和差信號被輸入一解調(diào)器270，它進行同相和90°相位差解調(diào)。解調(diào)器270的輸出被輸入一伺服補償電路272，它進而產(chǎn)生所測得的繞X軸線的轉速。
將驅(qū)動件的伺服振蕩器274輸出的信號連接到解調(diào)器270，并連接到調(diào)制和加法電路276，它進行同相和90°相位差的轉矩調(diào)制和相加操作。調(diào)制和加法電路276接收伺服補償電路272的信號，并向傳感件34和36中的傳感元件110和112提供一反饋轉矩信號。
本發(fā)明最好具有用于Y軸線的與圖11所示相同的裝置。
圖11表示兩傳感件34和36輸出的信號在施加反饋轉矩之前進行相加和相減。這種方法提高了輸出軸線調(diào)諧的Q值。如果每個傳感件都單獨被收集，則Q值將由于不能在各傳感件的反作用轉矩彼此平衡時以反向振動模式對反饋轉矩進行相位鎖定而減小。如果各傳感件被單獨收集，則能量將在基座架內(nèi)消散。為了徹底收集傳感器的偏轉，同相和90°相位差信號以及和信號與差信號必須都為零。表示所施加的速率的信號是差信號的同相分量。其它反饋轉矩根據(jù)不希望有的交聯(lián)輸入和角加速度輸入而作共模和90°相位差轉矩方面的校正。
對本發(fā)明的轉動傳感器20有幾個顯著而獨特的特征，它們可降低振動校正誤差和提高偏置可重復性。這些特征可使轉動傳感器20符合轉動傳感器20的性能和環(huán)境要求，以符合以下的導航要求偏置可重復性-0.01°/小時；標度系數(shù)誤差-百萬分之二十；角度隨機移動-0.001°/√小時；G靈敏度小于0.01°/小時/G。
首先，通過使傳感元件110和112的重心與其懸置中心重合，對兩根軸線均實現(xiàn)線性振動的共模抑制。而且，與用于其它機械形式的振動速率傳感器中的一樣，獨立加速度傳感器的相位和增益的匹配和跟蹤并不重要。第二，慣性速率傳感元件與引起偏置誤差的不同平面的驅(qū)動力在機械上相隔離。第三，驅(qū)動運動不造成慣性速率傳感元件與其敏感元件之間的相對運動，這是因為每個驅(qū)動件及其相關的傳感元件作為一個整體一起移動。第四，驅(qū)動件38和40與傳感件34和36的轉矩機械振動組件是反向平衡的，這會將對同樣可導致偏置誤差的外部機械阻抗變化的敏感度減至最小。
驅(qū)動件38和40的機械振動可為雙軸線科氏角速率傳感提供必要的振動速度激勵。四個撓性元件60-63的彈性系數(shù)和與驅(qū)動件40的其它四個撓性元件相連的振動元件52和34的慣量和振動元件36和150的慣量共同建立了振動器共振頻率，同時峰值速度振幅由振動器敏感元件來傳感，并由驅(qū)動電子裝置通過將信號加到振動板兩相對表面上的驅(qū)動電極來控制。在振動板的兩相對表面上的是敏感元件/加力電極，它們用于迫使慣性速率傳感元件的每條軸線重新平衡。應予注意，所有的驅(qū)動、敏感元件/加力電極以及電觸點都限制在機械振動器內(nèi)。
機械振動器的自然頻率約為5KHz，轉動傳感器芯片與基座架柔性元件的總的共振頻率約為1KHz。因此，可很容易地滿足所需要的500Hz的帶寬。
工作時，上速率傳感件36與下速率傳感件34由驅(qū)動件38和40驅(qū)動成相差180°相位。上、下速率傳感元件110和112通過繞垂直于輸入軸線和機械振動器的軸線振動而響應繞垂直于機械振動器軸線的一軸線的角速率輸入。速率傳感元件的這種科氏感應振動分量由X和Y軸線容性敏感元件傳感，如圖8所示。這些敏感元件的信號被加到轉動傳感器伺服電子設備的X和Y通道上，該電子設備提供反饋電壓，從而對速率傳感元件110和112施加靜電力而使其變?yōu)榱?。每根軸線上的反饋電壓的大小與輸入的角速率的X和Y分量成線性比例關系。
信號處理電路以這樣一種方式補償同相和90°相位差信號，即，使環(huán)路在機械振動器頻率ωD上具有整數(shù)的增益，同時提供與角速率成正比的直流電信號。
參見圖9中的量化器212，使用帶高速過取樣特征的雙重范圍轉換方案。高動態(tài)范圍的第四價Δ∑調(diào)制器將模擬速率信號轉換成串行位流，每一位表示一個角Δθ。然后，微處理器在高于帶寬10倍的5KHz下將這些Δθ位相加并取樣，并作高速平均。由于信號含有干擾，該處理導致提高的分辨率。
傳感器20最好是以閉環(huán)模式工作，這可使傳感軸線受調(diào)諧，從而使隨機移動比開環(huán)裝置有數(shù)量級的下降。例如，開環(huán)調(diào)音叉陀螺儀的隨機移動與其帶寬成比例地降低，因為敏感元件的靈敏度會隨其被進一步調(diào)離音叉的振動頻率達到更高的帶寬而繼續(xù)降低。
振動驅(qū)動運動或者其產(chǎn)生的應力不會出現(xiàn)在敏感元件上。通過使位移敏感元件的基座與傳感元件一起移動，可完全消除一種最有危害的誤差源。這一特點完全消除了它們在敏感元件上振動時傳感元件的振動面上的不完整處的粘結。即使微機械加工的硅的表面光潔度約為0.02微英寸，它仍是對于0.01度/小時的性能所需的被分辨的運動幅度大許多數(shù)量級。這種移動敏感元件技術還消除了因在微機械加工期間傳感元件任何極小的傾斜而造成的影響。這種傾斜所造成的信號結合到與這種傾斜與角振幅之積成正比的輸出中。在許多其它的科氏傳感裝置中，敏感元件使用壓電電阻或者壓電應力傳感變換器來檢測科氏力。不幸的是，這些敏感元件必須分隔開驅(qū)動振動的所有應力，這種應力要比分辨0.01度/小時所需的應力大幾十億倍。
本發(fā)明提供了固有的線性振動的共模抑制。傳感元件110和112是固有平衡的，因而其重心就在其懸置中心上。同許多其它的設計一樣，它們不是懸臂式的。因此，對線性振動輸入來說不會有輸出產(chǎn)生。對于懸臂式的檢測質(zhì)量，使兩個輸出的信號不同，以抑制對振動的靈敏度。這意味著對于這種去除，良好的增益和相位匹配是關鍵性的。
對于5000Hz的共振頻率以及0.5米/秒的峰值速度來說，對0.01°/小時的輸入速率，峰值科氏加速度為0.005μG。這種加速度在5000Hz時的峰值輸出軸線位移為5.1×10-11微米。對于繞輸出軸線的保守的Q值500，這種運動將放大到2.5×10-8微米。具有10微米的極小間隙的敏感元件對于5V電橋源將產(chǎn)生1.2nV，估計寄生和背面電容將多達間隙電容的5倍。這將導致標度系數(shù)為120nV每度/小時。用今天的干擾優(yōu)于4nV/√Hz的儀表放大器，轉動傳感器的白干擾將優(yōu)于0.05度/小時/√Hz，可以轉換成RMS和進行全波解調(diào)。這種干擾可轉換成比0.001度/√小時更好的隨機移動。如果獲得更高的Q值，則該數(shù)字將按比例減小。
在轉動傳感器20工作時，速率施加到繞垂直于振動軸線的軸線時產(chǎn)生的科氏力將強迫諸傳感元件作傾斜的不同平面的振動。安裝在相鄰于諸傳感元件的諸板上諸敏感元件輸出的信號測出這些運動，并經(jīng)放大后用于產(chǎn)生反饋轉矩，以消除科氏力的影響。保持傳感元件110和112為零位所需的轉矩為輸入角速率的測量值。
圖12-16示出了本發(fā)明的一簡化機械結構的實施例?？梢钥闯鲛D動傳感器300基本是圖1的轉動傳感器20的上半部分的單軸線式。該轉動傳感器300可以以開環(huán)或閉環(huán)工作，并通過微機械加工或通過放電加工制成。
該轉動傳感器300具有一基座302、一驅(qū)動元件304和一傳感件306?；?02具有一圓柱形的外壁308，它圍繞一中空的圓柱形區(qū)域310?；?02具有一打開的上端和一下端，下端包括一底板312。底板312突起有一中央輪轂314。底板312上通過金屬化工藝形成有一套互相連接的驅(qū)動電極316。
驅(qū)動元件304具有一外轉矩/敏感環(huán)320，它嵌于基座302的圓柱形區(qū)域310內(nèi)。圖15是驅(qū)動元件304的仰視圖，示出了形成于它上面的第二套互相連接的驅(qū)動電極322。這兩套電極316和322設置成它們的相應部分彼此形成角度上的偏離。交替的電信號施加于電極上可在驅(qū)動件304和基座302之間產(chǎn)生轉矩。
圖12和14示出了驅(qū)動元件304的上表面。驅(qū)動元件304的該表面分成兩個基本相同的金屬化電極330和331，它們可以用于信號的拾取和向傳感件306施加反饋轉矩。
驅(qū)動元件304具有一中央安裝輪轂340，它安裝于基座302突起的中央輪轂314上。該中央安裝件340由形成驅(qū)動元件340的材料通過適當?shù)奈g刻或微機械加工工藝制成。中央安裝件340大體可呈圓柱形或矩形，并通過多根細桿350-353連接于外環(huán)320，如圖14所示。桿350-353最好在角度上彼此相隔90°。
由兩套驅(qū)動電極316和322相互作用而產(chǎn)生的驅(qū)動轉矩造成桿350-353撓曲，因而使驅(qū)動元件304在一個平面內(nèi)繞驅(qū)動軸線振動。傳感件306具有一外支承環(huán)360和一傳感元件362。支承環(huán)360安裝于驅(qū)動元件304的外環(huán)320上，因而傳感件306也可繞驅(qū)動軸線振動。
傳感元件362通過一對徑向延伸的轉矩桿364和366安裝于支承環(huán)360。圖17-19示出了轉矩桿364和366的各種不同的截面。一條通過轉矩桿364和366的線確定了轉動傳感器300的輸出軸線。
當轉動傳感器300繞驅(qū)動軸線振動時，科氏力造成傳感元件362響應繞輸入軸線的轉動而繞其輸出軸線轉動。傳感元件362與驅(qū)動元件304的金屬化部分330和331之間的電容變化表示轉動傳感器300的轉動速率。
金屬化部分330和331以及傳感元件362的底面還可用來向傳感元件362施加反饋轉矩。在正常的工作中，施加足夠的轉矩以將傳感元件362校正到其中性位置。傳感器的輸出是必須被施加到轉矩電極以保持傳感元件362處于中性位置的電信號。
如果傳感元件362設計成具有一不同于驅(qū)動頻率的自然振動頻率。則傳感器300可以以開環(huán)工作。在這種情況下，可以將拾取信號放大，然后用驅(qū)動頻率基準信號進行解調(diào)，從而產(chǎn)生角速率讀出數(shù)據(jù)。
圖20A示出了本發(fā)明的雙軸線雙反向振動角速率傳感器400。傳感器400具有上、下驅(qū)動元件414、416，它們最好與上述驅(qū)動元件304大致相同。傳感器400還具有上、下傳感件412、418，它們最好也與上述的傳感件306大致相同。
傳感器400具有一設置在一殼體404內(nèi)的安裝板402。安裝板402底部與殼體404的底板408之間設置有多個柔性的阻尼墊406。安裝板402具有一突起的中央輪轂410。當傳感器400全部裝配好時，將一蓋子420固定于殼體404的上緣，從而杜絕外面雜質(zhì)的進入以及保證在真空下工作。
安裝板402突起的中央輪轂410延伸通過下傳感件412中的一中央通道440。下驅(qū)動元件414具有一中央安裝部分438，該中央安裝部分的底面安裝于突起的中央輪轂410的上表面上。下傳感件412具有一外緣442，該外緣連接于下驅(qū)動元件414的外緣444。上驅(qū)動件416具有一中央安裝部分446，該中央安裝部分連接于下驅(qū)動件414的中央安裝部分438。上傳感件418具有一外緣450，該外緣安裝于上驅(qū)動元件416的外緣452上。
上驅(qū)動元件416和上傳感件418分別與下驅(qū)動元件414和下傳感件412相同。當安裝于傳感器400中時，上驅(qū)動元件416和上傳感件418分別相對于下驅(qū)動元件414和下傳感件412倒置。
下傳感件412設置成具有一第一轉矩軸線，該軸線由支承一傳感元件460的一對徑向?qū)R的轉矩桿454和456限定。上傳感件418設置成具有一第二轉矩軸線，該軸線由支承一傳感元件466的一對徑向?qū)R的轉矩桿462和464限定。對于雙軸線速率傳感器來說，第二轉矩軸線最好垂直于第一轉矩軸線。
驅(qū)動元件414和416具有驅(qū)動電極470和扭轉電極472。下驅(qū)動元件414和上驅(qū)動元件416的驅(qū)動電極基本上彼此相對，使下驅(qū)動元件414和上驅(qū)動元件416相應的電極在角度上彼此錯開，如以上所述那樣。因此，驅(qū)動電壓施加于驅(qū)動電極上可造成驅(qū)動元件414和416在同平面內(nèi)繞下驅(qū)動元件414中的桿478-481和上驅(qū)動元件416中的桿484-487而振動。因此，驅(qū)動元件414和416與傳感件412和418的組件繞圖20A中所示的驅(qū)動軸線而振動。上驅(qū)動元件416和上傳感件418的振動方向與下驅(qū)動元件414和下傳感件412的相反。這些振動是施加于驅(qū)動電極470的驅(qū)動信號頻率的兩倍，因而任何連接于傳感件412和418的驅(qū)動信號都不會作為速率誤差而被檢測出來。
圖20B示出了一種單軸線轉速傳感器400a。傳感器400a與雙軸線傳感器400的不同點僅在于圖20A的下傳感元件412由一傳感元件418a所代替，該傳感元件與圖20A的傳感元件418大致相同。該傳感元件418a的諸構件的編號與傳感元件418的相同，只是加了字母“a”。
傳感元件418a具有轉矩桿462a和464a，它們分別平行于轉矩桿462和464。因此，這兩個傳感元件418和418a具有平行的由傳感元件418和418a的轉矩軸線所限定的傳感軸線。轉速傳感器400a具有可對輸入該單軸線傳感裝置的角振動提供共模抑制的優(yōu)點。
圖21是圖20A的傳感器400通過在接合區(qū)411a-411d將諸構件接合于一起而完全裝配好后的剖視圖。
圖22示出了本發(fā)明的另一實施例。圖22表示一角速率傳感器500，它具有一驅(qū)動元件502、一被驅(qū)動元件504、一導電的傳感件506和一敏感/扭轉元件508。
驅(qū)動元件502最好包括一由Pyrex玻璃、陶瓷或其它類似絕緣材料制成的基底509。驅(qū)動元件502在基底509的表面上經(jīng)金屬化處理出多個驅(qū)動電極510和多個驅(qū)動敏感電極512。驅(qū)動元件502最好具有一中央矩形接合區(qū)513。
圖24示出了被驅(qū)動元件504面對驅(qū)動元件502的表面514。被驅(qū)動元件504最好形成為一硅片。被驅(qū)動元件的表面514上形成有多個電極516。這些電極516在表面514中蝕刻出槽517后而保留下來。最好將槽蝕刻到約0.003”的深度。然后，將槽的底面金屬化而形成電極516。電極516在角度上偏離于驅(qū)動電極510，因而施加電信號可在被驅(qū)動元件504上產(chǎn)生一轉矩，其方式與以上本發(fā)明的其它實施例中所描述的相同。
被驅(qū)動元件的中央部分是陽極接合區(qū)518，它支承在兩對徑向延伸的桿520-523上。該陽極接合區(qū)518大致呈矩形。桿520-523從陽極接合區(qū)518的側部垂直向外延伸。被驅(qū)動元件的表面514最好從陽極接合區(qū)向下蝕刻約5微米的距離。陽極接合區(qū)518和桿520-523最好通過活性離子蝕刻(RIE)工藝制成。
再參見圖22，被驅(qū)動陽極504的上表面530最好涂覆氧化物層531，以提供電絕緣。傳感件506的下表面最好也涂覆氧化物層533。
傳感件506具有一大致呈矩形的外框540。僅在外框540外邊的內(nèi)側進行蝕刻，從而在外框540內(nèi)形成一傳感元件542。蝕刻工藝留下了大致呈矩形的傳感元件542，它由兩根延伸于傳感元件和外框540的兩相對端之間并徑向?qū)R的轉矩桿544和546支承。外框540固定于被驅(qū)動元件504的上表面530，因而被驅(qū)動元件504的振動可傳遞到傳感件506。
敏感/扭轉元件508最好由Pyrex玻璃、陶瓷或其它類似絕緣材料制成。敏感/扭轉元件508接合于傳感件506的外框540。敏感/扭轉元件508具有一對金屬化部分550和552，它們可用作電極，以提供接地，如圖所示，或?qū)Ρ或?qū)動元件504提供偏置電壓。來自電極550和552的導線554和556穿過敏感/扭轉元件508中的一中央通道560以及傳感元件542中的一開口548。
傳感元件542的拾取動作檢測和扭轉由電極557和559提供，這兩電極被金屬化于敏感/扭轉元件508的底部。
圖23是表示兩個象傳感器500這樣的傳感器如何可以背對背地安裝，從而提供在其外殼602上沒有反作用力的傳感系統(tǒng)的剖視圖。將一上傳感組件604和一下傳感組件606安裝在一連接元件608的相對側上。上傳感組件604和下傳感組件606的傳感軸線彼此成90°，從而提供一雙軸線傳感器。另一種方法是，傳感軸線可以平行設置，從而提供對接近驅(qū)動頻率的頻率有角振動抑制的雙精度單軸線傳感操作。
連接元件608具有一對朝外殼602延伸的凸緣610和612。外殼602內(nèi)安裝有一對支架614和616，分別用來接納凸緣610和612。在繞被驅(qū)動軸線的剪切方向上呈柔性的可扭轉支架620最好設置在凸緣610和612與它們相應的支架之間，以使傳感系統(tǒng)600可以由單頻率反向振動激勵所驅(qū)動。
權利要求
1．一種轉動傳感器，包括一殼體；一設置在一殼體中的安裝板，殼體和安裝板之間設置有多個柔性阻尼墊；一從安裝板上延伸出來的輪轂；一連接于輪轂的第一驅(qū)動件，該第一驅(qū)動件設置成可產(chǎn)生繞驅(qū)動軸線的旋轉振動；一第一傳感裝置，它具有一連接于驅(qū)動件的支承元件，因而驅(qū)動件繞驅(qū)動軸線的旋轉振動可傳遞到支承元件，該第一傳感裝置還具有一連接于支承元件并設置成可與支承元件一起繞驅(qū)動軸線振動傳感元件，該傳感元件設置成可響應于框架繞垂直于傳感軸線和驅(qū)動軸線的輸入軸線的輸入轉速而相對于支承元件繞垂直于驅(qū)動軸線的傳感軸線旋轉振動，該傳感元件制成其繞驅(qū)動軸線的轉動慣量基本上等于繞其垂直于驅(qū)動軸線的兩根主軸線的轉動慣量的和；以及用于產(chǎn)生作為傳感元件繞第一傳感軸線的振幅的函數(shù)的、表示輸入轉速的信號的裝置；一連接于第一驅(qū)動件的第二驅(qū)動件，該第二驅(qū)動件設置成可產(chǎn)生繞驅(qū)動軸線的反向于第一驅(qū)動件所產(chǎn)生的旋轉振動的旋轉振動；一連接于該驅(qū)動件的第二傳感裝置，該第二傳感裝置基本上與第一傳感裝置相同，并具有一第二傳感元件，該元件設置成可相對于支承元件而繞平行于第一傳感軸線的第二傳感軸線旋轉振動，并具有用于產(chǎn)生作為第二傳感元件繞第二傳感軸線的振幅的函數(shù)的、表示輸入轉速的信號的裝置。
2．如權利要求1所述的轉動傳感器，其特征在于，第二傳感軸線垂直于第一傳感軸線。
3．一種轉動傳感器，包括一基座；一從基座上延伸出來的輪轂；第一套形成于基座上的驅(qū)動電極；一安裝于輪轂上的驅(qū)動元件，它上面形成有與第一套驅(qū)動電極對應的第二套驅(qū)動電極，基座和驅(qū)動元件設置成彼此面對，使第一和第二套電極的相應部分在角度上彼此錯開，因而電信號施加于第一和第二套電極上可在驅(qū)動元件上產(chǎn)生轉矩，該轉矩使驅(qū)動元件在一個平面內(nèi)產(chǎn)生繞驅(qū)動軸線的旋轉振動；一傳感件，它具有一安裝于驅(qū)動元件上的外支承環(huán)，因而驅(qū)動元件的旋轉振動可傳遞到傳感件，傳感件還具有一位于支承環(huán)內(nèi)的傳感元件和一對連接于外支承環(huán)和傳感元件之間的轉矩桿，這對轉矩桿對齊而確定出輸出傳感軸線；以及用于產(chǎn)生作為傳感件繞輸出傳感軸線的振幅的函數(shù)的、表示繞垂直于驅(qū)動軸線和傳感軸線的一軸線的輸入轉速的信號的裝置。
4．如權利要求3所述的轉動傳感器，其特征在于，還包括一形成于驅(qū)動元件上的第一金屬化部分；以及一形成于傳感元件上的第二金屬化部分，第一和第二金屬化部分形成一電容器，其電容取決于傳感元件繞垂直于驅(qū)動軸線和傳感軸線的一軸線的轉速。
5．如權利要求4所述的轉動傳感器，其特征在于，還具有連接于第一和第二金屬化部分的、用于向傳感元件施加反饋轉矩以使輸出的角振動為零并將傳感元件保持于零位置的裝置。
6．如權利要求4所述的轉動傳感器，其特征在于，還包括用于向第一和第二套驅(qū)動電極施加ωD/2頻率的振動電信號，從而使驅(qū)動元件以驅(qū)動頻率ωD機械振動的裝置，其中傳感元件制成其繞轉矩桿的自然振動頻率不同于驅(qū)動頻率ωD，因而傳感器能以開環(huán)工作；用于驅(qū)動頻率ωD下解調(diào)信號的、表示金屬化部分之間電容的裝置。
全文摘要
一種轉動傳感器,具有第一驅(qū)動件、帶支承元件的第一傳感裝置。第一傳感裝置有連接于支承元件的傳感元件。傳感元件設置成可響應框架繞垂直于傳感軸線和驅(qū)動軸線的輸入軸線的輸入轉速而相對支承元件繞垂直于驅(qū)動軸線的傳感軸線旋轉振動。第一驅(qū)動件連接有第二驅(qū)動件,它設置成可產(chǎn)生繞驅(qū)動軸線的反向于第一驅(qū)動件產(chǎn)生的旋轉振動的旋轉振動。第二傳感裝置有第二傳感元件,它設置成可相對支承元件而繞平行于第一傳感軸線的第二傳感軸線旋轉振動。
文檔編號G01D5/12GK1224151SQ98116870
公開日1999年7月28日 申請日期1998年7月30日 優(yōu)先權日1998年7月30日
發(fā)明者S·F·懷斯, R·E·斯圖爾特, S·N·費爾什特 申請人:利頓系統(tǒng)有限公司