專利名稱：增強抑制加速度噪聲的微機電陀螺儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微機電結構，尤其涉及一種對偏航角加速度敏感的陀螺儀，該微 機電結構具有增強的機械特性，在抑制加速度噪聲方面尤為如此。
背景技術：
我們都知道，顯微機械加工技術可以在半導體材料層中制造微機電結構或系統(tǒng) (MEMS)，半導體材料層淀積在(例如，多晶硅層)或者生長在(例如，外延層)犧牲層上，該 犧牲層通過化學刻蝕的方法被去除。采用這種技術構造的慣性傳感器、加速度計以及陀螺 儀例如在汽車領域、慣性導航或便攜式裝置的部件中取得了逐步的成功。尤其，本領域技術人員熟知的是采用MEMS技術構造的由半導體材料制成的一體 式陀螺儀。
這些陀螺儀利用科里奧利(Coriolis)加速度基于相對加速度定理而工作。當向 以線速度運動的移動質量塊施加角速度時，移動質量塊“感覺”到一個明顯的力，稱之為“科 里奧利力”，該力決定移動質量塊在與該線速度的方向垂直且與施加角速度所圍繞的軸線 垂直的方向上的位移。移動質量塊由能夠使其在該明顯的力的方向上發(fā)生位移的彈簧支 撐?；诨⒖硕?Hooke’ s law)，該位移與該明顯的力成比例，因此，從移動質量塊的位 移有可能檢測科里奧利力以及產(chǎn)生該力的角速度值。例如，可以通過在共振條件下確定由 移動電極的運動引起的電容變化來電容性地檢測移動質量塊的位移，該移動電極相對于移 動質量塊固定，并且為具有固定電極的梳指。由本申請人申請的歐洲專利申請EP-A-1832841以及美國專利申請 US2009/0064780和US2009/0100930披露了一種具有旋轉驅動運動并對偏航角速度敏感的 微機電一體式傳感器。該微機電傳感器包括一個單個驅動質量塊，與基體錨固并由旋轉運動致動。通孔 提供在該驅動質量塊內，相應的敏感質量塊設在該通孔內；敏感質量塊封裝在驅動質量塊 的總尺寸內，并相對基體懸浮，并通過彈性元件與驅動質量塊連接。在旋轉運動期間，每個 敏感質量塊相對于驅動質量塊固定，并且具有更大的運動自由度，該運動自由度隨作用在 該傳感器上的外應力(特別是科里奧利力)而變。由于彈性元件特定的結構，它們可以使 敏感質量塊響應于科里奧利加速度而在屬于傳感器平面的徑向方向上執(zhí)行檢測的線性運 動。這種檢測運動基本上與驅動質量塊的致動運動是解耦的。微機電結構，除了緊湊(關 于設想單個驅動質量塊在其總尺寸內封裝多個敏感質量塊)外，還可以通過微小的結構更 改而獲得單軸陀螺儀、雙軸陀螺儀或者三軸陀螺儀(根據(jù)實施的電連接，和/或可能是加速 度計)，同時保證與來自檢測動態(tài)的驅動動態(tài)的極好的解耦性。圖1表示的是根據(jù)前述專利申請中所包含教導的用1表示的單軸微機電陀螺儀的 示例性實施例。陀螺儀1提供在沖模(die) 2中，該沖模2包括框架2b和由半導體材料(例如硅) 制成的基體2a ；框架2b在其內限定有開口區(qū)域2c，其重疊在基體2a上并被設計為封裝陀螺儀1的檢測結構(正如下面詳細描述的)。在由第一水平軸線χ和第二水平軸線y定義 的水平平面內(在下文中，指傳感器平面xy)，開口區(qū)域2c具有大體正方形或者矩形結構， 該第一水平軸線χ和第二水平軸線y相對于該沖模2是固定的；框架2b具有與水平軸線χ、 y基本平行的邊。沖模墊(die pad) 2d沿著框架2b的一邊布置，例如沿著第一水平軸線χ 排列。以一種未示出的方式，沖模墊2d可以使得陀螺儀1的檢測結構與外部電接觸。陀螺儀1包括驅動結構，其封裝在開口區(qū)域2c內并由驅動質量塊3和驅動組件4 構成。
驅動質量塊3例如具有徑向對稱的大體圓形構造，該構造基本為平面結構，在傳 感器平面xy上具有主尺寸，在與豎直軸線ζ平行的方向上具有相對于主尺寸的可忽略尺 寸，豎直軸線ζ與第一和第二水平軸線χ、y 一起構成相對于沖模2固定的一組三個正交軸 線。驅動質量塊3以中空空間6為中心設置，空間6的中心0與整個結構的質心以及對稱 中心相重合。驅動質量塊3通過設置在中心0的第一錨固點7a與基體2a錨固，它通過第一彈 性錨固元件8a與第一錨固點7a連接。驅動質量塊3可以通過設置在同一驅動質量塊3外 部的另外的錨固點(未示出)與基體2a錨固，該驅動質量塊通過例如折疊形的另外的彈性 錨固元件(未示出)與另外的錨固點連接。第一和另外的彈性錨固元件可以使驅動質量塊 3圍繞穿過中心0的平行于豎直軸線ζ并垂直于傳感器平面xy的致動軸線進行以驅動角速 度& 的旋轉運動。驅動質量塊3具有一對通孔9a、9b，所述通孔例如沿著第二水平軸線y在徑向方向 排列，并且設置在相對于中空空間6的相對側；通孔9a、9b在平面視圖上具有基本矩形的形 狀，在橫向于徑向的方向上具有主尺寸。驅動組件4包括多個從動臂10和多個第一和第二驅動臂12a、12b，所述從動臂10 在徑向上從驅動質量塊3向外延伸并以等角距離間隔配置，所述第一和第二驅動臂與各個 從動臂10平行并且在其相對側延伸。每個從動臂10具有多個第一電極13，所述第一電極 在同一從動臂10的兩側并垂直于同一從動臂10延伸。并且，第一和第二驅動臂12a、12b的 每一個具有各自的第二電極14a、14b，其向各自的從動臂10延伸，并與相應的第一電極13 梳齒連接。第一驅動臂12a全部設置在各個從動臂10的一側，并全部以第一電壓偏置；類似 地，第二驅動臂12b都設置在各個從動臂10的相對側，并且都以第二電壓偏置。驅動電路 (未示出)連接至第二電極14a、14b，以施加第一和第二電壓并通過電極的相互交替吸引來 確定驅動質量塊3繞驅動軸線以給定振蕩頻率和驅動角速度的振蕩旋轉運動。陀螺儀1進一步包括一對加速度傳感器，其軸線平行于前述徑向方向，具體為一 對封裝在通孔9a、9b內的敏感質量塊15a、15b ；敏感質量塊15a、15b例如具有大體矩形形 狀，其邊與通孔9a、9b的相應側平行，并相對于基體2a懸浮，并通過彈性支撐元件18連接 至驅動質量塊3。彈性支撐元件18例如在徑向上從每個敏感質量塊的相對的主側面伸出。 具體地，彈性支撐元件18相對于驅動質量塊3的致動運動是剛性的(以這種方式，使得敏 感質量塊15a、15b將跟隨驅動質量塊3進行旋轉運動)，并且還可以使各個敏感質量塊在前 述的徑向方向上進行線性運動。并且，移動電極20與第二敏感質量塊15a、15b連接，例如 在垂直于該徑向的方向上從各個較小邊延伸；移動電極20與平的平行板構成敏感電容器，
5平的平行板具有錨固至驅動質量塊3的各個第一和第二固定電極22a、22b。具體地，每個 移動電極20與各個第一固定電極22a(例如，相對于中心0在徑向更靠里邊的那個)構成 第一敏感電容器C1,以及與第二固定電極22b (例如，相對于中心0在徑向上更靠外面的那 個)構成第二敏感電容器C2。在使用中，陀螺儀1能夠檢測繞豎直軸線ζ作用的(偏航)角速度Az。具體地，該 將要被檢測的角速度Gz在以徑向方向定向的敏感質量塊15a、15b上產(chǎn)生科里奧利力& (因 此，定向為作用在相同質量塊上的向心力)，該力引起敏感質量塊的位移以及相應敏感電容 器‘(2的電容變化。電容變化的值與角速度^^成比例，因此，其可以通過按照差分方案運 行的讀數(shù)電路用本身已知的方式確定。具體地，在固定電極22a、22b與移動電極20之間提 供適當?shù)倪B接，使得以差分方式放大與第一和第二敏感電容器Cp C2的變化相關的電量之 間的差。具體地，在由于偏航角加速度作用在結構上而導致科里奧利力存在的情況下，敏 感質量塊15a、15b在徑向方向上反相移動(換句話說，它們相對于徑向方向在相反方向或 者取向上位移)，使得差分讀數(shù)電子裝置產(chǎn)生放大的電輸出量。替代的，在徑向方向作用在 結構上的外部加速度(例如，由于環(huán)境噪聲引起的加速度)引起敏感質量塊15a、15b的同 相運動，結果其不被讀數(shù)電子裝置讀出(假設它不引起明顯的輸出)?；旧希捎诓罘肿x數(shù)，外部加速度理想地被自動抑制。事實上，盡管有用的科里 奧利信號趨向于使位于相對徑向方向上的敏感質量塊15a、15b失去平衡，但是外部加速度 確定出具有相同符號(或方向)的變化。通過由兩個加速度傳感器產(chǎn)生的檢測信號之間的 差值，有可能測量科里奧利貢獻(contribution)并抑制偽加速度。旋轉驅動運動也產(chǎn)生離心加速度，其以基本上與前述科里奧利加速度相似的方式 作用在敏感質量塊15a、15b上(即，在相反方向上引起其位移)。然而，該離心加速度在輸 出上引起頻率為兩倍于科里奧利加速度頻率的貢獻，并且從而可以被讀數(shù)電子裝置適當?shù)?濾波。即使前述專利申請所述的陀螺儀與已知類型的其他結構相比較具有相當?shù)母倪M， 但是其都并沒有從電特性和抗擾性的方面一起優(yōu)化。尤其，在給定的真實操作條件下，對外 部加速度(例如，噪聲加速度)抗擾性不好，并且對由于旋轉驅動運動作用于結構上的離心 加速度的影響的抗擾性也不好。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的是對微機電陀螺儀結構提供進一步的改進，尤其是關于對外 部加速度噪聲和離心加速度的敏感性。從而根據(jù)本發(fā)明提供的微機電結構包括-驅動質量塊，通過彈性錨固元件錨固于基體，并被設計為在平面內由驅動運動而 致動；以及-第一敏感質量塊和第二敏感質量塊，懸浮在所述驅動質量塊內并通過各個彈性 支撐元件聯(lián)接到驅動質量塊，從而在所述驅動運動中固定于所述驅動質量塊并響應于角速 度執(zhí)行各自的檢測運動，其特征在于，所述第一和第二敏感質量塊通過彈性聯(lián)接元件連接在一起，彈性聯(lián)接元件構造成耦合第一和第二敏感質量塊的振動模式。


為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在僅通過非限制性的例子和參照附圖的方式對其優(yōu)選 實施例進行描述，其中-圖1表示的是已知類型的微機電陀螺儀的示意頂面俯視圖；-圖2是圖1陀螺儀的敏感質量塊的彈性連接的示意圖；-圖3a、3b、4a、4b表示的是圖1陀螺儀中的電量的圖示；-圖5表示的是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的微機電陀螺儀的示意頂面俯視圖；-圖6是圖5陀螺儀的敏感質量塊的彈性連接的示意圖；-圖7a、7b、8a、8b表示的是對應于圖5陀螺儀的電量的圖示；-圖9表示的是微機電陀螺儀的第二實施例的示意頂面俯視圖；-圖10、lla、llb表示的是圖9陀螺儀元件的各部分的分級放大圖；-圖12a和12b表示的是圖9陀螺儀中的電量的圖示；-圖13表示的是對應于三軸陀螺儀的本發(fā)明的進一步實施例；以及-圖14表示的是具有根據(jù)本發(fā)明的微機電陀螺儀的電子設備的簡化框圖。
具體實施例方式本申請人實現(xiàn)并用試驗證明了對困擾前面所述陀螺儀的外部加速度噪聲的不良 抗擾性可以歸因于可能的過程變異(散布)，尤其是敏感質量塊和對應彈性元件的機械特 性中的可能的差異，其可能來源于該散布。詳細地，如圖2所示(其中，示意性圖示出了通過彈性支撐元件18在敏感質量塊 15a、15b和驅動質量塊3之間的彈性連接)，敏感質量塊15a、15b的振動模式被彼此去耦并 理想地以相同的頻率振動。然而由于過程散布(process spread)，兩個敏感質量塊15a、15b的共振頻率并不 能很好地一致(例如，它們可能彼此相差10-20HZ)，對于高品質因子Q，這使得不能很好地 抵制外部加速度噪聲。事實上，頻率與敏感質量塊15a、15b的共振頻率相近的外部加速度 可以產(chǎn)生兩個敏感質量塊的更加顯著不同的響應，從而從相應的讀數(shù)電子裝置產(chǎn)生非零輸 出(即使所采用的差分方案可以理想地抵制這些噪聲也是如此)?？紤]到敏感質量塊的共 振頻率的典型值位于4-5kHz的區(qū)域內，由于上述原因，顯然具有音頻的環(huán)境噪聲也可以產(chǎn) 生更加顯著的輸出噪聲。上述行為由本申請人通過適當?shù)臄?shù)值模擬予以證實。圖3a和3b表示了數(shù)值處理 的結果，其中通過在與敏感質量塊15a、15b相關的彈性支撐元件18的剛度上應用的差 來模擬過程散布；驅動質量塊的錨固點7a(以及可能的另外錨固點)的隨機位移噪聲被用 來模擬外部加速度激勵。具體地，圖3a和3b分別用線性和對數(shù)刻度表示陀螺儀1的讀數(shù) 電子裝置的輸出0UT(以及對敏感電容器輸出的信號所進行的放大和解調操作的結果)，同 時，圖4a和4b分別表示的是敏感質量塊15a、15b的機械傳遞函數(shù)的大小(Mag)和相位。這 些曲線圖突出呈現(xiàn)了由于兩個敏感質量塊15a、15b的不同共振頻率造成的相隔約20Hz的 兩個明顯的頻率峰，還呈現(xiàn)了在存在噪聲加速度時讀數(shù)電子裝置的非零輸出(其可能具有甚至可以與角加速度檢測過程中假定的值相當?shù)闹?。為了解決上述問題，本發(fā)明的一個實施例設想使兩個敏感質量塊機械聯(lián)接(具體 通過合適的彈性元件)，從而耦合它們的檢測振動模式。具體地(可以參考圖5，其中相同的標記數(shù)字用來表示與前面已經(jīng)描述的其它元 件類似的元件)，微機電陀螺儀，這里用30表示，與圖1中的陀螺儀1的根本區(qū)別在于，它包 括被設計用來將敏感質量塊15a、15b彼此彈性聯(lián)接的彈性聯(lián)接元件32a、32b。在這個例子中，存在單個通孔，這里用34表示，其也與這里用6’表示的中空空間 相一致，被限定在驅動質量塊3 (這里具有圓框形狀)的中央。位于通孔34內的是兩個敏 感質量塊15a、15b和不同的彈性元件，被設計成保證通過連接實現(xiàn)它們與驅動質量塊3的 聯(lián)接和機械支撐。更詳細地，各個彈性聯(lián)接元件32a、32b與每個敏感質量塊15a、15b相關；彈性聯(lián)接 元件32a、32b例如相對于彈性支撐元件18的相對側由各個敏感質量塊的主側面延伸至中 心0 (這里對每個敏感質量塊只示出了一個彈性支撐元件18)。彈性聯(lián)接元件32a、32b通過 設在中央位置(例如設置在中心0處)的連接體35連接在一起。連接體35被構造成具有 基本可以忽略的重量和尺寸，尤其在與相同敏感質量塊以及彈性元件相比時。如圖6的圖 示所示，連接體35除了與上述的敏感質量塊15a、15b連接，還通過另外的彈性支撐元件36 與驅動質量塊3連接。例如由折疊型的彈簧組成的另外的彈性支撐元件36在中心0處例 如在橫向于敏感質量塊15a、15b排列對準的徑向的方向上延伸(與彈性聯(lián)接元件32a、32b 的延伸方向一致)。具體地，另外的彈性支撐元件36用于進一步將敏感結構向驅動質量塊 3約束，以便增加敏感質量塊15a、15b相對于沿豎直軸線ζ平移的剛度。在這個例子中，驅動質量塊3的彈性錨固元件此外以不同的方式布置在中空空間 6’內。例如，提供四個錨固點7a’，所述錨固點成對地在另外彈性支撐元件36的每個側面 上延伸，驅動質量塊3通過以向中心0會聚的方式徑向延伸的各個彈性錨固元件8a’與錨 固點7a’連接。在使用中，彈性聯(lián)接元件32a、32b具有將敏感質量塊15a、15b的振動運動相耦合 的功能，使得所得到的機械敏感結構具有兩個不同的獨立振動模式。具體地，產(chǎn)生同相的第 一振動模式和反相的第二振動模式，它們具有彼此明顯分開的共振頻率。在兩種情況中，兩 個敏感質量塊15a、15b以相同的頻率振動。從而通過讀數(shù)電子裝置(這里進行了適當?shù)母?進)方便地抑制與噪聲加速度相關的同相振動模式，并且對于后續(xù)處理操作僅保存表示將 要被檢測的角速度的反相振動模式。具體地，噪聲抑制主要與差分型讀數(shù)相關，其中同相振 動模式對讀數(shù)電子裝置來說不產(chǎn)生顯著的電容變化。圖7a和7b表示的是與前述對于圖1的已知類型的結構所進行的數(shù)值處理相類似 的數(shù)值處理的結果，直接將用圖5的陀螺儀30所獲得的值(用實線表示)與用所述已知類 型的所述結構獲得的值(用虛線表示)進行比較?？梢择R上注意到，敏感質量塊15a、15b的振動模式的耦合在輸出(在相對于驅動 頻率進行了適當?shù)慕庹{之后)上產(chǎn)生頻率明顯彼此分開的兩個噪聲貢獻一個對應于同相 振動，其頻率大約為對應于反相振動的另一個的兩倍。具體地，兩個噪聲貢獻的頻率是對應 共振頻率(同相和反相)和驅動頻率之間的差異造成的結果。此外，可以馬上注意到，與傳統(tǒng)的方案相比，上述的耦合可以將陀螺儀30對外部
8線性加速度(例如噪聲加速度)的輸出響應降低大約100倍。如圖8a和8b所示，機械系統(tǒng)具有與反相振動模式相關的單個峰，這與其特征在于 在頻率上具有雙峰的已知類型的方案不同。從而顯然的是，所述的實施例能夠對傳感器平面xy內的線性加速度噪聲的抑制 有顯著的改進。具體地，兩個振動模式的頻率在過程散布存在的情況下基本是不變的，并且 差分型讀數(shù)能夠方便地去除不想要的同相振動模式的貢獻。從機械方面講，上述兩個不同的振動模式源于敏感質量塊15a、15在同相和反相 運動過程中不同的位移形態(tài)。具體地，在反相運動過程中，敏感質量塊15a、15b的位移源于 彈性聯(lián)接元件32a、32b和彈性支撐元件18的變形，從而使得連接體35基本保持靜止于中 央位置。在同相運動過程中，彈性聯(lián)接元件32a、32b與反相運動相比經(jīng)歷較小的變形，彈性 支撐元件36 (其在反相運動中基本是固定的)也變形，連接體35在徑向位移。然而，本申請人發(fā)現(xiàn)，陀螺儀30雖然有利地能夠抑制噪聲線性加速度，但是未能 一起解決由于存在離心加速度而帶來的問題。驅動質量塊3的旋轉事實上產(chǎn)生了在相對于 檢測的徑向方向相反的方向上作用于敏感質量塊15a、15b的離心加速度，并且從而產(chǎn)生其 反相振動(采用與科里奧利力的作用類似的方式，科里奧利力與將要被檢測的偏航角加速 度相關聯(lián))。如以本申請人的名字申請的上述歐洲專利申請中詳細描述的那樣，可以表明 離心加速度引起振動貢獻所處的頻率是由將要被檢測的加速度引起振動貢獻所處頻率的 兩倍，從而使得可以理想地對其貢獻進行濾波。然而，本申請人證實，在給定的操作條件下，盡管具有足夠的濾波級，離心加速度 還是可以在讀數(shù)電子裝置中引起放大級的飽和，并且從而在任何情況下引起角加速度檢測 中的錯誤。為了解決上述問題，本發(fā)明的進一步實施例設想借助于敏感結構的適當?shù)膸缀螛?造對離心加速度的影響進行自動補償(即，作為選擇，或者除此之外，對讀數(shù)電子水平處進 行的補償提供內在的機械補償)。如圖9所示，這里用30’表示的陀螺儀第二實施例與前述陀螺儀實施例的區(qū)別基 本在于移動和固定電極以及在所述的例子中的敏感質量塊的構造不同，移動和固定電極這 里分別用20，和22a，、22b，表示，敏感質量塊用15a，、15b，表示。具體地，第二實施例設想對移動電極20’和各個第一或第二固定電極22a’、22b’ 中的至少一個進行適當定形，以這種方式使得在旋轉驅動運動過程中產(chǎn)生敏感電容器的電 容變化，其可以補償其由于存在離心加速度造成的電容變化。詳細地，在這種情況中，敏感質量塊15a’、15b’具有大致成梯形的構造，其內限定 有窗體40 ；移動電極20’和相應的固定電極22a’(徑向更向內)和22b’(徑向更向外)布 置在該窗體40內。在傳感器平面xy內，窗體40的形狀呈環(huán)帶扇形，移動電極20’和固定 電極22a’、22b’大致呈弧形。移動電極20’在窗體40內部從各個敏感質量塊15a’、15b’的傾斜側開始延伸。與 每個移動電極20’相關的第一和第二固定電極22a’、22b’在相對側面對該移動電極設置， 并通過各個錨固點42與基體2a錨固(見圖10)，各個錨固點42也布置在窗體40內。具體 地，有兩組移動電極20’和相應的第一和第二固定電極22a’、22b’，每組設置在上述窗體40 由徑向檢測方向所分成的相應半體中。
更具體地，如逐級放大的圖10和IlaUlb所示，每個移動電極20’具有第一側表 面(具體地，該表面與各個第一固定電極22a’相對，或等價地，該側表面相對于中心0在徑 向上更靠內)，該第一側表面根據(jù)合適的圖案被定形，以及具有第二側表面(具體地，該表 面與各個第二固定電極22b’相對，或等價地，該徑向表面相對于中心0在徑向上更靠外)， 該第二側表面沒有被定形。具體地，沒有被定形的第二側表面對應于圓周的弧，同時被定形 的第一側表面具有波浪起伏形的大致呈正弦曲線輪廓(如上述圖10、lla、llb的頂視圖突 出呈現(xiàn)所示)。此外，第二固定電極22b’(徑向更靠外的)具有兩個未被定形的側表面，第一固定 電極22a’(徑向更靠內的)具有兩個定形的側表面，具體地，具有同樣的正弦曲線輪廓，大 致對應于移動電極20’的第一側表面的正弦曲線輪廓。在使用中，作用于每個移動質量塊15a’、15b’的離心加速度引起(如箭頭所示)每 個移動電極20’向對應第二固定電極22b’的不希望的靠近(與檢測角加速度的運動不相 關)，以及引起相同移動電極20’離開相應第一固定電極22a’的相應位移，從而減小第一敏 感電容器C1的電容，增加第二敏感電容器C2的電容(以已知方式，假設電容與電極間距離 的關系是非線性的，那么增加比上述減小要大)。然而，驅動質量塊3的旋轉運動也會引起 移動電極20’相對于固定電極22a’、22b’的周向位移(如箭頭所示)。假設對構成其板的 電極的側表面進行適當?shù)亩ㄐ?，該周向位移引起的第一敏感電容器C1的整體電容變化(具 體地，由于板之間的凈靠近，電容增加)，從而等于并補償由離心加速度貢獻造成的第二敏 感電容器C2的變化。并且，由于電極定形造成的電容變化的頻率貢獻基本與由于離心加速 度(如上所述，其頻率是檢測頻率的兩倍)造成的頻率貢獻相一致，因此可以有效地補償所 引起的電容變化。換言之，通過上述的定形，有可能在敏感電容器之間產(chǎn)生電容差(之后由 讀數(shù)電子裝置處理的差)，其在不存在科里奧利加速度從而不存在待檢測的角加速度時基 本保持恒定。有利的是，也是由于第二敏感電容C2的電容值不受由于旋轉驅動運動造成的移動 電極20’的周向位移的影響，所以通過合適的數(shù)學模型和合適的計算算法，可以很容易地確 定定形參數(shù)(具體地，以振幅和/或周期為單位的正弦曲線輪廓的參數(shù))，這可以使得由于 離心加速度造成的敏感電容！CpC2之間的電容差AC最小。例如，對整個電極表面上的電 容變化進行數(shù)值積分的算法(這是已知類型的，這里不再詳細描述)可以用于這個目的來 確定電極的幾何形狀的參數(shù)，從而使得電容差△(最小。在圖12a中，在驅動運動過程中僅由離心加速度造成的與移動電極20’相關的電 容變化用實線表示，僅由上述電極的定形造成的與同一移動電極20’相關的電容變化由虛 線表示。容易注意的是，上述電容變化基本上是相等的。因此，如圖12b中所示，由于該內 在的機械補償，對所引起的電容變化(電容差△(，由上述電容變化的差給出)的補償誤差 基本為零或任何情況下都可以忽略。具體地，可以表明該內在補償可以將離心加速度的噪 聲影響因子降低100。雖然顯而易見，但是強調的是上述的正弦曲線形狀不是唯一可以獲得上述效果的 形狀，其他的幾何形狀也同樣是可能的(例如，可以設想以鋸齒狀輪廓來定形)，其參數(shù)也 可以通過數(shù)值算法確定。本發(fā)明進一步的實施例設想通過為用于感測偏航角加速度的上述檢測結構增加用于感測傾斜和/或滾轉角加速度的檢測結構(基本如以本申請人的名字提出的上述專利 申請中所描述的)來提供雙軸或三軸陀螺儀。圖13表示的是如此獲得的三軸陀螺儀的一個例子，其用標記數(shù)字30”來表示。簡單扼要地(而有關進一步的細節(jié)可以參考上述專利申請)，這個例子中的陀螺 儀30”(如圖所示)包括第一對和第二對另外的敏感質量塊46a-46b和46c_46d，其封裝在 驅動質量塊3中的各個通孔內，并通過各個彈性元件47與驅動質量塊連接。第一對另外的敏感質量塊46a、46b排列在第一直徑方向X1上，該方向相對于沖模 2的第一水平軸χ傾斜，傾斜角度是α (在逆時針方向考慮)，傾斜角度的值在40°到50° 之間，優(yōu)選為45°。類似地，第二對另外的敏感質量塊46c、46d排列在第二直徑方向X2上， 該方向與第一直徑方向X1基本垂直，并相對于第一水平軸Χ傾斜相同的傾斜角度α (這 時在相反方向上考慮，即順時針)。此外，第一對另外的敏感質量塊46a、46b與第二對另外 的敏感質量塊46c、46d相對于沖模墊2d的對稱軸線(與第二水平軸線y重合)對稱。例 如，另外的敏感質量塊46a-46d在平面圖上的形狀大致如徑向環(huán)帶扇形(radial annulus sector)，并且構成軸線平行于豎直軸線ζ的加速度傳感器。在使用中，傾斜或滾轉角加速 度在另外的敏感質量塊46a-46d上產(chǎn)生科里奧利力，從而使它們在傳感器平面xy外的旋 轉，并向與其面對并設在基體2a上的各個檢測電極(用短劃線表示)靠近(或者遠離各個 檢測電極)。圖13還示出了另外的錨固點7b，其設在驅動質量塊3之外；驅動質量塊通過這些 另外的錨固點7b與基體2a錨固，驅動質量塊3通過另外的彈性錨固元件8b與另外的錨固 點7b連接。圖14表示的是包括上述微機電陀螺儀30’ (或30”)的電子設備50。該電子設備 50可以有利地用在多種電子系統(tǒng)中，例如，用在慣性導航系統(tǒng)中、車輛系統(tǒng)中，或者諸如，例 如個人數(shù)字助理(PDA)、便攜式計算機、蜂窩電話、數(shù)字語音播放器、照相機或者攝像機的 便攜型系統(tǒng)中，或者可以處理、存儲、傳輸以及接收信號和信息的其他系統(tǒng)中。電子設備50進一步包括驅動電路51，其可操作地聯(lián)接至驅動組件4，用于給予驅 動質量塊3旋轉驅動運動并對微機電結構提供偏壓信號(用本身已知的方式，這里不再詳 細解釋)；讀數(shù)電路52，可操作地聯(lián)接至敏感質量塊的敏感電容器C1W2，用于檢測敏感質量 塊的位移量并從而確定作用于結構上的角速度；以及電子控制單元54，例如是微處理器型 的，其連接至讀數(shù)電路52并設計用于例如基于所檢測并確定的角速度來監(jiān)控電子設備50 的整體運行。從上述的描述中已經(jīng)清楚了根據(jù)本發(fā)明提供的微機電陀螺儀的優(yōu)點。具體地，再次強調的是通過用于檢測偏航角加速度的敏感質量塊的彈性元件進行 的機械聯(lián)接可以抑制外部加速度噪聲(例如，由環(huán)境噪聲或者其他噪聲源所引起)，甚至在 存在過程散布的情況下也是如此。檢測電極的特別定形的圖案可以對由旋轉驅動運動引起的離心加速度的影響進 行補償并使其最小化。具體地，不需要在讀數(shù)電子裝置內增加任何特別的額外配置，即可對 這些影響進行內在補償。此外，用于檢測偏航加速度的檢測結構具有與雙軸或三軸陀螺儀都兼容的體系結 構，可以使其與用于檢測傾斜和/或滾轉角加速度的結構一體形成。
最后，清楚的是，在不脫離如所附權利要求所限定的本發(fā)明保護范圍的情況下，可 以對這里所描述和圖示的內容進行修改和變形。具體地，清楚地是，可以對陀螺儀的某些結構元件的構造提出修改。例如，用于檢 測偏航角加速度的敏感質量塊15a’、15b’可以排列在傳感器平面xy內的不同方向上(例 如，沿著第一水平軸線χ)；可以對彈性聯(lián)接元件32a、32b以及連接體35進行不同的構造； 可以根據(jù)希望的圖案對第一和第二固定電極22a’、22b’進行定形，或者，可以僅對徑向更靠 外的第二固定電極22b’進行定形；第一和第二固定電極22a’、22b’都可以延伸到相應敏感 質量塊15a’、15b’之外，其采用與參照圖5所解釋的方式基本相同的方式。更通常地，驅動 質量塊3可以具有與圓形不同的形狀，例如封閉的大致多邊形，類似地，沖模2的框架2b的 形狀也可以不同。此外，可以采用不同于電容技術的其他技術例如通過檢測磁力來確定敏感質量塊 的位移，可以以不同的方式產(chǎn)生引起驅動質量塊旋轉運動的振蕩的扭矩，例如通過平行板 電極，或者通過磁致動。
權利要求
一種一體式微機電結構(30；30’；30”)，包括 驅動質量塊(3)，通過彈性錨固元件(8a；8b)錨固于基體(2a)，并被設計為在平面(xy)內由驅動運動致動；以及 第一敏感質量塊(15a；15a’)和第二敏感質量塊(15b；15b’)，懸浮在所述驅動質量塊(3)內并通過各個彈性支撐元件(18)聯(lián)接到所述驅動質量塊，從而在所述驅動運動中固定于所述驅動質量塊并響應于角速度執(zhí)行各自的檢測運動，其特征在于，所述第一敏感質量塊(15a；15a’)和第二敏感質量塊(15b；15b’)通過彈性聯(lián)接元件(32a；32b)連接在一起，所述彈性聯(lián)接元件構造成耦合所述第一敏感質量塊和第二敏感質量塊的振動模式。
2.根據(jù)權利要求1的結構，其中所述驅動質量塊(3)由所述平面(xy)內的旋轉運動所 致動，所述第一敏感質量塊(15a;15a’)和第二敏感質量塊(15b ；15b’)被設計為響應于所 述角速度在所述平面(xy)內執(zhí)行各自的線性檢測運動；所述第一敏感質量塊(15a ；15a’ ) 和第二敏感質量塊(15b ；15b’ )的檢測運動相對于彼此反相并且在徑向方向進行。
3.根據(jù)權利要求1的結構，其中各個彈性聯(lián)接元件(32a；32b)與所述第一敏感質量塊 (15a ；15a’ )和第二敏感質量塊(15b ；15b’ )中的每一個相關，所述第一敏感質量塊(15a ； 15a，)和第二敏感質量塊(15b ；15b，)的彈性聯(lián)接元件(32a ；32b)通過插入實質上可忽略 質量的連接體(35)而連接在一起。
4.根據(jù)權利要求3的結構，包括連接在所述連接體(35)和所述驅動質量塊(3)之間的 另外的彈性支撐元件(36)。
5.根據(jù)權利要求4的結構，其中所述驅動質量塊(3)在其內限定通孔(34)；所述第一 敏感質量塊(15a ；15a，)和第二敏感質量塊(15b ；15b，)、所述彈性聯(lián)接元件(32a，32b)、所 述另外的彈性支撐元件(36)以及所述連接體(15)布置在所述通孔(34)內。
6.根據(jù)權利要求1的結構，其中所述彈性聯(lián)接元件(32a，32b)構造成使得成組的所述 第一敏感質量塊(15a，15a’)和第二敏感質量塊(15b，15b’)具有兩種振動模式，一種是同 相的，另一種是反相的，所述兩種振動模式具有彼此不同的頻率。
7.根據(jù)權利要求1的結構，其中所述驅動質量塊(3)由所述平面(xy)內的旋轉運動 所致動，移動電極(20’ )固定連接至所述第一敏感質量塊(15a;15a’ )和第二敏感質量塊 (15b ；15b’ )的每一個，固定電極(22a’，22b’ )面對所述移動電極(20’ )以構成敏感電容 器(C1, C2)；其中所述移動電極(20’ )和所述固定電極(22a’，22b’ )中的至少一個互相面 對的表面具有公共的定形輪廓。
8.根據(jù)權利要求7的結構，其中所述定形輪廓構造成使得由于相對于所述驅動運動 固定的所述第一敏感質量塊(15a ；15a’ )和第二敏感質量塊(15b ；15b’ )中的相應一個的 運動，產(chǎn)生與所述敏感電容器(C1, C2)相關的電容變化，該電容變化的值從而補償由于所述 驅動運動帶來的離心加速度所引起的所述第一敏感質量塊(15a，15a’ )和第二敏感質量塊 (15b，15b’ )中的所述相應一個的運動而產(chǎn)生的與所述敏感電容器(C1, C2)相關的電容變 化。
9.根據(jù)權利要求7的結構，其中第一固定電極(22a’)和第二固定電極(22b’ )在相 對于所述檢測運動的徑向方向的相對側與每個所述移動電極(20’ )相對；所述移動電極 (20’ )中的每一個與所述第一固定電極(22a’ )和第二固定電極(22b’ )中的至少一個的互相面對的表面具有所述定形輪廓。
10.根據(jù)權利要求7的結構，其中所述定形輪廓是實質上正弦曲線輪廓。
11.根據(jù)權利要求7的結構，其中所述第一敏感質量塊(15a;15a’)和第二敏感質量 塊(15b ；15b’ )中的每一個在其內限定出窗體(40)，所述移動電極(20’ )和所述固定電極 (22a’，22b’ )設置在該窗體(40)內；所述移動電極(20’ )從所述第一敏感質量塊(15a; 15a’ )和第二敏感質量塊(15b ； 15b’ )的內壁延伸。
12.根據(jù)權利要求1的結構，其中所述角速度是在使用中圍繞橫向于所述平面(xy)的 豎直軸線(ζ)施加的偏航角速度。
13.根據(jù)權利要求1的結構，包括第一對另外的敏感質量塊(46a，46b)和第二對另外的 敏感質量塊(46c，46d)，所述另外的敏感質量塊懸浮在所述驅動質量塊(3)內并通過各個 彈性元件(47)聯(lián)接到所述驅動質量塊，從而在所述驅動運動中相對于所述驅動質量塊固 定并分別響應于圍繞第一水平軸線(χ)和第二水平軸線(y)作用的第一另外的角速度和第 二另外的角速度而執(zhí)行在所述平面(xy)外的旋轉的檢測運動，該第一水平軸線(χ)和第二 水平軸線(y)相互垂直并屬于所述平面(xy)；所述第一對另外的敏感質量塊(46a，46b)和 所述第二對另外的敏感質量塊(46c，46d)在各自的方向(χι，χ2)排列，其相對于所述水平軸 線(χ，y)成非零且相反符號的傾角。
14.一種包括根據(jù)權利要求1的一體式微機電結構(30 ；30’;30”)以及讀數(shù)平臺(52) 的電子設備(50)，該讀數(shù)平臺(52)可操作地聯(lián)接到所述一體式微機電結構。
15.根據(jù)權利要求14的設備，其中所述彈性聯(lián)接元件(32a，32b)構造成使得成組的 所述第一敏感質量塊(15a ；15a’ )和第二敏感質量塊(15b ；15b’ )具有兩種振動模式，一 種是同相的，另一種是反相的，所述兩種振動模式具有彼此不同的頻率；其中所述讀數(shù)平臺 (52)構造成消除所述同相振動模式的貢獻。
16.根據(jù)權利要求14的設備，其中在相對于所述檢測運動的徑向方向的相對側，與所 述移動電極(20’)中的每一個相對的是第一固定電極(22a’)和第二固定電極(22b’)，從 而形成第一敏感電容器(C1)和第二敏感電容器(C2)；其中所述讀數(shù)平臺(52)構造成處理 所述第一和第二敏感電容器(CnC2)之間的電容差(AC)。
全文摘要
本發(fā)明涉及增強抑制加速度噪聲的微機電陀螺儀。一種一體式微機電結構(30；30’；30”)具有驅動質量塊(3)，通過彈性錨固元件(8a、8b)與基體(2a)錨固，并設計為在平面(xy)內由驅動運動致動；以及第一敏感質量塊(15a；15a’)和第二敏感質量塊(15b；15b’)，懸浮在所述驅動質量塊(3)內并通過各個彈性支撐元件(18)與其聯(lián)接，從而在所述驅動運動中與所述驅動質量塊固定并響應于角速度執(zhí)行各自的檢測運動。尤其，第一敏感質量塊(15a；15a’)和第二敏感質量塊(15b；15b’)通過彈性聯(lián)接元件(32a，32b)連接在一起，從而構造成將它們的振動模式耦合在一起。
文檔編號B81B7/02GK101898744SQ20091100016
公開日2010年12月1日 申請日期2009年12月23日 優(yōu)先權日2008年12月23日
發(fā)明者G·卡卡特拉, G·卡札尼加, L·科羅納托 申請人:意法半導體股份有限公司