微機(jī)電陀螺儀和電子系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種微機(jī)電陀螺儀和電子系統(tǒng)。該微機(jī)電陀螺儀包括：襯底；固定到襯底的定子感測(cè)結(jié)構(gòu)；第一質(zhì)量塊，其被彈性地耦合到襯底并可以相對(duì)于襯底在第一方向上移動(dòng)；第二質(zhì)量塊，其被彈性地耦合到第一質(zhì)量塊并且可以相對(duì)于第一質(zhì)量塊在第二方向上移動(dòng)；以及彈性約束到第二質(zhì)量塊和襯底并被電容耦合到定子感測(cè)結(jié)構(gòu)的第三質(zhì)量塊，第三質(zhì)量塊可以相對(duì)于襯底在第二方向上以及相對(duì)于第二質(zhì)量塊在第一方向上移動(dòng)。
【專利說明】
微機(jī)電陀螺儀和電子系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本公開內(nèi)容涉及用于感測(cè)角速率的微機(jī)電陀螺儀。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的應(yīng)用在不同技術(shù)領(lǐng)域日益廣泛，并且取得了令人鼓舞的結(jié)果，尤其是在慣性傳感器、微集成陀螺儀和機(jī)電振蕩器的生產(chǎn)中。
[0003]特別地，存在不同類型的MEMS陀螺儀，它們并不是由其復(fù)雜的機(jī)電結(jié)構(gòu)和操作模式來區(qū)分，而是在任何情形下基于科里奧利加速檢測(cè)進(jìn)行區(qū)別。在這種類型的MEMS陀螺儀中，質(zhì)量塊彈性地被約束到襯底或定子，以能夠在互相垂直的驅(qū)動(dòng)方向和感測(cè)方向上平移。通過控制設(shè)備，將質(zhì)量塊在驅(qū)動(dòng)方向上以受控的頻率和幅度處進(jìn)行振動(dòng)。
[0004]當(dāng)陀螺儀沿著垂直于驅(qū)動(dòng)方向和檢測(cè)方向的軸以一角速率旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于在驅(qū)動(dòng)方向上的運(yùn)動(dòng)，質(zhì)量塊受科里奧利力支配并且沿著檢測(cè)方向移動(dòng)。質(zhì)量塊在感測(cè)方向上的位移由角速率和在驅(qū)動(dòng)方向上的速度兩者確定，并且可被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。例如，質(zhì)量塊和襯底可被電容耦合，以使得電容取決于質(zhì)量塊相對(duì)于襯底的位置。由此質(zhì)量塊在檢測(cè)方向上的位移可以以幅度調(diào)制的電信號(hào)的形式被檢測(cè)，幅度調(diào)制的電信號(hào)與角速率成比例，其載波處于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的振動(dòng)頻率。解調(diào)器的使用使得獲得調(diào)制信號(hào)以得到瞬時(shí)角速率成為可會(huì)K。
[0005]然而，在許多情況下，承載關(guān)于瞬時(shí)角速率信息的加速信號(hào)還包含并非由科里奧利加速確定的雜散分量，并且因而以干擾的形式存在。例如經(jīng)常地，由于精度限制和生產(chǎn)流程擴(kuò)展，雜散分量可能取決于微機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)缺陷。典型地，由于質(zhì)量塊與襯底之間所提供的彈性約束中的缺陷，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的有效振動(dòng)運(yùn)動(dòng)可能與理論上期望的方向并不對(duì)準(zhǔn)。這種類型的缺陷通常產(chǎn)生正交信號(hào)分量，其由于微結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)而疊加到有用信號(hào)上。實(shí)際上，正如科里奧利力，這種不一致導(dǎo)致質(zhì)量塊不僅在驅(qū)動(dòng)方向上還在感測(cè)方向上位移，并且在質(zhì)量塊與襯底之間產(chǎn)生電容變化。
[0006]顯然，后果是劣化的信噪比的以及讀取接口的改變動(dòng)態(tài)，以將要讀取的信號(hào)為代價(jià)，且在程度上取決于缺陷的程度。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]本實(shí)用新型的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例公開了一種微機(jī)電陀螺儀。
[0008]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，一種微機(jī)電陀螺儀包括襯底和固定到襯底的定子感測(cè)結(jié)構(gòu)。該陀螺儀進(jìn)一步包括彈性耦合到襯底并且可以相對(duì)于襯底在第一方向上移動(dòng)的第一質(zhì)量塊，以及彈性耦合到第一質(zhì)量塊并且可以相對(duì)于第一質(zhì)量塊在第二方向上移動(dòng)的第二質(zhì)量塊。該陀螺儀包括彈性耦合到第二質(zhì)量塊的第三質(zhì)量塊以使得能夠在第一方向上移動(dòng)，以及彈性耦合到襯底以使得能夠在第二方向上移動(dòng)，第三質(zhì)量塊被電容耦合到定子感測(cè)結(jié)構(gòu)。
[0009]根據(jù)實(shí)施方式，提供了一種微機(jī)電陀螺儀，其特征在于包括:襯底；固定到所述襯底的定子感測(cè)結(jié)構(gòu);第一質(zhì)量塊，其被彈性地耦合到所述襯底并且能夠相對(duì)于所述襯底在第一方向上移動(dòng);第二質(zhì)量塊，其被彈性地耦合到所述第一質(zhì)量塊并且能夠相對(duì)于所述第一質(zhì)量塊在第二方向上移動(dòng)；以及第三質(zhì)量塊，所述第三質(zhì)量塊按照使得所述第三質(zhì)量塊能夠相對(duì)于所述第二質(zhì)量塊在所述第一方向上移動(dòng)的方式而被彈性地耦合到所述第二質(zhì)量塊，并且所述第三質(zhì)量塊按照使得所述第三質(zhì)量塊能夠相對(duì)于所述襯底在所述第二方向上移動(dòng)的方式而被彈性耦合到所述襯底;所述第三質(zhì)量塊被電容耦合到所述定子感測(cè)結(jié)構(gòu)。
[0010]根據(jù)實(shí)施方式，可選地包括所在述襯底與所述第三質(zhì)量塊之間的第一彈性元件，所述第一彈性元件被配置為使得所述第三質(zhì)量塊能夠相對(duì)于所述襯底在所述第二方向上移動(dòng)并且防止所述第三質(zhì)量塊相對(duì)于所述襯底在所述第一方向上的移動(dòng)。
[0011]根據(jù)實(shí)施方式，可選地包括在所述第三質(zhì)量塊與所述第二質(zhì)量塊之間的第二彈性元件，所述第二彈性元件被配置為使得所述第三質(zhì)量塊能夠相對(duì)于所述第二質(zhì)量塊在所述第一方向上移動(dòng)并且防止所述第三質(zhì)量塊相對(duì)于所述第二質(zhì)量塊在所述第二方向上的移動(dòng)。
[0012]根據(jù)實(shí)施方式，可選地包括在所述襯底與所述第一質(zhì)量塊之間的第三彈性元件，所述第三彈性元件被配置為使得所述第一質(zhì)量塊能夠相對(duì)于所述襯底在所述第一方向上移動(dòng)并且防止所述第一質(zhì)量塊相對(duì)于所述襯底在所述第二方向上的移動(dòng)。
[0013]根據(jù)實(shí)施方式，可選地包括在所述第一質(zhì)量塊與所述第二質(zhì)量塊之間的第四彈性元件，所述第四彈性元件被配置為使得所述第二質(zhì)量塊能夠相對(duì)于所述第一質(zhì)量塊在所述第二方向上移動(dòng)并且防止所述第二質(zhì)量塊相對(duì)于所述第一質(zhì)量塊在所述第一方向上的移動(dòng)。
[0014]根據(jù)實(shí)施方式，可選地，所述第三質(zhì)量塊被耦合到所述定子感測(cè)結(jié)構(gòu)，使得所述第三質(zhì)量塊與所述定子感測(cè)結(jié)構(gòu)之間的電容由所述第三質(zhì)量塊相對(duì)于所述襯底的位置來確定。
[0015]根據(jù)實(shí)施方式，可選地:所述第三質(zhì)量塊包括被彈性地耦合到所述第二質(zhì)量塊和可動(dòng)感測(cè)電極的集合的支撐元件;并且所述定子感測(cè)結(jié)構(gòu)包括固定到所述襯底并且被電容親合到相應(yīng)的可動(dòng)感測(cè)電極的定子感測(cè)電極的集合。
[0016]根據(jù)實(shí)施方式，可選地包括:固定到所述第一質(zhì)量塊的可動(dòng)驅(qū)動(dòng)電極；以及固定到所述襯底并且被電容耦合到相應(yīng)的可動(dòng)驅(qū)動(dòng)電極的定子驅(qū)動(dòng)電極。
[0017]根據(jù)實(shí)施方式，可選地，所述第一質(zhì)量塊是多個(gè)第一質(zhì)量塊的一個(gè)，每個(gè)第一質(zhì)量塊被彈性地耦合到所述襯底，所述第一質(zhì)量塊相對(duì)于中心錨固對(duì)稱地被布置并且在所述第一方向上對(duì)齊。
[0018]根據(jù)實(shí)施方式，可選地包括多個(gè)第四質(zhì)量塊，每個(gè)第四質(zhì)量塊被彈性地耦合到所述襯底，其中:所述多個(gè)第四質(zhì)量塊相對(duì)于所述中心錨固對(duì)稱地被布置并且在垂直于所述第一方向的致動(dòng)方向上對(duì)齊;每個(gè)第一質(zhì)量塊通過相應(yīng)的另外的彈性懸置元件被耦合至每個(gè)所述第四質(zhì)量塊，每個(gè)第一質(zhì)量塊被配置為將所述第四質(zhì)量塊在所述致動(dòng)方向上的移動(dòng)轉(zhuǎn)換為所述第一質(zhì)量塊在所述第一方向上的移動(dòng)。
[0019]根據(jù)實(shí)施方式，可選地，所述第一質(zhì)量塊和所述第四質(zhì)量塊通過橋被耦合到所述中心錨固，所述橋由圍繞所述中心錨固的支架限定并且被耦合到所述中心錨固，所述橋被配置為在平面外振動(dòng)。
[0020]根據(jù)實(shí)施方式，可選地，所述第二質(zhì)量塊是多個(gè)第二質(zhì)量塊的一個(gè)，每個(gè)第二質(zhì)量塊被彈性地耦合到所述第一質(zhì)量塊中的相應(yīng)的第一質(zhì)量塊并且相對(duì)于所述中心錨固對(duì)稱地被布置。
[0021 ]根據(jù)實(shí)施方式，可選地包括，對(duì)于每個(gè)第二質(zhì)量塊，兩個(gè)相應(yīng)的第三質(zhì)量塊相對(duì)于所述第二方向位于相對(duì)側(cè)。
[0022]根據(jù)實(shí)施方式，可選地，所述第二方向垂直于所述第一方向。
[0023]根據(jù)實(shí)施方式，提供了一種電子系統(tǒng)，其特征在于包括:微機(jī)電陀螺儀，所述微機(jī)電陀螺儀包括:襯底；固定到所述襯底的定子感測(cè)結(jié)構(gòu);第一質(zhì)量塊，其被彈性地耦合到所述襯底并且能夠相對(duì)于所述襯底在第一方向上移動(dòng);第二質(zhì)量塊，其被彈性地耦合到所述第一質(zhì)量塊并且能夠相對(duì)于所述第一質(zhì)量塊在第二方向上移動(dòng)；
[0024]被耦合到所述第二質(zhì)量塊的第一彈性元件;被耦合到所述襯底的第二彈性元件；以及第三質(zhì)量塊，通過所述第一彈性元件被耦合到所述第二質(zhì)量塊以使得所述第三質(zhì)量塊能夠在所述第一方向上移動(dòng)而同時(shí)防止在所述第二方向上的移動(dòng)，所述第三質(zhì)量塊通過所述第二彈性元件被彈性地耦合到所述襯底以使得能夠在所述第二方向上移動(dòng)而同時(shí)防止在所述第一方向上的移動(dòng)，所述第三質(zhì)量塊被電容耦合到所述定子感測(cè)結(jié)構(gòu)；以及被耦合到所述陀螺儀的控制單元。
[0025]根據(jù)實(shí)施方式，可選地，所述電子系統(tǒng)是筆記本電腦、平板電腦、蜂窩電話、智能電話、消息收發(fā)設(shè)備、數(shù)字音樂播放器和數(shù)碼相機(jī)中的至少一個(gè)。
[0026]根據(jù)實(shí)施方式，可選地，所述第一質(zhì)量塊是多個(gè)第一質(zhì)量塊中的一個(gè)，每個(gè)第一質(zhì)量塊被彈性地耦合到所述襯底，所述多個(gè)第一質(zhì)量塊相對(duì)于中心錨固對(duì)稱地被布置并且在所述第一方向上對(duì)齊。
【附圖說明】
[0027]為了更好地理解本公開內(nèi)容，現(xiàn)將僅通過非限制性示例的方式和參考下列附圖，對(duì)本公開的一些實(shí)施例進(jìn)行描述。在附圖中:
[0028]圖1是根據(jù)本公開實(shí)施例的微機(jī)電陀螺儀的簡(jiǎn)化框圖；
[0029]圖2是圖1的微機(jī)電陀螺儀的一部分的簡(jiǎn)化俯視圖；
[0030]圖3是根據(jù)本公開的不同實(shí)施例的微機(jī)電陀螺儀的一部分的簡(jiǎn)化俯視圖；
[0031]圖4是并入了根據(jù)本公開內(nèi)容的微機(jī)電陀螺儀的電子系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]參考圖1，根據(jù)本公開的實(shí)施例的微機(jī)電陀螺儀由標(biāo)號(hào)I指代，其包括襯底2、微結(jié)構(gòu)3、控制設(shè)備4和讀取設(shè)備5。如在下文中詳細(xì)解釋的，微結(jié)構(gòu)3包括可動(dòng)的部分以及相對(duì)于襯底2固定的部分。控制設(shè)備4與微結(jié)構(gòu)3形成控制回路，并且被配置為保持微結(jié)構(gòu)3的可動(dòng)部分以受控的頻率和幅度相對(duì)于襯底進(jìn)行振動(dòng)。為了達(dá)到這個(gè)目的，控制設(shè)備4接收來自微結(jié)構(gòu)3的位置信號(hào)Sp并且向微結(jié)構(gòu)3提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)SD。根據(jù)微結(jié)構(gòu)3的可動(dòng)部分的移動(dòng)，讀取設(shè)備5提供輸出信號(hào)Sout。所述輸出信號(hào)Sout指示襯底2相對(duì)于陀螺儀旋轉(zhuǎn)軸的角速率。
[0033]圖2根據(jù)本公開的實(shí)施例示出襯底2以及更細(xì)節(jié)的微結(jié)構(gòu)3。特別地，微結(jié)構(gòu)3包括驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊7、換能(transduct1n)質(zhì)量塊8和可動(dòng)感測(cè)結(jié)構(gòu)10。
[0034]驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊7彈性地受襯底2約束，并且可相對(duì)于襯底2在驅(qū)動(dòng)方向Dl上移動(dòng)。在使用中，控制設(shè)備4保持驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊7在驅(qū)動(dòng)方向Dl上在一靜止位置附近進(jìn)行振動(dòng)。為了達(dá)到這個(gè)目的，控制設(shè)備4使用固定到驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊7的可動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電極12a，以及固定到襯底2的定子驅(qū)動(dòng)電極12b。可動(dòng)驅(qū)動(dòng)電極12a和定子驅(qū)動(dòng)電極12b以梳齒狀配置來電容耦合并且基本上平行于驅(qū)動(dòng)方向D1。定子驅(qū)動(dòng)電極12b通過電連接線(由于簡(jiǎn)化的原因未示出)接收來自控制設(shè)備4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)SD。驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊7的振動(dòng)定義用于陀螺儀I的換能鏈的信號(hào)載波。
[0035]驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊7到襯底2的彈性連接通過彈性懸置元件11或“燒曲部”(“flexure”)來獲得，彈性懸置元件11或“撓曲部”被配置為使得驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊7能夠在驅(qū)動(dòng)方向Dl上振動(dòng)并且防止驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊7的其他移動(dòng)，尤其是在垂直于驅(qū)動(dòng)方向Dl的換能方向D2上的移動(dòng)。在這里以及下文中，關(guān)于驅(qū)動(dòng)方向Dl和換能方向D2兩者或任意其他方向，“防止在一方向上移動(dòng)”及類似表述應(yīng)被理解為實(shí)質(zhì)上限制在所述方向上的移動(dòng)，并且與約束定義中的技術(shù)和幾何限制所允許的內(nèi)容相兼容。因此，所提及的表述不能被理解為與在禁止方向上可能的雜散移動(dòng)的存在相矛盾，它們相對(duì)于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的振動(dòng)所限定的載波可能處于干擾信號(hào)的來源，但是這些移動(dòng)僅是理想地被彈性元件的特定配置和在這些方向上實(shí)際上剛性的約束所阻止。
[0036]換能質(zhì)量塊8被彈性地約束到驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊7，并且可相對(duì)于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊在換能方向D2上移動(dòng)。
[0037]換能質(zhì)量塊8與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊7的彈性連接通過彈性懸置元件13來獲得，彈性懸置元件13被配置為使得換能質(zhì)量塊8相對(duì)于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊7能夠在換能方向D2上振動(dòng)并且防止換能質(zhì)量塊8相對(duì)于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊7的其他相對(duì)移動(dòng)，尤其是在驅(qū)動(dòng)方向Dl上的移動(dòng)。相反，由于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊7的拉伸動(dòng)作和彈性懸置元件13施加的約束，相對(duì)于襯底2，換能質(zhì)量塊8既可在換能方向D2上也可在驅(qū)動(dòng)方向Dl上移動(dòng)。
[0038]可動(dòng)感測(cè)結(jié)構(gòu)10包括支架15和可動(dòng)感測(cè)電極的集合16a，可動(dòng)感測(cè)電極16a由支架15支撐并且平行于驅(qū)動(dòng)方向Dl延伸。支架15彈性地受換能質(zhì)量塊8和襯底2約束。相對(duì)于襯底2，支架15可在換能方向D2上移動(dòng);相對(duì)于換能質(zhì)量塊8，支架15可在驅(qū)動(dòng)方向Dl上移動(dòng)。
[0039]支架15與襯底2的彈性連接通過彈性懸置元件18來獲得，彈性懸置元件18被配置為使得支架15相對(duì)于襯底2能夠在換能方向D2上振動(dòng)并且防止支架15相對(duì)于襯底2的其他移動(dòng)，尤其是在驅(qū)動(dòng)方向Dl上的移動(dòng)。
[0040]支架15通過彈性連接元件20耦合到換能質(zhì)量塊8，彈性連接元件20被配置為防止在換能方向D2上換能質(zhì)量塊8與支架15之間的相對(duì)移動(dòng)。相反，彈性連接元件20使得換能質(zhì)量塊8與支架15之間能夠進(jìn)行其他相對(duì)移動(dòng)。特別地，允許在驅(qū)動(dòng)方向DI上的平移振動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)振動(dòng)。因此，換能質(zhì)量塊8在換能方向D2上的移動(dòng)基本上上以剛性的方式傳遞，而在驅(qū)動(dòng)方向上的平移運(yùn)動(dòng)和換能質(zhì)量塊的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)至少部分地由彈性連接元件20所補(bǔ)償。由于彈性連接元件20允許支架15與換能質(zhì)量塊8之間在驅(qū)動(dòng)方向Dl上的位移，如已經(jīng)描述的，支架15可以被約束到襯底2，由于作用于換能質(zhì)量塊8的科里奧利力因而不用抵消有用的平移分量。如果僅有換能質(zhì)量塊8與可動(dòng)感測(cè)結(jié)構(gòu)10之間的剛性連接，這將是不可能實(shí)現(xiàn)的。
[O O41 ]可動(dòng)感測(cè)結(jié)構(gòu)1電容親合到定子感測(cè)結(jié)構(gòu)3 O，定子感測(cè)結(jié)構(gòu)3 O包括固定到襯底2并且在驅(qū)動(dòng)方向Dl上延伸的定子感測(cè)電極16b。特別地，可動(dòng)感測(cè)電極16a和定子感測(cè)電極16b根據(jù)“平行板”機(jī)制耦合并且根據(jù)在換能方向D2上可動(dòng)感測(cè)結(jié)構(gòu)10相對(duì)于襯底2的位置來限定具有電容變量的電容器。
[0042]如所提及的，在使用中，控制設(shè)備4保持驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊7在驅(qū)動(dòng)方向Dl上以受控的頻率和幅度振動(dòng)。彈性懸置元件13使得驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊和換能質(zhì)量塊8僅能夠在換能方向D2上相對(duì)移動(dòng)，由于彈性懸置元件13的連接，換能質(zhì)量塊8被驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊7在驅(qū)動(dòng)方向Dl上的移動(dòng)中拉動(dòng)。當(dāng)襯底2繞陀螺軸G垂直于驅(qū)動(dòng)方向Dl向換能方向D2轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，換能質(zhì)量塊8受到換能方向D2上的科里奧利力。因而換能質(zhì)量塊8在換能方向D2上振動(dòng)，振動(dòng)的幅度取決于驅(qū)動(dòng)方向Dl上的線性拉動(dòng)速度，并且以襯底2繞陀螺軸G的角速率振動(dòng)。彈性懸置元件11的缺陷導(dǎo)致的雜散位移可能會(huì)由于科里奧利力疊加到位移上。雜散位移引起的分量在與載波相同的頻率上變化，但相對(duì)于科里奧利力項(xiàng)相移90°，這是因?yàn)樵摲至咳Q于驅(qū)動(dòng)方向Dl上的位置而不是速度。由于允許僅在驅(qū)動(dòng)方向Dl上的相對(duì)平移運(yùn)動(dòng)的彈性連接元件20，換能質(zhì)量塊8在換能方向D2上的總平移被傳遞給可動(dòng)感測(cè)結(jié)構(gòu)10。
[0043]然而約束缺陷的作用，尤其是連接驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊7到襯底2的彈性懸置元件11的約束缺陷的作用，被以比科里奧利力的貢獻(xiàn)小得多的程度轉(zhuǎn)移到可動(dòng)感測(cè)結(jié)構(gòu)10。由此，由于換能方向D2上的驅(qū)動(dòng)缺陷所致的對(duì)換能質(zhì)量塊8和感測(cè)質(zhì)量塊10兩者的貢獻(xiàn)被驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊7與換能質(zhì)量塊8之間的彈性懸置元件13和可動(dòng)感測(cè)結(jié)構(gòu)10與襯底2之間的彈性懸置元件18，以及換能質(zhì)量塊8與支架15之間的彈性連接元件20所衰減。特別地，彈性連接元件20還能夠減弱雜散旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，雜散旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊7傳遞給換能質(zhì)量塊8，其并不能由彈性懸置元件13完全補(bǔ)償。相反，來自于換能質(zhì)量塊8的在換能方向D2上的科里奧利力產(chǎn)生的貢獻(xiàn)直接得到提升，并且由彈性連接元件20無衰減地傳遞，彈性連接元件20能夠在方向D2上產(chǎn)生基本上剛性的耦合，這個(gè)貢獻(xiàn)受到彈性懸置元件13和彈性懸置元件18的動(dòng)作的影響，并且隨后以無衰減的方式傳遞給感測(cè)質(zhì)量塊10。驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊7上的科里奧利力替代地被彈性懸置元件11完全平衡。
[0044]相對(duì)于對(duì)角速率檢測(cè)有用的貢獻(xiàn)，雜散貢獻(xiàn)的權(quán)重因而被減弱，相應(yīng)地信噪比得到了提升。
[0045]圖3示出了本實(shí)用新型不同的實(shí)施例。在這種情形下，除了控制設(shè)備和讀取設(shè)備(未示出)之外，微機(jī)電陀螺儀100還包括襯底102和微結(jié)構(gòu)103。
[0046]微結(jié)構(gòu)103包括兩個(gè)致動(dòng)質(zhì)量塊106、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊107、兩個(gè)換能質(zhì)量塊108以及四個(gè)可動(dòng)感測(cè)結(jié)構(gòu)110，它們?nèi)筷P(guān)于中心錨固109對(duì)稱地布置。
[0047]更具體地，致動(dòng)質(zhì)量塊106相對(duì)于中心銷固109被對(duì)稱地布置并且在致動(dòng)方向上對(duì)齊。致動(dòng)質(zhì)量塊106彈性地耦合到襯底102以用于在固定的致動(dòng)方向上振動(dòng)。到襯底102的連接通過彈性元件111來獲得以用于連接至相應(yīng)的外端。通過彈性連接元件112和橋113，兩個(gè)致動(dòng)質(zhì)量塊106進(jìn)一步耦合在一起，其依次連接到中心錨固109。橋113由圍繞中心錨固的支架限定并且連接到錨固以能夠相對(duì)于兩個(gè)垂直軸在平面外振動(dòng)。
[0048]致動(dòng)質(zhì)量塊106被配置有相應(yīng)的可動(dòng)致動(dòng)電極的集合115a，可動(dòng)致動(dòng)電極115a以梳齒狀配置電容耦合到固定到襯底2上的定子致動(dòng)電極115b。控制設(shè)備(未示出)使用可動(dòng)致動(dòng)電極115a和定子致動(dòng)電極115b，來保持致動(dòng)質(zhì)量塊106相對(duì)于致動(dòng)方向以受控的頻率和幅度以及例如共同的相移進(jìn)行振動(dòng)。
[0049]驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊107相對(duì)于中心錨固109被對(duì)稱地布置并且在垂直于致動(dòng)方向的驅(qū)動(dòng)方向D1’上對(duì)齊。驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊107彈性地耦合到襯底102和致動(dòng)質(zhì)量塊106以用于在驅(qū)動(dòng)方向DI，上振動(dòng)。特別地，每個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊107通過相應(yīng)的彈性懸置元件117親合到兩個(gè)致動(dòng)質(zhì)量塊106，彈性懸置元件117被配置為將致動(dòng)質(zhì)量塊106在致動(dòng)方向上的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊107在驅(qū)動(dòng)方向D1’上的運(yùn)動(dòng)。致動(dòng)質(zhì)量塊106在致動(dòng)方向上的共同相移的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊107在驅(qū)動(dòng)方向D1’上的相應(yīng)的共同相移的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
[0050]驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊107進(jìn)一步通過彈性懸置元件118耦合到襯底10以及通過彈性連接元件120耦合到橋113。彈性懸置元件118和彈性連接元件120被配置為防止驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊107橫向于驅(qū)動(dòng)方向D1’的移動(dòng)。
[0051]每個(gè)換能質(zhì)量塊108通過彈性連接元件121彈性地耦合到驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊107中的相應(yīng)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊。換能質(zhì)量塊108關(guān)于中心錨固109對(duì)稱布置。彈性連接元件121被配置為使得換能質(zhì)量塊108能夠相對(duì)于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊107在垂直于驅(qū)動(dòng)方向D1’的換能方向D2’上相對(duì)移動(dòng)，以及防止換能質(zhì)量塊108相對(duì)于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊107在驅(qū)動(dòng)方向D1’上相對(duì)移動(dòng)(在一個(gè)實(shí)施例中，換能方向D2’平行于致動(dòng)方向)。
[0052]耦合到每個(gè)換能質(zhì)量塊108的是相對(duì)于換能方向D2’在相對(duì)側(cè)上的兩個(gè)相應(yīng)的可動(dòng)感測(cè)結(jié)構(gòu)110。
[0053]每個(gè)可動(dòng)感測(cè)結(jié)構(gòu)110包括支架115和可動(dòng)感測(cè)電極的集合126a，相應(yīng)的支架115支撐可動(dòng)感測(cè)電極的集合126a。支架115彈性地約束到相應(yīng)的換能質(zhì)量塊108和襯底102，并且可相對(duì)于襯底在換能方向D2’上以及相對(duì)于相應(yīng)的換能質(zhì)量塊108在驅(qū)動(dòng)方向D1’上移動(dòng)。
[0054]支架115到襯底102的彈性連接通過彈性懸置元件128來獲得，彈性懸置元件128被配置為使得支架115能夠相對(duì)于襯底102在換能方向D2 ’上振動(dòng)，并且防止支架115相對(duì)于襯底102在驅(qū)動(dòng)方向D1’上的移動(dòng)。
[0055]支架115到相應(yīng)的換能質(zhì)量塊108的彈性連接通過彈性懸置元件129來獲得，彈性懸置元件129被配置為使得換能質(zhì)量塊108能夠相對(duì)于相應(yīng)的支架115在驅(qū)動(dòng)方向D1’上振動(dòng)，并且防止支架115與相應(yīng)的換能質(zhì)量塊108之間在換能方向D2’上的相對(duì)移動(dòng)。
[0056]可動(dòng)感測(cè)結(jié)構(gòu)110電容親合至相應(yīng)的定子感測(cè)結(jié)構(gòu)130，該定子感測(cè)結(jié)構(gòu)130包括固定到襯底102的相應(yīng)的定子感測(cè)電極的集合126b。特別地，可動(dòng)感測(cè)電極126a和定子感測(cè)電極126b根據(jù)平行板機(jī)制耦合并并且根據(jù)在換能方向D2’上可動(dòng)感測(cè)結(jié)構(gòu)110相對(duì)于襯底102的位置來限定具有電容變量的電容器。
[0057]在所述的實(shí)施例中，致動(dòng)質(zhì)量塊106和驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊107可以被約束到襯底102，使得相應(yīng)的平面外的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被允許。實(shí)際中，致動(dòng)質(zhì)量塊106和驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊107的彈性連接元件可被配置為實(shí)現(xiàn)繞平行于驅(qū)動(dòng)方向D1’(對(duì)于致動(dòng)質(zhì)量塊106)或換能方向D2’(對(duì)于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊107)的相應(yīng)軸的旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，致動(dòng)質(zhì)量塊106和驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊107可被電容耦合到被布置在襯底102的相應(yīng)部分上的電極(未示出)。這使得提供多軸陀螺儀成為可能，其還可以檢測(cè)襯底102還相對(duì)于平行于驅(qū)動(dòng)方向D1’或換能方向D2’(實(shí)際中，平行于襯底102的表面)的軸的旋轉(zhuǎn)。
[0058]同樣在這種情況下，換能質(zhì)量塊108和可動(dòng)感測(cè)結(jié)構(gòu)110與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊107分離，并且被耦合以用于妨礙雜散移動(dòng)(由于約束缺陷所致)到感測(cè)結(jié)構(gòu)的傳遞。實(shí)際中，支架115與襯底102之間的彈性懸置元件128以及換能質(zhì)量塊108與相應(yīng)的支架115之間的彈性懸置元件129希望有該結(jié)果。
[0059]圖4中示出根據(jù)本公開的實(shí)施例的電子系統(tǒng)200的一部分。系統(tǒng)200并入機(jī)電變換器I，并且可以被用在諸如可能具有無線連接能力的筆記本電腦或平板電腦、蜂窩電話、智能電話、消息收發(fā)設(shè)備、數(shù)字音樂播放器、數(shù)碼相機(jī)之類的設(shè)備或其他設(shè)計(jì)為處理、存儲(chǔ)、發(fā)送或接收信息的設(shè)備中。特別地，電聲變換器I可被用于執(zhí)行語音控制功能，例如在計(jì)算機(jī)的動(dòng)作激活的用戶接口中或視頻游戲的控制臺(tái)或衛(wèi)星導(dǎo)航裝置中。
[0060]電子系統(tǒng)200可包括控制單元210、輸入輸出(I/O)設(shè)備220(例如，鍵盤或顯示屏)、陀螺儀100、無線接口 240和易失性或非易失性類型的存儲(chǔ)器260，其通過總線250偶合在一起。在一個(gè)實(shí)施例中，電池280可被用于為系統(tǒng)200供電。應(yīng)該注意的是，本公開的范圍并不限于必定具有一個(gè)或所有列出設(shè)備的實(shí)施例。
[0061 ] 控制單元210可包括例如一個(gè)或多個(gè)微處理器、微控制器類似設(shè)備。
[0062]I/O設(shè)備220可被用于生成消息。系統(tǒng)200可使用無線接口 240來發(fā)送消息至具有射頻(RF)信號(hào)的無線通信系統(tǒng)或接收來自于該系統(tǒng)的消息。無線接口的示例可包括天線、無線收發(fā)器，例如偶極子天線，盡管本公開的范圍并不限于此。進(jìn)一步地，I/O設(shè)備220可提供表示存儲(chǔ)的內(nèi)容是以數(shù)字輸出形式(如果已經(jīng)存儲(chǔ)了數(shù)字信息)或以模擬信息形式(如果已經(jīng)存儲(chǔ)了模擬信息)的電壓。
[0063]上面描述的不同實(shí)施例可被組合以提供進(jìn)一步的實(shí)施例?？梢愿鶕?jù)上面的詳細(xì)描述對(duì)實(shí)施例做這些或其他改變。一般而言，在隨后的權(quán)利要求中，使用的術(shù)語應(yīng)不被解釋為限制權(quán)利要求為在說明書和權(quán)利要求中所公開的具體實(shí)施例，而應(yīng)該被解釋為包括所有可能的實(shí)施例連同權(quán)利要求所要求保護(hù)的等同的全部范圍。相應(yīng)地，權(quán)利要求并不限于本公開內(nèi)容。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種微機(jī)電陀螺儀，其特征在于包括: 襯底； 固定到所述襯底的定子感測(cè)結(jié)構(gòu)； 第一質(zhì)量塊，其被彈性地耦合到所述襯底并且能夠相對(duì)于所述襯底在第一方向上移動(dòng)； 第二質(zhì)量塊，其被彈性地耦合到所述第一質(zhì)量塊并且能夠相對(duì)于所述第一質(zhì)量塊在第二方向上移動(dòng)；以及 第三質(zhì)量塊，所述第三質(zhì)量塊按照使得所述第三質(zhì)量塊能夠相對(duì)于所述第二質(zhì)量塊在所述第一方向上移動(dòng)的方式而被彈性地耦合到所述第二質(zhì)量塊，并且所述第三質(zhì)量塊按照使得所述第三質(zhì)量塊能夠相對(duì)于所述襯底在所述第二方向上移動(dòng)的方式而被彈性耦合到所述襯底;所述第三質(zhì)量塊被電容耦合到所述定子感測(cè)結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其特征在于包括所在述襯底與所述第三質(zhì)量塊之間的第一彈性元件，所述第一彈性元件被配置為使得所述第三質(zhì)量塊能夠相對(duì)于所述襯底在所述第二方向上移動(dòng)并且防止所述第三質(zhì)量塊相對(duì)于所述襯底在所述第一方向上的移動(dòng)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的陀螺儀，其特征在于包括在所述第三質(zhì)量塊與所述第二質(zhì)量塊之間的第二彈性元件，所述第二彈性元件被配置為使得所述第三質(zhì)量塊能夠相對(duì)于所述第二質(zhì)量塊在所述第一方向上移動(dòng)并且防止所述第三質(zhì)量塊相對(duì)于所述第二質(zhì)量塊在所述第二方向上的移動(dòng)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的陀螺儀，其特征在于包括在所述襯底與所述第一質(zhì)量塊之間的第三彈性元件，所述第三彈性元件被配置為使得所述第一質(zhì)量塊能夠相對(duì)于所述襯底在所述第一方向上移動(dòng)并且防止所述第一質(zhì)量塊相對(duì)于所述襯底在所述第二方向上的移動(dòng)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的陀螺儀，其特征在于包括在所述第一質(zhì)量塊與所述第二質(zhì)量塊之間的第四彈性元件，所述第四彈性元件被配置為使得所述第二質(zhì)量塊能夠相對(duì)于所述第一質(zhì)量塊在所述第二方向上移動(dòng)并且防止所述第二質(zhì)量塊相對(duì)于所述第一質(zhì)量塊在所述第一方向上的移動(dòng)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其特征在于，所述第三質(zhì)量塊被耦合到所述定子感測(cè)結(jié)構(gòu)，使得所述第三質(zhì)量塊與所述定子感測(cè)結(jié)構(gòu)之間的電容由所述第三質(zhì)量塊相對(duì)于所述襯底的位置來確定。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其特征在于: 所述第三質(zhì)量塊包括被彈性地耦合到所述第二質(zhì)量塊和可動(dòng)感測(cè)電極的集合的支撐兀件;并且 所述定子感測(cè)結(jié)構(gòu)包括固定到所述襯底并且被電容親合到相應(yīng)的可動(dòng)感測(cè)電極的定子感測(cè)電極的集合。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其特征在于包括: 固定到所述第一質(zhì)量塊的可動(dòng)驅(qū)動(dòng)電極；以及 固定到所述襯底并且被電容耦合到相應(yīng)的可動(dòng)驅(qū)動(dòng)電極的定子驅(qū)動(dòng)電極。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其特征在于，所述第一質(zhì)量塊是多個(gè)第一質(zhì)量塊的一個(gè)，每個(gè)第一質(zhì)量塊被彈性地耦合到所述襯底，所述第一質(zhì)量塊相對(duì)于中心錨固對(duì)稱地被布置并且在所述第一方向上對(duì)齊。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的陀螺儀，其特征在于包括多個(gè)第四質(zhì)量塊，每個(gè)第四質(zhì)量塊被彈性地耦合到所述襯底，其中: 所述多個(gè)第四質(zhì)量塊相對(duì)于所述中心錨固對(duì)稱地被布置并且在垂直于所述第一方向的致動(dòng)方向上對(duì)齊； 每個(gè)第一質(zhì)量塊通過相應(yīng)的另外的彈性懸置元件被耦合至每個(gè)所述第四質(zhì)量塊，每個(gè)第一質(zhì)量塊被配置為將所述第四質(zhì)量塊在所述致動(dòng)方向上的移動(dòng)轉(zhuǎn)換為所述第一質(zhì)量塊在所述第一方向上的移動(dòng)。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的陀螺儀，其特征在于，所述第一質(zhì)量塊和所述第四質(zhì)量塊通過橋被耦合到所述中心錨固，所述橋由圍繞所述中心錨固的支架限定并且被耦合到所述中心錨固，所述橋被配置為在平面外振動(dòng)。12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的陀螺儀，其特征在于，所述第二質(zhì)量塊是多個(gè)第二質(zhì)量塊的一個(gè)，每個(gè)第二質(zhì)量塊被彈性地耦合到所述第一質(zhì)量塊中的相應(yīng)的第一質(zhì)量塊并且相對(duì)于所述中心銷固對(duì)稱地被布置。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的陀螺儀，其特征在于包括，對(duì)于每個(gè)第二質(zhì)量塊，兩個(gè)相應(yīng)的第三質(zhì)量塊相對(duì)于所述第二方向位于相對(duì)側(cè)。14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺儀，其特征在于，所述第二方向垂直于所述第一方向。15.一種電子系統(tǒng)，其特征在于包括: 微機(jī)電陀螺儀，所述微機(jī)電陀螺儀包括: 襯底； 固定到所述襯底的定子感測(cè)結(jié)構(gòu)； 第一質(zhì)量塊，其被彈性地耦合到所述襯底并且能夠相對(duì)于所述襯底在第一方向上移動(dòng)； 第二質(zhì)量塊，其被彈性地耦合到所述第一質(zhì)量塊并且能夠相對(duì)于所述第一質(zhì)量塊在第二方向上移動(dòng)； 被耦合到所述第二質(zhì)量塊的第一彈性元件； 被耦合到所述襯底的第二彈性元件；以及 第三質(zhì)量塊，通過所述第一彈性元件被耦合到所述第二質(zhì)量塊以使得所述第三質(zhì)量塊能夠在所述第一方向上移動(dòng)而同時(shí)防止在所述第二方向上的移動(dòng)，所述第三質(zhì)量塊通過所述第二彈性元件被彈性地耦合到所述襯底以使得能夠在所述第二方向上移動(dòng)而同時(shí)防止在所述第一方向上的移動(dòng)，所述第三質(zhì)量塊被電容耦合到所述定子感測(cè)結(jié)構(gòu)；以及 被耦合到所述陀螺儀的控制單元。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電子系統(tǒng)，其特征在于，所述電子系統(tǒng)是筆記本電腦、平板電腦、蜂窩電話、智能電話、消息收發(fā)設(shè)備、數(shù)字音樂播放器和數(shù)碼相機(jī)中的至少一個(gè)。17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電子系統(tǒng)，其特征在于，所述第一質(zhì)量塊是多個(gè)第一質(zhì)量塊中的一個(gè)，每個(gè)第一質(zhì)量塊被彈性地耦合到所述襯底，所述多個(gè)第一質(zhì)量塊相對(duì)于中心錨固對(duì)稱地被布置并且在所述第一方向上對(duì)齊。
【文檔編號(hào)】G01C19/5684GK205593534SQ201520975866
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2015年11月30日
【發(fā)明人】D·普拉蒂, C·瓦爾扎希納, L·G·法羅尼, M·F·布魯內(nèi)托
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