專利名稱：利用靜電耦合的微加工振動陀螺儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體屬于慣性傳感器及其類似物，尤其涉及微加工振動陀螺儀。
背景技術：
振動陀螺儀通過檢測由陀螺儀繞靈敏軸的旋轉引起的科里奧利移動(Coriolis-induced motion)而工作。當驅動塊沿給定軸振動、并繞垂直于振動軸的軸旋轉時，沿垂直于振動軸和旋轉軸的響應軸在所述塊上產生并施加科里奧利力。通過檢測由科里奧利力引起的所述塊沿響應軸的移動變化，可以測量旋轉速度。
由于科里奧利力與速度成比例，振動塊上的科里奧利力與所述塊的速度同相。任何沿振動的主軸或驅動軸的移動與響應軸的不希望的耦合會引起所述塊沿響應軸的寄生移動。這種不希望的耦合通常與所述塊的位移而不是速度同相，通常將其稱為正交誤差。
檢測由科里奧利力引起的塊的移動變化的一種方法是電容性檢測，其通常包括固定電極和可移動電極。在這種裝置中，重要的是在不施加旋轉的情況下最小化可移動電極的移動，即任何不是由科里奧利力引起的沿響應軸的塊移動。另外，會出現(xiàn)不希望的正交信號，其與速度信號的頻率相同，但是相位移動了90度。該正交信號被疊加到希望的輸出信號中。盡管可以例如利用相位靈敏解調電子地排除部分正交信號，但仍然容易降低陀螺儀的性能。
振動陀螺儀的另一個誤差源對線性加速度靈敏，會移動所述塊并產生不希望的輸出。
當在特定應用中將陀螺儀安裝在支撐上時，振動塊的任何不平衡動量會導致將部分驅動能量注入所述支撐，并且可能然后將所述能量耦合回裝置。這種方式的能量回饋可能導致偏移誤差，并使裝置的性能對安裝條件靈敏。
在現(xiàn)有技術的微加工振動陀螺儀中，通常以機械方法將振動塊耦合在一起。這種耦合對于確保所述塊以相同的諧振頻率振動是重要的。未耦合的塊容易產生不同的諧振頻率，不益于傳感器的實用性。
盡管機械耦合確實能確保所述塊以單一的諧振頻率振動，但是這種耦合仍具有一定的限制和缺陷。例如，它們的尺寸容易隨制造公差變化，從而將導致耦合程度的變化。另外，其中的多種機械耦合采用折疊梁設計，這增加了需要的基板面積和裝置尺寸。此外，耦合程度由耦合結構的固定的機械性能確定，因而是不可調的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種新的改良的微加工振動陀螺儀。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有上述特征的陀螺儀，其在振動塊之間不需要機械耦合。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有上述特征的陀螺儀，其中靜電耦合振動塊。
根據(jù)本發(fā)明，通過提供這樣的微加工振動陀螺儀實現(xiàn)了這些和其它目的，在所述陀螺儀中例如通過平行板電容器靜電耦合振動塊。這種耦合可用于塊自身之間，也可用于塊與其它用于檢測對旋轉的響應的體之間。這種類型的耦合相比機械耦合不易于改變，并可以在需要時通過改變偏壓進行調節(jié)。


圖1-6是粗略示意性地示出引入本發(fā)明的微加工振動陀螺儀的不同實施例的俯視平面圖。
具體實施例方式
在圖1所示實施例中，兩個塊利用靜電力直接耦合在一起，該靜電力隨所述兩個塊的相對位置而變化。耦合電容器是不對稱的，其電容量在所述塊相互靠攏時增加，在它們相互遠離時減少。
在本實施例中，通過梁105-108和109-112分別懸置塊101、102，其中將每個梁的一端固定在基板上。每個梁呈L形，其臂在x和y方向上延伸。這種懸置結構允許塊101、102可以在x軸和y軸方向移動。塊101優(yōu)選與塊102相匹配，梁105-108優(yōu)選與梁109-112相匹配。
板103、104平行相間地連接塊101、102，并構成電容器的電極或極板。當施加電壓時，所述極板之間的靜電力隨所述塊101、102沿x軸方向的相對位置而變化?？梢詫⒃摿茷閮蓚€塊之間的具有負彈簧常數(shù)的彈簧。
當驅動塊101、102沿x軸同相振動時，其諧振頻率由梁105-108和109-112的彈簧常數(shù)確定。當驅動塊101、102沿x軸以反相模式振動時，兩個塊交替地彼此靠近和遠離，從而改變它們的相對位置。在這種情況下，諧振頻率不僅僅由梁的彈簧常數(shù)確定，還由施加在兩個塊之間的靜電力導致的負彈簧常數(shù)確定。這樣，通過在兩個塊之間施加電壓差，可以調整x方向上的反相模式的諧振頻率，并可以將其與x方向上的同相模式的諧振頻率分開。
圖1a所示的實施例與圖1的實施例類似，區(qū)別在于耦合電容器是對稱的，其中對于塊的相互靠近和遠離的相等的移動，電容量的變化也近似相等。
如同在圖1所示的實施例中，電容器兩極板之間的吸引力在塊相互靠近時增大，并且除了在任一移動方向提供相等的電容量變化之外，對稱電容器還產生電容量與塊的位移之間的更加線性的關系。
可選地是，還可以將圖1和1a所示實施例中的梁調整為允許沿z軸方向移動，而不沿y軸方向移動。科里奧利移動也將被取向為沿z軸方向，而y軸將成為被檢測繞其的旋轉的輸入軸(input axis)。這樣，輸入軸位于裝置所在的平面內，而不是垂直于該平面。
圖1b所示的實施例同樣類似于圖1的實施例，但是增加了用于將所述兩個塊耦合在一起以沿y軸及x軸移動的裝置。該裝置包括沿x方向從所述塊延伸的極板103by、104by，其沿y軸方向隔開以形成靜電耦合電容器的極板，所述靜電耦合電容器將所述塊耦合在一起以沿y軸移動。如同圖1所示的實施例，極板103bx、104bx將兩個塊耦合在一起以沿x軸移動。
在圖2所示的實施例中，塊201、202通過置于其間的第三個塊203被靜電耦合。塊201通過固定在兩個塊上的極板204、205與塊203耦合，其中極板204、205以隔開的、相對的方式設置，并且塊202通過極板206、207以類似的方式與塊203耦合。
通過梁208-211、212-215和216-217分別懸置塊201、202和203，其中每個梁的一端被固定在基板上。梁208-211和212-215呈L形，其臂在x和y方向延伸，從而允許塊201、202可以沿x方向和y方向移動。梁216、217只沿y方向延伸，并只允許塊203沿x方向移動。優(yōu)選的是，整個設計同時相對于關于結構中心的x軸和y軸對稱。
在塊201、203之間和塊202、203之間施加電壓。對于塊201、202在x方向上的反相諧振模式，諧振的總彈簧常數(shù)由梁208-211和212-215的彈簧常數(shù)、以及由電容器極板204、205和206、207施加的力的等效負彈簧常數(shù)確定。對于塊201、202在x方向上的同相諧振模式，梁216、217的彈簧常數(shù)也是總彈簧常數(shù)和諧振頻率的影響因素。從而，可以將反相模式諧振頻率與同相模式諧振頻率分開。
為了檢測圍繞位于裝置平面內的、而不是垂直于裝置平面的軸的旋轉，可以將梁208-215調整為允許沿z方向移動，并同時保持塊之間沿x軸的靜電耦合。從而，將科里奧利移動取向為沿z軸方向，而y軸成為被檢測繞其的旋轉的輸入軸。在該修改的實施例中，將用于檢測科里奧利移動的電極沿z軸設置在塊的上方和/或下方。
圖3所示的實施例類似于圖1所示的實施例，其中具有用于檢測對沿y軸的科里奧利移動的響應的電極313-316。如同圖1所示的實施例，將塊301和302、梁305-308和309-312、以及電容器極板303和304懸置在基板300上。將電極313-316安裝在基板上的固定位置，并將其在y方向上分布在塊的上方和下方。
當驅動塊301、302以反相模式在x方向上振動、并且裝置繞z軸旋轉時，在塊301、302上差動地產生科里奧利力，從而導致塊302在y方向差動地振動。通過由電極313-316與振動塊形成的電容器檢測這種移動，來測量轉速。
設置在塊的相對側的電極313-316與所述塊組成差動電容性檢測器。所述差動檢測有利于消除來自線性加速度的干擾，因為該干擾被看作共模信號而不是差動信號。
如圖3所示，其中的實施例通過檢測沿y軸的移動而對繞z軸的旋轉靈敏。如果需要，也可以將該實施例調整為檢測繞y軸的旋轉，在這種情況下，將電容器極板313-316沿z軸方向設置在塊的上方和/或下方。
圖3a所示的實施例與圖1b和圖3中的實施例類似，其中電容器極板303ax、304ax提供塊301a、302a之間的用于沿x方向的移動的耦合，極板303ay、304ay提供用于沿y方向的移動的耦合，以及極板313a-316a與所述塊形成電容器，用于檢測塊沿y方向的移動。
圖4示出了另一個實施例，其中兩個塊通過置于其間的第三個塊被靜電耦合在一起。在該實施例中，通過機械梁將由科里奧利力引起的沿y軸的移動的變化傳遞到可移動檢測元件，然后優(yōu)選使用電容性檢測器檢測該變化以測量轉速。在不存在由旋轉導致的科里奧利力的情況下，檢測元件相對靜止并且不受塊沿x軸的振動的影響，從而最小化正交誤差。
如同圖2所示的實施例，將塊401、402和403、電容器極板404、405和406、407、以及梁408-411、412-415和416、417懸置在基板400上。此外，檢測塊418、419通過梁420、421和422、423也被懸置在基板上、并通過梁424、425和426、427與塊401、402連接，以沿y方向移動。將固定的檢測元件428-431鄰近檢測塊地固定在基板上，并與檢測塊電容性耦合。
當驅動塊401、402以反相模式沿x方向振動、并且裝置繞z軸旋轉時，在塊401、402上差動地產生科里奧利力，從而導致所述塊在y方向上差動地振動。這種振動通過梁424、425和426、427傳遞到檢測塊418、419。由于梁420、421和422、423僅在x方向延伸，從而以這樣的方式保持所述檢測塊，使得它們最少地受到振動塊沿不存在科里奧利力的x方向上的振動的影響。檢測塊418、419的移動通過它們與電極板428-431之間的電容量的變化來檢測。
圖5示出了陀螺儀的另一個實施例，其中的兩個塊通過第三個塊靜電耦合在一起，并與可移動檢測元件耦合。如同前述實施例，將塊501、502和503、電容器極板504、505和506、507、以及梁508-511、512-515和516、517懸置在基板500上。
剛性矩形框形式的檢測元件或塊522通過梁523-526被懸置在基板上、并通過梁518、519和520、521被連接到塊501、502上。將固定的檢測元件527-530鄰近檢測塊地固定在基板上，并與檢測塊電容性耦合。
當驅動塊501、502以反相模式沿x方向振動、并且裝置繞z軸旋轉時，在塊501、502上差動地產生科里奧利力，并導致這些塊在y方向上差動地振動。通過梁518-521將該振動傳遞給檢測塊522。由于這些梁在y方向上延伸并在該方向上相對剛性，從而容易傳遞y方向上的移動，而沒有較大程度地將這些塊在x軸上的差動振動傳遞給所述檢測塊。
梁523-526使檢測塊避免受到塊501、502在不存在科里奧利力的x方向上的振動的影響。梁523-526還穩(wěn)固地保持塊522，并禁止其響應沿x和y軸的線性加速度的移動變化，但容易響應由科里奧利力引起的繞z軸的旋轉移動的任何變化。通過該塊與電極板527-530之間的電容量變化來檢測檢測塊522的移動。
圖6示出了具有剛性檢測元件或塊的另一實施例。在該實施例中，塊601、602通過極板603、604靜電耦合在一起，并被L形梁605-608和609-612懸置在基板600上。上述塊還通過極板613、614；615、616；617、618和619、620與圍繞的檢測塊621靜電耦合，該檢測塊具有剛性的矩形框架形式。通過梁622-625將所述檢測塊懸置在基板上，并將電極板626-629固定到基板上而與上述檢測塊電容性耦合，以檢測其移動。
當驅動塊601、602以反相模式沿x方向振動、并且裝置繞z軸旋轉時，在所述塊上差動地產生科里奧利力，從而導致這些塊在y方向上差動地振動。通過電極板613、614；615、616；617、618和619、620將該移動變化傳遞給檢測塊621。這些電極對形成平行板電容器，當在它們之間施加電壓時，每對極板之間的靜電力隨所述電極對在y方向上的相對位置變化。
梁622-625在沒有科里奧利力時保持塊621相對靜止，從而減小正交誤差。它們還穩(wěn)固地保持塊621，從而有效地阻止由沿x和y軸的線性加速度導致的移動變化，但仍然易于響應由科里奧利力引起的繞z軸的旋轉移動的變化。與前述實施例一樣，通過檢測塊621與電極板626-629之間的電容量變化來檢測檢測塊621的移動。
本發(fā)明具有許多重要的特征和優(yōu)點。所提供的微加工振動陀螺儀克服了現(xiàn)有技術中陀螺儀的缺陷，包括正交誤差、對線性加速度的靈敏性、動量不平衡、以及機械耦合效果。
通過耦合兩個塊并以反相模式驅動它們來平衡驅動動量，可以實現(xiàn)對動量不平衡的消除。所述耦合通過靜電力實現(xiàn)，所述靜電力隨兩個塊的相對位置而變化?？梢詫⒃撿o電力直接施加在兩個塊之間，或通過兩個驅動塊之間的一個或多個中間塊來施加。
由于通過反相模式驅動兩個塊，在兩個塊上的科里奧利力呈相反方向，從而可以差動地檢測輸出信號。線性加速度的效果被看作共模干擾，并可以被用于處理信號的電子設備排除。從而可以極大地減小對線性加速度的靈敏性。
在一些實施例中，通過機械梁和/或靜電力將由科里奧利力引起的振動塊的移動變化傳遞到一個或多個其它體(即檢測塊)，所述靜電力隨被驅動的塊與檢測塊之間的相對位置而變化。這樣懸置檢測塊，使得它們在沒有科里奧利力時相對靜止，從而極大地減小了正交誤差。
上述懸置檢測塊的方式還阻止它們響應沿x和y軸的線性加速度的移動變化，但允許它們易于響應由科里奧利力引起的沿響應軸(y軸)的差動移動。這種設計顯著降低了對線性加速度的靈敏性。
微加工陀螺儀被制造在平面基板上，其中通過靜電力耦合兩個振動塊，所述靜電力隨所述兩個塊的相對位置而變化。這種靜電力可以直接在兩個塊之間產生，或者可以通過一個或多個中間塊產生。對于反相諧振模式和同相諧振模式，所述耦合導致沿振動軸的諧振的不同諧振頻率。這種耦合技術可以易于擴展到具有多于兩個的塊的微加工振動陀螺儀。
通過機械梁和/或靜電力將科里奧利力引起的移動變化傳遞到一個或多個其它可移動塊或檢測體，所述靜電力隨所述振動塊與檢測塊之間的相對位置而變化。
這樣懸置檢測塊，使得在沒有科里奧利力時將其保持為相對靜止，并使其不受振動塊沿振動軸的振動的影響。
上述懸置檢測塊的方式顯著阻止了其響應基板平面內的線性加速度的移動，但允許所述檢測塊易于響應由繞垂直于基板平面的軸的旋轉引起的移動變化。
塊之間的靜電耦合可以是對稱或不對稱的，并且既可以被沿檢測軸使用，也可以被沿驅動軸使用。
雖然該優(yōu)選實施例中的陀螺儀對繞z軸的旋轉靈敏，但是其驅動模式的靜電耦合也可適用于具有沿y軸的輸入軸的陀螺儀。
盡管本發(fā)明具體參考微加工陀螺儀進行了描述，可以理解，它還可以等效地適用于將振動塊靜電耦合在一起的其它裝置。
從上文顯然可知，本發(fā)明提供了一種新型的、改進的微加工振動陀螺儀。對于本領域技術人員顯然的是，盡管本文只詳細描述了特定的目前優(yōu)選的實施例，但是，在不偏離由所附權利要求書限定的本發(fā)明的范圍的情況下，還可以進行特定變化和修改。
權利要求
1.一種微加工振動陀螺儀，包括第一和第二塊，其被以這樣的方式安裝，使得允許沿第一軸的反相振動移動、和響應由繞第三軸的旋轉產生的科里奧利力的沿第二軸的差動移動；以及用于通過靜電力將所述塊耦合在一起的裝置，所述靜電力隨所述塊的相對位置而變化。
2.如權利要求1所述的微加工振動陀螺儀，其中所述靜電耦合力被取向為沿所述第一軸，使得所述塊沿所述第一軸的反相移動和同相移動具有不同的諧振頻率。
3.如權利要求1所述的微加工振動陀螺儀，其中所述塊被同時沿所述第一軸和所述第二軸靜電耦合，使得所述塊沿所述第一和第二軸中的每個的反相移動和同相移動具有不同的諧振頻率。
4.如權利要求1所述的微加工振動陀螺儀，其中所述用于將所述塊耦合在一起的裝置包括多個與所述塊連接以與所述塊一致移動的平行極板。
5.如權利要求4所述的微加工振動陀螺儀，其中連接所述第一塊的極板被等距地隔開在連接所述第二塊的極板之間，使得所述塊相互靠近和遠離的移動產生基本相等的靜電力。
6.如權利要求1所述的微加工振動陀螺儀，其中用于將所述塊耦合在一起的裝置包括被靜電耦合在所述第一和第二塊之間的第三塊。
7.如權利要求1所述的微加工振動陀螺儀，還包括多個傳感器，其與所述第一和第二塊電容性耦合，以監(jiān)測所述塊沿所述第二軸的移動。
8.如權利要求1所述的微加工振動陀螺儀，還包括與所述第一和第二塊耦合的檢測元件、以及與所述檢測元件電容性耦合的多個傳感器，以監(jiān)測所述塊沿所述第二軸的移動。
9.如權利要求8所述的微加工振動陀螺儀，其中所述檢測元件與所述塊靜電耦合。
10.如權利要求1所述的微加工振動陀螺儀，其中所述塊被懸置在平面基板上，所述第一和第二軸位于平行于所述基板的平面內，所述第三軸垂直于所述基板。
11.如權利要求1所述的微加工振動陀螺儀，其中所述塊被懸置在平面基板上，所述第一和第三軸位于平行于所述基板的平面內，所述第二軸垂直于所述基板。
12.一種微加工速度傳感器，包括被靜電耦合在一起的第一和第二塊，其被以這樣的方式安裝，使得允許沿第一軸的反相振動移動、以及響應由繞第三軸的旋轉產生的科里奧利力的沿第二軸的差動移動。
13.如權利要求12所述的微加工速度傳感器，其中所述第一和第二塊通過靜電力相互耦合，所述靜電力隨所述塊的相對位置而變化。
14.如權利要求12所述的微加工速度傳感器，其中所述靜電耦合力被取向為沿所述第一軸，使得所述塊沿所述第一軸的反相移動和同相移動具有不同的諧振頻率。
15.如權利要求12所述的微加工速度傳感器，其中所述塊被同時沿所述第一軸和所述第二軸靜電耦合，使得所述塊沿所述第一和第二軸中的每個的反相移動和同相移動具有不同的諧振頻率。
16.如權利要求12所述的微加工速度傳感器，還包括多個傳感器，其與所述第一和第二塊電容性耦合，以監(jiān)測所述塊沿所述第二軸的移動。
17.如權利要求12所述的微加工速度傳感器，還包括與所述第一和第二塊耦合的檢測元件、以及與所述檢測元件電容性耦合的多個傳感器，以監(jiān)測所述塊沿所述第二軸的移動。
18.如權利要求17所述的微加工速度傳感器，其中所述檢測元件與所述塊靜電耦合。
19.如權利要求17所述的微加工速度傳感器，其中所述檢測元件包括矩形框架，所述框架圍繞所述第一和第二塊并與其共面。
20.如權利要求12所述的微加工速度傳感器，其中所述第一和第二軸互相垂直并垂直于所述第三軸。
全文摘要
一種微加工振動陀螺儀，其具有兩個或多個被懸置在平面基板上的共面的可移動塊。將兩個垂直的軸(x和y)限定在基板平面內，而將第三軸，即z軸或輸入軸，限定為垂直于基板平面。所述兩個塊沿x軸的移動通過靜電耦合裝置耦合，使得沿x軸的同相模式和反相模式的諧振的固有諧振頻率互相分離。當驅動所述兩個塊以反相模式沿x軸振動、并且上述裝置繞z軸旋轉時，科里奧利力在Y方向上差動地作用于所述塊，導致所述兩個塊以反相模式沿y軸振動?？梢酝ㄟ^速度傳感器直接檢測沿y軸的反相振動，以測量繞z軸的旋轉的轉速。可選的是，可以將所述第一和第二體沿y軸的反相振動傳遞到其它可移動體(即速度檢測塊)，然后檢測所述可移動體的移動以測量繞z軸的旋轉的轉速。優(yōu)選以這種方式懸置所述檢測體，使得在沒有科里奧利力時，振動塊沿x軸的移動不影響檢測體。這阻止了所述檢測體響應基板平面內的線性加速度而移動，但允許這些體易于響應由科里奧利力引起的繞垂直于基板平面的軸的移動。
文檔編號G01C19/5684GK1802550SQ200480006120
公開日2006年7月12日 申請日期2004年3月3日 優(yōu)先權日2003年3月6日
發(fā)明者嚴海, R·布格哈特, B·哈特曼, K·卡普塞爾, M·羅斯 申請人:Bei科技公司, 康蒂-特米克微電子有限公司, 大陸-特韋斯貿易合伙股份公司及兩合公司