專利名稱：角速度測量方法和振動微機械角速度傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于測量角速度的測量裝置，更具體地，涉及振動微機 械角速度傳感器。本發(fā)明的目的是提供一種特別是在用于角速度傳感器 的小型振動微機械方案中，能夠以良好的性能實現(xiàn)可靠測量的改進的傳 感器結構。
背景技術：
基于振動角速度傳感器的測量已經證明是用于角速度測量的工作原 理簡單的可靠方法。在振動角速度傳感器中，某種已知的主運動被引發(fā)
并保持在傳感器中。于是，以主運動的偏差形式檢測要借助于傳感器測
量的期望運動。
在垂直于諧振器運動方向的方向上影響傳感器的外部角速度在測震
質量塊(Seismic mass)中垂直于測震質量塊運動方向的方向上引起科里奧 利力(Coriolis force)。例如，從質量塊的振動中以電容方式檢測與角速度 成比例的科里奧利力。
尤其在消費電子器件市場上，對極其廉價且小型的角速度傳感器有 著極大的需求。在這些應用中，諸如零點穩(wěn)定性或振動靈敏度等傳感器 的性能的重要性不大。
對于這些應用而言，目前市場上的硅微機械角速度傳感器過于龐大、 復雜且昂貴。僅用于獲得照相機中的光學圖片穩(wěn)定性的陶瓷或石英的小 型且便宜的角速度傳感器更接近這些應用中需要的尺寸目標或成本水 平。
然而，使用上述技術想要達到足夠的抗沖擊性以便元件落到堅硬表 面上時不被摔壞是極其困難的。下面，示例性地參照附圖對現(xiàn)有技術進行說明，在附圖中圖l示出 了現(xiàn)有技術的振動微機械角速度傳感器的功能結構的圖，并且圖2示出了 現(xiàn)有技術的普通角速度傳感器的模擬系統(tǒng)電子器件的框圖。
圖1示出了現(xiàn)有技術的振動微機械角速度傳感器的功能結構的圖。所 示的現(xiàn)有技術的振動微機械角速度傳感器包括質量塊l，該質量塊l借助
于彈簧4、 5在X軸方向上支撐于活動框架2處。另外，所述活動框架2借助 于彈簧6、 7在Y軸方向上支撐于支撐結構3處。
在圖示的現(xiàn)有技術的振動微機械角速度傳感器中，中間的質量塊l 和圍繞質量塊1的活動框架2被激發(fā)為作Y軸方向上的主運動，該主運動是 通過支撐于主體3處的彈簧6、 7實現(xiàn)的。檢測軸線垂直于主運動，所述檢 測軸線借助于質量塊1的彈性懸架4、 5在X軸方向上形成于活動框架2上。
當在主運動中振動的結構相對于垂直于表面xy平面的Z軸轉動時，主 運動中的質量塊1受到垂直于其運動方向的X軸方向上的科里奧利力。于 是，檢測彈簧4、 5不僅限定了阻尼，還限定了引起的檢測運動的振動的 振幅和相位。
現(xiàn)代角速度傳感器的測量電子器件相當復雜。在模擬電子器件的典 型實施方案中，即使在最簡單的情況下也需要多于十個的不同塊。
圖2示出了現(xiàn)有技術的普通角速度傳感器的系統(tǒng)電子器件的框圖。
在現(xiàn)有的角速度傳感器中，通過對與科里奧利信號同相的檢測諧振 器的信號進行解調，科里奧利信號的檢測被作為相敏振幅檢測而實現(xiàn)。
在專利公報US6,946,695中描述了一種現(xiàn)有技術的角速度傳感器。在 所述專利公報中，所描述的角速度傳感器的質量塊借助于薄膜對稱地彈 性懸掛于基板上。在用作彈簧的膜中，壓電元件由壓電薄膜形成，質量 塊借助于該壓電元件可被激發(fā)為作線性主運動，并且借助于該壓電元件 還可檢測所述主運動。此外，通過適當?shù)亩ㄎ?，在膜上形成有第三壓?元件，第三壓電元件的信號的相位將作為角速度的函數(shù)變化，由于科里 奧利力，所述第三壓電元件使主運動在垂直于主運動方向和外部角速度 方向的方向上偏移?，F(xiàn)有技術的專利公報清楚地描述了借助于壓電傳感器使用相移測量 角速度的原理。所描述的結構和方法是以壓電元件的定位為基礎的，因 而檢測角速度的第三元件檢測主運動和由角速度引起的次運動的和，所 述和的相位與待測量的角速度成比例。
然而，上述現(xiàn)有技術的結構不適用于要求良好抗振動性和抗沖擊性 的角速度傳感器。
于是，本發(fā)明的目的是提供一種用于振動角速度傳感器的結構，其 中，與現(xiàn)有技術的方案相比，該振動角速度傳感器的大部分測量電子器 件以更簡單的方式實現(xiàn)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種改進的振動角速度傳感器，特別是在用于 振動角速度傳感器的小型方案中，該改進的振動角速度傳感器能夠以良 好性能實現(xiàn)可靠的測量，并且在該改進的振動角速度傳感器中，與現(xiàn)有 技術的先前方案相比，該振動角速度傳感器的大部分測量電子器件能夠 以更簡單的方式實現(xiàn)。
根據本發(fā)明的第一方面，提供一種借助于振動微機械角速度傳感器 測量角速度的方法，所述角速度傳感器包括至少一個測震質量塊和與所 述質量塊關聯(lián)的活動電極，所述質量塊具有要被激發(fā)的主運動且除了所 述主運動之外還具有相對于幾乎垂直于所述主運動的檢測軸線的第二自 由度，并且所述質量塊借助于彈性結構被支撐于傳感器元件的框架處， 使得在所述方法中，借助于具有非正交的主軸和次軸的彈性懸架將所 述質量塊懸掛，這樣，在檢測諧振器中引起與所述主運動同相的測試激 發(fā)，并且借助于相位檢測器從所述主運動與次運動之間的相位差以相敏 方式檢測待測量的角速度。
優(yōu)選地，將所述主運動的信號和所述次運動的信號中的一者相移 90°。優(yōu)選地，對所述主運動的信號和所述次運動的信號中的至少一個進 行放大。
優(yōu)選地，借助于異或(XOR)門實現(xiàn)相敏檢測，這樣，借助于比較器 從所述主運動的信號和所述次運動的信號產生陡沿脈沖波，并且將所述脈沖波傳送到異或電路。另外，優(yōu)選地，作為相敏檢測的輸出，得到與 所述信號之間的相移成比例的脈沖寬度調制信號。此外，優(yōu)選地，通過 對與所述信號之間的相移成比例并被作為相敏檢測的輸出而得到的脈沖 寬度調制信號進行低通濾波，產生模擬輸出信號。優(yōu)選地，直接借助于 電阻耦合檢測所述主運動。
根據本發(fā)明的第二方面，提供了一種借助于振動微機械角速度傳感 器測量角速度的裝置，所述角速度傳感器包括至少一個測震質量塊和與 所述質量塊關聯(lián)的活動電極，所述質量塊具有要被激發(fā)的主運動且除了 所述主運動之外還具有相對于幾乎垂直于所述主運動的檢測軸線的第二 自由度，并且所述質量塊借助于彈性結構被支撐于傳感器元件的框架處， 使得所述裝置包括相位檢測器，從而在所述裝置中所述質量塊通過具 有非正交的主軸和次軸的彈性懸架被懸掛著，這樣，在檢測諧振器中引 起與所述主運動同相的測試激發(fā)，并且待測量的角速度通過所述相位檢 測器從所述主運動與次運動之間的相位差被以相敏方式檢測。
優(yōu)選地，所述裝置還包括用于將所述主運動的信號和所述次運動的 信號中的一者移相90。的移相器。優(yōu)選地，所述裝置還包括用于對所述主 運動的信號和所述次運動的信號中的至少一個進行放大的放大器。
優(yōu)選地，所述裝置還包括異或門和比較器，這樣，相敏檢測借助于 異或門實現(xiàn)，S卩，借助于比較器從所述主運動的信號和所述次運動的信 號產生陡沿脈沖波，所述脈沖波被傳送到異或門。另外，優(yōu)選地，所述 裝置還包括用于傳遞作為所述相敏檢測的輸出的、與所述信號之間的相 移成比例的脈沖寬度調制信號的裝置。此外，優(yōu)選地，所述裝置還包括 用于對與所述信號之間的相移成比例的脈沖寬度調制信號進行低通濾波 并用于傳遞作為來自所述相敏檢測的輸出的模擬輸出信號的裝置。優(yōu)選 地，所述裝置包括用于直接借助于電阻耦合檢測所述主運動的裝置。
根據本發(fā)明的第三方面，提供了一種振動微機械角速度傳感器，所 述角速度傳感器包括至少一個測震質量塊和與所述質量塊關聯(lián)的活動電 極，所述質量塊具有要被激發(fā)的主運動并且除了所述主運動之外還具有 相對于幾乎垂直于所述主運動的檢測軸線的第二自由度，并且所述質量 塊借助于彈性結構被支撐于傳感器元件的框架處，使得所述質量塊借
9助于具有非正交的主軸和次軸的彈性懸架被懸掛著，這樣，在檢測諧振 器中引起與所述主運動同相的測試激發(fā)，并且要在所述角速度傳感器中 測量的角速度借助于相位檢測器從所述主運動與次運動之間的相位差被 以相敏方式檢測。
優(yōu)選地，所述角速度傳感器包括用于將所述主運動的信號和所述次 運動的信號中的一者相移90。的裝置。優(yōu)選地，所述角速度傳感器包括用 于對所述主運動的信號和所述次運動的信號中的至少一個進行放大的裝 置。
優(yōu)選地，所述角速度傳感器還包括異或門和比較器，這樣，相敏檢 測借助于異或門實現(xiàn)，即，借助于比較器從所述主運動的信號和所述次 運動的信號被生成為陡沿脈沖波，所述脈沖波被傳送到異或門。另外， 優(yōu)選地，所述角速度傳感器還包括用于傳遞作為所述相敏檢測的輸出的、 與所述信號之間的相移成比例的脈沖寬度調制信號的裝置。此外，優(yōu)選 地，所述角速度傳感器還包括用于對與所述信號之間的相移成比例的脈 沖寬度調制信號進行低通濾波并用于傳遞作為所述相敏檢測的輸出的模 擬輸出信號的裝置。優(yōu)選地，所述角速度傳感器包括用于直接借助于電 阻耦合檢測所述主運動的裝置。


下面示例性地參照附圖對本發(fā)明及其優(yōu)選實施例進行詳細說明，在 附圖中
圖l示出了現(xiàn)有技術的振動微機械角速度傳感器的功能結構的圖， 圖2示出了現(xiàn)有技術的角速度傳感器的典型模擬系統(tǒng)電子器件的框
圖，
圖3示出了本發(fā)明的角速度的測量的框圖，
圖4示出了本發(fā)明的振動微機械角速度傳感器的功能結構的圖，
圖5示出了本發(fā)明的彈性結構，
圖6示出了本發(fā)明的角速度傳感器的結構，
圖7示出了本發(fā)明的具有兩個軸的角速度傳感器的結構，圖8示出了用于支撐本發(fā)明的振動角速度傳感器的測震質量塊的彈 性結構的剖面，
圖9示出了用于支撐本發(fā)明的振動角速度傳感器的測震質量塊的彈 性結構的立體圖，
圖10示出了本發(fā)明的角速度傳感器的可選結構，
圖ll示出了本發(fā)明的角速度傳感器的測量系統(tǒng)的框圖，
圖12示出了相移與角速度的依賴關系的圖，
圖13示出了本發(fā)明的角速度傳感器的測量系統(tǒng)的信號圖，
圖14示出了本發(fā)明的角速度傳感器的可選測量系統(tǒng)的信號圖，
圖15示出了本發(fā)明的角速度傳感器的第二可選測量系統(tǒng)的信號圖，
圖16示出了本發(fā)明的角速度傳感器的第三可選測量系統(tǒng)的信號圖。
在上面對圖1和圖2進行了說明。下面參照圖3 圖16說明本發(fā)明及其 優(yōu)選實施例。
具體實施例方式
圖3示出了本發(fā)明的角速度的測量的框圖。圖示的本發(fā)明的角速度的 測量包括檢測信號8，該檢測信號8經由放大器10被傳送到相位檢測器11。 本發(fā)明的測量還包括主檢測信號9，該主檢測信號9經由放大器12被傳送 到相位檢測器11和90。相移模塊13。作為本發(fā)明的測量的結果，從相位檢 測器11得到輸出信號14，并且從相移模塊13得到相移主驅動信號15。
圖4示出了本發(fā)明的振動微機械角速度傳感器的功能結構的圖。在本 發(fā)明的角速度測量中，位于中央的質量塊被激發(fā)為作X軸方向上的主運 動。借助于支撐和彈性懸架形成的檢測軸線從與主運動垂直的方向偏離 適當角度。
圖示的本發(fā)明的振動微機械角速度傳感器包括質量塊16，該質量塊 16借助于彈簧19、 20支撐于沿X軸方向傾斜的活動框架17處。另外，所述 活動框架17借助于彈簧21、22在Y軸方向上以傾斜方式支撐于支撐結構18 處。在圖示的本發(fā)明的振動微機械角速度傳感器的中央處的質量塊16和
圍繞該質量塊的活動框架17借助于彈簧21、22被激發(fā)為作從Y軸偏離的方 向上的主運動，所述彈簧21、 22以傾斜方式被支撐于主體18處。借助于 被支撐于傾斜的活動框架17處的質量塊16的彈性懸架19、20在X軸方向上 形成的檢測軸線從與主運動垂直的方向偏離適當角度。
當在主運動中振動的結構相對于垂直于表平面的Z軸轉動時，在主運 動中運動的質量塊16受到在垂直于其運動方向的X軸方向上的科里奧利 力。于是，檢測彈簧19、 20不僅限定了阻尼，還限定了所產生的檢測運 動的振幅和相位。
圖5示出了本發(fā)明的彈性結構。在本發(fā)明的彈性結構中，為了使角速 度傳感器的結構在表平面中被激發(fā)，彈簧軸線偏置。本發(fā)明的彈性結構 23包括附著點24、 25。 一個以上的補償凹槽或補償凹陷被蝕刻在彈性結 構23的至少一個附著點24、 25中。本發(fā)明的彈性結構23不對稱，因而由 彈簧從一個運動模式到另一個運動模式傳送的耦合使得由正交信號 (quadrature signal)造成的不理想性產生的耦合消除或者顯著減少。
圖6示出了本發(fā)明的角速度傳感器的結構。在本發(fā)明的彈性結構中， 為了使角速度傳感器的結構在表平面中被激發(fā)，彈簧軸線偏置。本發(fā)明 的角速度傳感器的振動質量塊用附圖標記26和27表示。角速度傳感器的 質量塊26和27借助于彈性結構支撐于它們的附著點28、 29處。在與附著 點28相對的角速度傳感器的彈性結構的質量塊端部30處，或者，可選地， 在彈性結構的附著點29的端部31處，蝕刻有一個以上的補償凹槽或補償 凹陷30、 31。本發(fā)明的彈性結構不對稱，因而由彈簧從一個運動模式到 另一個運動模式傳送的耦合使得由正交信號造成的不理想性產生的耦合 消除或顯著減少。
圖7示出了本發(fā)明的具有兩個軸的角速度傳感器的結構。在本發(fā)明的 彈性結構中，為了使具有兩個軸的角速度傳感器的結構在表平面中被激 發(fā)，彈簧軸線偏置。本發(fā)明的具有兩個軸的角速度傳感器的振動質量塊 用附圖標記32表示。具有兩個軸的角速度傳感器的質量塊32借助于彈性 結構支撐于其附著點33處。在與具有兩個軸的角速度傳感器的彈性結構 的附著點33相對的端部34、 36處，或者，可選地，在彈性結構的附著點33的端部35、 37處，蝕刻有一個以上的補償凹槽或補償凹陷34 37。本發(fā) 明的彈性結構不對稱，因而由彈簧從一個運動模式到另一個運動模式傳 送的耦合使得由正交信號造成的不理想性產生的耦合消除或顯著減少。
圖8示出了用于支撐本發(fā)明的振動角速度傳感器的測震質量塊的彈 性結構的剖面。本發(fā)明的角速度傳感器的彈性結構用附圖標記38表示。 本發(fā)明的彈性結構38中蝕刻有一個以上的補償凹槽。本發(fā)明的彈性結構 38不對稱，因而由彈簧從一個運動模式到另一個運動模式傳送的耦合使 得由正交信號造成的不理想性產生的耦合消除或顯著減少。
圖9示出了用于支撐本發(fā)明的振動角速度傳感器的測震質量塊的彈 性結構的立體圖。本發(fā)明的角速度傳感器的彈性結構用附圖標記38表示。 本發(fā)明的彈性結構38中蝕刻有一個以上的補償凹槽。
在圖8和圖9所示的本發(fā)明的彈性結構38的制造中，可以將蝕刻掩模 設計成使其補償由制造過程引起的整個晶片的不理想性。例如，所述不
理想性是由從與晶片垂直的方向的偏離引起的深反應離子蝕刻(Deep Reactive Ion Etching, DRIE)的蝕刻過程的凹槽斜度的不理想性。于是， 本發(fā)明的彈性結構38中的補償凹槽的尺寸在整個晶片上是變化的。
本發(fā)明的彈性結構38中的補償凹槽可以在相同的DRIE蝕刻中被蝕 刻為其它結構。在本發(fā)明的彈性結構38的制造中，由于ARDE現(xiàn)象(Aspect Ratio Dependent Etch rate，縱橫比決定蝕刻率)，補償凹槽不會被蝕刻得 穿透晶片；更確切地，可以將凹槽的尺寸確定為具有合適的深度?？蛇x 地，例如可以通過二階段蝕刻過程蝕刻出深度合適的凹槽。
圖10示出了本發(fā)明的角速度傳感器的可選結構。在本發(fā)明的角速度 傳感器的可選結構中，彈簧軸線被故意設計成稍微非正交。在本發(fā)明的 角速度的測量中，中央處的質量塊被激發(fā)為作Y軸方向上的主運動。通過 支撐和彈性懸架形成的檢測軸線從垂直于主運動的方向適當?shù)仄x。
圖示的本發(fā)明的可選振動微機械角速度傳感器包括質量塊39，該質 量塊39在Y軸方向上借助于彈簧42、 43支撐于活動框架40上。另外，所述 活動框架40借助于彈簧44、 45在X軸方向上偏心地支撐于支撐結構41處。在圖示的本發(fā)明的可選振動微機械角速度傳感器中，中央處的質量
塊39和圍繞質量塊39的活動框架40借助于被偏心地支撐于主體41上的彈 簧44、 45被激發(fā)為作從X軸的方向偏離的主運動。借助于被支撐在活動框 架40上的質量塊39的彈性懸架42、43在Y軸方向上形成的檢測軸線從垂直 于主運動的方向偏離適當?shù)慕嵌取?br> 在主運動中振動的結構相對于垂直于表平面的Z軸轉動時，在主運動 中運動的質量塊39受到垂直于其運動方向的Y軸方向上的科里奧利力。另 外，于是，檢測彈簧42、 43不僅限定了阻尼，還限定了所產生的檢測運 動振動的振幅和相位。
借助于本發(fā)明的方法，可以利用正交信號實現(xiàn)角速度的相敏檢測。 根據公式(1)和(2)，由于正交信號的大小保持不變，并且合成信號的相位 相對于科里奧利信號的振幅幾乎線性地變化，因而科里奧利力使檢測諧 振器的振動的相位改變。
& = 2sin(叫0 + Ccos(叫O = Vfi2 +C2 sin
, 「廠、、 叫,+ arctan萬.
(1)
其中，C = 且g-sin-,^wp'A;2 。
S腸=|SPrJ-sin(6V)
(2)
在本發(fā)明的方法中，可以僅從激發(fā)運動與檢測運動之間的相位差檢 測角速度。可以對從信號形成的"陡沿脈沖波(steep-edged pulse wave)" 使用異或(XOR)邏輯函數(shù)而巧妙地檢測所述相位差。在XOR門的輸出端， 出現(xiàn)與上述信號之間的相位差成比例的脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation, PWM)信號。當上述信號之一相移90。時，得到相移的符號， 并從而得到角速度的符號。
圖ll示出了本發(fā)明的角速度傳感器的測量系統(tǒng)的框圖。在本發(fā)明的 角速度傳感器的測量系統(tǒng)中，在主運動的檢測之后，借助于比較器48、 50從信號46、 47產生陡沿脈沖波，該陡沿脈沖波的信號被傳送到XOR門 49。在電路的輸出51、 52中，可以看到與角速度有關的相移主驅動信號 52和PWM調制信息51，該相移主驅動信號52和PWM調制信息51可以借助 于例如微控制器直接讀取。在本發(fā)明的角速度傳感器的測量系統(tǒng)中，通 過低通濾波還可以容易地將PWM信號51模擬化。在本發(fā)明的角速度傳感器的測量系統(tǒng)中，在激發(fā)主運動時不需要實際的振幅調節(jié)器。此外，檢測主運動的最簡單的方式是通過直接的電阻耦合，從而不需要單獨的9(T移相器用于激發(fā)或調制。
圖12示出了相移與角速度的依賴關系的圖。在附圖中，存在10FS的正交信號，并且函數(shù)的線性程度非常高。特別地，已經在2 FS的正交信號處，非線性度為<3%。自然地，較大正交信號的缺點是靈敏度和信噪比降低。對于本發(fā)明的系統(tǒng)，適當?shù)恼恍盘柎笮】赡転榇蠹s2…10FS。
圖13示出了來自本發(fā)明的角速度傳感器的測量系統(tǒng)的信號圖。在所示的信號圖中，正交信號的大小為2FS且沒有角速度。
圖14示出了來自本發(fā)明的角速度傳感器的可選測量系統(tǒng)的信號圖。在所示的信號圖中，正交信號的大小為10FS且角速度為1 FS。
圖15示出了來自本發(fā)明的角速度傳感器的第二可選測量系統(tǒng)的信號圖。在所示的信號圖中，正交信號的大小為2FS且角速度為-1FS。
圖16示出了來自本發(fā)明的角速度傳感器的第三可選測量系統(tǒng)的信號圖。在所示的信號圖中，正交信號的大小為2FS且角速度為1FS。
在圖13 圖16中，上面的圖示出了作為時間的函數(shù)的激發(fā)運動(Prim)和檢測運動(Sec)，其中在右側刻度上示出了比較的數(shù)字信號。另一方面，圖13 圖16的下面的部分示出了XOR門的輸出和從該輸出算出的平均值隨著時間的變化。
在本發(fā)明的方案中，除了可以在必要時借助于靜電壓或通過使信號混合而完成的對正交信號的補償以外，本發(fā)明的系統(tǒng)中的靈敏度控制難以以其它方式實施。在實踐中的最簡單的實施方式中，傳感器能夠借助于MCU中的程序進行校準。
如果在對比較器的輸入中存在過多的偏移，則主運動的激發(fā)也可能成為問題。于是，可使用某種初始反沖(initial kick),從而使比較器能夠對狀態(tài)進行切換。最好的是，由電源的打開引起的起始瞬值足夠作為反沖。借助于本發(fā)明，可以利用特制的SMD傳感器元件、大約十個無源元
件、 一個雙路比較器和一個XOR邏輯門來實現(xiàn)角速度傳感器。與競爭方
案相比，本發(fā)明的方案是絕對優(yōu)異的概念，在多數(shù)競爭方案中，即使在最便宜的方案中，不僅需要封裝元件級產品，還需要幾個無源元件。
借助于本發(fā)明，還可將前置端(front-ends)、比較器和XOR與客戶使用的微控制器關聯(lián)起來制成一體，從而使由角速度的測量引起的成本及空間需求減到最小。
市場上存在集成有比較器輸入的商用微控制器，其輸出可在電路的外部接入。因此，由于XOR功能自然也可以通過軟件實現(xiàn)，因而本發(fā)明的角速度傳感器可以僅使用無源元件實現(xiàn)。
在本發(fā)明的角速度傳感器的方案中，傳感器的電子器件已經被減少到足夠簡單且便宜。此外，用于密閉封裝晶片平面的密封方法使傳感器元件能夠直接焊接到客戶的電路板上，從而在一些應用中，人們可以僅制造待焊接的傳感器元件。
借助于本發(fā)明，可以以極其簡單的方式實現(xiàn)振動角速度傳感器的大部分測量電子器件。另外，可以以數(shù)字或模擬形式直接讀取系統(tǒng)的輸出。
從最普通的層面上看，在本發(fā)明中，通過設計彈性懸架來創(chuàng)建相對于檢測軸線稍微非正交的主運動軸線，使得主運動在檢測軸線上引起與該運動同相的激發(fā)力。
在典型的傳感器方案中，從正交線的適當偏離具體為大約o.or…
0.5°。在表平面內運動、相對于垂直于表平面的軸進行測量的角速度傳感器中，所述偏離可以通過例如直接設計形成彈簧的掩模而設計出來。
本發(fā)明的方案的特定優(yōu)點在于這樣的事實次諧振器的諧振現(xiàn)象影響借助于彈性懸架產生的測試激發(fā)，其影響方式與對使總的信號相移的
科里奧利激發(fā)影響的方式完全相同。于是，與現(xiàn)有技術的角速度傳感器相比，本發(fā)明的傳感器對在相位比較之前出現(xiàn)的機械擾動或電噪聲的靈敏度明顯降低。
本發(fā)明的方案還有其它優(yōu)點。本發(fā)明對激發(fā)運動的振幅不敏感。傳感器的靈敏度唯一地取決于正交信號與科里奧利信號的比值，該比值不管振幅如何總保持恒定。然而，當裝置在被打開時，激發(fā)運動的振幅自然影響傳感器的噪聲水平，因而短時間內輸出將極其嘈雜。
比普通角速度傳感器系統(tǒng)好的正交信號的容許度也可以看作本發(fā)明的優(yōu)點。該功能本身基于正交信號，于是，除了通過降低靈敏度，適中
的正交信號不會引起零點的平緩漂移(evencreeping)。然而，從靈敏度的意義上講，正交信號可以相當大。此外，大的散布范圍要求寬的靈敏度控制范圍。
本發(fā)明適用角速度傳感器中的各種測量原理，例如壓電、壓阻及電容原理等。
權利要求
1.一種借助于振動微機械角速度傳感器測量角速度的方法，所述角速度傳感器包括至少一個測震質量塊和與所述質量塊關聯(lián)的活動電極，所述質量塊具有要被激發(fā)的主運動且除了所述主運動之外還具有相對于幾乎垂直于所述主運動的檢測軸線的第二自由度，并且所述質量塊借助于彈性結構被支撐于傳感器元件的主體處，其特征在于，在所述方法中，通過具有非正交的主軸和次軸的彈性懸架將所述質量塊懸掛，在檢測諧振器中引起與所述主運動同相的測試激發(fā)，并且借助于相位檢測器從所述主運動與次運動之間的相位差相敏地檢測待測量的角速度。
2. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，將所述主運動的信號和 所述次運動的信號中的一者相移90°。
3. 如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，對所述主運動的信 號和所述次運動的信號中的至少一個進行放大。
4. 如權利要求l、 2或3所述的方法，其特征在于，借助于異或門 (49)實現(xiàn)相敏檢測，g卩，借助于比較器(48)、 (50)從所述主運動的信號和 所述次運動的信號產生陡沿脈沖波，并且將所述脈沖波傳送到所述異或 門(49)。
5. 如權利要求4所述的方法，其特征在于，作為所述相敏檢測的輸 出，得到與所述信號之間的相移成比例的脈沖寬度調制信號。
6. 如權利要求5所述的方法，其特征在于，通過低通濾波從被作為 所述相敏檢測的輸出得到的、與所述信號之間的相移成比例的所述脈沖 寬度調制信號獲得模擬輸出信號。
7. 如前述權利要求1 6的任何一項所述的方法，其特征在于，直接借助于電阻耦合檢測所述主運動。
8. —種借助于振動微機械角速度傳感器測量角速度的裝置，所述角 速度傳感器包括至少一個測震質量塊和與所述質量塊關聯(lián)的活動電極， 所述質量塊具有要被激發(fā)的主運動且除了所述主運動之外還具有相對于 幾乎垂直于所述主運動的檢測軸線的第二自由度，并且所述質量塊借助 于彈性結構被支撐于傳感器元件的主體處，其特征在于，所述裝置包括相位檢測器(ll)、 (49)，在所述裝置中所述質量塊借助于具有非正交的主軸和次軸的彈性懸架被懸掛著，在檢測 諧振器中引起與所述主運動同相的測試激發(fā)，并且待測量的角速度借助 于所述相位檢測器從所述主運動與次運動之間的相位差被相敏地檢測。
9. 如權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括用于將 所述主運動的信號或所述次運動的信號中的一者相移90。的移相器(13)、 (50)。
10. 如權利要求8或9所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括 用于對所述主運動的信號或所述次運動的信號中的至少一個進行放大的 放大器(IO)、 (12)、 (48)、 (50)。
11. 如權利要求8、 9或10所述的裝置，其特征在于，所述裝置還 包括異或門(49)和比較器(48)、(50)，相敏檢測借助于所述異或門(49)實現(xiàn)， 即，借助于所述比較器(48)、 (50)所述主運動的信號和所述次運動的信號 被生成為陡沿脈沖波，所述脈沖波被傳送到所述異或門(49)。
12. 如權利要求ll所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括用于 傳遞作為所述相敏檢測的輸出的、與所述信號之間的相移成比例的脈沖 寬度調制信號的裝置。
13. 如權利要求12所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括用于 對與所述信號之間的相移成比例的脈沖寬度調制信號進行低通濾波并用于傳遞作為所述相敏檢測的輸出的模擬輸出信號的裝置。
14. 根據前述權利要求8 13的任何一項所述的裝置，其特征在于， 所述裝置包括用于直接借助于電阻耦合檢測所述主運動的裝置。
15. —種振動微機械角速度傳感器，所述角速度傳感器包括至少一 個測震質量塊和與所述質量塊關聯(lián)的活動電極，所述質量塊具有要被激 發(fā)的主運動且除了所述主運動之外還具有相對于幾乎垂直于所述主運動 的檢測軸線的第二自由度，并且所述質量塊借助于彈性結構被支撐于傳 感器元件的主體處，其特征在于，所述質量塊借助于具有非正交的主軸和次軸的彈性懸 架被懸掛著，在檢測諧振器中引起與所述主運動同相的測試激發(fā)，并且 要在所述角速度傳感器中測量的角速度借助于相位檢測器從所述主運動 與次運動之間的相位差被相敏地檢測。
16. 如權利要求15所述的角速度傳感器，其特征在于，所述角速度 傳感器包括用于將所述主運動的信號和所述次運動的信號中的一者相移 90。的裝置。
17. 如權利要求15或16所述的角速度傳感器，其特征在于，所述 角速度傳感器包括用于對所述主運動的信號和所述次運動的信號中的至 少一個進行放大的裝置。
18. 如權利要求15、 16或17所述的角速度傳感器，其特征在于， 所述角速度傳感器還包括異或門(49)和比較器(48)、 (50)，相敏檢測借助 于所述異或門(49)實現(xiàn)，B卩，借助于所述比較器(48)、 (50)從所述主運動的信號和所述次運動的信號產生陡沿脈沖波，所述脈沖波被傳送到所述 異或門(49)。
19. 如權利要求18所述的角速度傳感器，其特征在于，所述角速度 傳感器還包括用于傳遞作為所述相敏檢測的輸出的、與所述信號之間的相移成比例的脈沖寬度調制信號的裝置。
20. 如權利要求19所述的角速度傳感器，其特征在于，所述角速度 傳感器還包括用于對與所述信號之間的相移成比例的脈沖寬度調制信號 進行低通濾波并用于傳遞作為所述相敏檢測的輸出的模擬輸出信號的裝 置。
21. 如前述權利要求15 20的任何一項所述的角速度傳感器，其特 征在于，所述角速度傳感器包括用于直接借助于電阻耦合檢測所述主運 動的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測量角速度的測量裝置，更具體地，涉及振動微機械角速度傳感器。在本發(fā)明的角速度傳感器的方案中，質量塊借助于具有非正交的主軸和次軸的彈性結構被懸掛著，從而在檢測諧振器中引起與主運動同相的測試激發(fā)，并且借助于相位檢測器從主運動與次運動之間的相位差檢測待測量的角速度。特別是在用于角速度傳感器的小型振動微機械方案中，本發(fā)明的角速度傳感器的結構能夠以良好性能實現(xiàn)可靠測量。
文檔編號G01C19/56GK101688884SQ200880017640
公開日2010年3月31日 申請日期2008年5月29日 優(yōu)先權日2007年6月1日
發(fā)明者安西·布盧姆奎維斯特 申請人:Vti技術有限公司