微機電陀螺儀裝置制造方法
【專利摘要】諧振器微電子陀螺儀、優(yōu)選微機電系統(tǒng)（MEMS）陀螺儀包括懸掛用于旋轉(zhuǎn)振動的第一和第二諧振器質(zhì)量塊（1，2）。兩個質(zhì)量塊（1，2）被四個機械耦合元件（4，5，6，7）彈性地連接以反相振動。在每個諧振器質(zhì)量塊（1，2）上有至少一個正感測電極和至少一個負感測電極（S11+，S11-，S21+，S21-），用于檢測質(zhì)量塊（1，2）的面外輸出運動。檢測電路被連接到所述正感測電極和負感測電極，并基于下式由信號的差分檢測確定輸出信號：Sxout=({S21+}-μ{S11+})–({S21-}-μ{S11-})，其中，S21+}，{S21-}=第二質(zhì)量塊的正檢測電極和負檢測電極的各感測電極信號；{S11+}，{S11-}=第一質(zhì)量塊的正檢測電極和負檢測電極的各感測電極信號，μ=補償因子。
【專利說明】微機電陀螺儀裝置
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于檢測諧振器微電子陀螺儀、優(yōu)選微機電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀的輸出信號的方法，包括以下步驟:
[0002]a)激活懸掛用于旋轉(zhuǎn)震動的第一和第二諧振器質(zhì)量塊的振動面內(nèi)運動，
[0003]b)通過彈性地連接第一和第二諧振器質(zhì)量塊以反相振動的至少一個機械耦合元件，提供第一和第二振動質(zhì)量塊的反相振動。
[0004]本發(fā)明還涉及一種諧振器微電子陀螺儀，包括:
[0005]a)懸掛用于旋轉(zhuǎn)振動的第一和第二諧振器質(zhì)量塊，
[0006]b)彈性地連接第一和第二諧振器質(zhì)量塊以反相振動的至少一個機械耦合元件，
[0007]c)在用于檢測質(zhì)量塊的面外輸出運動的每個諧振器質(zhì)量塊中有至少一個正感測電極和至少一個負感測電極，
[0008]d)連接到正感測電極和負感測電極的檢測電路。
[0009]術(shù)語“陀螺儀”是指包括用于測量角度的陀螺儀和用于測量角速率的旋轉(zhuǎn)速率陀螺儀的一般術(shù)語。
【背景技術(shù)】
[0010]有許多用于檢測角速率的MEMS裝置，如US5，329，815 (摩托羅拉)，US5，025，346(加州大學)，EP0623807 (GM)和 US5，377，544 (摩托羅拉)。
[0011]US7, 624，494 (Challoner等人)公開了一種慣性傳感器，其包括熱膨脹系數(shù)低的微機械加工晶片的中尺度盤式諧振器，該中尺度盤式諧振器用于實質(zhì)上感測面內(nèi)振動。剛性支撐件由徑向懸架梁在諧振器的中央安裝點耦合到諧振器。激勵電極在諧振器內(nèi)部，以激發(fā)諧振器的內(nèi)部面內(nèi)振動。諧振器內(nèi)部范圍內(nèi)的至少一個感測電極用于感測諧振器的內(nèi)部面內(nèi)振動。
[0012]US6, 062, 082 (Guenther等人)公開了一種科式(Coriolis)旋轉(zhuǎn)速率傳感器,其具有可移動地懸掛在襯底(基底)上、并且可因加速作用而偏轉(zhuǎn)的擺動結(jié)構(gòu)。該傳感器還具有用于產(chǎn)生擺動結(jié)構(gòu)的平面旋轉(zhuǎn)擺動運動的裝置。評估裝置用于檢測受科式加速度規(guī)范的擺動結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)。將擺動結(jié)構(gòu)懸掛以進行平面旋轉(zhuǎn)擺動運動。這種結(jié)構(gòu)的問題是在移動質(zhì)量塊的擺動過程中作用于基底板上的凈反作用力。
[0013]US6, 629，460 (Challoner)公開了一種包括諧振器的諧振器陀螺儀，該諧振器包括兩個主體,每個主體的質(zhì)量塊中心和相對于軸的橫向慣性對稱性大致一致,并且每個主體被一個或多個彈性元件支撐。該主體共同組成垂直于軸、頻率基本相同的振動的兩個差分搖擺模式。這兩個主體在激發(fā)諧振器時實質(zhì)上沒有向基底板傳遞凈動量。陀螺儀進一步包括由一個或多個彈性元件固定于諧振器的基底板。
[0014]在抑制測量干擾方面，現(xiàn)有技術(shù)不理想。需要降低環(huán)境對測量的影響，以使該裝置具有更好的靈敏度。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的是提供一種用于檢測旋轉(zhuǎn)的微機電系統(tǒng)(MEMS)裝置，該裝置對熱機械效用和干擾性的線性加速度的敏感性低，。
[0016]根據(jù)本發(fā)明，上述目的通過包括以下步驟的方法實現(xiàn)。
[0017]a)激活懸掛用于旋轉(zhuǎn)振動的第一和第二諧振器質(zhì)量塊的振動面內(nèi)運動，
[0018]b)通過彈性地連接第一和第二諧振器質(zhì)量塊以反相振動的至少一個機械耦合元件，提供第一和第二諧振器質(zhì)量塊的反相振動，
[0019]c)檢測兩個諧振器質(zhì)量塊各自的至少兩個正感測電極和兩個負感測電極的至少兩個正感測電極信號{S21+}、{S11+}和至少兩個負感測電極信號{S21-}、{S11-}，以檢測質(zhì)量塊的面外運動，
[0020]d)基于下式由所述信號的差分檢測確定至少一個輸出信號Sxrat:
[0021]Sxout= ({S21+} - μ {Sll+}) - ({S21-} - μ {Sll-}),
[0022]其中，
[0023]{S21+}，{S21-} =第二質(zhì)量塊的正檢測電極和負檢測電極的各感測電極信號；
[0024]{Sll+}，{S11-} =第一質(zhì)量塊的正檢測電極和負檢測電極的各感測電極信號，
[0025]μ=補償因子。
[0026]本發(fā)明的差分檢測避免(或至少最小化)環(huán)境影響和在ζ方向上的加速力的失真效用。通過補償因子μ，能夠消除兩個質(zhì)量塊在給定旋轉(zhuǎn)水平的靈敏度差。靈敏度差可能是起因于兩個質(zhì)量塊的不同直徑(即，距振動軸線的徑向距離)。如果無需補償，則補償因子是μ=1。如果需要補償，則補償因子不為I。通常情況下，補償因子在0.2?5的范圍內(nèi)，更優(yōu)選為0.5?2的范圍內(nèi)。
[0027]本發(fā)明的優(yōu)點是可通過已確立的技術(shù)來實現(xiàn)。特別是，用于產(chǎn)生和處理電信號的部件和電路，例如:
[0028].用于激活質(zhì)量塊的振動運動的電路，
[0029].用于檢測感測電極信號的電路，以及
[0030].進一步的電需求、基準和轉(zhuǎn)換器，
[0031]類似于用于傳統(tǒng)MEMS陀螺儀的部件和電路。
[0032]兩個輸出信號:
[0033]雖然可以將本發(fā)明只用于一個單一輸出信號，但優(yōu)選檢測在平行于質(zhì)量塊的振動平面的兩個軸X和y的旋轉(zhuǎn)。這意味著要測定兩個輸出信號Sx-dy-。詳細而言，有附加步驟，即:
[0034]a)檢測所述兩個諧振器質(zhì)量塊各自的至少兩個額外的正感測電極和兩個負感測電極的兩個額外的正感測電極信號{S22+}、{S12+}和至少兩個額外的負感測電極信號{S22-}、{S12-}，以檢測質(zhì)量塊的額外面外輸出運動，
[0035]b)基于下式由所述額外信號的差分檢測確定額外輸出信號Syrat:
[0036]Syout= ({S22+} - μ {S12+}) - ({S22-} - μ {S12_})，
[0037]其中，
[0038]{S22+}，{S22-} =第二質(zhì)量塊的正檢測電極和負檢測電極的各感測電極信號；
[0039]{S12+}，{S12-} =第一質(zhì)量塊的正檢測電極和負檢測電極的各感測電極信號，[0040]μ=補償因子。
[0041]補償因子μ對兩個輸出信號是相同的。
[0042]環(huán)形耦合元件:
[0043]根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述耦合元件以帶有將環(huán)形結(jié)構(gòu)與兩個質(zhì)量塊連接的徑向梁的環(huán)形彈性結(jié)構(gòu)的形式提供?；蛘?，也可以使用其它設計，例如Z形或S形的彈簧元件。
[0044]采用本發(fā)明方法的諧振器微電子陀螺儀、優(yōu)選微機電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀，包括:
[0045]a)懸掛用于旋轉(zhuǎn)面內(nèi)振動的第一和第二諧振器質(zhì)量塊，
[0046]b)彈性地連接所述第一和第二諧振器質(zhì)量塊以反相振動的至少一個機械耦合元件，
[0047]c)在每個用于檢測質(zhì)量塊的面外運動的諧振器質(zhì)量塊中有至少一個正感測電極和至少一個負感測電極，
[0048]d)連接到所述正感測電極和負感測電極的檢測電路，
[0049]e)應用在檢測電路中的計算器，所述計算器基于前述計算式由信號的差分檢測確定輸出信號:
[0050]Sxout= (S21+-μ Sll+) - (S21_-y SllJ。
[0051]應當指出的是，術(shù)語“計算器”不應以狹隘的方式來理解。根據(jù)本發(fā)明的計算器可以是一般用途的計算器裝置以及能夠執(zhí)行所需的信號差別化的特定用途電路。
[0052]根據(jù)一個優(yōu)選的實施方式，用于確定兩個輸出信號SXwt、Syout的裝置具有:
[0053]a)在每個用于檢測質(zhì)量塊的額外面外輸出運動的諧振器質(zhì)量塊中的至少一個額外的正感測電極和至少一個額外的負感測電極，
[0054]b)其中，所述額外的正感測電極和負感測電極連接于同一檢測電路作為第一感測電極，并且，其中
[0055]c)檢測電路中的計算器還基于下式(已經(jīng)在上文中描述過)由信號的差分檢測確定額外輸出信號:
[0056]Syout= ({S22+}-μ {S12+}) - ({S22-}-y {S12_})
[0057]環(huán)形外部質(zhì)量塊:
[0058]根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，第二質(zhì)量塊具有環(huán)的形狀，第一質(zhì)量塊同心地懸掛于第二質(zhì)量塊內(nèi)。環(huán)是具有用于第二質(zhì)量塊的中心開口的閉合主體。兩個質(zhì)量塊都繞共用的幾何軸進行旋轉(zhuǎn)振動。振動軸的方向為ζ方向，并且與振動運動發(fā)生的平面垂直。
[0059]最優(yōu)選地，環(huán)具有旋轉(zhuǎn)對稱的形狀。通常的形狀是圓環(huán)板。但也可以使用具有多邊形(例如，八角形或方形)的環(huán)，這樣的環(huán)在襯底上占有更大面積。也可以不是閉合的環(huán)，而是將第二質(zhì)量塊設計成更復雜的形狀(例如具有幾個分離的環(huán)段)。
[0060]第一質(zhì)量塊的圓形形狀:
[0061]懸掛在第二質(zhì)量塊內(nèi)的第一質(zhì)量塊優(yōu)選圓盤(盤狀)的形狀。當兩個質(zhì)量塊都是圓形(盤狀或環(huán)狀)時，襯底所需的表面積最小，振動面內(nèi)的對稱性最佳。兩個輸出信號Sxwt和Sytjut待定時，該實施方式最理想。然而，內(nèi)部質(zhì)量塊也可以具有環(huán)形板的形狀。
[0062]耦合元件:
[0063]優(yōu)選地，耦合元件(或者兩個或更多耦合連接元件中的每一個)固定于錨定器，并懸掛兩個質(zhì)量塊。因此，耦合元件也是每個質(zhì)量塊的懸掛元件。耦合元件和懸掛元件也可以為兩種不同的機械結(jié)構(gòu)。
[0064]一般情況下，為了對稱，將每個質(zhì)量塊懸掛在至少兩個懸掛元件上。優(yōu)選地，每個質(zhì)量塊有4個懸掛元件。懸掛元件是柔性的，允許質(zhì)量塊在χ-y面(平行于該裝置的襯底的面)內(nèi)旋轉(zhuǎn)振動。它們也是彈性的，以允許質(zhì)量塊(憑借施加的科式力)的面外擺動。
[0065]機械稱合元件被設計成允許質(zhì)量塊的反相振動。同相振動會被稱合元件衰減或抑制。例如通過梁來實現(xiàn)，所述梁被強固地連接在兩個質(zhì)量塊中的每一個的每端，并且被附接在襯底錨柱的中心(或一般來說:在其中央部分)，以這樣的方式，(通過振動的內(nèi)部質(zhì)量塊施加于耦合元件額)面內(nèi)彎曲力可以穿過錨定器從梁的一端傳遞或擴散至梁的另一端(夕卜部質(zhì)量塊)。
[0066]錨定器:
[0067]優(yōu)選地，每個錨定器被布置在兩個質(zhì)量塊之間的自由空間中，并在中間區(qū)域支撐耦合元件。當使用多個(例如4個)單獨的耦合元件時，意味著每個耦合梁有一個單獨的錨定點。不同錨定器的多個錨定點可以彼此相等的角距布置成圓。每個耦合元件也可有兩個單獨的錨定點。
[0068]耦合元件的形狀:
[0069]有多種設計方案可以用于實現(xiàn)耦合元件。當兩個質(zhì)量塊之間的距離對提供元件要求的彈性來說足夠大時，耦合元件可以是直梁。優(yōu)選地，耦合元件是彎曲的。然后，可以具有Z形或S形。然而，也可有更復雜的形狀。該耦合元件還可以具有直的中心部和叉子形的兩個端部，叉子的兩個叉齒連接于質(zhì)量塊(Y形)。
[0070]根據(jù)進一步的變型例，該耦合元件為環(huán)形彈性結(jié)構(gòu)的形式，具有將環(huán)形結(jié)構(gòu)與兩個質(zhì)量塊連接的徑向梁。因此，只有一個(復雜的)耦合元件，而不是多個單獨的耦合元件。此優(yōu)點是質(zhì)量塊的反相振動模式被強力支撐，并且其他面內(nèi)振動模式被抑制。
[0071]徑向梁可以是直的或彎曲的。也可以具有叉子形，并且叉子的多個叉齒被連接于質(zhì)量塊中的一個。
[0072]環(huán)形彈性結(jié)構(gòu)可固定于至少三個、優(yōu)選四個錨柱。在多個錨柱之間，環(huán)可以在質(zhì)量塊振動時偏離它的圓形狀。環(huán)形結(jié)構(gòu)例如通過徑向延伸的梁(相對于該環(huán)的中心)連接到兩個質(zhì)量塊。梁與環(huán)形彈性結(jié)構(gòu)的連接點相對于環(huán)形結(jié)構(gòu)的錨定點發(fā)生角位移。連接點可以在兩個相鄰錨定點的中部。
[0073]電極:
[0074]從質(zhì)量塊的中心看時，兩個質(zhì)量塊的正感測電極在同一扇區(qū)(例如同區(qū))。同樣地，質(zhì)量塊的負感測電極在共用扇區(qū)(例如與正感測電極區(qū)錯開的區(qū))。在每種情況下，感測電極限定因質(zhì)量塊的面外運動而改變的電容。一個電極層設置在振動質(zhì)量塊的主表面，而另一個電極層可以在固定的兀件上方并與移動的電極相對。
[0075]兩個質(zhì)量塊中的每一個有四對感測電極層(2個正感測電極和2個負感測電極)。然而，可以有更少(在只檢測一個科式旋轉(zhuǎn)軸時)或更多(例如，6個)的電極對。
[0076]移動質(zhì)量塊的幾何形狀:
[0077]選擇移動質(zhì)量塊的幾何形狀，以此方式使得內(nèi)部質(zhì)量塊和外部質(zhì)量塊的驅(qū)動振動頻率相同。當某一科式加速度作用于兩個振動質(zhì)量塊時，它們通常以不同的面外振幅作出反應。(需要注意的是，角速率產(chǎn)生科式加速度)。采取使振幅不會太過不同的措施是有利的。
[0078]—個優(yōu)選措施是與外部質(zhì)量塊的懸掛元件不同地構(gòu)成內(nèi)部質(zhì)量塊的懸掛元件，使得內(nèi)部質(zhì)量塊具有與外部質(zhì)量塊基本相同的輸出振幅。
[0079]另一項措施是以具有比外部質(zhì)量塊高的面內(nèi)振動振幅的方式懸掛內(nèi)部質(zhì)量塊，從而結(jié)果兩個質(zhì)量塊的面外擺動振幅是相同的(或至少是相似的)幅度。
[0080]激活裝置:
[0081]移動質(zhì)量塊的振動通過激活電極而產(chǎn)生。它們可具有梳狀結(jié)構(gòu)。梳齒可以與運動方向平行地定向。這樣的電極結(jié)構(gòu)是現(xiàn)有技術(shù)中已知的。例如，本發(fā)明的圓周定向激活電極可以具有US5，025，346 (加州大學)的圖5、圖6、圖10中所示的結(jié)構(gòu)。如果在圓環(huán)形的外部質(zhì)量塊內(nèi)有圓盤狀的內(nèi)部質(zhì)量塊，則激活電極優(yōu)選設置在兩個質(zhì)量塊之間的徑向空間。也可以將外部質(zhì)量塊的激活電極設置在外部質(zhì)量塊的外周。進而，如果質(zhì)量塊不是閉合環(huán)，則激活電極也可以設置在質(zhì)量塊的徑向范圍，即在一定程度上被移動質(zhì)量塊覆蓋的環(huán)形區(qū)域。在本專利說明書的開頭引用的現(xiàn)有技術(shù)示出了用于激活電極的不同實施方式。這樣的結(jié)構(gòu)也可用于本發(fā)明。
[0082]應當注意的是，由于內(nèi)部質(zhì)量塊與外部質(zhì)量塊的不同徑向延伸，在質(zhì)量塊的周圍，切向速度是不同的，因此科式加速度是不同的。為補償這種差異，在外部質(zhì)量塊的傳感電極和內(nèi)部質(zhì)量塊的傳感電極之間引入不同的增益?；蛘呖蛇M行激活控制以使得質(zhì)量塊的振動的振幅不同，從而使切向速度相同。
[0083]選擇移動質(zhì)量塊的幾何形狀，以此方式使得內(nèi)部質(zhì)量塊和外部質(zhì)量塊的驅(qū)動振動頻率相同。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0084]附圖進一步說明本發(fā)明，并與本說明書結(jié)合說明優(yōu)選實施方式:
[0085]圖1是具有一個置于另一個之中的兩個同心的移動質(zhì)量塊的裝置的示意性俯視圖；
[0086]圖2是圖1的裝置被施加科式加速度時的示意性橫截面圖；
[0087]圖3是圖1的裝置被施加線性ζ軸加速度時的示意性橫截面圖；
[0088]圖4是耦合結(jié)構(gòu)的示意性俯視圖；
[0089]圖5是控制和檢測電路的示意圖。
[0090]一般來說，相同的參考標號指代相同的部分。
【具體實施方式】
[0091]圖1不出了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。有第一移動質(zhì)量塊I和第二移動質(zhì)量塊2。第一質(zhì)量塊I基本上是圓盤。在本實施方式中，盤在中心有開口 3。圓盤的半徑Rl可以在
0.1mm至3mm的范圍內(nèi)。第二質(zhì)量塊2是環(huán)形的并圍繞第一質(zhì)量塊I。第二質(zhì)量塊2的內(nèi)半徑R4可在0.12mm至4mm的范圍內(nèi)，外半徑R5可以在大約0.2mm至6mm的范圍內(nèi)。第二質(zhì)量塊2完全包圍第一次質(zhì)量塊I。
[0092]兩個質(zhì)量塊由四個Z形耦合元件4、5、6、7機械地連接。它們?nèi)窍嗤?。因此在以下的描述中僅涉及耦合元件4。
[0093]耦合元件4被支撐于襯底的柱8.1 (錨定點)上。柱8.1作為耦合元件4的點狀錨定器。它將耦合元件4支撐在襯底上方的一定距離處并處于該耦合元件4的中心。耦合元件4的第一端4.1固定于內(nèi)部質(zhì)量塊I,第二端4.2固定于外部質(zhì)量塊2。當內(nèi)部質(zhì)量塊I自其靜止位置順時針移動時，耦合元件4被彎曲并將動量傳遞到外部質(zhì)量塊2，該動量使得外部質(zhì)量塊2逆時針旋轉(zhuǎn)。這意味著，兩個質(zhì)量塊被機械耦合以執(zhí)行反相的面內(nèi)振動。
[0094]因為耦合元件固定于柱8.1上，所以還具有彈性地懸掛質(zhì)量塊1、2的功能。因此，質(zhì)量塊可以圍繞兩個質(zhì)量塊1、2的中心C進行振動運動。耦合元件4的兩端4.1,4.2猶如彈簧，允許質(zhì)量塊1、2執(zhí)行面內(nèi)旋轉(zhuǎn)和面外擺動。
[0095]Z形耦合元件4是彎曲梁，其長度L長于質(zhì)量塊之間的徑向空間9.1(L>R4 一 R1)。每一部分的長度(柱8.1和與內(nèi)部質(zhì)量塊及外部質(zhì)量塊1、2的連接點之間)分別為徑向空間
9.1的徑向延伸的I?1.5倍。因此，Z形耦合元件的臂的彈力能夠適應于一個足夠?qū)挼姆秶鷥?nèi)，以便控制質(zhì)量塊1、2在xy面和xy面外的振幅。兩端4.1,4.2可以具有相同的或不同的形狀和長度，錨定柱8.1可偏離Z形耦合元件4的中心。耦合元件的橫截面沿彎曲梁的長度方向優(yōu)選是恒定的。但是，也可改變以使臂中的一個比另一個僵硬。
[0096]對于每個質(zhì)量塊1、2，有四個激活電極結(jié)構(gòu)，S卩，用于第一質(zhì)量塊I的All+、All-、A12+、A12-，和用于第二質(zhì)量塊2的A21+、A21-、A22+、A22-。它們的位置相對于x軸和y軸是對稱的。在本實施方式中，激活電極結(jié)構(gòu)A12+、A12-和A22+、A22-沿x軸排列，另一激活電極結(jié)構(gòu)沿y軸排列。內(nèi)部質(zhì)量塊I的激活電極結(jié)構(gòu)All+、All-、A12+、A12-被布置在內(nèi)偵順量塊I的外周，即在Rl和R2之間的徑向范圍。外部質(zhì)量塊塊2的激活電極結(jié)構(gòu)A21+、A21-、A22+、A22-被布置在環(huán)形外部質(zhì)量塊2的內(nèi)周，即在R3和R4之間的徑向范圍。(也可以考慮用于外部質(zhì)量塊的激活電極處于外圍，用于內(nèi)部質(zhì)量塊的電極處于內(nèi)部中心部分。)在方位角方向，激活電極結(jié)構(gòu)在四個自由區(qū)域9.1、9.2、9.3、9.4之間。每個激活電極結(jié)構(gòu)可占據(jù)例如50-70°的方位角范圍，而余下的40-20°被自由區(qū)域9.1、9.2、9.3、9.4占據(jù)。在內(nèi)部質(zhì)量塊I的激活電極結(jié)構(gòu)All+、All-、A12+、A12-與外部質(zhì)量塊2的激活電極結(jié)構(gòu)A21+、A21-、A22+、A22-之間，對應于R2和R3之間的差，存在小的徑向間隙10。
[0097]激活電極結(jié)構(gòu)可以具有現(xiàn)有技術(shù)中已知的梳狀結(jié)構(gòu)(圖中未示出)。它們在xy平面中產(chǎn)生質(zhì)量塊1、2的反相振動。
[0098]每個質(zhì)量塊1、2上有四個感測電極，Sll+、Sll-、S12+、S12-在內(nèi)部質(zhì)量塊I上，S21+、S21-、S22+、S22-在外部質(zhì)量塊2上。它們中的每個占據(jù)質(zhì)量塊1、2的四分之一表面。它們通過小的徑向取向的間隙11.1、...、11.4和12.1、...、12.4彼此電絕緣。在本實施方式中，內(nèi)部質(zhì)量塊I的間隙11.1、...>11.4和外部質(zhì)量塊2的間隙12.1、...,12.4
彼此在一條直線上。因此，占據(jù)間隙12.1.....12.4之間的方位角區(qū)域的感測電極彼此在
一條直線上。需要明確的是，感測電極Sll+和S21+在y軸的正軸彼此在一條直線上。感測電極Sll-和S21-與感測電極S11+S21+在y軸的負軸是鏡像對稱的。同樣地，感測電極S12+和S22+在X軸的正軸彼此在一條直線上，感測電極S12-和S22-在x軸的負軸彼此在一條直線上。
[0099]質(zhì)量塊1、2上的每個感測電極具有固定載體元件(未示出)上的匹配電極，從而形成了根據(jù)質(zhì)量塊自其靜止位置起的偏差而變化的電容。[0100]檢測電路被連接到用于通過計算下述差分信號而檢測質(zhì)量塊1、2的面外擺動運動的感測電極。
[0101]激活電極結(jié)構(gòu)和電路都沒有詳細示出。它們對本領域技術(shù)人員來說是公知的(激活電極結(jié)構(gòu)參見例如US6, 062，082、US5, 377，544、W02007/003501 ；電路參見例如W02005/066584)。
[0102]圖2示意性示出了該裝置的橫截面，尤其是當該裝置受到繞X軸旋轉(zhuǎn)時的面外振幅。由于質(zhì)量塊1、2的反相運動，內(nèi)部質(zhì)量塊I的面外振幅與外部質(zhì)量塊2面外振幅相反。
[0103]圖2還示出了匹配電極13.1.....13.4，其設置于裝置的蓋體元件14，并且與感測
電極協(xié)作。該裝置通過MEMS技術(shù)實現(xiàn)，包括襯底15、位于襯底15和蓋體14之間的MEMS層
16。質(zhì)量塊1、2和耦合元件4、5、6、7被機械加工到MEMS層16中。振動質(zhì)量塊1、2被封裝在蓋體元件14和襯底15之間形成的空腔中。
[0104]圖3示意性示出了當裝置受到沿ζ軸線性加速時的面外振幅。兩個質(zhì)量塊1、2都在ζ方向移動。根據(jù)本發(fā)明，感測信號的相應變化通過差分檢測被中和。
[0105]圖4示出了強固地支撐兩個質(zhì)量塊21、22的反相振動的耦合結(jié)構(gòu)。內(nèi)部質(zhì)量塊21的外周和環(huán)形外部質(zhì)量塊22的內(nèi)周之間有環(huán)形的自由區(qū)域23。在自由區(qū)域23中，例如有8個錨定點，其中的4個、即24.1、24.3、24.5、24.7被布置成圍繞中心C的內(nèi)部假想圓，其中的另外4個、即24.2,24.4,24.6、24.8被布置成圍繞中心C的外部假想圓。8個錨定點構(gòu)成4個錨定點對、即24.1/24.2,24.3/24.4,24.5/24.6,24.7/24.8。每個所述錨定點對與自中心C開始徑向延伸并與將內(nèi)部質(zhì)量塊21的傳感器電極彼此分離的間隙25.1、...、25.4在一條直線上。
[0106]與內(nèi)部質(zhì)量塊和外部質(zhì)量塊21、22同心的柔性耦合環(huán)26被放置在內(nèi)部錨定點24.1、24.3、24.5、24.7和外部錨定點24.2、24.4、24.6、24.8之間。耦合環(huán)26通過短的徑向
臂27.1.....27.8支撐在與錨定點24.1.....24.8間隔一定距離處并且同時處于裝置的襯
底上方，徑向臂的長度L小于自由區(qū)域23的徑向延伸的一半(優(yōu)選小于四分之一)(參見圖1 中的距離:L< (R4-R1) /2)。
[0107]在兩個相鄰的錨定點對24.1/24.2和24.3/24.4的中間，有兩個徑向梁28.1、28.2，用于將外部質(zhì)量塊和內(nèi)部質(zhì)量塊分別連接于耦合環(huán)26。有三個相似的徑向梁結(jié)構(gòu)28.3/28.4,28.5/28.6,28.7/28.8，它們相對于第一徑向梁結(jié)構(gòu)28.1/28.2移位90°方位角。
[0108]徑向梁28.1、28.2可以是直的，并直接連接到質(zhì)量塊21、22，本實施方式示出了不同的方案。徑向梁27.1在其內(nèi)端部有叉子，叉子的兩個臂29.1,29.2垂直于徑向梁28.1取向，并以與徑向梁28.1的軸和質(zhì)量塊21的外周的虛擬交叉點存在橫向距離的方式連接到環(huán)形質(zhì)量塊21的外周。徑向梁28.1和臂29.1,29.2構(gòu)成耦合環(huán)26和內(nèi)部質(zhì)量塊21之間的Y形連接。同樣地，外部質(zhì)量塊22被連接到耦合環(huán)26。從圖4中可以看出，每個質(zhì)量塊21、22有四個與耦合環(huán)的Y形連接。
[0109]圖5示意性示出了控制連接到激活電極A11+、A11-、A21+、A21-、A12+、A21-、A22+、A22-的激活信號發(fā)生器31的控制電路30。檢測電路電連接到感測電極S11+、S11-、S21+、S21-、S12+、S12-、S22+、S22-。該檢測電路32包括用于根據(jù)下式計算差分信號的計算器33:[0110]Sxout= ({S21+}-y {Sll+}) - ({S21-}-y {Sll-})
[0111]Syout= ( {S22+} - μ {S12+} ) - ( {S22_} - μ {S12_})
[0112]本發(fā)明不限于上述實施方式。可有對二次項補償電極提供每個感測電極的一部分的附加特征。這樣的附加電極可被用于加入與激活振幅成正比的信號。
[0113]可以將本發(fā)明的檢測方案僅用于一個軸。在這種簡化的結(jié)構(gòu)中，只需要兩個感測電極。它們相對于振動質(zhì)量塊的中心軸C彼此截然相反。它們也可以不僅僅占據(jù)質(zhì)量塊頂面的四分之一，而是占據(jù)更大的區(qū)域。
[0114]應當指出的是，下述信號表示沿ζ軸(Szrat)的線性加速度。這個信號可以被評估并輸出。
[0115]S_3= {S21+} + {Sll+} + {S21-} + {Sll-} + {S22+} + {S12+} + {S22-} + {S12-}
[0116]質(zhì)量塊和支撐件相對于質(zhì)量塊的中心軸和對于X軸、y軸的良好幾何對稱性確保避免擺動的質(zhì)量塊的平衡失調(diào)。
[0117]優(yōu)選地，質(zhì)量塊和耦合元件設計成質(zhì)量塊的振動頻率遠高于(即大于兩倍以上)任何環(huán)境干擾信號的頻率。這有利于陀螺儀的操作。比最高的機械性運動干擾頻率還要高的典型激發(fā)頻率是至少3KHz。優(yōu)選的頻率范圍為3?12KHz。作為感測頻率，可以使用相比激發(fā)頻率為5?10%的頻移。
[0118]總之，本發(fā)明提供了一種減少科式旋轉(zhuǎn)檢測裝置的環(huán)境影響的技術(shù)方案。
【權(quán)利要求】
1.一種用于檢測諧振器微電子陀螺儀、優(yōu)選微機電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀的輸出信號的方法，其包括以下步驟: a)激活懸掛用于旋轉(zhuǎn)震動的第一和第二諧振器質(zhì)量塊(1，2)的振動面內(nèi)運動， b)通過彈性地連接所述第一和第二諧振器質(zhì)量塊(1，2)以反相振動的至少一個機械耦合元件(4，5，6，7)，提供所述第一和第二振動質(zhì)量塊(1，2)的反相振動， 其特征在于， c)檢測所述兩個諧振器質(zhì)量塊(I，2)各自的至少兩個正感測電極和兩個負感測電極的至少兩個正感測電極信號{S21+}、{S11+}和至少兩個負感測電極信號{S21-}、{S11-}，以檢測所述質(zhì)量塊的面外運動， d)基于下式由所述信號的差分檢測確定至少一個輸出信號Sxwt:
Sxout= ({S21+}-μ {Sll+}) - ({S21-}-y {Sll-})， 其中， {S21+}，{S21-} =第二質(zhì)量塊的正檢測電極和負檢測電極的各感測電極信號； {Sll+}，{S11-} =第一質(zhì)量塊的正檢測電極和負檢測電極的各感測電極信號， μ =補償因子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，用于確定與X方向和y方向的科式旋轉(zhuǎn)對應的兩個輸出信號SX()Ut、Syout的附加步驟是: a)檢測所述兩個諧振器質(zhì)量塊(1，2)各自的至少兩個額外的正感測電極和兩個負感測電極的兩個額外的正感測電極信號{S22+}、{S12+}和至少兩個額外的負感測電極信號{S22-}、{S12-}，以檢測所述質(zhì)量塊(1，2)的額外面外輸出運動， b)基于下式由所述額外信號的差分檢測確定額外輸出信號Sywt:
Syout= ({S22+}-μ {S12+}) - ({S22-}-y {S12-})， 其中， {S22+}，{S22-} =第二質(zhì)量塊的正檢測電極和負檢測電極的各感測電極信號； {S12+}，{S12-} =第一質(zhì)量塊的正檢測電極和負檢測電極的各感測電極信號， μ =補償因子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述耦合元件環(huán)形彈性結(jié)構(gòu)的形式提供，并且具有將環(huán)形結(jié)構(gòu)連接到所述兩個質(zhì)量塊的徑向梁。
4.一種諧振器微電子陀螺儀、優(yōu)選微機電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀,包括: a)懸掛用于旋轉(zhuǎn)振動的第一和第二諧振器質(zhì)量塊， b)彈性地連接所述第一和第二諧振器質(zhì)量塊以反相振動的至少一個機械耦合元件， c)用于檢測質(zhì)量塊的面外輸出運動的每個諧振器質(zhì)量塊中的至少一個正感測電極和至少一個負感測電極， d)連接到所述正感測電極和負感測電極的檢測電路， e)應用在所述檢測電路中的計算器，所述計算器基于下式由信號的差分檢測確定輸出信號:
Sxout= ({S21+}-μ {Sll+}) - ({S21-}-y {Sll-}), 其中， {S21+}，{S21-} =第二質(zhì)量塊的正檢測電極和負檢測電極的各感測電極信號；{Sll+}, {Sll-} =第一質(zhì)量塊的正檢測電極和負檢測電極的各感測電極信號， μ =補償因子。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，確定與X方向和y方向的科式旋轉(zhuǎn)對應的兩個輸出信號SX()Ut、Syout, a)用于檢測質(zhì)量塊的額外面外輸出運動的每個諧振器質(zhì)量塊中的至少一個額外的正感測電極和至少一個額外的負感測電極， b)至少一個額外電路基于下式由所述信號的差分檢測確定額外輸出信號:
Syout= ({S22+}-μ {S12+}) - ({S22-}-y {S12-})， 其中， {S22+}，{S22-} =第二質(zhì)量塊的正檢測電極和負檢測電極的各感測電極信號； {S12+}，{S12-} =第一質(zhì)量塊的正檢測電極和負檢測電極的各感測電極信號， μ =補償因子。
6.根據(jù)權(quán)利要求4~5中的一項所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，所述第二質(zhì)量塊具有環(huán)的形狀，所述第一質(zhì)量塊同心地懸掛于所述第二質(zhì)量塊內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，所述第一質(zhì)量塊具有圓形形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求4~7中的一項所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，所述至少一個耦合元件每個都被固定于錨定器上并懸掛兩個質(zhì)量塊。
9.根據(jù)權(quán)利要求1~8中的一項所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，所述至少一個錨定器每個都設置在所述兩個質(zhì)量塊之間的自由空間中，并在中間區(qū)域支撐所述耦合元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，所述至少一個耦合元件為Z形。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，所述耦合元件具有環(huán)形彈性結(jié)構(gòu)的形式，并且具有將環(huán)形結(jié)構(gòu)連接到所述兩個質(zhì)量塊的徑向梁。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，所述環(huán)形結(jié)構(gòu)固定在相對于所述梁有角度地位移的至少四個錨定器。
13.根據(jù)權(quán)利要求4~12中的一項所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，所述兩個質(zhì)量塊的正感測電極在同一扇區(qū)。
14.根據(jù)權(quán)利要求4~13中的一項所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，選擇移動質(zhì)量快的幾何形狀，以此方式使得所述內(nèi)部質(zhì)量塊和所述外部質(zhì)量塊的驅(qū)動振動頻率相同。
15.根據(jù)權(quán)利要求6~14中的一項所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，所述內(nèi)部質(zhì)量塊以具有比所述外部質(zhì)量塊高的輸出振幅的方式懸掛。
16.根據(jù)權(quán)利要求6~15中的一項所述的諧振器微電子陀螺儀，其中，所述內(nèi)部質(zhì)量塊以具有比所述外部質(zhì)量塊高的振動振幅的方式懸掛。
【文檔編號】G01C19/5712GK103842771SQ201280045905
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月21日
【發(fā)明者】雅克·勒克萊克 申請人:特羅尼克斯微系統(tǒng)有限公司