改進(jìn)的振動(dòng)陀螺儀的制作方法
【專利摘要】一種傳感裝置，其包括微機(jī)械陀螺儀，所述陀螺儀包括：改進(jìn)的具有微機(jī)械陀螺儀(51)的傳感裝置，其中，第一機(jī)械共振器(52)的共振頻率和第二機(jī)械共振器(53)的共振頻率被調(diào)整為基本一致。所述裝置包括連接至所述第二機(jī)械共振器(53)的反饋回路，所述反饋回路和所述第二機(jī)械共振器(53)的組合的品質(zhì)因數(shù)小于10。在基本上不增加傳感器裝置構(gòu)造的復(fù)雜度的情況下實(shí)現(xiàn)了更加精確的感測(cè)。
【專利說(shuō)明】改進(jìn)的振動(dòng)陀螺儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微機(jī)電裝置，特別地，如獨(dú)立權(quán)利要求的前序部分所限定的，涉及用于 感測(cè)角速度的傳感器裝置和方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 微機(jī)電系統(tǒng)或MEMS可以被定義為至少一些元件具有某種機(jī)械功能的小型機(jī)械和 機(jī)電系統(tǒng)。因?yàn)槭褂糜脕?lái)創(chuàng)建集成電路的相同工具創(chuàng)建MEMS裝置，所以能夠?qū)⑽C(jī)械和微 電子制造在同一硅片上以使機(jī)器智能化。
[0003]MEMS結(jié)構(gòu)能夠應(yīng)用來(lái)快速而精確地檢測(cè)物理性質(zhì)的非常小的變化。例如，能夠使 用微機(jī)電陀螺儀來(lái)快速和精確地檢測(cè)非常小的角位移。運(yùn)動(dòng)具有六個(gè)自由度：三個(gè)正交方 向上的平動(dòng)和繞著三個(gè)正交軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。后面的三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)可以由角速度傳感器（也稱為陀螺 儀）來(lái)測(cè)量。MEMS陀螺儀使用科里奧利效應(yīng)（CoriolisEffect)來(lái)測(cè)量角速度。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)正 在一個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)并施加轉(zhuǎn)動(dòng)角速度時(shí)，由于科里奧利力（Coriolisforce),該質(zhì)點(diǎn)會(huì)受 到正交方向上的力。由科里奧利力造成的物理位移則可以從電容式或壓阻式傳感結(jié)構(gòu)中讀 出。
[0004] 在MEMS陀螺儀中，由于缺少足夠的承載，主運(yùn)動(dòng)不可能是如常規(guī)陀螺儀中那樣的 連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。作為替代地，可以使用機(jī)械振蕩作為主運(yùn)動(dòng)。當(dāng)振蕩陀螺儀經(jīng)受與該主運(yùn)動(dòng)的 方向正交的角運(yùn)動(dòng)時(shí)，就產(chǎn)生了波動(dòng)的科里奧利力。這造成與角運(yùn)動(dòng)的軸以及主運(yùn)動(dòng)正交 并且具有主振蕩的頻率的次級(jí)振蕩。這個(gè)耦合的振蕩的振幅能夠被用作角速度的測(cè)量。
[0005] 振動(dòng)陀螺儀根據(jù)通過(guò)將主模式振動(dòng)與由附著有陀螺儀的物體的轉(zhuǎn)動(dòng)引起的科里 奧利力導(dǎo)致的次級(jí)模式振動(dòng)耦合的原理來(lái)工作。陀螺儀的工作很大程度上依賴于如何彼此 相關(guān)地選擇用于主模式振動(dòng)的共振器的共振頻率（主頻率）和用于次級(jí)模式振動(dòng)的共振器 的共振頻率（次級(jí)頻率）。當(dāng)上述頻率相距甚遠(yuǎn)時(shí)，陀螺儀對(duì)外部振動(dòng)的敏感度較低并且表 現(xiàn)出對(duì)于環(huán)境變化（例如，溫度和時(shí)間）的良好穩(wěn)定性，但是檢測(cè)出的振幅相對(duì)低。可以對(duì) 產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行電放大，但是同時(shí)也放大了噪聲，所以信噪比往往非常低。當(dāng)上述頻率較接 近時(shí)，次級(jí)共振器的增益放大了科里奧利運(yùn)動(dòng)，并且獲得了更好的信噪比。然而，同時(shí)，對(duì)于 各種外部和內(nèi)部因素的敏感度增大。對(duì)于這些因素中的許多因素而言，可以通過(guò)傳感裝置 中增加的機(jī)械結(jié)構(gòu)或電路來(lái)控制敏感度。然而，這樣的布置通常導(dǎo)致裝置的尺寸增大以及 魯棒性降低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是使在基本上不增加傳感器裝置構(gòu)造的復(fù)雜度的情況下使用微機(jī) 電陀螺儀進(jìn)行更加精確的感測(cè)成為可能。使用根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的特征部分的傳感器裝置 和方法來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。
[0007]從屬權(quán)利要求公開(kāi)了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
[0008] 本發(fā)明基于這樣的理念：通過(guò)使主頻率和次級(jí)頻率相一致來(lái)施加共振增益以提高 從次級(jí)共振器輸出的信號(hào)電平。使用非常強(qiáng)的阻尼反饋回路來(lái)控制次級(jí)共振器。因而可以 用最少量的裝置組件來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)電平的顯著提高。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009] 在下文中，將參照附圖并結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例更加詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，其中，
[0010] 圖1示出了二自由度（DoF)機(jī)械共振器；
[0011] 圖2圖示了典型的微機(jī)械陀螺儀的構(gòu)造；
[0012] 圖3圖示了典型的微機(jī)電傳感器裝置的構(gòu)造；
[0013] 圖4示出了典型的機(jī)械共振器的典型振幅和相位傳遞函數(shù)；
[0014] 圖5示出了圖示了微機(jī)械傳感裝置構(gòu)造的實(shí)施例的框圖；
[0015] 圖6示出了適用于將位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的質(zhì)點(diǎn)-彈簧系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示例；
[0016] 圖7示出了適用于將位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的質(zhì)點(diǎn)-彈簧系統(tǒng)的另一個(gè)示例；
[0017] 圖8示出了圖示了典型的第二機(jī)械共振器的功能構(gòu)造的框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面的實(shí)施例是典型的。盡管說(shuō)明書可能提及"一"、"一個(gè)"或"一些"實(shí)施例，但 是這不一定意味著每次這樣提及的是相同的實(shí)施例或者特征僅用于單個(gè)實(shí)施例?？梢詫?duì)不 同實(shí)施例的單個(gè)特征進(jìn)行組合以提供更多的實(shí)施例。
[0019] 在下文中，將使用可以實(shí)施本發(fā)明的各種實(shí)施例的器件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單示例說(shuō)明本發(fā) 明的特征。僅詳細(xì)說(shuō)明與圖示實(shí)施例有關(guān)的元件。本文中可以不具體說(shuō)明本領(lǐng)域技術(shù)人員 通常知曉的傳感器裝置和方法的各種實(shí)施方式。
[0020] 為了建立應(yīng)用的概念和術(shù)語(yǔ)，圖1示出了如現(xiàn)有技術(shù)中所述的（例如：Mikko Saukoski的"SystemandcircuitdesignforacapacitiveMEMSgyroscope(電容MEMS 陀螺儀的系統(tǒng)和電路設(shè)計(jì)）"）現(xiàn)有技術(shù)的二自由度（DoF)機(jī)械共振器。圖1的2-DoF結(jié)構(gòu) 包括兩個(gè)1-DoF共振器，一個(gè)由質(zhì)點(diǎn)10、x軸方向上的彈簧kxx和阻尼器Dxx形成，另一個(gè)由 質(zhì)點(diǎn)l〇、y軸方向上的彈簧kyy和阻尼器Dyy形成。在角速度的微機(jī)械傳感器中，x方向的共 振器可以被稱為主共振器或驅(qū)動(dòng)共振器。通常以具有x方向的共振器的共振頻率（被稱為 工作頻率）的外力來(lái)激發(fā)x方向的共振器。y方向的共振器可以被稱為次級(jí)共振器或感測(cè) 共振器。當(dāng)繞著z軸施加角速度時(shí)，可以在次級(jí)共振器中檢測(cè)到相應(yīng)的科里奧利力。在圖 1的功能圖中，主共振器和次級(jí)共振器的質(zhì)點(diǎn)完全相同。根據(jù)構(gòu)造，主共振器和次級(jí)共振器 的質(zhì)點(diǎn)也可以不同。
[0021] 圖2圖示了典型的微機(jī)械陀螺儀的構(gòu)造，微機(jī)械陀螺儀包括質(zhì)點(diǎn)20,質(zhì)點(diǎn)20借助 于彈簧23、24在y軸方向上被支撐于致動(dòng)框架21。所述致動(dòng)框架21借助于彈簧25、26在 x軸方向上被支撐于支撐結(jié)構(gòu)22。在圖示的陀螺儀中，通過(guò)彈簧25、26的啟動(dòng)，可以將中間 的質(zhì)點(diǎn)20和圍繞質(zhì)點(diǎn)20的致動(dòng)框架21激活成在x軸方向上進(jìn)行振動(dòng)主運(yùn)動(dòng)。借助于質(zhì) 點(diǎn)20到致動(dòng)框架21的彈簧懸掛23、24而在y軸方向上形成的檢測(cè)軸垂直于所述主運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)以主運(yùn)動(dòng)的形式振動(dòng)的結(jié)構(gòu)關(guān)于與xy平面垂直的Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，主運(yùn)動(dòng)中的質(zhì)點(diǎn)20經(jīng)受 到y(tǒng)軸方向上的科里奧利力。檢測(cè)彈簧23、24限定引起的檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)的振幅和相位。
[0022] 圖3圖示了典型的現(xiàn)有技術(shù)的微機(jī)電傳感裝置30的構(gòu)造。該裝置包括微機(jī)械陀螺 儀31，微機(jī)械陀螺儀31包括用于驅(qū)動(dòng)模式振動(dòng)（主運(yùn)動(dòng)）的第一機(jī)械共振器32和耦合至 第一機(jī)械共振器以在與驅(qū)動(dòng)模式振動(dòng)的方向垂直的方向上產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的感測(cè)模式振動(dòng)（次 級(jí)運(yùn)動(dòng)）的第二機(jī)械共振器33。例如，可以使用產(chǎn)生振蕩電信號(hào)的主振蕩器電路32和將輸 入至第一機(jī)械共振器32的靜電能轉(zhuǎn)換成主共振器中的機(jī)械的驅(qū)動(dòng)模式振動(dòng)的換能器（未 示出）來(lái)實(shí)施和控制驅(qū)動(dòng)模式振動(dòng)。
[0023] 第一機(jī)械共振器與第二機(jī)械共振器的耦合造成第二機(jī)械共振器33中的可以使用 換能器（未示出）而被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的感測(cè)模式振動(dòng)?？梢允褂梅糯笃?5來(lái)放大從次級(jí) 共振器輸出的對(duì)應(yīng)于感測(cè)模式振動(dòng)的電信號(hào)。圖3的典型的微機(jī)械傳感器裝置的構(gòu)造應(yīng)用 了這樣的同步檢測(cè)：其中，來(lái)自主振蕩器電路的電信號(hào)以及來(lái)自放大器的電信號(hào)被饋入產(chǎn) 生傳感器裝置的輸出的同步檢測(cè)器36中。當(dāng)微機(jī)械傳感器裝置轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，陀螺儀的驅(qū)動(dòng)模式 振動(dòng)與借助于科里奧利力的感測(cè)模式振動(dòng)耦合，且從第二機(jī)械共振器接收到的電信號(hào)對(duì)應(yīng) 于科里奧利力并因此對(duì)應(yīng)于裝置的角速度。
[0024] 陀螺儀的工作強(qiáng)烈依賴于如何彼此相關(guān)地設(shè)定第一機(jī)械共振器的共振頻率 fP_(主頻率）和第二機(jī)械共振器的共振頻率4。（次級(jí)頻率）。圖4示出了典型的機(jī)械共 振器的振幅和相位傳遞函數(shù)。這里將微機(jī)械陀螺儀的主頻率與次級(jí)頻率之間的差稱為德?tīng)?塔頻率（deltafrequency)或delta-f。
[0025] 在常規(guī)的陀螺儀中，主頻率被選定為低于次級(jí)頻率，并且delta-f相當(dāng)大，大約為 1至2kHz的級(jí)別。從圖4可以看出，當(dāng)陀螺儀的delta-f非常大時(shí)，主頻率處于次級(jí)共振 器傳遞函數(shù)的平直部。當(dāng)使主頻率和次級(jí)頻率彼此接近時(shí)，科里奧利運(yùn)動(dòng)開(kāi)始被次級(jí)共振 器的增益放大。假設(shè)次級(jí)共振器的品質(zhì)因數(shù)（Q值）足夠高，那么該增益基本上僅取決于 delta-f。當(dāng)雙方的共振頻率彼此足夠接近時(shí)，該增益開(kāi)始飽和為由次級(jí)共振器的品質(zhì)因數(shù) 確定的值。
[0026] 在理想結(jié)構(gòu)中，通過(guò)簡(jiǎn)單地使主頻率與次級(jí)頻率之間的差值最小化，共振增益就 可以完全用于最佳的敏感度和分辨率。無(wú)論這些非理想特性中的一些特性的理想化和影響 如何相當(dāng)強(qiáng)地依賴于delta-f，但是現(xiàn)實(shí)世界中的結(jié)構(gòu)不是這樣的。
[0027] 例如，當(dāng)減小delta-f時(shí)，科里奧利運(yùn)動(dòng)增加且因此共振增益增大，但是同時(shí)，對(duì) delta-f變化的敏感度增大。在MEMS陀螺儀中，非常難以制造這樣的結(jié)構(gòu)：其中，主頻率與 次級(jí)頻率之間的delta-f對(duì)于溫度和老化效應(yīng)完全保持穩(wěn)定。通過(guò)傳感器裝置中的附加的 信號(hào)處理電路可以進(jìn)行主頻率和次級(jí)頻率的適當(dāng)跟蹤，但是這樣復(fù)雜的構(gòu)造往往體積大并 且降低了裝置的魯棒性。
[0028] 還存在著其它原因使得在通常情況下不顧已知的共振增益損失而仍應(yīng)用較高值 的delta-f。干擾檢測(cè)的另一個(gè)機(jī)制是具有delta-f頻率的振動(dòng)。檢測(cè)軸上的delta-f 頻率的角振動(dòng)將借助科里奧利力而耦合至次級(jí)共振器并對(duì)主頻率進(jìn)行調(diào)制以使得旁帶 (sideband)恰好以次級(jí)共振頻率發(fā)生。因?yàn)榭评飱W利項(xiàng)包含主信號(hào)速度與角速度信號(hào)的乘 積，所以發(fā)生這種情況。如果通過(guò)同步檢測(cè)解調(diào)來(lái)自次級(jí)共振器（次級(jí)通道）的信號(hào)，那么 陀螺儀的頻率響應(yīng)將在delta-f?頻率處具有峰值。避免這種情況的一個(gè)方式是將delta-f 設(shè)計(jì)得盡可能大并且減小次級(jí)共振器的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)（機(jī)械Q值）。當(dāng)然，如果把delta-f 設(shè)計(jì)為顯著高于傳感器的帶寬，那么可以從傳感器輸出中對(duì)delta-f共振濾波。
[0029] 此外，由于陀螺儀制造時(shí)的瑕疵，常常存在從主共振器到次級(jí)共振器的直接機(jī)械 耦合。該耦合與主運(yùn)動(dòng)的振幅成比例，而通過(guò)科里奧利力的耦合與速度成比例。因此，直接 機(jī)械耦合與科里奧利信號(hào)相比具有90度相位偏移并被稱為正交信號(hào)。
[0030] 陀螺儀的零點(diǎn)穩(wěn)定很大程度上依賴于被檢測(cè)的主振蕩與次級(jí)共振器的傳遞函數(shù) 之間的相位穩(wěn)定和正交信號(hào)電平。如果次級(jí)通道中存在相位變化△，則產(chǎn)生的角速度輸出 的零點(diǎn)變化是：

【權(quán)利要求】
1. 一種傳感裝置，其包括微機(jī)械陀螺儀，所述陀螺儀包括： 用于驅(qū)動(dòng)模式振動(dòng)的第一機(jī)械共振器； 第二機(jī)械共振器，所述第二機(jī)械共振器耦合至所述第一機(jī)械共振器并且用于與角速度 相對(duì)應(yīng)的感測(cè)模式振動(dòng)，其中，所述第一機(jī)械共振器的共振頻率和所述第二機(jī)械共振器的 共振頻率最初被調(diào)整為基本一致； 阻尼反饋回路，所述阻尼反饋回路連接至所述第二機(jī)械共振器，所述反饋回路和所述 第二機(jī)械共振器的組合的品質(zhì)因數(shù)小于10。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感裝置，其中， 所述反饋回路包括換能器元件和控制元件； 所述換能器元件包括第一換能器和第二換能器； 所述第一換能器被構(gòu)造為輸出與所述感測(cè)模式振動(dòng)相對(duì)應(yīng)的第一電信號(hào)； 所述控制元件被構(gòu)造為從所述第一換能器接收所述第一電信號(hào)并且根據(jù)特定的響應(yīng) 函數(shù)生成第二電信號(hào)，所述響應(yīng)函數(shù)限定了所述第一電信號(hào)的值與所述第二電信號(hào)的值之 間的對(duì)應(yīng)性； 所述控制元件被構(gòu)造為將所述第二電信號(hào)饋入所述第二換能器； 所述第二換能器被構(gòu)造為對(duì)質(zhì)點(diǎn)施加與所述第二電信號(hào)相對(duì)應(yīng)的反向力； 所述控制元件是信號(hào)處理濾波器，所述信號(hào)處理濾波器的響應(yīng)函數(shù)具有與第一共振頻 率基本一致的共振頻率特性。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感裝置，其中，所述第一機(jī)械共振器的共振頻率與所述 第二機(jī)械共振器的共振頻率之間的初始頻率間隔在0至0. 05的范圍內(nèi)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的傳感裝置，其中，所述第一機(jī)械共振器和所述第二機(jī)械 共振器的共振頻率被設(shè)計(jì)為對(duì)環(huán)境變化表現(xiàn)出同樣的反應(yīng)。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的傳感裝置，其中，所述第二共振器的第一換 能器和第二換能器是面積調(diào)制型的電容式/靜電式換能器。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的傳感裝置，其中，所述第二共振器的第一換 能器和第二換能器是壓電式換能器。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的傳感裝置，其中，所述第一機(jī)械共振器或所 述第二機(jī)械共振器的結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)為使得它們的機(jī)械和靜電對(duì)彈簧的貢獻(xiàn)的比率基本恒定。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感裝置，其中，所述控制元件是信號(hào)處理濾波器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感裝置，其中，所述信號(hào)處理濾波器的品質(zhì)因數(shù)大于1。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的傳感裝置，其中，所述信號(hào)處理濾波器的品質(zhì)因數(shù)在3 至10的范圍內(nèi)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8、9或10所述的傳感裝置，其中，閉合反饋回路對(duì)于低于所述第一共 振頻率的頻率的回路增益在〇. 1至〇. 3的范圍內(nèi)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求5至10中任一項(xiàng)所述的傳感裝置，其中，所述共振頻率特性與所述第 一共振頻率的偏差小于50%。
13. -種傳感裝置的制造方法，所述傳感裝置包括微機(jī)械陀螺儀，所述陀螺儀包括用于 驅(qū)動(dòng)模式振動(dòng)的第一機(jī)械共振器和耦合至所述第一機(jī)械共振器的用于與角速度相對(duì)應(yīng)的 感測(cè)模式振動(dòng)的第二機(jī)械共振器，所述方法包括以下步驟： 將所述第一機(jī)械共振器的共振頻率和所述第二機(jī)械共振器的共振頻率調(diào)整為基本一 致； 將待連接的反饋回路連接至所述第二機(jī)械共振器，所述反饋回路和所述第二機(jī)械共振 器的組合的品質(zhì)因數(shù)小于10。
【文檔編號(hào)】G01C19/5776GK104395695SQ201380031839
【公開(kāi)日】2015年3月4日 申請(qǐng)日期:2013年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月29日
【發(fā)明者】安斯·布盧姆奎斯特 申請(qǐng)人:株式會(huì)社村田制作所