专利名称：多轴惯性传感器及测量多轴平动和转动加速度的方法
技术领域：
本发明涉及传感器技术领域，尤其是特别涉及一种惯性传感器及一种同时测量多轴平 动和转动加速度的方法。
背景技术：
微加速度计和陀螺仪在汽车控制、游戏的输入输出、导航等领域具有广泛的应用。目 前这种传感器的研发主要集中于单轴的微陀螺仪和多轴的加速度计。当然，集成的多轴器 件由于使得单一芯片可以同时测量加速度和转动，它在各种市场领域都将有广泛应用。可 是将多轴的惯性传感器集成在单一芯片上的极高的复杂程度和成本却影响了多轴传感器集 成的发展。于是， 一种低成本，单一芯片，多轴的惯性传感器成为人们非常渴望的微机电 器件。发明内容本发明提出一种结构简单的运动传感器，它不同于以往昂贵而缺点颇多的设计，可以 同时测量各方向的线加速度和转动。本发明的传感器的结构设计成用不同的质量块对来测 量沿不同正交方向的加速度，具有相当低的轴间串扰灵敏度，同时结构的对称性使得环境 噪音和漂移可以非常容易地得到补偿。简而言之，本发明是一种具有外框质量和一对或多对内芯传感质量块的结构。此结构 具有一个振动轴，它和驱动以及传感的运动方向重合。此结构被设定为用一个周期性的驱 动信号来驱动所有的质量块沿着振动轴方向同相位运动。当测量沿着垂直于振动轴方向的 运动时，其中一对传感质量块由于力的作用将沿着振动轴方向反相位运动。本发明采用的技术方案如下 一种多轴惯性传感器，包括-具有第一个质心和第一个对称轴的第一质量块；具有第二个质心和第二个对称轴的第二质量块；一个可以沿主轴方向相对于传感器平台运动的框架；将第一质量块悬挂于框架上的第一个弹性结构，该第一个弹性结构具有第三个质心并关于第一个对称轴对称；将第二质量块悬挂于框架上的第二个弹性结构，该第二个弹性结构具有第四个质心并 关于第二个对称轴对称；所述的第一个质心和第三个质心沿主轴方向上相互间有位移；并且所述的第二个质心和第四个质心沿主轴方向上相互间有位移。 本结构的设计，使得当该结构中的框架沿主轴方向驱动时，感应质量块的运动得到放 大。当外力沿垂直于主轴方向施加于本结构时， 一对感应质量块将分别沿主轴向相反的方 向运动。而当外力沿主轴方向施加于本结构时，所有的感应质量块将沿主轴向同一方向运 动。所述的第一质量块和第二质量块相同。所述的框架悬挂于传感器平台，或器件的基层上，即静止的参照系上。第三个弹性结构将框架悬挂在传感器平台上；所述的第三个弹性结构具有第五个质心，框架具有第六个 质心，并且第五个质心和第六个质心沿主轴方向上相互之间具有位移。 所述的第一、第二和第三个弹性结构均可由粱臂弹簧构成。所述的第一个质心和第二个质心沿主轴方向对齐，并且第一个质心和第五个质心沿主 轴方向上相互间有个位移。所述的多轴惯性传感器，还可以包含多对感应质量块。即所述的多轴惯性传感器， 还包括具有第五个质心和第三个对称轴的第三质量块； 具有第六个质心和第四个对称轴的第四质量块；将第三质量块悬挂于框架上的第三个弹性结构，该第三个弹性结构具有第七个质心 并关于第三个对称轴对称；将第四质量块悬挂于框架上的第四个弹性结构，该第四个弹性结构具有第八个质心 并关于第四个对称轴对称所述的第五个质心和第七个质心沿主轴方向上相互间有个位移；并且 所述的第六个质心和第八个质心沿主轴方向上相互间有个位移。 本发明提供了一种能够同时测量多个轴向加速度和转动的结构。该结构包括， 一个具 有良好串轴灵敏度的可沿主轴(或驱动轴)运动的活动平台，称为框架；由一对或多对相 同的感应质量块组成的第二结构单元，每一个感应质量块都由内弹性结构悬挂于框架上； 由单一或多个悬挂弹性件构成的对称的内弹性结构，悬挂弹性件的一端和感应质量块相连,另一端和框架相连，并且使悬挂弹性结构的对称轴和所挂感应质量块的对称轴一致； 一粱 型外弹性结构，将框架悬挂于基层或传感器平台，即静止的参照系上；设置内弹性结构和 感应质量块，使得它们的质心在主轴方向上相互偏离；同样设置外弹性结构和框架，使得 它们的质心在主轴方向上相互偏离。本结构的设计，使得当该结构中的运动平台沿运动主轴方向驱动时， 一对或多对感应 质量块的运动得到放大。当外力沿垂直于主轴方向施加于本结构时， 一对感应质量块将沿 主轴向相反的方向相互运动。而当外力沿主轴方向施加于本结构时，所有的感应质量块将 沿主轴向同一方向运动。本结构中的框架可以用运动力、静电力、压电力，甚至磁场力或热膨胀力来驱动，即 结构中所包含的驱动器驱动框架沿主轴方向运动。驱动器可选自静电驱动器，压电驱动器， 磁力驱动器，电磁驱动器，微流体驱动器，空气驱动器或热驱动器。处于框架内部的感应质量块的运动可以用电容变化、压电、压阻或光学方式来测量。本发明的结构若用于电容式振动陀螺仪使用静电力传感，则具有非常大的驱动动态范 围。另外此结构可同样用于对强运动的测量并且不会像其它类似的器件那样容易受到非稳 静电和停摆的干扰。因此，器件的分辨率将得到极大的提高。由于激发和运动探测都可以 在同一轴向上，探测电极可以被安排在同一高度的底层或顶层，或统称为基层上(也可以 同时安排在底层和顶层上)。此外，器件也可以非常容易地使用半导体技术进行微机械制造 加工(即微机电系统(MEMS)技术)，从而进行低成本的大批量生产。本发明的一种具体实施方式
是一个可以用光刻方法来制造的器件。以如图5所示的电 容式运动传感器为例。该器件包括三层。■中间一层即为上文所描述的结构(即请求专利保护的结构)。所述的中间层，也称为结 构层可以由微型制造和导体工艺技术进行制造。在一个具体实施例中，结构层可在绝缘衬 底硅(SOI)片上实现。其中内弹性结构和外弹性结构是在SOI片的器件层上制造，而活动平 台和感应质量块对可以在器件层，基底层的组合层上制造(组合器件层和基底层进行制造)。 在另一种实例中，结构层可用多晶硅或镍分别通过面微制造和LIGA技术制成。在典型的实 例中， 一般有两对(四个)感应质量块构成。顶层和低层(或称为顶封装层，底封装层)可用陶瓷，石英，玻璃或硅圆片制成。 一层或 多层中可以包含电极，电极通过光亥ij或障板掩膜技术来制作。结构层是在顶层以及低层之 间，使得基层或作为参照的静止框架，通过薄(厚)材料的沉积，光刻，以及键合技术(如，阳极键合，硅硅键合，粘胶键合)固定于封装层，从而形成装配器件。这样的装配器件可以 低成本大规模的生产。驱动电极被安置在顶层的底端(或可选地同时安置在顶层和底层)这样电极就直接在活 动平台的顶端(或可选地同时在活动平台的顶端和底端).器件的装配过程过后，在顶层电极 或低层电极与活动平台之间形成了间隔缝隙。此间隔缝隙可以通过凹陷结构层或在封装层 与结构层之间加入垫片来实现。这样电容就在封装层的驱动电极和活动平台之间形成一一 被称为驱动电容。同样多个感应电极被放置于顶层的底端位于感应质量块之上形成感应电 容。驱动电压加载于电极之上；形成一个静电吸引力用来驱动活动平台沿主轴方向上下运 动(我们设定为Z轴)。当完成装配的器件沿X轴转动时；由于科里奥利力的作用，其中一对感应质量将沿Z-轴反相位运动。感应质量的运动可以由感应电容的变化来观测。由于结构具有对称性，它可以用测量X轴转动完全一样的方式来测量Y轴转动。X或Y 向的线加速度叠加于科里奥利力之上，而科里奥利力具有和驱动信号同样的振动频率。而 在Z向的线加速度作用下，所有的感应质量将沿Z轴同相位运动。根据上文所公开的结构，本发明还涉及一种测量多轴平动和转动加速度的方法，包括 如下步骤在平台上悬挂一个框架，其中框架是用一弹性结构悬挂于传感器平台上；将框架沿相对于传感器平台的主轴方向运动，其中框架包含分别构成两个电容传感器 的第一个平板和第二个平板，第一个平板和第二个平板按照设计会因为外力而产生运动， 并且第一个电容传感器的电容值是第一个平板运动的函数，第二个电容传感器的电容值是第二个平板运动的函数；并且采集第一个输出信号，该输出信号基于第一个平板和第二个平板的相对运动。在上述方法中，所述的第一个输出信号基于第一个平板和第二个平板的不同相运动， 可以反映传感器平台沿与主轴方向不同的第二个运动方向上的运动。同样，基于第一平板 和第二平板的同相位运动，第一个输出信号反映传感器平台沿主轴方向的运动。由于结构具有对称性，基于第一平板和第二平板的相对运动，第一个输出信号还可以 反映传感器平台的转动。本发明的方法，还采集第二个输出信号，该第二个输出信号同样基于第一平板和第二平板的相对运动；并且第一个输出信号基于第一平板和第二平板的同相位运动；第二个输出信号基于第一平板和第二平板的反相位运动。在本发明所述的方法中，在框架还可以包含分别构成第三个和第四个电容传感器的第三个平板和第四个平板，其中的第三个平板和第四个平板按照设计会因为外力而产生运动，并且第三个电容传感器的电容值是第三个平板运动的函数，第四个电容传感器的电容值是 第四个平板运动的函数；并且第一个输出信号基于第一、第二、第三和第四个平板中的任意两个的相对运动。综上所述，本发明具有全部或部分如下优势i. 由于结构使用一对质量块的差分运动来探测X or Y轴的惯性力，分辨率可以提高；或者ii. 由于结构使用一对质量块的差分运动来探测X or Y轴的惯性力，轴间串扰灵敏 度可以降低；或者iii结构在外框架上被激发，激发运动通过感应质量得到放大。当结构使用静电力用于电容式振动陀螺仪时，此结构和无驱动保持原有间隙时具有更大的动态范围，这样器件 的分辨率得到了极大提高；或者iv.通过调节外弹性粱臂和内弹性粱臂，第一自然本征频率可以和第二，第三本征频 率调得很靠近，这样可以增加转动的分辨率；或者v由于结构具有对称性，它对环境噪声具有很强的抵抗力；或者vi由于驱动和运动探测可以在同一轴上实现，电极可以同时安排在顶层和底层的相同 高度，这样可以减少加工成本；或者vii任何i， ii， iii， iv, v，和vi项的组合。下面结合具体实施方式
详细描述本发明，本发明的范围并不限定于所描述的具体实例 中，而是由权利要求加以限定，任何同类的变种和改动都属于本发明专利所涉及的范围。
图1 本发明所述的多轴惯性传感器的一种实例的结构示意2 图1中所示传感器的平面底视3 本发明所述的多轴惯性传感器的另一种实例的结构示意4 图3中所示传感^的平面底视5 与本发明相一致的一种电容式多轴惯性传感器的截面图具体实施方式
实施例一第一种和本发明相一致的实例图示于图1和图2中。实施例一的结构具有一个正方环形的外框架2，它会受到沿垂直于图2纸面方向的驱 动(即沿Z轴)；四个外弹性粱臂3被放置在框架2的每个外拐角起悬挂框架的作用。四个 外弹性梁臂3具有相同的高度并从外框架质量2的底面向外延伸。框架2的里环结构是四 个质量块(4-7)，它们占据了框架2的里的大部分面积。四个感应质量块的中心占据了框架 2里的四个对称的位置。框架2里的四个感应质量具有相同的水平和高度。在已曝光的结构 l中，每一个感应质量4都有四个平行的粱臂与之相连(41-44)，其中两个粱臂(41， 44)与 框架和质量块4的两个远角相连，而其它两个粱臂(42， 43)与框架和质量块4的两个近边 相连。对于质量块4的对称平面，粱臂41与粱臂44对称并且粱臂42与粱臂43对称。每 一组四个粱臂(41-44)与从外框架质量2的底面向外延伸的外弹性粱臂3具有相同的水平高 度。通过安放弹性粱(3， 41-44)，检测质量块(4-7)的质心相对于它们相应的弹性粱沿Z轴 方向具有相对位移。四个内感应质量块(4-7)形成两个运动传感对。质量块5和7形成一 对。质量块4和6形成另一对。所述的结构有三种自然工作模式。在第一种工作模式中，所有四个感应质量块(4-7) 都沿着Z轴驱动。第二种工作模式中，其中一对质量块(4, 6)会以质量块4和6沿Z轴完 全180度反向的方式运动r第三种工作模式中，其中配对质量块(5， 7)会以质量块5和7 沿Z轴完全180度反向的方式运劫。由于结构的对称形式，第二和第三种模式的自然本征 频率是一样的。而第一种工作模式是驱动模式。为了提高分辨率和减少轴间串扰灵敏度， 外粱臂3被设计成它的第一自然本征频率非常靠近它的第二和第三自然本征频率。当结构 在外框架上沿着Z轴被驱动，传感质量块(4-7)会将运动放大。当探测垂直于驱动轴的运 动，例如X-线加速度，或Y-转动加速度时，配对质量块(4, 6)将相互沿Z轴反相运动。 当探测Y-线加速度，或X-转动加速度时，另一对质量块(5, 7)将相互沿Z轴反相运动。 当探测沿Z轴的线加速度，'所有质量块将Z轴同相位运动。以电容式运动传感器来实现上述结构。此种振动探测传感器可以探测x-, y-和z-轴 线加速度，以及x-和》-科里奥利力(五轴运动)。这个传感器有三层。中间层是实施例 所采用的结构。顶层和fe层是封装玻璃层。外悬臂梁3在封装层悬挂。驱动电极被安装在 框架质量2之上的顶层底部。四个传感电极都安装在传感质量块(4-7)之上的顶层底部(4-7)。当在驱动电极上加上驱动电压之后，静电吸引力将驱动框架2沿着Z-轴上下运动。 这种运动被与之通过内弹性梁相连的传感质量块(4-7)放大。这样的运动的最大好处是传感 质量块和没有拉动前的最初间隙状态相比，具有非常大的动态范围。当器件沿x-轴转动时， 由于科里奥利力的作用，其中的质量块5将和质量块7沿Z-轴180反相运动.由于结构的 对称性，器件可以向探测X-转动一样来探测Y-转动。X-或Y-的线性加速度将和具有驱动 信号同频率的科里奥利力相叠加。所有的传感质量块(4-7)如果在Z加速度作用下，将沿 Z-轴上下同相运动。中间层可以用半导体或微系统工业中流行的单晶硅，多晶硅，SOI或其 它材料来加工并且器件将可进行低成本大规模生产。 本实施例同样可以描述本发明所披露的方法。实施例二图3和图4给出第二种和本发明相一致的实例。实施例二中的结构具有圆环形的外框架IOI,它将会沿垂直平面于图4 (即，沿z-轴) 的方向运动；四个外弹性梁102用于支撑框架101。这四个外梁101具有同样的高度并 从外梁质量块101的底面向外延伸。四个外粱臂沿着框架均匀分布。图4中，它们沿着X 和Y的方向。框架2的内结构具有四个传感质量块(104-107),它们在框架101内，具有 不同方向但同样的扇形。框架IOI和四个内质量块(104-107)具有相同的高度和厚度。四 个质量块(104-107)形成两组传感对。质量块105和107形成一对。质量块104和106 形成另外一对。在本实施例所公开的结构中，单一的传感质量块104的最近端通过悬臂梁 103与框架相连。梁103的对称平面和传感质量104的对称平面相合。的确可以用多个粱臂 将框架与质量块104的最近端相连，但是它们应当与感应质量块104具有同样的对称面。 在本实施例所公开的结构中，梁103的对称平面和外框101的对称平面相合，这样可以帮 助降低轴间串扰灵敏度。在本结构上的所有弹性梁和感应质量(104-107)底面具有同样的 高度。根据现在弹性粱臂(:02, 103)的安排，感应质量(104-107)中心相对于它们各自的弹性梁质心沿z-轴方向有一个位栘。和实例一相同，本结构具有，三个工作模式。在第一种工作模式中，所有四个感应质量 块(104-107)都沿着Z轴同相位i动。第二种工作模式中，其中一对质量块(104, 106)会以 质量块104和106沿Z轴完全'180度反向的方式运动。第三种工作模式中，其中配对质量 块(105, 107)会以质量块105和107沿Z轴完全180度反向的方式运动。由于结构的对称 形式，第二和第三种模式的自然本征频率是一样的。而第一种工作模式是驱动模式。为了 提高分辨率和减少轴间串械灵敏度，外粱臂102被设计成它的第一自然本征频率非常靠近它的第二和第三自然本征频率。当本结构在外框架101上沿着Z轴被驱动，传感质量块 (104-107)会将运动放大。当探测垂直于驱动轴的运动，例如X-线加速度，或Y-转动加速 度时，配对质量块(104， 106)将相互沿Z轴反相运动。当探测Y-线加速度，或X-转动加 速度时，另一对质量块(105, 107)将相互沿Z轴反相运动。当探测沿Z轴的线加速度，所 有质量块将Z轴同相位运动。以电容式运动传感器来实现上述结构。此种实施例所采用的结构可以探测x-, y-和 z-轴线加速度，以及x-和y-科里奥利力(五轴运动)。这个传感器有三层。中间层是 实施例所采用的结构，顶层和低层是封装玻璃层。外悬臂梁将本结构悬挂在封装层。驱动 电极被安装在框架质量101之上的顶层底部。四个传感电极都安装在传感质量块(104-107) 之上的顶层底部。当在驱动电极上加上驱动电压之后，静电吸引力将驱动框架IOI沿着Z-轴上下运动。这种运动被与之通过内弹性梁相连的传感质量块放大。当器件沿X-轴转动时， 由于科里奥利力的作用，其中的质量块105将和质量块107沿Z-轴180反相运动。由于结 构的对称性，器件可以向探测X-转动一样来探测Y-转动。X-或Y-的线性加速度将和具有 驱动信号同频率的的科里奥利力相叠加。所有的传感质量块(104-107)如果在Z加速度作 用下，将沿Z-轴上下同相运动。中间层可以用半导体或微系统工业中流行的单晶硅，多晶 硅，SOI或其它材料来加工并且器件将可进行低成本大规模生产。 本实施例同样可以描述本发明fef披露的方法。实施例三图5描绘了与此发明相一致的另一种电容式运动传感器的具体截面图。在此实例中结 构层夹在两个基层之间形成微分式电容式。与前述的图1-4中的实例相似,结构层包括了框架和与之通过弹性粱臂相连的质量块。 实际上，除去顶部的基层，图5中的结构和图l-4中的结构非常相似。加上顶部的基层及 其电极后，结构层中的每一个质量块都构成差分电容结构中的中央平板。当质量块相对于 顶层和低层中的电极作运动时，差分电容其中的一个电容值会增加，而另一个将降低。结 果是图5所示的实例可以带来更高的灵敏度和对温度变化更大的容忍度。
权利要求
1、一种多轴惯性传感器，包括具有第一个质心和第一个对称轴的第一质量块；具有第二个质心和第二个对称轴的第二质量块；一个可以沿主轴方向相对于传感器平台运动的框架；将第一质量块悬挂于框架上的第一个弹性结构，该第一个弹性结构具有第三个质心并关于第一个对称轴对称；将第二质量块悬挂于框架上的第二个弹性结构，该第二个弹性结构具有第四个质心并关于第二个对称轴对称；所述的第一个质心和第三个质心沿主轴方向上相互间有位移；并且所述的第二个质心和第四个质心沿主轴方向上相互间有位移。
2、 根据权利要求1所述的多轴惯性传感器，其特征在于还包含第三个弹性结构，第三个弹 性结构将框架悬挂在传感器平台上；所述的第三个弹性结构具有第五个质心，框架具有第 六个质心，并且第五个质心和第六个质心沿主轴方向上相互之间具有位移。
3、 根据权利要求1所述的多轴惯性传感器，其特征在于还包括具有第五个质心和第三个对称轴的第三个质量块； 具有第六个质心和第四个对称轴的第四个质量块；将第三个质量块悬挂于框架上的第三个弹性结构，该第三个弹性结构具有第七个质心 并关于第三个对称轴对称；将第四个质量块悬挂于框架上的第四个弹性结构，该第四个弹性结构具有第八个质心 并关于第四个对称轴对称；所述的第五个质心和第七个质心沿主轴方向上相互间有个位移；并且 所述的第六个质心和第八个质心沿主轴方向上相互间有个位移。
4、 根据权利要求1所述的多轴惯性传感器，其特征在于所述的第一质量块和第二质量块相 同。
5、 根据权利要求1所述的多轴惯性传感器，其特征在于还包含驱动器，该驱动器驱动框架 沿主轴方向运动。
6、 一种测量多轴平动和转动加速度的方法，包括如下步骤在传感器平台上悬挂一个框架，其中框架是用一弹性结构悬挂于传感器平台上；将框架沿相对于传感器平台的主轴方向运动，其中框架包含分别构成两个电容传感器 的第一个平板和第二个平板，第一个平板和第二个平板按照设计会因为外力而产生运动， 并且第一个电容传感器的电容值是第一个平板运动的函数，第二个电容传感器的电容值是 第二个平板运动的函数；并且采集第一个输出信号，该输出信号基于第一个平板和第二个平板的相对运动。
7、 根据权利要求6所述的方法，其特征在于基于第一个平板和第二个平板的不同相运动，第一个输出信号反映传感器平台沿与主轴方向不同的第二个运动方向上的运动。
8、 根据权利要求6所述的方法，其特征在于基于第一平板和第二平板的相对运动，第一 个输出信号反映传感器平台的转动。
9、 根据权利要求6所述的方法，其特征在于基于第一平板和第二平板的同相位运动，第 一个输出信号反映传感器平台沿主轴方向的运动。
10、 根据权利要求6所述的方法，其特征在于还采集第二个输出信号，该第二个输出信 号基于第一平板和第二平板的相对运动；并且所述的第一个输出信号基于第一平板和第二平板的同相位运动； 所述的第二个输出信号基于第一平板和第二平板的反相位运动。
11、 根据权利要求6所述的方法，其特征在于框架还包含分别构成第三个和第四个电容传 感器的第三个平板和第四个平板，其中的第三个平板和第四个平板按照设计会因为外力而 产生运动，并且第三个电容传感器的电容值是第三个平板运动的函数，第四个电容传感器 的电容值是第四个平板运动的函数；并且第一个输出信号基于第一、第二、第三和第四个 平板中的任意两个的相对运动。
12、 根据权利要求ll所述的方法，其特征在于还采集第二个输出信号，其中第一个输出信 号基于从第一、第二、第三和第四个平板选出的第一对平板的相对运动，并且第二个输出 信号基于从第一、第二、第三和第四个平板选出的第二对平板的相对运动。
全文摘要
本发明公开了一种多轴惯性传感器及测量多轴平动和转动加速度的方法。传感器包括一个可沿主轴运动的框架；一对或多对感应质量块，每一个感应质量块都由内弹性结构悬挂于框架上，内弹性结构的对称轴和所挂感应质量块的对称轴一致；一外弹性结构，将框架悬挂于在传感器平台上；设置内弹性结构和感应质量块，使它们的质心在主轴方向上相互偏离；同样设置外弹性结构和框架，使它们的质心在主轴方向上相互偏离。本发明的多轴惯性传感器能够同时测量多个轴向加速度和转动，具有高分辨率和相当低的轴间串扰灵敏度，对环境噪声具有很强的抵抗力，并能以低成本大批量生产。
文档编号G01C19/56GK101270988SQ20081001977
公开日2008年9月24日 申请日期2008年3月14日 优先权日2008年3月14日
发明者野 何, 波 徐 申请人:江苏英特神斯科技有限公司