角速度测量方法和振动微机械角速度传感器的制作方法

专利名称：角速度测量方法和振动微机械角速度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测量角速度的测量装置，更具体地，涉及振动微机 械角速度传感器。本发明的目的是提供一种特别是在用于角速度传感器 的小型振动微机械方案中，能够以良好的性能实现可靠测量的改进的传 感器结构。
背景技术：
基于振动角速度传感器的测量已经证明是用于角速度测量的工作原 理简单的可靠方法。在振动角速度传感器中，某种已知的主运动被引发
并保持在传感器中。于是，以主运动的偏差形式检测要借助于传感器测
量的期望运动。
在垂直于谐振器运动方向的方向上影响传感器的外部角速度在测震
质量块(Seismic mass)中垂直于测震质量块运动方向的方向上引起科里奥 利力(Coriolis force)。例如，从质量块的振动中以电容方式检测与角速度 成比例的科里奥利力。
尤其在消费电子器件市场上，对极其廉价且小型的角速度传感器有 着极大的需求。在这些应用中，诸如零点稳定性或振动灵敏度等传感器 的性能的重要性不大。
对于这些应用而言，目前市场上的硅微机械角速度传感器过于庞大、 复杂且昂贵。仅用于获得照相机中的光学图片稳定性的陶瓷或石英的小 型且便宜的角速度传感器更接近这些应用中需要的尺寸目标或成本水 平。
然而，使用上述技术想要达到足够的抗冲击性以便元件落到坚硬表 面上时不被摔坏是极其困难的。下面，示例性地参照附图对现有技术进行说明，在附图中图l示出 了现有技术的振动微机械角速度传感器的功能结构的图，并且图2示出了 现有技术的普通角速度传感器的模拟系统电子器件的框图。
图1示出了现有技术的振动微机械角速度传感器的功能结构的图。所 示的现有技术的振动微机械角速度传感器包括质量块l，该质量块l借助
于弹簧4、 5在X轴方向上支撑于活动框架2处。另外，所述活动框架2借助 于弹簧6、 7在Y轴方向上支撑于支撑结构3处。
在图示的现有技术的振动微机械角速度传感器中，中间的质量块l 和围绕质量块1的活动框架2被激发为作Y轴方向上的主运动，该主运动是 通过支撑于主体3处的弹簧6、 7实现的。检测轴线垂直于主运动，所述检 测轴线借助于质量块1的弹性悬架4、 5在X轴方向上形成于活动框架2上。
当在主运动中振动的结构相对于垂直于表面xy平面的Z轴转动时，主 运动中的质量块1受到垂直于其运动方向的X轴方向上的科里奥利力。于 是，检测弹簧4、 5不仅限定了阻尼，还限定了引起的检测运动的振动的 振幅和相位。
现代角速度传感器的测量电子器件相当复杂。在模拟电子器件的典 型实施方案中，即使在最简单的情况下也需要多于十个的不同块。
图2示出了现有技术的普通角速度传感器的系统电子器件的框图。
在现有的角速度传感器中，通过对与科里奥利信号同相的检测谐振 器的信号进行解调，科里奥利信号的检测被作为相敏振幅检测而实现。
在专利公报US6,946,695中描述了一种现有技术的角速度传感器。在 所述专利公报中，所描述的角速度传感器的质量块借助于薄膜对称地弹 性悬挂于基板上。在用作弹簧的膜中，压电元件由压电薄膜形成，质量 块借助于该压电元件可被激发为作线性主运动，并且借助于该压电元件 还可检测所述主运动。此外，通过适当的定位，在膜上形成有第三压电 元件，第三压电元件的信号的相位将作为角速度的函数变化，由于科里 奥利力，所述第三压电元件使主运动在垂直于主运动方向和外部角速度 方向的方向上偏移。现有技术的专利公报清楚地描述了借助于压电传感器使用相移测量 角速度的原理。所描述的结构和方法是以压电元件的定位为基础的，因 而检测角速度的第三元件检测主运动和由角速度引起的次运动的和，所 述和的相位与待测量的角速度成比例。
然而，上述现有技术的结构不适用于要求良好抗振动性和抗冲击性 的角速度传感器。
于是，本发明的目的是提供一种用于振动角速度传感器的结构，其 中，与现有技术的方案相比，该振动角速度传感器的大部分测量电子器 件以更简单的方式实现。

发明内容
本发明的目的是提供一种改进的振动角速度传感器，特别是在用于 振动角速度传感器的小型方案中，该改进的振动角速度传感器能够以良 好性能实现可靠的测量，并且在该改进的振动角速度传感器中，与现有 技术的先前方案相比，该振动角速度传感器的大部分测量电子器件能够 以更简单的方式实现。
根据本发明的第一方面，提供一种借助于振动微机械角速度传感器 测量角速度的方法，所述角速度传感器包括至少一个测震质量块和与所 述质量块关联的活动电极，所述质量块具有要被激发的主运动且除了所 述主运动之外还具有相对于几乎垂直于所述主运动的检测轴线的第二自 由度，并且所述质量块借助于弹性结构被支撑于传感器元件的框架处， 使得在所述方法中，借助于具有非正交的主轴和次轴的弹性悬架将所 述质量块悬挂，这样，在检测谐振器中引起与所述主运动同相的测试激 发，并且借助于相位检测器从所述主运动与次运动之间的相位差以相敏 方式检测待测量的角速度。
优选地，将所述主运动的信号和所述次运动的信号中的一者相移 90°。优选地，对所述主运动的信号和所述次运动的信号中的至少一个进 行放大。
优选地，借助于异或(XOR)门实现相敏检测，这样，借助于比较器 从所述主运动的信号和所述次运动的信号产生陡沿脉冲波，并且将所述脉冲波传送到异或电路。另外，优选地，作为相敏检测的输出，得到与 所述信号之间的相移成比例的脉冲宽度调制信号。此外，优选地，通过 对与所述信号之间的相移成比例并被作为相敏检测的输出而得到的脉冲 宽度调制信号进行低通滤波，产生模拟输出信号。优选地，直接借助于 电阻耦合检测所述主运动。
根据本发明的第二方面，提供了一种借助于振动微机械角速度传感 器测量角速度的装置，所述角速度传感器包括至少一个测震质量块和与 所述质量块关联的活动电极，所述质量块具有要被激发的主运动且除了 所述主运动之外还具有相对于几乎垂直于所述主运动的检测轴线的第二 自由度，并且所述质量块借助于弹性结构被支撑于传感器元件的框架处， 使得所述装置包括相位检测器，从而在所述装置中所述质量块通过具 有非正交的主轴和次轴的弹性悬架被悬挂着，这样，在检测谐振器中引 起与所述主运动同相的测试激发，并且待测量的角速度通过所述相位检 测器从所述主运动与次运动之间的相位差被以相敏方式检测。
优选地，所述装置还包括用于将所述主运动的信号和所述次运动的 信号中的一者移相90。的移相器。优选地，所述装置还包括用于对所述主 运动的信号和所述次运动的信号中的至少一个进行放大的放大器。
优选地，所述装置还包括异或门和比较器，这样，相敏检测借助于 异或门实现，S卩，借助于比较器从所述主运动的信号和所述次运动的信 号产生陡沿脉冲波，所述脉冲波被传送到异或门。另外，优选地，所述 装置还包括用于传递作为所述相敏检测的输出的、与所述信号之间的相 移成比例的脉冲宽度调制信号的装置。此外，优选地，所述装置还包括 用于对与所述信号之间的相移成比例的脉冲宽度调制信号进行低通滤波 并用于传递作为来自所述相敏检测的输出的模拟输出信号的装置。优选 地，所述装置包括用于直接借助于电阻耦合检测所述主运动的装置。
根据本发明的第三方面，提供了一种振动微机械角速度传感器，所 述角速度传感器包括至少一个测震质量块和与所述质量块关联的活动电 极，所述质量块具有要被激发的主运动并且除了所述主运动之外还具有 相对于几乎垂直于所述主运动的检测轴线的第二自由度，并且所述质量 块借助于弹性结构被支撑于传感器元件的框架处，使得所述质量块借
9助于具有非正交的主轴和次轴的弹性悬架被悬挂着，这样，在检测谐振 器中引起与所述主运动同相的测试激发，并且要在所述角速度传感器中 测量的角速度借助于相位检测器从所述主运动与次运动之间的相位差被 以相敏方式检测。
优选地，所述角速度传感器包括用于将所述主运动的信号和所述次 运动的信号中的一者相移90。的装置。优选地，所述角速度传感器包括用 于对所述主运动的信号和所述次运动的信号中的至少一个进行放大的装 置。
优选地，所述角速度传感器还包括异或门和比较器，这样，相敏检 测借助于异或门实现，即，借助于比较器从所述主运动的信号和所述次 运动的信号被生成为陡沿脉冲波，所述脉冲波被传送到异或门。另外， 优选地，所述角速度传感器还包括用于传递作为所述相敏检测的输出的、 与所述信号之间的相移成比例的脉冲宽度调制信号的装置。此外，优选 地，所述角速度传感器还包括用于对与所述信号之间的相移成比例的脉 冲宽度调制信号进行低通滤波并用于传递作为所述相敏检测的输出的模 拟输出信号的装置。优选地，所述角速度传感器包括用于直接借助于电 阻耦合检测所述主运动的装置。


下面示例性地参照附图对本发明及其优选实施例进行详细说明，在 附图中
图l示出了现有技术的振动微机械角速度传感器的功能结构的图， 图2示出了现有技术的角速度传感器的典型模拟系统电子器件的框
图，
图3示出了本发明的角速度的测量的框图，
图4示出了本发明的振动微机械角速度传感器的功能结构的图，
图5示出了本发明的弹性结构，
图6示出了本发明的角速度传感器的结构，
图7示出了本发明的具有两个轴的角速度传感器的结构，图8示出了用于支撑本发明的振动角速度传感器的测震质量块的弹 性结构的剖面，
图9示出了用于支撑本发明的振动角速度传感器的测震质量块的弹 性结构的立体图，
图10示出了本发明的角速度传感器的可选结构，
图ll示出了本发明的角速度传感器的测量系统的框图，
图12示出了相移与角速度的依赖关系的图，
图13示出了本发明的角速度传感器的测量系统的信号图，
图14示出了本发明的角速度传感器的可选测量系统的信号图，
图15示出了本发明的角速度传感器的第二可选测量系统的信号图，
图16示出了本发明的角速度传感器的第三可选测量系统的信号图。
在上面对图1和图2进行了说明。下面参照图3 图16说明本发明及其 优选实施例。
具体实施例方式
图3示出了本发明的角速度的测量的框图。图示的本发明的角速度的 测量包括检测信号8，该检测信号8经由放大器10被传送到相位检测器11。 本发明的测量还包括主检测信号9，该主检测信号9经由放大器12被传送 到相位检测器11和90。相移模块13。作为本发明的测量的结果，从相位检 测器11得到输出信号14，并且从相移模块13得到相移主驱动信号15。
图4示出了本发明的振动微机械角速度传感器的功能结构的图。在本 发明的角速度测量中，位于中央的质量块被激发为作X轴方向上的主运 动。借助于支撑和弹性悬架形成的检测轴线从与主运动垂直的方向偏离 适当角度。
图示的本发明的振动微机械角速度传感器包括质量块16，该质量块 16借助于弹簧19、 20支撑于沿X轴方向倾斜的活动框架17处。另外，所述 活动框架17借助于弹簧21、22在Y轴方向上以倾斜方式支撑于支撑结构18 处。在图示的本发明的振动微机械角速度传感器的中央处的质量块16和
围绕该质量块的活动框架17借助于弹簧21、22被激发为作从Y轴偏离的方 向上的主运动，所述弹簧21、 22以倾斜方式被支撑于主体18处。借助于 被支撑于倾斜的活动框架17处的质量块16的弹性悬架19、20在X轴方向上 形成的检测轴线从与主运动垂直的方向偏离适当角度。
当在主运动中振动的结构相对于垂直于表平面的Z轴转动时，在主运 动中运动的质量块16受到在垂直于其运动方向的X轴方向上的科里奥利 力。于是，检测弹簧19、 20不仅限定了阻尼，还限定了所产生的检测运 动的振幅和相位。
图5示出了本发明的弹性结构。在本发明的弹性结构中，为了使角速 度传感器的结构在表平面中被激发，弹簧轴线偏置。本发明的弹性结构 23包括附着点24、 25。 一个以上的补偿凹槽或补偿凹陷被蚀刻在弹性结 构23的至少一个附着点24、 25中。本发明的弹性结构23不对称，因而由 弹簧从一个运动模式到另一个运动模式传送的耦合使得由正交信号 (quadrature signal)造成的不理想性产生的耦合消除或者显著减少。
图6示出了本发明的角速度传感器的结构。在本发明的弹性结构中， 为了使角速度传感器的结构在表平面中被激发，弹簧轴线偏置。本发明 的角速度传感器的振动质量块用附图标记26和27表示。角速度传感器的 质量块26和27借助于弹性结构支撑于它们的附着点28、 29处。在与附着 点28相对的角速度传感器的弹性结构的质量块端部30处，或者，可选地， 在弹性结构的附着点29的端部31处，蚀刻有一个以上的补偿凹槽或补偿 凹陷30、 31。本发明的弹性结构不对称，因而由弹簧从一个运动模式到 另一个运动模式传送的耦合使得由正交信号造成的不理想性产生的耦合 消除或显著减少。
图7示出了本发明的具有两个轴的角速度传感器的结构。在本发明的 弹性结构中，为了使具有两个轴的角速度传感器的结构在表平面中被激 发，弹簧轴线偏置。本发明的具有两个轴的角速度传感器的振动质量块 用附图标记32表示。具有两个轴的角速度传感器的质量块32借助于弹性 结构支撑于其附着点33处。在与具有两个轴的角速度传感器的弹性结构 的附着点33相对的端部34、 36处，或者，可选地，在弹性结构的附着点33的端部35、 37处，蚀刻有一个以上的补偿凹槽或补偿凹陷34 37。本发 明的弹性结构不对称，因而由弹簧从一个运动模式到另一个运动模式传 送的耦合使得由正交信号造成的不理想性产生的耦合消除或显著减少。
图8示出了用于支撑本发明的振动角速度传感器的测震质量块的弹 性结构的剖面。本发明的角速度传感器的弹性结构用附图标记38表示。 本发明的弹性结构38中蚀刻有一个以上的补偿凹槽。本发明的弹性结构 38不对称，因而由弹簧从一个运动模式到另一个运动模式传送的耦合使 得由正交信号造成的不理想性产生的耦合消除或显著减少。
图9示出了用于支撑本发明的振动角速度传感器的测震质量块的弹 性结构的立体图。本发明的角速度传感器的弹性结构用附图标记38表示。 本发明的弹性结构38中蚀刻有一个以上的补偿凹槽。
在图8和图9所示的本发明的弹性结构38的制造中，可以将蚀刻掩模 设计成使其补偿由制造过程引起的整个晶片的不理想性。例如，所述不
理想性是由从与晶片垂直的方向的偏离引起的深反应离子蚀刻(Deep Reactive Ion Etching, DRIE)的蚀刻过程的凹槽斜度的不理想性。于是， 本发明的弹性结构38中的补偿凹槽的尺寸在整个晶片上是变化的。
本发明的弹性结构38中的补偿凹槽可以在相同的DRIE蚀刻中被蚀 刻为其它结构。在本发明的弹性结构38的制造中，由于ARDE现象(Aspect Ratio Dependent Etch rate，纵横比决定蚀刻率)，补偿凹槽不会被蚀刻得 穿透晶片；更确切地，可以将凹槽的尺寸确定为具有合适的深度。可选 地，例如可以通过二阶段蚀刻过程蚀刻出深度合适的凹槽。
图10示出了本发明的角速度传感器的可选结构。在本发明的角速度 传感器的可选结构中，弹簧轴线被故意设计成稍微非正交。在本发明的 角速度的测量中，中央处的质量块被激发为作Y轴方向上的主运动。通过 支撑和弹性悬架形成的检测轴线从垂直于主运动的方向适当地偏离。
图示的本发明的可选振动微机械角速度传感器包括质量块39，该质 量块39在Y轴方向上借助于弹簧42、 43支撑于活动框架40上。另外，所述 活动框架40借助于弹簧44、 45在X轴方向上偏心地支撑于支撑结构41处。在图示的本发明的可选振动微机械角速度传感器中，中央处的质量
块39和围绕质量块39的活动框架40借助于被偏心地支撑于主体41上的弹 簧44、 45被激发为作从X轴的方向偏离的主运动。借助于被支撑在活动框 架40上的质量块39的弹性悬架42、43在Y轴方向上形成的检测轴线从垂直 于主运动的方向偏离适当的角度。
在主运动中振动的结构相对于垂直于表平面的Z轴转动时，在主运动 中运动的质量块39受到垂直于其运动方向的Y轴方向上的科里奥利力。另 外，于是，检测弹簧42、 43不仅限定了阻尼，还限定了所产生的检测运 动振动的振幅和相位。
借助于本发明的方法，可以利用正交信号实现角速度的相敏检测。 根据公式(1)和(2)，由于正交信号的大小保持不变，并且合成信号的相位 相对于科里奥利信号的振幅几乎线性地变化，因而科里奥利力使检测谐 振器的振动的相位改变。
& = 2sin(叫0 + Ccos(叫O = Vfi2 +C2 sin
, 「厂、、 叫,+ arctan万.
(1)
其中，C = 且g-sin-,^wp'A;2 。
S肠=|SPrJ-sin(6V)
(2)
在本发明的方法中，可以仅从激发运动与检测运动之间的相位差检 测角速度。可以对从信号形成的"陡沿脉冲波(steep-edged pulse wave)" 使用异或(XOR)逻辑函数而巧妙地检测所述相位差。在XOR门的输出端， 出现与上述信号之间的相位差成比例的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)信号。当上述信号之一相移90。时，得到相移的符号， 并从而得到角速度的符号。
图ll示出了本发明的角速度传感器的测量系统的框图。在本发明的 角速度传感器的测量系统中，在主运动的检测之后，借助于比较器48、 50从信号46、 47产生陡沿脉冲波，该陡沿脉冲波的信号被传送到XOR门 49。在电路的输出51、 52中，可以看到与角速度有关的相移主驱动信号 52和PWM调制信息51，该相移主驱动信号52和PWM调制信息51可以借助 于例如微控制器直接读取。在本发明的角速度传感器的测量系统中，通 过低通滤波还可以容易地将PWM信号51模拟化。在本发明的角速度传感器的测量系统中，在激发主运动时不需要实际的振幅调节器。此外，检测主运动的最简单的方式是通过直接的电阻耦合，从而不需要单独的9(T移相器用于激发或调制。
图12示出了相移与角速度的依赖关系的图。在附图中，存在10FS的正交信号，并且函数的线性程度非常高。特别地，已经在2 FS的正交信号处，非线性度为<3%。自然地，较大正交信号的缺点是灵敏度和信噪比降低。对于本发明的系统，适当的正交信号大小可能为大约2…10FS。
图13示出了来自本发明的角速度传感器的测量系统的信号图。在所示的信号图中，正交信号的大小为2FS且没有角速度。
图14示出了来自本发明的角速度传感器的可选测量系统的信号图。在所示的信号图中，正交信号的大小为10FS且角速度为1 FS。
图15示出了来自本发明的角速度传感器的第二可选测量系统的信号图。在所示的信号图中，正交信号的大小为2FS且角速度为-1FS。
图16示出了来自本发明的角速度传感器的第三可选测量系统的信号图。在所示的信号图中，正交信号的大小为2FS且角速度为1FS。
在图13 图16中，上面的图示出了作为时间的函数的激发运动(Prim)和检测运动(Sec)，其中在右侧刻度上示出了比较的数字信号。另一方面，图13 图16的下面的部分示出了XOR门的输出和从该输出算出的平均值随着时间的变化。
在本发明的方案中，除了可以在必要时借助于静电压或通过使信号混合而完成的对正交信号的补偿以外，本发明的系统中的灵敏度控制难以以其它方式实施。在实践中的最简单的实施方式中，传感器能够借助于MCU中的程序进行校准。
如果在对比较器的输入中存在过多的偏移，则主运动的激发也可能成为问题。于是，可使用某种初始反冲(initial kick),从而使比较器能够对状态进行切换。最好的是，由电源的打开引起的起始瞬值足够作为反冲。借助于本发明，可以利用特制的SMD传感器元件、大约十个无源元
件、 一个双路比较器和一个XOR逻辑门来实现角速度传感器。与竞争方
案相比，本发明的方案是绝对优异的概念，在多数竞争方案中，即使在最便宜的方案中，不仅需要封装元件级产品，还需要几个无源元件。
借助于本发明，还可将前置端(front-ends)、比较器和XOR与客户使用的微控制器关联起来制成一体，从而使由角速度的测量引起的成本及空间需求减到最小。
市场上存在集成有比较器输入的商用微控制器，其输出可在电路的外部接入。因此，由于XOR功能自然也可以通过软件实现，因而本发明的角速度传感器可以仅使用无源元件实现。
在本发明的角速度传感器的方案中，传感器的电子器件已经被减少到足够简单且便宜。此外，用于密闭封装晶片平面的密封方法使传感器元件能够直接焊接到客户的电路板上，从而在一些应用中，人们可以仅制造待焊接的传感器元件。
借助于本发明，可以以极其简单的方式实现振动角速度传感器的大部分测量电子器件。另外，可以以数字或模拟形式直接读取系统的输出。
从最普通的层面上看，在本发明中，通过设计弹性悬架来创建相对于检测轴线稍微非正交的主运动轴线，使得主运动在检测轴线上引起与该运动同相的激发力。
在典型的传感器方案中，从正交线的适当偏离具体为大约o.or…
0.5°。在表平面内运动、相对于垂直于表平面的轴进行测量的角速度传感器中，所述偏离可以通过例如直接设计形成弹簧的掩模而设计出来。
本发明的方案的特定优点在于这样的事实次谐振器的谐振现象影响借助于弹性悬架产生的测试激发，其影响方式与对使总的信号相移的
科里奥利激发影响的方式完全相同。于是，与现有技术的角速度传感器相比，本发明的传感器对在相位比较之前出现的机械扰动或电噪声的灵敏度明显降低。
本发明的方案还有其它优点。本发明对激发运动的振幅不敏感。传感器的灵敏度唯一地取决于正交信号与科里奥利信号的比值，该比值不管振幅如何总保持恒定。然而，当装置在被打开时，激发运动的振幅自然影响传感器的噪声水平，因而短时间内输出将极其嘈杂。
比普通角速度传感器系统好的正交信号的容许度也可以看作本发明的优点。该功能本身基于正交信号，于是，除了通过降低灵敏度，适中
的正交信号不会引起零点的平缓漂移(evencreeping)。然而，从灵敏度的意义上讲，正交信号可以相当大。此外，大的散布范围要求宽的灵敏度控制范围。
本发明适用角速度传感器中的各种测量原理，例如压电、压阻及电容原理等。
权利要求
1.一种借助于振动微机械角速度传感器测量角速度的方法，所述角速度传感器包括至少一个测震质量块和与所述质量块关联的活动电极，所述质量块具有要被激发的主运动且除了所述主运动之外还具有相对于几乎垂直于所述主运动的检测轴线的第二自由度，并且所述质量块借助于弹性结构被支撑于传感器元件的主体处，其特征在于，在所述方法中，通过具有非正交的主轴和次轴的弹性悬架将所述质量块悬挂，在检测谐振器中引起与所述主运动同相的测试激发，并且借助于相位检测器从所述主运动与次运动之间的相位差相敏地检测待测量的角速度。
2. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，将所述主运动的信号和 所述次运动的信号中的一者相移90°。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对所述主运动的信 号和所述次运动的信号中的至少一个进行放大。
4. 如权利要求l、 2或3所述的方法，其特征在于，借助于异或门 (49)实现相敏检测，g卩，借助于比较器(48)、 (50)从所述主运动的信号和 所述次运动的信号产生陡沿脉冲波，并且将所述脉冲波传送到所述异或 门(49)。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，作为所述相敏检测的输 出，得到与所述信号之间的相移成比例的脉冲宽度调制信号。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，通过低通滤波从被作为 所述相敏检测的输出得到的、与所述信号之间的相移成比例的所述脉冲 宽度调制信号获得模拟输出信号。
7. 如前述权利要求1 6的任何一项所述的方法，其特征在于，直接借助于电阻耦合检测所述主运动。
8. —种借助于振动微机械角速度传感器测量角速度的装置，所述角 速度传感器包括至少一个测震质量块和与所述质量块关联的活动电极， 所述质量块具有要被激发的主运动且除了所述主运动之外还具有相对于 几乎垂直于所述主运动的检测轴线的第二自由度，并且所述质量块借助 于弹性结构被支撑于传感器元件的主体处，其特征在于，所述装置包括相位检测器(ll)、 (49)，在所述装置中所述质量块借助于具有非正交的主轴和次轴的弹性悬架被悬挂着，在检测 谐振器中引起与所述主运动同相的测试激发，并且待测量的角速度借助 于所述相位检测器从所述主运动与次运动之间的相位差被相敏地检测。
9. 如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括用于将 所述主运动的信号或所述次运动的信号中的一者相移90。的移相器(13)、 (50)。
10. 如权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述装置还包括 用于对所述主运动的信号或所述次运动的信号中的至少一个进行放大的 放大器(IO)、 (12)、 (48)、 (50)。
11. 如权利要求8、 9或10所述的装置，其特征在于，所述装置还 包括异或门(49)和比较器(48)、(50)，相敏检测借助于所述异或门(49)实现， 即，借助于所述比较器(48)、 (50)所述主运动的信号和所述次运动的信号 被生成为陡沿脉冲波，所述脉冲波被传送到所述异或门(49)。
12. 如权利要求ll所述的装置，其特征在于，所述装置还包括用于 传递作为所述相敏检测的输出的、与所述信号之间的相移成比例的脉冲 宽度调制信号的装置。
13. 如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述装置还包括用于 对与所述信号之间的相移成比例的脉冲宽度调制信号进行低通滤波并用于传递作为所述相敏检测的输出的模拟输出信号的装置。
14. 根据前述权利要求8 13的任何一项所述的装置，其特征在于， 所述装置包括用于直接借助于电阻耦合检测所述主运动的装置。
15. —种振动微机械角速度传感器，所述角速度传感器包括至少一 个测震质量块和与所述质量块关联的活动电极，所述质量块具有要被激 发的主运动且除了所述主运动之外还具有相对于几乎垂直于所述主运动 的检测轴线的第二自由度，并且所述质量块借助于弹性结构被支撑于传 感器元件的主体处，其特征在于，所述质量块借助于具有非正交的主轴和次轴的弹性悬 架被悬挂着，在检测谐振器中引起与所述主运动同相的测试激发，并且 要在所述角速度传感器中测量的角速度借助于相位检测器从所述主运动 与次运动之间的相位差被相敏地检测。
16. 如权利要求15所述的角速度传感器，其特征在于，所述角速度 传感器包括用于将所述主运动的信号和所述次运动的信号中的一者相移 90。的装置。
17. 如权利要求15或16所述的角速度传感器，其特征在于，所述 角速度传感器包括用于对所述主运动的信号和所述次运动的信号中的至 少一个进行放大的装置。
18. 如权利要求15、 16或17所述的角速度传感器，其特征在于， 所述角速度传感器还包括异或门(49)和比较器(48)、 (50)，相敏检测借助 于所述异或门(49)实现，B卩，借助于所述比较器(48)、 (50)从所述主运动的信号和所述次运动的信号产生陡沿脉冲波，所述脉冲波被传送到所述 异或门(49)。
19. 如权利要求18所述的角速度传感器，其特征在于，所述角速度 传感器还包括用于传递作为所述相敏检测的输出的、与所述信号之间的相移成比例的脉冲宽度调制信号的装置。
20. 如权利要求19所述的角速度传感器，其特征在于，所述角速度 传感器还包括用于对与所述信号之间的相移成比例的脉冲宽度调制信号 进行低通滤波并用于传递作为所述相敏检测的输出的模拟输出信号的装 置。
21. 如前述权利要求15 20的任何一项所述的角速度传感器，其特 征在于，所述角速度传感器包括用于直接借助于电阻耦合检测所述主运 动的装置。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量角速度的测量装置，更具体地，涉及振动微机械角速度传感器。在本发明的角速度传感器的方案中，质量块借助于具有非正交的主轴和次轴的弹性结构被悬挂着，从而在检测谐振器中引起与主运动同相的测试激发，并且借助于相位检测器从主运动与次运动之间的相位差检测待测量的角速度。特别是在用于角速度传感器的小型振动微机械方案中，本发明的角速度传感器的结构能够以良好性能实现可靠测量。
文档编号G01C19/56GK101688884SQ200880017640
公开日2010年3月31日 申请日期2008年5月29日 优先权日2007年6月1日
发明者安西·布卢姆奎维斯特 申请人:Vti技术有限公司