专利名称：导航级微机械加工的转动传感系统的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及用于导航之类的场合的转动传感器。本发明尤其是涉及一种在重返大气层航空器等的高G、高振动环境中工作时可提供高精度的转动传感系统。更具体地说，本发明涉及一种基于硅芯片的转动传感系统，它具有测量围绕两根正交传感轴线的转速的科氏加速度传感器。
以前所知道的微机械加工的科氏转动传感系统已表明偏离可重复性(biasrepeatability)在10°到1000°/小时的范围内。根据这些原理的分析，尽管它符合本发明的转动传感系统目前设置的低成本和高可靠性的目的，但并没有可靠地表现出其性能可以提高三到五个数量级而产生高精度的导航级设备。
本发明的转动传感器具有一设置在一壳体中的安装板，壳体和安装板之间设置有多个柔性阻尼垫。从安装板上延伸出来一轮毂，用以产生绕一驱动轴线的旋转振动，该轮毂连接有一第一驱动件。
驱动件连接有一具有一支承件的第一传感装置，因而驱动件绕驱动轴线的旋转振动可传递到支承元件。第一传感装置还具有一传感元件，它连接于支承元件，并设置成与支承元件一起绕驱动轴线振动。传感元件设置成可响应于框架绕垂直于传感轴线和驱动轴线的一输入轴线的输入转速而相对于支承元件绕垂直于驱动轴线的一传感轴线旋转振动。传感元件制成其绕驱动轴线的转动惯量基本上等于绕其垂直于驱动轴线的两根主轴线的转动惯量的和。该转动传感器还具有用于产生作为传感元件绕第一传感轴线的振幅的函数的、表示输入转速的信号的装置。
该转动传感器还包括一连接于第一驱动件的第二驱动件。该第二驱动件设置成可产生绕驱动轴线的反向于第一驱动件所产生的旋转振动的旋转振动。该驱动件连接有一第二传感装置，它最好基本上与第一传感装置相同。第二传感装置具有一第二传感元件，它设置成可相对于支承元件而绕平行于第一传感轴线的第二传感轴线旋转振动，并具有用于产生作为第二传感元件绕第二传感轴线的振幅的函数的、表示输入转速的信号的装置。
第二传感轴线最好垂直于第一传感轴线。
本发明的转动传感器可以制成具有一从一基座上延伸出来的轮毂和第一套形成于基座上的驱动电极。轮毂上安装有一驱动元件。该驱动元件上形成有第二套驱动电极，它与第一套驱动电极相对应。基座和驱动元件设置成彼此面对，使第一和第二套电极的相应部分在角度上彼此错开，因而电信号施加于第一和第二套电极上可在驱动元件上产生转矩，该转矩使驱动元件在一个平面内产生绕一驱动轴线旋转振动。该转动传感器还具有一传感件，它制成具有一安装于驱动元件上的外支承环，因而驱动元件的旋转振动可传递到传感件。传感件还具有一位于支承环内的传感元件和一对连接于外支承环和传感元件之间的转矩杆，这对转矩杆对齐而限定出一输出传感轴线。
图1是本发明的固态双轴线转动传感器的分解立体图；图2是可以包括在图1的转动传感器中的速率传感元件的立体图；图3是可以包括在图1的装置中的驱动件的一部分的立体图；图4是可以包括在图3的装置中的挠性杆的剖视图；图5是可以包括在图1的装置中的驱动件和传感器敏感元件和扭转电极的仰视图；图6是图1和图5的驱动件的俯视图；图7是可以包括在图1的装置中的转动传感组件沿图5中的7-7线剖开的剖视图，该组件具有一电容信号敏感元件；图8示意性地说明了图7装置的偏置和电信号拾取；图9示出了处理科氏转动传感器输出的信号的电路，传感器对每根轴线都有独立收集的传感元件；图10是说明图9电路的附加特征的方框图；图11是处理科氏转动传感器输出信号的电路的总体方框图，其中两传感元件同时组合在每根轴线的一收集回路中；图12是本发明的固态单轴线转动传感器的分解立体图；图13是包括在图12所示的本发明该实施例中的传感元件的俯视图；图14是包括在图12所示的本发明该实施例中的驱动元件的俯视图；图15是图14的驱动元件的仰视图；图16是沿图14中的16-16线剖开的剖视图；图17-19可以包括在图12和13的传感元件中的转矩元件的剖视图；图20A是本发明的双轴线双相反振动角速率传感器的第二实施例的分解立体图；图20B是本发明的双传感器、单轴线转动传感器的分解立体图；图21是图20A的装置的剖视图；图22是本发明的固态单轴线转动传感器的第三实施例的分解立体图；图23是本发明的组合两个图22的装置而产生一双轴线双相反振动角速率传感器的装置的剖视图；图24是图22的驱动元件的一个侧部的立体图，示出了一正极接合区和许多驱动电极。
参见图1，本发明的转动传感器20包括一基座22，该基座具有一底盖23和一顶盖(未示出)，顶盖最好基本与底盖23相同。基座22具有一大致呈矩形的截面。基座22包括分别安装在基座22内角落28-31处的基座架24-27。
转动传感器20包括一对速率传感件34和36，它们最好相同。每个速率传感件34和36最好由单片硅晶体通过微机械加工制成。转动传感器20还包括一对驱动件38和40，它们也是相同的，而且每个都由单片硅晶体制成。
图1示出了速率传感件34和36相对的表面42和44。如图1所示，当组装转动传感器20时，将速率传感件34的表面42接合到驱动件38的下表面上。同样，将速率传感件36的下表面接合到驱动件40上。
驱动件38具有一边框50，它在图中大致表示成矩形以便于说明。边框50也可以具有其它的外形。参见图3，驱动件38上表面54的中央部分52比边框50薄。参见图1和3，中央部分52具有侧边55-58，它们通过挠性杆60-63连接到边框50上。挠性杆60-63最好从侧边55-58的中心延伸到边框50。在图3中，省略了部分驱动件38，以便更清楚地示出中央部分52和挠性杆60-63。图4示出了挠性杆60的剖面，它由硅晶体蚀刻而成。如图1、3、4和7所示，挠性杆60-63最好是相同的，并具有较高的抵抗在竖直面内弯曲的能力。挠性杆60-63抵抗在水平面内弯曲的能力较低，因而中央部分52可以以绕通过其几何中心的一竖直轴线的小幅转动而振动。
图5示出了驱动件38的底侧。该驱动件38具有四个扭转电极227a-227d，它们可以通过金属化处理驱动件38的选定部分而制成。这些扭转电极227a-227d最好与图1所示的位于驱动件40上的扭转电极228a和228d相同。传感元件110和112分别面对扭转电极227a-227d和228a-228d。扭转电极可用来向传感元件110和112施加反馈转矩，这将在下面对可包括在本发明内的信号处理装置的描述中说明。
参见图1和6，通过对制成驱动件38的晶体的诸部分进行适当地金属化处理，在驱动件38上形成四组电极组件70-73。该电极组件在挠性杆60-63之间连接于中央部分52。参见图6，例如，电极组件70的斜阴影线部分表示分离的电极80-88。电极80-88相对于电极组件70的角落90而定位成在相同的驱动件40内，相应的电极相互发生角位移。
当驱动件40被翻转而使电极组件面对面时，相应的电极之间可产生位移。两个驱动件38和40中的电极的这种角位移可使电极以二倍于所加频率的频率的振动方式彼此吸引，引起驱动件的电极与相应的中央部分的相反方向的旋转振动。这两个驱动件连接有电信号源，用以在电极上施加驱动信号。驱动信号最好以其共振频率驱动各驱动件。驱动件38和40的共振频率最好相同，一般约为5kHz。
两个中心驱动件38和40一起形成一相反扭转共振机械振动器。两个外侧的速率传感件34和36一起形成一双轴线调谐的惯性速率传感系统。
参见图1、3和7，驱动件38的中央部分52的厚度小于边框50的厚度。驱动件40的中央部分150也比其边框100薄。当把驱动件38的边框50与驱动件40的边框100接合在一起时，中央部分与边框的厚度差在中央部分之间形成一小间隙。
参见图1、2和7，速率传感件34和36分别具有传感元件110和112。速率传感件34具有一中央部分120和多个从中央部分120延伸到传感元件110的柔性片簧122-125。同样，速率传感件36具有从其中央部分121延伸到传感元件112的片簧130-133。传感元件112最好形成一大致呈薄矩形的结构，它具有一大致呈矩形的中央开口113。从图2和7中可以看出，中央部分121比传感元件112厚，传感元件112比片簧130-133厚。科氏加速度ac可造成这些振动，它迫使传感元件110和112绕图2中所示的x-输出轴线振动。所示的科氏加速度等于两倍的输入速率乘高频振动驱动运动所产生的传感元件112的瞬间速度v+。
图7表示将驱动件38和40接合在一起、然后将速率传感件34和36分别接合于驱动件38和40背面的中央部分而产生的结构。仅把速率传感件34和36最厚的中央部分120和121分别接合于相应的驱动件38和40。因此，片簧121-125和130-133能以小幅度地在图7的纸平面内沿图1和2所示的Z轴线自由振动。
参见图1和7，在将驱动件38和40与速率传感件34和36接合在一起后，将它们放置在基座22内，使驱动件38和40的角落与基座架24-27接触。各基座架24-27最好形成为在机械振动器支承基座22与驱动件38的边框50之间包含一阻尼柔性元件。该柔性元件对于确保相反转动机械振动器具有单一的共振频率是必需的。该柔性元件还具有衰减外部振动输入的附加作用。
当转动传感器20完全组装成，并把驱动电压施加到两驱动件38和40的电极组件上时，转动传感器20便可用于检测绕图1和2中标为X和Y的同平面轴线的转动了。绕X或Y轴线的转动输入在速率传感元件110和112内产生不同平面的振动。这些不同平面的振动是在因绕如图2所示平面内的一轴线转动而在该平面内振动的一物体上所产生的不同平面的科氏力引起的。片簧122-125和130-133允许响应于输入转动的绕同平面轴线的适量不同平面的振动。两个速率传感件34和36在X轴线上的共振频率最好基本相等。同样，速率传感元件110和112的Y轴线共振频率最好也相同。这些共振频率最好等于驱动件的振动频率。
绕X轴线或Y轴线的输入转速所引起的不同平面的振动造成驱动件38和40与相应的速率传感元件110和112之间相对位移的变化。这些变化的位移可以作为电容的变化，它提供容性拾取，下面将作说明。
在图1和7中，驱动件40的中央部分由标号150表示。驱动件40也表示成具有分别与驱动件38的挠性杆61和63相对应的挠性杆152和154。
图8示意性地示出了容性信号的拾取。振荡器160向速率传感元件110和112提供ωc频率的基准激励信号。基准激励信号的电压可约为10V，频率ωc=250kHz。电容器162和164形成于驱动件38与速率传感元件110之间。电容器166和168形成于驱动件40与速率传感元件112之间。将一约为+10V的驱动电压加到电容器162和166上。将一约为-10V的驱动电压加到电容器164和168上。电线170-173把表示转速的振荡信号传送给下面将要讨论的信号处理电路。
参见图9，图中示出了用于本发明实施例的信号处理的一种基本形式，其中本发明的实施例对X和Y轴线中的每根轴线都具有两个诸如在速率传感件34和36中所示的传感元件。转速可施加于第一和第二X轴线传感元件200和202以及第一和第二Y轴线传感元件204和206。第一和第二X轴线传感元件200和202的输出分别输入到一加法器208。同样，第一和第二Y轴线传感元件204和206的输出分别输入到一加法器210。然后，加法器208和210将X和Y轴线转动信号提供给量化器。
传感电路200-206可以是相同的。图10示出了一种用于四个传感电路200-206的每个电路的结构。角速率施加于速率传感器34上。一拾取组件214可产生一电信号，该信号表示传感元件110对转速的响应。拾取组件214输出的信号表示以频率ωD的相反转动驱动运动引起的科氏力所产生动态调制信号，如图2所示。这些同相信号可以任意表示成驱动信号的余弦函数。而表示90°相位差动态误差的信号则可表征为驱动信号的正弦函数。
而后，信号拾取组件214的输出由一放大器230放大。该放大器230将输出提供给一对解调器232和236，它们分别用sinωDt和cosωDt来解调信号。解调器232和236的输出分别被输入到相应的伺服补偿电路234和237。伺服补偿电路234的信号输出是送到图9的适当的加法器208或210的角速率信号。伺服补偿电路234和237的输出信号还分别被输入到扭转调制电路238和240，它们分别用sinωDt和cosωDt来调制输入到它们的信号。扭转调制电路238和240的输出信号被输入一加法器242。加法器242的输出进而被送入图5的驱动件38上的传感件扭转电极227a-227d，以向传感件34提供反馈转矩。
图11示出了其中两个传感元件的信号组合在一收集回路的信号处理电路。一X速率输入被施加到正在于驱动频率ωD下以科氏力进行调制的传感件34和36上。拾取电路254和256在频率ωD下产生第一和第二速率传感件34和36的振幅响应。放大器260和262分别放大电路254和256输出的信号。加法器264产生一表示电路254和256输出信号和的信号，加法器266产生一表示电路254和256输出信号差的信号。然后，这些和信号和差信号被输入一解调器270，它进行同相和90°相位差解调。解调器270的输出被输入一伺服补偿电路272，它进而产生所测得的绕X轴线的转速。
将驱动件的伺服振荡器274输出的信号连接到解调器270，并连接到调制和加法电路276，它进行同相和90°相位差的转矩调制和相加操作。调制和加法电路276接收伺服补偿电路272的信号，并向传感件34和36中的传感元件110和112提供一反馈转矩信号。
本发明最好具有用于Y轴线的与图11所示相同的装置。
图11表示两传感件34和36输出的信号在施加反馈转矩之前进行相加和相减。这种方法提高了输出轴线调谐的Q值。如果每个传感件都单独被收集，则Q值将由于不能在各传感件的反作用转矩彼此平衡时以反向振动模式对反馈转矩进行相位锁定而减小。如果各传感件被单独收集，则能量将在基座架内消散。为了彻底收集传感器的偏转，同相和90°相位差信号以及和信号与差信号必须都为零。表示所施加的速率的信号是差信号的同相分量。其它反馈转矩根据不希望有的交联输入和角加速度输入而作共模和90°相位差转矩方面的校正。
对本发明的转动传感器20有几个显著而独特的特征，它们可降低振动校正误差和提高偏置可重复性。这些特征可使转动传感器20符合转动传感器20的性能和环境要求，以符合以下的导航要求偏置可重复性-0.01°/小时；标度系数误差-百万分之二十；角度随机移动-0.001°/√小时；G灵敏度小于0.01°/小时/G。
首先，通过使传感元件110和112的重心与其悬置中心重合，对两根轴线均实现线性振动的共模抑制。而且，与用于其它机械形式的振动速率传感器中的一样，独立加速度传感器的相位和增益的匹配和跟踪并不重要。第二，惯性速率传感元件与引起偏置误差的不同平面的驱动力在机械上相隔离。第三，驱动运动不造成惯性速率传感元件与其敏感元件之间的相对运动，这是因为每个驱动件及其相关的传感元件作为一个整体一起移动。第四，驱动件38和40与传感件34和36的转矩机械振动组件是反向平衡的，这会将对同样可导致偏置误差的外部机械阻抗变化的敏感度减至最小。
驱动件38和40的机械振动可为双轴线科氏角速率传感提供必要的振动速度激励。四个挠性元件60-63的弹性系数和与驱动件40的其它四个挠性元件相连的振动元件52和34的惯量和振动元件36和150的惯量共同建立了振动器共振频率，同时峰值速度振幅由振动器敏感元件来传感，并由驱动电子装置通过将信号加到振动板两相对表面上的驱动电极来控制。在振动板的两相对表面上的是敏感元件/加力电极，它们用于迫使惯性速率传感元件的每条轴线重新平衡。应予注意，所有的驱动、敏感元件/加力电极以及电触点都限制在机械振动器内。
机械振动器的自然频率约为5KHz，转动传感器芯片与基座架柔性元件的总的共振频率约为1KHz。因此，可很容易地满足所需要的500Hz的带宽。
工作时，上速率传感件36与下速率传感件34由驱动件38和40驱动成相差180°相位。上、下速率传感元件110和112通过绕垂直于输入轴线和机械振动器的轴线振动而响应绕垂直于机械振动器轴线的一轴线的角速率输入。速率传感元件的这种科氏感应振动分量由X和Y轴线容性敏感元件传感，如图8所示。这些敏感元件的信号被加到转动传感器伺服电子设备的X和Y通道上，该电子设备提供反馈电压，从而对速率传感元件110和112施加静电力而使其变为零。每根轴线上的反馈电压的大小与输入的角速率的X和Y分量成线性比例关系。
信号处理电路以这样一种方式补偿同相和90°相位差信号，即，使环路在机械振动器频率ωD上具有整数的增益，同时提供与角速率成正比的直流电信号。
参见图9中的量化器212，使用带高速过取样特征的双重范围转换方案。高动态范围的第四价Δ∑调制器将模拟速率信号转换成串行位流，每一位表示一个角Δθ。然后，微处理器在高于带宽10倍的5KHz下将这些Δθ位相加并取样，并作高速平均。由于信号含有干扰，该处理导致提高的分辨率。
传感器20最好是以闭环模式工作，这可使传感轴线受调谐，从而使随机移动比开环装置有数量级的下降。例如，开环调音叉陀螺仪的随机移动与其带宽成比例地降低，因为敏感元件的灵敏度会随其被进一步调离音叉的振动频率达到更高的带宽而继续降低。
振动驱动运动或者其产生的应力不会出现在敏感元件上。通过使位移敏感元件的基座与传感元件一起移动，可完全消除一种最有危害的误差源。这一特点完全消除了它们在敏感元件上振动时传感元件的振动面上的不完整处的粘结。即使微机械加工的硅的表面光洁度约为0.02微英寸，它仍是对于0.01度/小时的性能所需的被分辨的运动幅度大许多数量级。这种移动敏感元件技术还消除了因在微机械加工期间传感元件任何极小的倾斜而造成的影响。这种倾斜所造成的信号结合到与这种倾斜与角振幅之积成正比的输出中。在许多其它的科氏传感装置中，敏感元件使用压电电阻或者压电应力传感变换器来检测科氏力。不幸的是，这些敏感元件必须分隔开驱动振动的所有应力，这种应力要比分辨0.01度/小时所需的应力大几十亿倍。
本发明提供了固有的线性振动的共模抑制。传感元件110和112是固有平衡的，因而其重心就在其悬置中心上。同许多其它的设计一样，它们不是悬臂式的。因此，对线性振动输入来说不会有输出产生。对于悬臂式的检测质量，使两个输出的信号不同，以抑制对振动的灵敏度。这意味着对于这种去除，良好的增益和相位匹配是关键性的。
对于5000Hz的共振频率以及0.5米/秒的峰值速度来说，对0.01°/小时的输入速率，峰值科氏加速度为0.005μG。这种加速度在5000Hz时的峰值输出轴线位移为5.1×10-11微米。对于绕输出轴线的保守的Q值500，这种运动将放大到2.5×10-8微米。具有10微米的极小间隙的敏感元件对于5V电桥源将产生1.2nV，估计寄生和背面电容将多达间隙电容的5倍。这将导致标度系数为120nV每度/小时。用今天的干扰优于4nV/√Hz的仪表放大器，转动传感器的白干扰将优于0.05度/小时/√Hz，可以转换成RMS和进行全波解调。这种干扰可转换成比0.001度/√小时更好的随机移动。如果获得更高的Q值，则该数字将按比例减小。
在转动传感器20工作时，速率施加到绕垂直于振动轴线的轴线时产生的科氏力将强迫诸传感元件作倾斜的不同平面的振动。安装在相邻于诸传感元件的诸板上诸敏感元件输出的信号测出这些运动，并经放大后用于产生反馈转矩，以消除科氏力的影响。保持传感元件110和112为零位所需的转矩为输入角速率的测量值。
图12-16示出了本发明的一简化机械结构的实施例。可以看出转动传感器300基本是图1的转动传感器20的上半部分的单轴线式。该转动传感器300可以以开环或闭环工作，并通过微机械加工或通过放电加工制成。
该转动传感器300具有一基座302、一驱动元件304和一传感件306。基座302具有一圆柱形的外壁308，它围绕一中空的圆柱形区域310。基座302具有一打开的上端和一下端，下端包括一底板312。底板312突起有一中央轮毂314。底板312上通过金属化工艺形成有一套互相连接的驱动电极316。
驱动元件304具有一外转矩/敏感环320，它嵌于基座302的圆柱形区域310内。图15是驱动元件304的仰视图，示出了形成于它上面的第二套互相连接的驱动电极322。这两套电极316和322设置成它们的相应部分彼此形成角度上的偏离。交替的电信号施加于电极上可在驱动件304和基座302之间产生转矩。
图12和14示出了驱动元件304的上表面。驱动元件304的该表面分成两个基本相同的金属化电极330和331，它们可以用于信号的拾取和向传感件306施加反馈转矩。
驱动元件304具有一中央安装轮毂340，它安装于基座302突起的中央轮毂314上。该中央安装件340由形成驱动元件340的材料通过适当的蚀刻或微机械加工工艺制成。中央安装件340大体可呈圆柱形或矩形，并通过多根细杆350-353连接于外环320，如图14所示。杆350-353最好在角度上彼此相隔90°。
由两套驱动电极316和322相互作用而产生的驱动转矩造成杆350-353挠曲，因而使驱动元件304在一个平面内绕驱动轴线振动。传感件306具有一外支承环360和一传感元件362。支承环360安装于驱动元件304的外环320上，因而传感件306也可绕驱动轴线振动。
传感元件362通过一对径向延伸的转矩杆364和366安装于支承环360。图17-19示出了转矩杆364和366的各种不同的截面。一条通过转矩杆364和366的线确定了转动传感器300的输出轴线。
当转动传感器300绕驱动轴线振动时，科氏力造成传感元件362响应绕输入轴线的转动而绕其输出轴线转动。传感元件362与驱动元件304的金属化部分330和331之间的电容变化表示转动传感器300的转动速率。
金属化部分330和331以及传感元件362的底面还可用来向传感元件362施加反馈转矩。在正常的工作中，施加足够的转矩以将传感元件362校正到其中性位置。传感器的输出是必须被施加到转矩电极以保持传感元件362处于中性位置的电信号。
如果传感元件362设计成具有一不同于驱动频率的自然振动频率。则传感器300可以以开环工作。在这种情况下，可以将拾取信号放大，然后用驱动频率基准信号进行解调，从而产生角速率读出数据。
图20A示出了本发明的双轴线双反向振动角速率传感器400。传感器400具有上、下驱动元件414、416，它们最好与上述驱动元件304大致相同。传感器400还具有上、下传感件412、418，它们最好也与上述的传感件306大致相同。
传感器400具有一设置在一壳体404内的安装板402。安装板402底部与壳体404的底板408之间设置有多个柔性的阻尼垫406。安装板402具有一突起的中央轮毂410。当传感器400全部装配好时，将一盖子420固定于壳体404的上缘，从而杜绝外面杂质的进入以及保证在真空下工作。
安装板402突起的中央轮毂410延伸通过下传感件412中的一中央通道440。下驱动元件414具有一中央安装部分438，该中央安装部分的底面安装于突起的中央轮毂410的上表面上。下传感件412具有一外缘442，该外缘连接于下驱动元件414的外缘444。上驱动件416具有一中央安装部分446，该中央安装部分连接于下驱动件414的中央安装部分438。上传感件418具有一外缘450，该外缘安装于上驱动元件416的外缘452上。
上驱动元件416和上传感件418分别与下驱动元件414和下传感件412相同。当安装于传感器400中时，上驱动元件416和上传感件418分别相对于下驱动元件414和下传感件412倒置。
下传感件412设置成具有一第一转矩轴线，该轴线由支承一传感元件460的一对径向对齐的转矩杆454和456限定。上传感件418设置成具有一第二转矩轴线，该轴线由支承一传感元件466的一对径向对齐的转矩杆462和464限定。对于双轴线速率传感器来说，第二转矩轴线最好垂直于第一转矩轴线。
驱动元件414和416具有驱动电极470和扭转电极472。下驱动元件414和上驱动元件416的驱动电极基本上彼此相对，使下驱动元件414和上驱动元件416相应的电极在角度上彼此错开，如以上所述那样。因此，驱动电压施加于驱动电极上可造成驱动元件414和416在同平面内绕下驱动元件414中的杆478-481和上驱动元件416中的杆484-487而振动。因此，驱动元件414和416与传感件412和418的组件绕图20A中所示的驱动轴线而振动。上驱动元件416和上传感件418的振动方向与下驱动元件414和下传感件412的相反。这些振动是施加于驱动电极470的驱动信号频率的两倍，因而任何连接于传感件412和418的驱动信号都不会作为速率误差而被检测出来。
图20B示出了一种单轴线转速传感器400a。传感器400a与双轴线传感器400的不同点仅在于图20A的下传感元件412由一传感元件418a所代替，该传感元件与图20A的传感元件418大致相同。该传感元件418a的诸构件的编号与传感元件418的相同，只是加了字母“a”。
传感元件418a具有转矩杆462a和464a，它们分别平行于转矩杆462和464。因此，这两个传感元件418和418a具有平行的由传感元件418和418a的转矩轴线所限定的传感轴线。转速传感器400a具有可对输入该单轴线传感装置的角振动提供共模抑制的优点。
图21是图20A的传感器400通过在接合区411a-411d将诸构件接合于一起而完全装配好后的剖视图。
图22示出了本发明的另一实施例。图22表示一角速率传感器500，它具有一驱动元件502、一被驱动元件504、一导电的传感件506和一敏感/扭转元件508。
驱动元件502最好包括一由Pyrex玻璃、陶瓷或其它类似绝缘材料制成的基底509。驱动元件502在基底509的表面上经金属化处理出多个驱动电极510和多个驱动敏感电极512。驱动元件502最好具有一中央矩形接合区513。
图24示出了被驱动元件504面对驱动元件502的表面514。被驱动元件504最好形成为一硅片。被驱动元件的表面514上形成有多个电极516。这些电极516在表面514中蚀刻出槽517后而保留下来。最好将槽蚀刻到约0.003”的深度。然后，将槽的底面金属化而形成电极516。电极516在角度上偏离于驱动电极510，因而施加电信号可在被驱动元件504上产生一转矩，其方式与以上本发明的其它实施例中所描述的相同。
被驱动元件的中央部分是阳极接合区518，它支承在两对径向延伸的杆520-523上。该阳极接合区518大致呈矩形。杆520-523从阳极接合区518的侧部垂直向外延伸。被驱动元件的表面514最好从阳极接合区向下蚀刻约5微米的距离。阳极接合区518和杆520-523最好通过活性离子蚀刻(RIE)工艺制成。
再参见图22，被驱动阳极504的上表面530最好涂覆氧化物层531，以提供电绝缘。传感件506的下表面最好也涂覆氧化物层533。
传感件506具有一大致呈矩形的外框540。仅在外框540外边的内侧进行蚀刻，从而在外框540内形成一传感元件542。蚀刻工艺留下了大致呈矩形的传感元件542，它由两根延伸于传感元件和外框540的两相对端之间并径向对齐的转矩杆544和546支承。外框540固定于被驱动元件504的上表面530，因而被驱动元件504的振动可传递到传感件506。
敏感/扭转元件508最好由Pyrex玻璃、陶瓷或其它类似绝缘材料制成。敏感/扭转元件508接合于传感件506的外框540。敏感/扭转元件508具有一对金属化部分550和552，它们可用作电极，以提供接地，如图所示，或对被驱动元件504提供偏置电压。来自电极550和552的导线554和556穿过敏感/扭转元件508中的一中央通道560以及传感元件542中的一开口548。
传感元件542的拾取动作检测和扭转由电极557和559提供，这两电极被金属化于敏感/扭转元件508的底部。
图23是表示两个象传感器500这样的传感器如何可以背对背地安装，从而提供在其外壳602上没有反作用力的传感系统的剖视图。将一上传感组件604和一下传感组件606安装在一连接元件608的相对侧上。上传感组件604和下传感组件606的传感轴线彼此成90°，从而提供一双轴线传感器。另一种方法是，传感轴线可以平行设置，从而提供对接近驱动频率的频率有角振动抑制的双精度单轴线传感操作。
连接元件608具有一对朝外壳602延伸的凸缘610和612。外壳602内安装有一对支架614和616，分别用来接纳凸缘610和612。在绕被驱动轴线的剪切方向上呈柔性的可扭转支架620最好设置在凸缘610和612与它们相应的支架之间，以使传感系统600可以由单频率反向振动激励所驱动。
权利要求
1．一种转动传感器，包括一壳体；一设置在一壳体中的安装板，壳体和安装板之间设置有多个柔性阻尼垫；一从安装板上延伸出来的轮毂；一连接于轮毂的第一驱动件，该第一驱动件设置成可产生绕驱动轴线的旋转振动；一第一传感装置，它具有一连接于驱动件的支承元件，因而驱动件绕驱动轴线的旋转振动可传递到支承元件，该第一传感装置还具有一连接于支承元件并设置成可与支承元件一起绕驱动轴线振动传感元件，该传感元件设置成可响应于框架绕垂直于传感轴线和驱动轴线的输入轴线的输入转速而相对于支承元件绕垂直于驱动轴线的传感轴线旋转振动，该传感元件制成其绕驱动轴线的转动惯量基本上等于绕其垂直于驱动轴线的两根主轴线的转动惯量的和；以及用于产生作为传感元件绕第一传感轴线的振幅的函数的、表示输入转速的信号的装置；一连接于第一驱动件的第二驱动件，该第二驱动件设置成可产生绕驱动轴线的反向于第一驱动件所产生的旋转振动的旋转振动；一连接于该驱动件的第二传感装置，该第二传感装置基本上与第一传感装置相同，并具有一第二传感元件，该元件设置成可相对于支承元件而绕平行于第一传感轴线的第二传感轴线旋转振动，并具有用于产生作为第二传感元件绕第二传感轴线的振幅的函数的、表示输入转速的信号的装置。
2．如权利要求1所述的转动传感器，其特征在于，第二传感轴线垂直于第一传感轴线。
3．一种转动传感器，包括一基座；一从基座上延伸出来的轮毂；第一套形成于基座上的驱动电极；一安装于轮毂上的驱动元件，它上面形成有与第一套驱动电极对应的第二套驱动电极，基座和驱动元件设置成彼此面对，使第一和第二套电极的相应部分在角度上彼此错开，因而电信号施加于第一和第二套电极上可在驱动元件上产生转矩，该转矩使驱动元件在一个平面内产生绕驱动轴线的旋转振动；一传感件，它具有一安装于驱动元件上的外支承环，因而驱动元件的旋转振动可传递到传感件，传感件还具有一位于支承环内的传感元件和一对连接于外支承环和传感元件之间的转矩杆，这对转矩杆对齐而确定出输出传感轴线；以及用于产生作为传感件绕输出传感轴线的振幅的函数的、表示绕垂直于驱动轴线和传感轴线的一轴线的输入转速的信号的装置。
4．如权利要求3所述的转动传感器，其特征在于，还包括一形成于驱动元件上的第一金属化部分；以及一形成于传感元件上的第二金属化部分，第一和第二金属化部分形成一电容器，其电容取决于传感元件绕垂直于驱动轴线和传感轴线的一轴线的转速。
5．如权利要求4所述的转动传感器，其特征在于，还具有连接于第一和第二金属化部分的、用于向传感元件施加反馈转矩以使输出的角振动为零并将传感元件保持于零位置的装置。
6．如权利要求4所述的转动传感器，其特征在于，还包括用于向第一和第二套驱动电极施加ωD/2频率的振动电信号，从而使驱动元件以驱动频率ωD机械振动的装置，其中传感元件制成其绕转矩杆的自然振动频率不同于驱动频率ωD，因而传感器能以开环工作；用于驱动频率ωD下解调信号的、表示金属化部分之间电容的装置。
全文摘要
一种转动传感器,具有第一驱动件、带支承元件的第一传感装置。第一传感装置有连接于支承元件的传感元件。传感元件设置成可响应框架绕垂直于传感轴线和驱动轴线的输入轴线的输入转速而相对支承元件绕垂直于驱动轴线的传感轴线旋转振动。第一驱动件连接有第二驱动件,它设置成可产生绕驱动轴线的反向于第一驱动件产生的旋转振动的旋转振动。第二传感装置有第二传感元件,它设置成可相对支承元件而绕平行于第一传感轴线的第二传感轴线旋转振动。
文档编号G01D5/12GK1224151SQ98116870
公开日1999年7月28日 申请日期1998年7月30日 优先权日1998年7月30日
发明者S·F·怀斯, R·E·斯图尔特, S·N·费尔什特 申请人:利顿系统有限公司