双轴和三轴惯性传感器及惯性感测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及惯性传感器及使用微机械惯性传感器进行惯性传感方法。具体地，本 发明涉及可以很容易制造的并且仅使用单个悬挂的检验质量块（proof mass)能够在两个 或三个正交方向进行传感的惯性传感器。
【背景技术】
[0002] 基于轻阻尼微机械谐振器的振荡器以其生产稳定、低噪音频率输出的性能而闻 名。而这些特征使得它们在通信系统中作为稳定的定时/频率参考有价值，这些特征也使 得它们在用作传感器方面具有吸引力。通过定义，谐振传感器是输出频率是测量的输入的 函数的振荡器。换句话说，谐振传感器的输出对应于机械微观结构的谐振频率的偏移，机械 微观结构的谐振频率的变化是根据待测物理/化学量的变化获得调整。伴随着经频移的输 出信号的高灵敏度和稳定性，这种传感器中的输出信号的准数字（quasi-digital)性质已 经引起这种微机械谐振传感器从生物分子和化学诊断到高精度力、质量、张力（strain)并 且甚至电荷感测范围的多种应用中的广泛使用。
[0003] 对于谐振传感器的特殊情况，在过去的几年高精度微机械"全硅"谐振微加 速计的发展中具有增加的兴趣。参见例子：US5969249 ;US4851080 ;US2011/0056294 ; CN101303365。这种兴趣被触发，是由于最近在航空航天、汽车行业及家用电子市场中对于 微型高精度运动传感器的需求的增长。使用硅微机械技术制造的谐振微加速计呈现出许多 显著优点，最大的优点是经济性。相对于它们更传统的基于具有类似装置封装配对物的电 容式检测，这些硅谐振微加速计不仅具有更高的灵敏度和分辨率，而且还示出提供增强的 动态范围，这使得它们在识别市场（identified market)内的许多运动感测应用中的潜在 应用中成为理想的候选者。
[0004] 但是，这些传感器的大部分仍然保持单轴或双轴的，因此对于那些不需要复杂的 三维（3D)运动控制的应用限制了它们的功能和实用性。同时，三个单轴的、正交定向的谐 振微加速计可以潜在的被应用于精确的三维频率偏移加速度/运动读出，这种实施相应地 增加了设备的成本、尺寸和功率需求。
[0005] 本发明的目的是提供一种微机械硅谐振加速计，其允许仅使用单个悬挂的检验质 量块进行二维和三维加速度读出。
【发明内容】
[0006] 本发明在随附独立权利要求中限定，应该参考独立权利要求。优选的特征在从属 权利要求中陈述。
[0007] 在本发明的第一方面中，提供一种惯性传感器，该惯性传感器包括：
[0008]框架；
[0009] 检验质量块，该质量块悬挂于所述框架；
[0010] 第一谐振元件对，该第一谐振元件对电耦合至所述检验质量块或电耦合至中间组 件，该中间组件机械耦合至所述质量块的，每个第一谐振元件相对于另一个第一谐振元件 耦合至所述质量块的对侧，所述第一谐振元件实质上是彼此相同的并且当所述传感器不加 速时，具有实质上相同的与所述检验质量块的静电耦合；
[0011] 其中，所述第一谐振元件和检验质量块实质上位于一个平面内，并且其中所述检 验质量块正交于所述平面的相对于所述第一谐振元件的运动改变所述检验质量块和所述 第一谐振元件之间的静电耦合；
[0012] 驱动装置，该驱动装置耦合至所述第一谐振元件，用于使所述第一谐振元件中的 每一者振动；以及
[0013] 传感器组件，用于检测所述第一谐振元件中的每一者的谐振频率的偏移；以及
[0014] 处理装置，用于对所述第一谐振元件中的每一者的偏移的求和以提供与第一轴平 行的所述检验质量块的加速度的测量，所述第一轴与所述平面正交。
[0015] 在所述检验质量块和谐振元件之间的静电耦合的任何改变导致该谐振元件的有 效刚度的改变，其改变了所述谐振元件的谐振频率。在本文中，"检测所述谐振频率的偏移" 应当被理解为包括直接检测谐振频率的偏移和通过检测谐振元件的谐振频率的在另一方 面的改变来间接检测谐振频率的偏移。
[0016] 对谐振频率偏移求和消除了来自朝向或远离所述谐振元件的所述检验质量块的 平面移动的贡献，使得平面外加速度可以被解耦和确定。由于所述第一谐振元件的每一者 被安装在所述检验质量块的对侧，任何平面移动将导致在每个谐振元件上相同幅度但是相 反方向的偏移。优选地，所述检验质量块和谐振元件被配置以使与所述第一谐振元件相切 的所述检验质量块的移动不改变所述静电耦合。例如，所述第一谐振元件所耦合的所述检 验质量块的侧面可以具有均匀厚度并且平行于切线方向延伸，并在所述切线方向超出所述 第一谐振元件。
[0017] 任何合适的谐振元件可以被使用，例如双端音叉谐振器。
[0018] 所述传感器还可以包括耦合至所述检验质量块的第二谐振元件，所述第二谐振元 件被配置以允许与第二轴平行、与所述第一轴正交的加速度的检测；其中，所述驱动装置被 耦合至所述第二谐振元件以使所述第二谐振元件振动，并且传感器组件检测所述第二谐振 元件的谐振频率的偏移。优选地所述第二谐振元件被机械耦合至所述检验质量块。
[0019] 所述惯性传感器还可以包括耦合至所述检验质量块的第三谐振元件，所述第三谐 振元件被配置以允许与第三轴平行的加速度的检测，其中所述第三轴与所述第一轴和所述 第二轴正交；
[0020] 其中所述驱动装置被耦合至所述第三谐振元件以使所述第三谐振元件振动，并且 传感器组件检测所述第三谐振元件的谐振频率的偏移。优选地所述第三谐振元件被机械耦 合至所述检验质量块。
[0021] 所述第二和第三谐振元件允许所述检验质量块的平面内的加速度被测量。所述第 二谐振元件和第三谐振元件的结合仅使用单个悬挂的检验质量块提供三轴加速计。
[0022] 所述传感器可以包括第三谐振元件对，每个第三谐振元件相对于其它第三谐振元 件被设置在所述检验质量块的对侧，所述第三谐振元件彼此相同，以及第二谐振元件对，每 个第二谐振元件相对于其它第二谐振元件被设置在所述检验质量块的对侧，所述第二谐振 元件彼此相同。通过提供相同的谐振元件对，差分读出（differential read out)可以被 使用以使得由诸如温度和压力变化的环境因素引起的频率波动可以被从平面内加速度测 M中消除。
[0023] 此外，来自第二谐振元件对和第三谐振元件对的一者或两者的共模读出（common mode read out)可以提供输出，该输出是具有抑制由加速度引起的频率的一阶变化的温度 指示。通过获取总和（共模）读出和差异（差分），读出，提供多参数传感器。确定温度或 温度变化的能力是许多使用加速计的应用中所感兴趣的。温度测量也可以与加速度读出结 合使用以提供更加精确的加速度的确定。谐振频率和温度之间的关系可以具有二阶或更高 阶项并且温度测量可以被用于计算任何二阶或更高阶项，然后当根据所检测的谐振频率偏 移计算加速度时，其被考虑在内。
[0024] 所述惯性传感器还可以包括在所述检验质量块和所述框架之间的机械台，所述机 械台被配置以解耦合所述检验质量块在平面内两个正交方向的移动，其中所述第二或第 三谐振元件，或所述第二和第三谐振元件二者，被机械耦合至所述机械台。这允许交叉轴 (cross-axis)灵敏度减少并且因此，允许对来自传感器的输出的更简单的处理。
[0025] 所述惯性传感器还可以包括第四谐振元件，其中所述第四谐振元件实质上与所述 第一谐振元件相同并且未被电耦合至所述检验质量块。所述第四谐振元件或者第四谐振元 件对，可以被用于提供与所述第一谐振元件对的差分读出，以从平面外加速度的测量中消 除诸如温度或压力的环境因素。
[0026] 所述惯性传感器还可以包括至少一个增强杆（amplifying lever)，其親合在所述 检验质量块或机械台和所述第一、第二和第三谐振元件中的一个谐振元件之间。当耦合至 所述第二和第三谐振元件时，所述增强杠杆被设计为力放大器，以针对给定的感应加速度 放大传达至谐振元件通信的惯性力，并且因此增加设备的比例因子。所述框架、检验质量块 和谐振元件均可以由经加工的硅形成。
[0027] 本发明提供一种微机械硅谐振加速计，在目前报道的多数谐振元件的情况下，其 具有改善的灵敏度和动态范围的主要优点，而且仅使用单个悬挂的检验质量块，还允许三 维频移加速度读出，具有增强的交叉轴抑制。这种实施方式允许这种传感器的制造成本的 减少，并且还允许尺寸的减小和因此允许设备的封装（footprint)的减小一一多个应用中 部署成本的另一个关键决定因素，尤其是在家用电子产品中。
[0028] 在另一方面，本发明提供一种使用微机械平面惯性传感器的平面外加速度测量方 法，所述惯性传感器包括：框架；检验质量块，该检验质量块悬挂于所述框架；第一谐振元 件对，该第一谐振元件对电耦合至所述检验质量块，每一个第一谐振元件相对于另一个耦 合至所述检验质量块的对侧，所述第一谐振元件实质上彼此相同并且当所