增强抑制加速度噪声的微机电陀螺仪的制作方法

专利名称：增强抑制加速度噪声的微机电陀螺仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微机电结构，尤其涉及一种对偏航角加速度敏感的陀螺仪，该微 机电结构具有增强的机械特性，在抑制加速度噪声方面尤为如此。
背景技术：
我们都知道，显微机械加工技术可以在半导体材料层中制造微机电结构或系统 (MEMS)，半导体材料层淀积在(例如，多晶硅层)或者生长在(例如，外延层)牺牲层上，该 牺牲层通过化学刻蚀的方法被去除。采用这种技术构造的惯性传感器、加速度计以及陀螺 仪例如在汽车领域、惯性导航或便携式装置的部件中取得了逐步的成功。尤其，本领域技术人员熟知的是采用MEMS技术构造的由半导体材料制成的一体 式陀螺仪。
这些陀螺仪利用科里奥利(Coriolis)加速度基于相对加速度定理而工作。当向 以线速度运动的移动质量块施加角速度时，移动质量块“感觉”到一个明显的力，称之为“科 里奥利力”，该力决定移动质量块在与该线速度的方向垂直且与施加角速度所围绕的轴线 垂直的方向上的位移。移动质量块由能够使其在该明显的力的方向上发生位移的弹簧支 撑。基于虎克定律(Hooke’ s law)，该位移与该明显的力成比例，因此，从移动质量块的位 移有可能检测科里奥利力以及产生该力的角速度值。例如，可以通过在共振条件下确定由 移动电极的运动引起的电容变化来电容性地检测移动质量块的位移，该移动电极相对于移 动质量块固定，并且为具有固定电极的梳指。由本申请人申请的欧洲专利申请EP-A-1832841以及美国专利申请 US2009/0064780和US2009/0100930披露了一种具有旋转驱动运动并对偏航角速度敏感的 微机电一体式传感器。该微机电传感器包括一个单个驱动质量块，与基体锚固并由旋转运动致动。通孔 提供在该驱动质量块内，相应的敏感质量块设在该通孔内；敏感质量块封装在驱动质量块 的总尺寸内，并相对基体悬浮，并通过弹性元件与驱动质量块连接。在旋转运动期间，每个 敏感质量块相对于驱动质量块固定，并且具有更大的运动自由度，该运动自由度随作用在 该传感器上的外应力(特别是科里奥利力)而变。由于弹性元件特定的结构，它们可以使 敏感质量块响应于科里奥利加速度而在属于传感器平面的径向方向上执行检测的线性运 动。这种检测运动基本上与驱动质量块的致动运动是解耦的。微机电结构，除了紧凑(关 于设想单个驱动质量块在其总尺寸内封装多个敏感质量块)外，还可以通过微小的结构更 改而获得单轴陀螺仪、双轴陀螺仪或者三轴陀螺仪(根据实施的电连接，和/或可能是加速 度计)，同时保证与来自检测动态的驱动动态的极好的解耦性。图1表示的是根据前述专利申请中所包含教导的用1表示的单轴微机电陀螺仪的 示例性实施例。陀螺仪1提供在冲模(die) 2中，该冲模2包括框架2b和由半导体材料(例如硅) 制成的基体2a ；框架2b在其内限定有开口区域2c，其重叠在基体2a上并被设计为封装陀螺仪1的检测结构(正如下面详细描述的)。在由第一水平轴线χ和第二水平轴线y定义 的水平平面内(在下文中，指传感器平面xy)，开口区域2c具有大体正方形或者矩形结构， 该第一水平轴线χ和第二水平轴线y相对于该冲模2是固定的；框架2b具有与水平轴线χ、 y基本平行的边。冲模垫(die pad) 2d沿着框架2b的一边布置，例如沿着第一水平轴线χ 排列。以一种未示出的方式，冲模垫2d可以使得陀螺仪1的检测结构与外部电接触。陀螺仪1包括驱动结构，其封装在开口区域2c内并由驱动质量块3和驱动组件4 构成。
驱动质量块3例如具有径向对称的大体圆形构造，该构造基本为平面结构，在传 感器平面xy上具有主尺寸，在与竖直轴线ζ平行的方向上具有相对于主尺寸的可忽略尺 寸，竖直轴线ζ与第一和第二水平轴线χ、y 一起构成相对于冲模2固定的一组三个正交轴 线。驱动质量块3以中空空间6为中心设置，空间6的中心0与整个结构的质心以及对称 中心相重合。驱动质量块3通过设置在中心0的第一锚固点7a与基体2a锚固，它通过第一弹 性锚固元件8a与第一锚固点7a连接。驱动质量块3可以通过设置在同一驱动质量块3外 部的另外的锚固点(未示出)与基体2a锚固，该驱动质量块通过例如折叠形的另外的弹性 锚固元件(未示出)与另外的锚固点连接。第一和另外的弹性锚固元件可以使驱动质量块 3围绕穿过中心0的平行于竖直轴线ζ并垂直于传感器平面xy的致动轴线进行以驱动角速 度& 的旋转运动。驱动质量块3具有一对通孔9a、9b，所述通孔例如沿着第二水平轴线y在径向方向 排列，并且设置在相对于中空空间6的相对侧；通孔9a、9b在平面视图上具有基本矩形的形 状，在横向于径向的方向上具有主尺寸。驱动组件4包括多个从动臂10和多个第一和第二驱动臂12a、12b，所述从动臂10 在径向上从驱动质量块3向外延伸并以等角距离间隔配置，所述第一和第二驱动臂与各个 从动臂10平行并且在其相对侧延伸。每个从动臂10具有多个第一电极13，所述第一电极 在同一从动臂10的两侧并垂直于同一从动臂10延伸。并且，第一和第二驱动臂12a、12b的 每一个具有各自的第二电极14a、14b，其向各自的从动臂10延伸，并与相应的第一电极13 梳齿连接。第一驱动臂12a全部设置在各个从动臂10的一侧，并全部以第一电压偏置；类似 地，第二驱动臂12b都设置在各个从动臂10的相对侧，并且都以第二电压偏置。驱动电路 (未示出)连接至第二电极14a、14b，以施加第一和第二电压并通过电极的相互交替吸引来 确定驱动质量块3绕驱动轴线以给定振荡频率和驱动角速度的振荡旋转运动。陀螺仪1进一步包括一对加速度传感器，其轴线平行于前述径向方向，具体为一 对封装在通孔9a、9b内的敏感质量块15a、15b ；敏感质量块15a、15b例如具有大体矩形形 状，其边与通孔9a、9b的相应侧平行，并相对于基体2a悬浮，并通过弹性支撑元件18连接 至驱动质量块3。弹性支撑元件18例如在径向上从每个敏感质量块的相对的主侧面伸出。 具体地，弹性支撑元件18相对于驱动质量块3的致动运动是刚性的(以这种方式，使得敏 感质量块15a、15b将跟随驱动质量块3进行旋转运动)，并且还可以使各个敏感质量块在前 述的径向方向上进行线性运动。并且，移动电极20与第二敏感质量块15a、15b连接，例如 在垂直于该径向的方向上从各个较小边延伸；移动电极20与平的平行板构成敏感电容器，
5平的平行板具有锚固至驱动质量块3的各个第一和第二固定电极22a、22b。具体地，每个 移动电极20与各个第一固定电极22a(例如，相对于中心0在径向更靠里边的那个)构成 第一敏感电容器C1,以及与第二固定电极22b (例如，相对于中心0在径向上更靠外面的那 个)构成第二敏感电容器C2。在使用中，陀螺仪1能够检测绕竖直轴线ζ作用的(偏航)角速度Az。具体地，该 将要被检测的角速度Gz在以径向方向定向的敏感质量块15a、15b上产生科里奥利力& (因 此，定向为作用在相同质量块上的向心力)，该力引起敏感质量块的位移以及相应敏感电容 器‘(2的电容变化。电容变化的值与角速度^^成比例，因此，其可以通过按照差分方案运 行的读数电路用本身已知的方式确定。具体地，在固定电极22a、22b与移动电极20之间提 供适当的连接，使得以差分方式放大与第一和第二敏感电容器Cp C2的变化相关的电量之 间的差。具体地，在由于偏航角加速度作用在结构上而导致科里奥利力存在的情况下，敏 感质量块15a、15b在径向方向上反相移动(换句话说，它们相对于径向方向在相反方向或 者取向上位移)，使得差分读数电子装置产生放大的电输出量。替代的，在径向方向作用在 结构上的外部加速度(例如，由于环境噪声引起的加速度)引起敏感质量块15a、15b的同 相运动，结果其不被读数电子装置读出(假设它不引起明显的输出)。基本上，由于差分读数，外部加速度理想地被自动抑制。事实上，尽管有用的科里 奥利信号趋向于使位于相对径向方向上的敏感质量块15a、15b失去平衡，但是外部加速度 确定出具有相同符号(或方向)的变化。通过由两个加速度传感器产生的检测信号之间的 差值，有可能测量科里奥利贡献(contribution)并抑制伪加速度。旋转驱动运动也产生离心加速度，其以基本上与前述科里奥利加速度相似的方式 作用在敏感质量块15a、15b上(即，在相反方向上引起其位移)。然而，该离心加速度在输 出上引起频率为两倍于科里奥利加速度频率的贡献，并且从而可以被读数电子装置适当地 滤波。即使前述专利申请所述的陀螺仪与已知类型的其他结构相比较具有相当的改进， 但是其都并没有从电特性和抗扰性的方面一起优化。尤其，在给定的真实操作条件下，对外 部加速度(例如，噪声加速度)抗扰性不好，并且对由于旋转驱动运动作用于结构上的离心 加速度的影响的抗扰性也不好。

发明内容
因此，本发明的目的是对微机电陀螺仪结构提供进一步的改进，尤其是关于对外 部加速度噪声和离心加速度的敏感性。从而根据本发明提供的微机电结构包括-驱动质量块，通过弹性锚固元件锚固于基体，并被设计为在平面内由驱动运动而 致动；以及-第一敏感质量块和第二敏感质量块，悬浮在所述驱动质量块内并通过各个弹性 支撑元件联接到驱动质量块，从而在所述驱动运动中固定于所述驱动质量块并响应于角速 度执行各自的检测运动，其特征在于，所述第一和第二敏感质量块通过弹性联接元件连接在一起，弹性联接元件构造成耦合第一和第二敏感质量块的振动模式。


为了更好地理解本发明，现在仅通过非限制性的例子和参照附图的方式对其优选 实施例进行描述，其中-图1表示的是已知类型的微机电陀螺仪的示意顶面俯视图；-图2是图1陀螺仪的敏感质量块的弹性连接的示意图；-图3a、3b、4a、4b表示的是图1陀螺仪中的电量的图示；-图5表示的是根据本发明第一实施例的微机电陀螺仪的示意顶面俯视图；-图6是图5陀螺仪的敏感质量块的弹性连接的示意图；-图7a、7b、8a、8b表示的是对应于图5陀螺仪的电量的图示；-图9表示的是微机电陀螺仪的第二实施例的示意顶面俯视图；-图10、lla、llb表示的是图9陀螺仪元件的各部分的分级放大图；-图12a和12b表示的是图9陀螺仪中的电量的图示；-图13表示的是对应于三轴陀螺仪的本发明的进一步实施例；以及-图14表示的是具有根据本发明的微机电陀螺仪的电子设备的简化框图。
具体实施例方式本申请人实现并用试验证明了对困扰前面所述陀螺仪的外部加速度噪声的不良 抗扰性可以归因于可能的过程变异(散布)，尤其是敏感质量块和对应弹性元件的机械特 性中的可能的差异，其可能来源于该散布。详细地，如图2所示(其中，示意性图示出了通过弹性支撑元件18在敏感质量块 15a、15b和驱动质量块3之间的弹性连接)，敏感质量块15a、15b的振动模式被彼此去耦并 理想地以相同的频率振动。然而由于过程散布(process spread)，两个敏感质量块15a、15b的共振频率并不 能很好地一致(例如，它们可能彼此相差10-20HZ)，对于高品质因子Q，这使得不能很好地 抵制外部加速度噪声。事实上，频率与敏感质量块15a、15b的共振频率相近的外部加速度 可以产生两个敏感质量块的更加显著不同的响应，从而从相应的读数电子装置产生非零输 出(即使所采用的差分方案可以理想地抵制这些噪声也是如此)。考虑到敏感质量块的共 振频率的典型值位于4-5kHz的区域内，由于上述原因，显然具有音频的环境噪声也可以产 生更加显著的输出噪声。上述行为由本申请人通过适当的数值模拟予以证实。图3a和3b表示了数值处理 的结果，其中通过在与敏感质量块15a、15b相关的弹性支撑元件18的刚度上应用的差 来模拟过程散布；驱动质量块的锚固点7a(以及可能的另外锚固点)的随机位移噪声被用 来模拟外部加速度激励。具体地，图3a和3b分别用线性和对数刻度表示陀螺仪1的读数 电子装置的输出0UT(以及对敏感电容器输出的信号所进行的放大和解调操作的结果)，同 时，图4a和4b分别表示的是敏感质量块15a、15b的机械传递函数的大小(Mag)和相位。这 些曲线图突出呈现了由于两个敏感质量块15a、15b的不同共振频率造成的相隔约20Hz的 两个明显的频率峰，还呈现了在存在噪声加速度时读数电子装置的非零输出(其可能具有甚至可以与角加速度检测过程中假定的值相当的值)。为了解决上述问题，本发明的一个实施例设想使两个敏感质量块机械联接(具体 通过合适的弹性元件)，从而耦合它们的检测振动模式。具体地(可以参考图5，其中相同的标记数字用来表示与前面已经描述的其它元 件类似的元件)，微机电陀螺仪，这里用30表示，与图1中的陀螺仪1的根本区别在于，它包 括被设计用来将敏感质量块15a、15b彼此弹性联接的弹性联接元件32a、32b。在这个例子中，存在单个通孔，这里用34表示，其也与这里用6’表示的中空空间 相一致，被限定在驱动质量块3 (这里具有圆框形状)的中央。位于通孔34内的是两个敏 感质量块15a、15b和不同的弹性元件，被设计成保证通过连接实现它们与驱动质量块3的 联接和机械支撑。更详细地，各个弹性联接元件32a、32b与每个敏感质量块15a、15b相关；弹性联接 元件32a、32b例如相对于弹性支撑元件18的相对侧由各个敏感质量块的主侧面延伸至中 心0 (这里对每个敏感质量块只示出了一个弹性支撑元件18)。弹性联接元件32a、32b通过 设在中央位置(例如设置在中心0处)的连接体35连接在一起。连接体35被构造成具有 基本可以忽略的重量和尺寸，尤其在与相同敏感质量块以及弹性元件相比时。如图6的图 示所示，连接体35除了与上述的敏感质量块15a、15b连接，还通过另外的弹性支撑元件36 与驱动质量块3连接。例如由折叠型的弹簧组成的另外的弹性支撑元件36在中心0处例 如在横向于敏感质量块15a、15b排列对准的径向的方向上延伸(与弹性联接元件32a、32b 的延伸方向一致)。具体地，另外的弹性支撑元件36用于进一步将敏感结构向驱动质量块 3约束，以便增加敏感质量块15a、15b相对于沿竖直轴线ζ平移的刚度。在这个例子中，驱动质量块3的弹性锚固元件此外以不同的方式布置在中空空间 6’内。例如，提供四个锚固点7a’，所述锚固点成对地在另外弹性支撑元件36的每个侧面 上延伸，驱动质量块3通过以向中心0会聚的方式径向延伸的各个弹性锚固元件8a’与锚 固点7a’连接。在使用中，弹性联接元件32a、32b具有将敏感质量块15a、15b的振动运动相耦合 的功能，使得所得到的机械敏感结构具有两个不同的独立振动模式。具体地，产生同相的第 一振动模式和反相的第二振动模式，它们具有彼此明显分开的共振频率。在两种情况中，两 个敏感质量块15a、15b以相同的频率振动。从而通过读数电子装置(这里进行了适当的改 进)方便地抑制与噪声加速度相关的同相振动模式，并且对于后续处理操作仅保存表示将 要被检测的角速度的反相振动模式。具体地，噪声抑制主要与差分型读数相关，其中同相振 动模式对读数电子装置来说不产生显著的电容变化。图7a和7b表示的是与前述对于图1的已知类型的结构所进行的数值处理相类似 的数值处理的结果，直接将用图5的陀螺仪30所获得的值(用实线表示)与用所述已知类 型的所述结构获得的值(用虚线表示)进行比较。可以马上注意到，敏感质量块15a、15b的振动模式的耦合在输出(在相对于驱动 频率进行了适当的解调之后)上产生频率明显彼此分开的两个噪声贡献一个对应于同相 振动，其频率大约为对应于反相振动的另一个的两倍。具体地，两个噪声贡献的频率是对应 共振频率(同相和反相)和驱动频率之间的差异造成的结果。此外，可以马上注意到，与传统的方案相比，上述的耦合可以将陀螺仪30对外部
8线性加速度(例如噪声加速度)的输出响应降低大约100倍。如图8a和8b所示，机械系统具有与反相振动模式相关的单个峰，这与其特征在于 在频率上具有双峰的已知类型的方案不同。从而显然的是，所述的实施例能够对传感器平面xy内的线性加速度噪声的抑制 有显著的改进。具体地，两个振动模式的频率在过程散布存在的情况下基本是不变的，并且 差分型读数能够方便地去除不想要的同相振动模式的贡献。从机械方面讲，上述两个不同的振动模式源于敏感质量块15a、15在同相和反相 运动过程中不同的位移形态。具体地，在反相运动过程中，敏感质量块15a、15b的位移源于 弹性联接元件32a、32b和弹性支撑元件18的变形，从而使得连接体35基本保持静止于中 央位置。在同相运动过程中，弹性联接元件32a、32b与反相运动相比经历较小的变形，弹性 支撑元件36 (其在反相运动中基本是固定的)也变形，连接体35在径向位移。然而，本申请人发现，陀螺仪30虽然有利地能够抑制噪声线性加速度，但是未能 一起解决由于存在离心加速度而带来的问题。驱动质量块3的旋转事实上产生了在相对于 检测的径向方向相反的方向上作用于敏感质量块15a、15b的离心加速度，并且从而产生其 反相振动(采用与科里奥利力的作用类似的方式，科里奥利力与将要被检测的偏航角加速 度相关联)。如以本申请人的名字申请的上述欧洲专利申请中详细描述的那样，可以表明 离心加速度引起振动贡献所处的频率是由将要被检测的加速度引起振动贡献所处频率的 两倍，从而使得可以理想地对其贡献进行滤波。然而，本申请人证实，在给定的操作条件下，尽管具有足够的滤波级，离心加速度 还是可以在读数电子装置中引起放大级的饱和，并且从而在任何情况下引起角加速度检测 中的错误。为了解决上述问题，本发明的进一步实施例设想借助于敏感结构的适当的几何构 造对离心加速度的影响进行自动补偿(即，作为选择，或者除此之外，对读数电子水平处进 行的补偿提供内在的机械补偿)。如图9所示，这里用30’表示的陀螺仪第二实施例与前述陀螺仪实施例的区别基 本在于移动和固定电极以及在所述的例子中的敏感质量块的构造不同，移动和固定电极这 里分别用20，和22a，、22b，表示，敏感质量块用15a，、15b，表示。具体地，第二实施例设想对移动电极20’和各个第一或第二固定电极22a’、22b’ 中的至少一个进行适当定形，以这种方式使得在旋转驱动运动过程中产生敏感电容器的电 容变化，其可以补偿其由于存在离心加速度造成的电容变化。详细地，在这种情况中，敏感质量块15a’、15b’具有大致成梯形的构造，其内限定 有窗体40 ；移动电极20’和相应的固定电极22a’(径向更向内)和22b’(径向更向外)布 置在该窗体40内。在传感器平面xy内，窗体40的形状呈环带扇形，移动电极20’和固定 电极22a’、22b’大致呈弧形。移动电极20’在窗体40内部从各个敏感质量块15a’、15b’的倾斜侧开始延伸。与 每个移动电极20’相关的第一和第二固定电极22a’、22b’在相对侧面对该移动电极设置， 并通过各个锚固点42与基体2a锚固(见图10)，各个锚固点42也布置在窗体40内。具体 地，有两组移动电极20’和相应的第一和第二固定电极22a’、22b’，每组设置在上述窗体40 由径向检测方向所分成的相应半体中。
更具体地，如逐级放大的图10和IlaUlb所示，每个移动电极20’具有第一侧表 面(具体地，该表面与各个第一固定电极22a’相对，或等价地，该侧表面相对于中心0在径 向上更靠内)，该第一侧表面根据合适的图案被定形，以及具有第二侧表面(具体地，该表 面与各个第二固定电极22b’相对，或等价地，该径向表面相对于中心0在径向上更靠外)， 该第二侧表面没有被定形。具体地，没有被定形的第二侧表面对应于圆周的弧，同时被定形 的第一侧表面具有波浪起伏形的大致呈正弦曲线轮廓(如上述图10、lla、llb的顶视图突 出呈现所示)。此外，第二固定电极22b’(径向更靠外的)具有两个未被定形的侧表面，第一固定 电极22a’(径向更靠内的)具有两个定形的侧表面，具体地，具有同样的正弦曲线轮廓，大 致对应于移动电极20’的第一侧表面的正弦曲线轮廓。在使用中，作用于每个移动质量块15a’、15b’的离心加速度引起(如箭头所示)每 个移动电极20’向对应第二固定电极22b’的不希望的靠近(与检测角加速度的运动不相 关)，以及引起相同移动电极20’离开相应第一固定电极22a’的相应位移，从而减小第一敏 感电容器C1的电容，增加第二敏感电容器C2的电容(以已知方式，假设电容与电极间距离 的关系是非线性的，那么增加比上述减小要大)。然而，驱动质量块3的旋转运动也会引起 移动电极20’相对于固定电极22a’、22b’的周向位移(如箭头所示)。假设对构成其板的 电极的侧表面进行适当的定形，该周向位移引起的第一敏感电容器C1的整体电容变化(具 体地，由于板之间的净靠近，电容增加)，从而等于并补偿由离心加速度贡献造成的第二敏 感电容器C2的变化。并且，由于电极定形造成的电容变化的频率贡献基本与由于离心加速 度(如上所述，其频率是检测频率的两倍)造成的频率贡献相一致，因此可以有效地补偿所 引起的电容变化。换言之，通过上述的定形，有可能在敏感电容器之间产生电容差(之后由 读数电子装置处理的差)，其在不存在科里奥利加速度从而不存在待检测的角加速度时基 本保持恒定。有利的是，也是由于第二敏感电容C2的电容值不受由于旋转驱动运动造成的移动 电极20’的周向位移的影响，所以通过合适的数学模型和合适的计算算法，可以很容易地确 定定形参数(具体地，以振幅和/或周期为单位的正弦曲线轮廓的参数)，这可以使得由于 离心加速度造成的敏感电容！CpC2之间的电容差AC最小。例如，对整个电极表面上的电 容变化进行数值积分的算法(这是已知类型的，这里不再详细描述)可以用于这个目的来 确定电极的几何形状的参数，从而使得电容差△(最小。在图12a中，在驱动运动过程中仅由离心加速度造成的与移动电极20’相关的电 容变化用实线表示，仅由上述电极的定形造成的与同一移动电极20’相关的电容变化由虚 线表示。容易注意的是，上述电容变化基本上是相等的。因此，如图12b中所示，由于该内 在的机械补偿，对所引起的电容变化(电容差△(，由上述电容变化的差给出)的补偿误差 基本为零或任何情况下都可以忽略。具体地，可以表明该内在补偿可以将离心加速度的噪 声影响因子降低100。虽然显而易见，但是强调的是上述的正弦曲线形状不是唯一可以获得上述效果的 形状，其他的几何形状也同样是可能的(例如，可以设想以锯齿状轮廓来定形)，其参数也 可以通过数值算法确定。本发明进一步的实施例设想通过为用于感测偏航角加速度的上述检测结构增加用于感测倾斜和/或滚转角加速度的检测结构(基本如以本申请人的名字提出的上述专利 申请中所描述的)来提供双轴或三轴陀螺仪。图13表示的是如此获得的三轴陀螺仪的一个例子，其用标记数字30”来表示。简单扼要地(而有关进一步的细节可以参考上述专利申请)，这个例子中的陀螺 仪30”(如图所示)包括第一对和第二对另外的敏感质量块46a-46b和46c_46d，其封装在 驱动质量块3中的各个通孔内，并通过各个弹性元件47与驱动质量块连接。第一对另外的敏感质量块46a、46b排列在第一直径方向X1上，该方向相对于冲模 2的第一水平轴χ倾斜，倾斜角度是α (在逆时针方向考虑)，倾斜角度的值在40°到50° 之间，优选为45°。类似地，第二对另外的敏感质量块46c、46d排列在第二直径方向X2上， 该方向与第一直径方向X1基本垂直，并相对于第一水平轴Χ倾斜相同的倾斜角度α (这 时在相反方向上考虑，即顺时针)。此外，第一对另外的敏感质量块46a、46b与第二对另外 的敏感质量块46c、46d相对于冲模垫2d的对称轴线(与第二水平轴线y重合)对称。例 如，另外的敏感质量块46a-46d在平面图上的形状大致如径向环带扇形(radial annulus sector)，并且构成轴线平行于竖直轴线ζ的加速度传感器。在使用中，倾斜或滚转角加速 度在另外的敏感质量块46a-46d上产生科里奥利力，从而使它们在传感器平面xy外的旋 转，并向与其面对并设在基体2a上的各个检测电极(用短划线表示)靠近(或者远离各个 检测电极)。图13还示出了另外的锚固点7b，其设在驱动质量块3之外；驱动质量块通过这些 另外的锚固点7b与基体2a锚固，驱动质量块3通过另外的弹性锚固元件8b与另外的锚固 点7b连接。图14表示的是包括上述微机电陀螺仪30’ (或30”)的电子设备50。该电子设备 50可以有利地用在多种电子系统中，例如，用在惯性导航系统中、车辆系统中，或者诸如，例 如个人数字助理(PDA)、便携式计算机、蜂窝电话、数字语音播放器、照相机或者摄像机的 便携型系统中，或者可以处理、存储、传输以及接收信号和信息的其他系统中。电子设备50进一步包括驱动电路51，其可操作地联接至驱动组件4，用于给予驱 动质量块3旋转驱动运动并对微机电结构提供偏压信号(用本身已知的方式，这里不再详 细解释)；读数电路52，可操作地联接至敏感质量块的敏感电容器C1W2，用于检测敏感质量 块的位移量并从而确定作用于结构上的角速度；以及电子控制单元54，例如是微处理器型 的，其连接至读数电路52并设计用于例如基于所检测并确定的角速度来监控电子设备50 的整体运行。从上述的描述中已经清楚了根据本发明提供的微机电陀螺仪的优点。具体地，再次强调的是通过用于检测偏航角加速度的敏感质量块的弹性元件进行 的机械联接可以抑制外部加速度噪声(例如，由环境噪声或者其他噪声源所引起)，甚至在 存在过程散布的情况下也是如此。检测电极的特别定形的图案可以对由旋转驱动运动引起的离心加速度的影响进 行补偿并使其最小化。具体地，不需要在读数电子装置内增加任何特别的额外配置，即可对 这些影响进行内在补偿。此外，用于检测偏航加速度的检测结构具有与双轴或三轴陀螺仪都兼容的体系结 构，可以使其与用于检测倾斜和/或滚转角加速度的结构一体形成。
最后，清楚的是，在不脱离如所附权利要求所限定的本发明保护范围的情况下，可 以对这里所描述和图示的内容进行修改和变形。具体地，清楚地是，可以对陀螺仪的某些结构元件的构造提出修改。例如，用于检 测偏航角加速度的敏感质量块15a’、15b’可以排列在传感器平面xy内的不同方向上(例 如，沿着第一水平轴线χ)；可以对弹性联接元件32a、32b以及连接体35进行不同的构造； 可以根据希望的图案对第一和第二固定电极22a’、22b’进行定形，或者，可以仅对径向更靠 外的第二固定电极22b’进行定形；第一和第二固定电极22a’、22b’都可以延伸到相应敏感 质量块15a’、15b’之外，其采用与参照图5所解释的方式基本相同的方式。更通常地，驱动 质量块3可以具有与圆形不同的形状，例如封闭的大致多边形，类似地，冲模2的框架2b的 形状也可以不同。此外，可以采用不同于电容技术的其他技术例如通过检测磁力来确定敏感质量块 的位移，可以以不同的方式产生引起驱动质量块旋转运动的振荡的扭矩，例如通过平行板 电极，或者通过磁致动。
权利要求
一种一体式微机电结构(30；30’；30”)，包括 驱动质量块(3)，通过弹性锚固元件(8a；8b)锚固于基体(2a)，并被设计为在平面(xy)内由驱动运动致动；以及 第一敏感质量块(15a；15a’)和第二敏感质量块(15b；15b’)，悬浮在所述驱动质量块(3)内并通过各个弹性支撑元件(18)联接到所述驱动质量块，从而在所述驱动运动中固定于所述驱动质量块并响应于角速度执行各自的检测运动，其特征在于，所述第一敏感质量块(15a；15a’)和第二敏感质量块(15b；15b’)通过弹性联接元件(32a；32b)连接在一起，所述弹性联接元件构造成耦合所述第一敏感质量块和第二敏感质量块的振动模式。
2.根据权利要求1的结构，其中所述驱动质量块(3)由所述平面(xy)内的旋转运动所 致动，所述第一敏感质量块(15a;15a’)和第二敏感质量块(15b ；15b’)被设计为响应于所 述角速度在所述平面(xy)内执行各自的线性检测运动；所述第一敏感质量块(15a ；15a’ ) 和第二敏感质量块(15b ；15b’ )的检测运动相对于彼此反相并且在径向方向进行。
3.根据权利要求1的结构，其中各个弹性联接元件(32a；32b)与所述第一敏感质量块 (15a ；15a’ )和第二敏感质量块(15b ；15b’ )中的每一个相关，所述第一敏感质量块(15a ； 15a，)和第二敏感质量块(15b ；15b，)的弹性联接元件(32a ；32b)通过插入实质上可忽略 质量的连接体(35)而连接在一起。
4.根据权利要求3的结构，包括连接在所述连接体(35)和所述驱动质量块(3)之间的 另外的弹性支撑元件(36)。
5.根据权利要求4的结构，其中所述驱动质量块(3)在其内限定通孔(34)；所述第一 敏感质量块(15a ；15a，)和第二敏感质量块(15b ；15b，)、所述弹性联接元件(32a，32b)、所 述另外的弹性支撑元件(36)以及所述连接体(15)布置在所述通孔(34)内。
6.根据权利要求1的结构，其中所述弹性联接元件(32a，32b)构造成使得成组的所述 第一敏感质量块(15a，15a’)和第二敏感质量块(15b，15b’)具有两种振动模式，一种是同 相的，另一种是反相的，所述两种振动模式具有彼此不同的频率。
7.根据权利要求1的结构，其中所述驱动质量块(3)由所述平面(xy)内的旋转运动 所致动，移动电极(20’ )固定连接至所述第一敏感质量块(15a;15a’ )和第二敏感质量块 (15b ；15b’ )的每一个，固定电极(22a’，22b’ )面对所述移动电极(20’ )以构成敏感电容 器(C1, C2)；其中所述移动电极(20’ )和所述固定电极(22a’，22b’ )中的至少一个互相面 对的表面具有公共的定形轮廓。
8.根据权利要求7的结构，其中所述定形轮廓构造成使得由于相对于所述驱动运动 固定的所述第一敏感质量块(15a ；15a’ )和第二敏感质量块(15b ；15b’ )中的相应一个的 运动，产生与所述敏感电容器(C1, C2)相关的电容变化，该电容变化的值从而补偿由于所述 驱动运动带来的离心加速度所引起的所述第一敏感质量块(15a，15a’ )和第二敏感质量块 (15b，15b’ )中的所述相应一个的运动而产生的与所述敏感电容器(C1, C2)相关的电容变 化。
9.根据权利要求7的结构，其中第一固定电极(22a’)和第二固定电极(22b’ )在相 对于所述检测运动的径向方向的相对侧与每个所述移动电极(20’ )相对；所述移动电极 (20’ )中的每一个与所述第一固定电极(22a’ )和第二固定电极(22b’ )中的至少一个的互相面对的表面具有所述定形轮廓。
10.根据权利要求7的结构，其中所述定形轮廓是实质上正弦曲线轮廓。
11.根据权利要求7的结构，其中所述第一敏感质量块(15a;15a’)和第二敏感质量 块(15b ；15b’ )中的每一个在其内限定出窗体(40)，所述移动电极(20’ )和所述固定电极 (22a’，22b’ )设置在该窗体(40)内；所述移动电极(20’ )从所述第一敏感质量块(15a; 15a’ )和第二敏感质量块(15b ； 15b’ )的内壁延伸。
12.根据权利要求1的结构，其中所述角速度是在使用中围绕横向于所述平面(xy)的 竖直轴线(ζ)施加的偏航角速度。
13.根据权利要求1的结构，包括第一对另外的敏感质量块(46a，46b)和第二对另外的 敏感质量块(46c，46d)，所述另外的敏感质量块悬浮在所述驱动质量块(3)内并通过各个 弹性元件(47)联接到所述驱动质量块，从而在所述驱动运动中相对于所述驱动质量块固 定并分别响应于围绕第一水平轴线(χ)和第二水平轴线(y)作用的第一另外的角速度和第 二另外的角速度而执行在所述平面(xy)外的旋转的检测运动，该第一水平轴线(χ)和第二 水平轴线(y)相互垂直并属于所述平面(xy)；所述第一对另外的敏感质量块(46a，46b)和 所述第二对另外的敏感质量块(46c，46d)在各自的方向(χι，χ2)排列，其相对于所述水平轴 线(χ，y)成非零且相反符号的倾角。
14.一种包括根据权利要求1的一体式微机电结构(30 ；30’;30”)以及读数平台(52) 的电子设备(50)，该读数平台(52)可操作地联接到所述一体式微机电结构。
15.根据权利要求14的设备，其中所述弹性联接元件(32a，32b)构造成使得成组的 所述第一敏感质量块(15a ；15a’ )和第二敏感质量块(15b ；15b’ )具有两种振动模式，一 种是同相的，另一种是反相的，所述两种振动模式具有彼此不同的频率；其中所述读数平台 (52)构造成消除所述同相振动模式的贡献。
16.根据权利要求14的设备，其中在相对于所述检测运动的径向方向的相对侧，与所 述移动电极(20’)中的每一个相对的是第一固定电极(22a’)和第二固定电极(22b’)，从 而形成第一敏感电容器(C1)和第二敏感电容器(C2)；其中所述读数平台(52)构造成处理 所述第一和第二敏感电容器(CnC2)之间的电容差(AC)。
全文摘要
本发明涉及增强抑制加速度噪声的微机电陀螺仪。一种一体式微机电结构(30；30’；30”)具有驱动质量块(3)，通过弹性锚固元件(8a、8b)与基体(2a)锚固，并设计为在平面(xy)内由驱动运动致动；以及第一敏感质量块(15a；15a’)和第二敏感质量块(15b；15b’)，悬浮在所述驱动质量块(3)内并通过各个弹性支撑元件(18)与其联接，从而在所述驱动运动中与所述驱动质量块固定并响应于角速度执行各自的检测运动。尤其，第一敏感质量块(15a；15a’)和第二敏感质量块(15b；15b’)通过弹性联接元件(32a，32b)连接在一起，从而构造成将它们的振动模式耦合在一起。
文档编号B81B7/02GK101898744SQ20091100016
公开日2010年12月1日 申请日期2009年12月23日 优先权日2008年12月23日
发明者G·卡卡特拉, G·卡札尼加, L·科罗纳托 申请人:意法半导体股份有限公司