专利名称：利用静电耦合的微加工振动陀螺仪的制作方法
技术领域：
本发明总体属于惯性传感器及其类似物，尤其涉及微加工振动陀螺仪。
背景技术：
振动陀螺仪通过检测由陀螺仪绕灵敏轴的旋转引起的科里奥利移动(Coriolis-induced motion)而工作。当驱动块沿给定轴振动、并绕垂直于振动轴的轴旋转时，沿垂直于振动轴和旋转轴的响应轴在所述块上产生并施加科里奥利力。通过检测由科里奥利力引起的所述块沿响应轴的移动变化，可以测量旋转速度。
由于科里奥利力与速度成比例，振动块上的科里奥利力与所述块的速度同相。任何沿振动的主轴或驱动轴的移动与响应轴的不希望的耦合会引起所述块沿响应轴的寄生移动。这种不希望的耦合通常与所述块的位移而不是速度同相，通常将其称为正交误差。
检测由科里奥利力引起的块的移动变化的一种方法是电容性检测，其通常包括固定电极和可移动电极。在这种装置中，重要的是在不施加旋转的情况下最小化可移动电极的移动，即任何不是由科里奥利力引起的沿响应轴的块移动。另外，会出现不希望的正交信号，其与速度信号的频率相同，但是相位移动了90度。该正交信号被叠加到希望的输出信号中。尽管可以例如利用相位灵敏解调电子地排除部分正交信号，但仍然容易降低陀螺仪的性能。
振动陀螺仪的另一个误差源对线性加速度灵敏，会移动所述块并产生不希望的输出。
当在特定应用中将陀螺仪安装在支撑上时，振动块的任何不平衡动量会导致将部分驱动能量注入所述支撑，并且可能然后将所述能量耦合回装置。这种方式的能量回馈可能导致偏移误差，并使装置的性能对安装条件灵敏。
在现有技术的微加工振动陀螺仪中，通常以机械方法将振动块耦合在一起。这种耦合对于确保所述块以相同的谐振频率振动是重要的。未耦合的块容易产生不同的谐振频率，不益于传感器的实用性。
尽管机械耦合确实能确保所述块以单一的谐振频率振动，但是这种耦合仍具有一定的限制和缺陷。例如，它们的尺寸容易随制造公差变化，从而将导致耦合程度的变化。另外，其中的多种机械耦合采用折叠梁设计，这增加了需要的基板面积和装置尺寸。此外，耦合程度由耦合结构的固定的机械性能确定，因而是不可调的。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的改良的微加工振动陀螺仪。
本发明的另一个目的是提供一种具有上述特征的陀螺仪，其在振动块之间不需要机械耦合。
本发明的另一个目的是提供一种具有上述特征的陀螺仪，其中静电耦合振动块。
根据本发明，通过提供这样的微加工振动陀螺仪实现了这些和其它目的，在所述陀螺仪中例如通过平行板电容器静电耦合振动块。这种耦合可用于块自身之间，也可用于块与其它用于检测对旋转的响应的体之间。这种类型的耦合相比机械耦合不易于改变，并可以在需要时通过改变偏压进行调节。
图1-6是粗略示意性地示出引入本发明的微加工振动陀螺仪的不同实施例的俯视平面图。
具体实施例方式
在图1所示实施例中，两个块利用静电力直接耦合在一起，该静电力随所述两个块的相对位置而变化。耦合电容器是不对称的，其电容量在所述块相互靠拢时增加，在它们相互远离时减少。
在本实施例中，通过梁105-108和109-112分别悬置块101、102，其中将每个梁的一端固定在基板上。每个梁呈L形，其臂在x和y方向上延伸。这种悬置结构允许块101、102可以在x轴和y轴方向移动。块101优选与块102相匹配，梁105-108优选与梁109-112相匹配。
板103、104平行相间地连接块101、102，并构成电容器的电极或极板。当施加电压时，所述极板之间的静电力随所述块101、102沿x轴方向的相对位置而变化。可以将该力近似为两个块之间的具有负弹簧常数的弹簧。
当驱动块101、102沿x轴同相振动时，其谐振频率由梁105-108和109-112的弹簧常数确定。当驱动块101、102沿x轴以反相模式振动时，两个块交替地彼此靠近和远离，从而改变它们的相对位置。在这种情况下，谐振频率不仅仅由梁的弹簧常数确定，还由施加在两个块之间的静电力导致的负弹簧常数确定。这样，通过在两个块之间施加电压差，可以调整x方向上的反相模式的谐振频率，并可以将其与x方向上的同相模式的谐振频率分开。
图1a所示的实施例与图1的实施例类似，区别在于耦合电容器是对称的，其中对于块的相互靠近和远离的相等的移动，电容量的变化也近似相等。
如同在图1所示的实施例中，电容器两极板之间的吸引力在块相互靠近时增大，并且除了在任一移动方向提供相等的电容量变化之外，对称电容器还产生电容量与块的位移之间的更加线性的关系。
可选地是，还可以将图1和1a所示实施例中的梁调整为允许沿z轴方向移动，而不沿y轴方向移动。科里奥利移动也将被取向为沿z轴方向，而y轴将成为被检测绕其的旋转的输入轴(input axis)。这样，输入轴位于装置所在的平面内，而不是垂直于该平面。
图1b所示的实施例同样类似于图1的实施例，但是增加了用于将所述两个块耦合在一起以沿y轴及x轴移动的装置。该装置包括沿x方向从所述块延伸的极板103by、104by，其沿y轴方向隔开以形成静电耦合电容器的极板，所述静电耦合电容器将所述块耦合在一起以沿y轴移动。如同图1所示的实施例，极板103bx、104bx将两个块耦合在一起以沿x轴移动。
在图2所示的实施例中，块201、202通过置于其间的第三个块203被静电耦合。块201通过固定在两个块上的极板204、205与块203耦合，其中极板204、205以隔开的、相对的方式设置，并且块202通过极板206、207以类似的方式与块203耦合。
通过梁208-211、212-215和216-217分别悬置块201、202和203，其中每个梁的一端被固定在基板上。梁208-211和212-215呈L形，其臂在x和y方向延伸，从而允许块201、202可以沿x方向和y方向移动。梁216、217只沿y方向延伸，并只允许块203沿x方向移动。优选的是，整个设计同时相对于关于结构中心的x轴和y轴对称。
在块201、203之间和块202、203之间施加电压。对于块201、202在x方向上的反相谐振模式，谐振的总弹簧常数由梁208-211和212-215的弹簧常数、以及由电容器极板204、205和206、207施加的力的等效负弹簧常数确定。对于块201、202在x方向上的同相谐振模式，梁216、217的弹簧常数也是总弹簧常数和谐振频率的影响因素。从而，可以将反相模式谐振频率与同相模式谐振频率分开。
为了检测围绕位于装置平面内的、而不是垂直于装置平面的轴的旋转，可以将梁208-215调整为允许沿z方向移动，并同时保持块之间沿x轴的静电耦合。从而，将科里奥利移动取向为沿z轴方向，而y轴成为被检测绕其的旋转的输入轴。在该修改的实施例中，将用于检测科里奥利移动的电极沿z轴设置在块的上方和/或下方。
图3所示的实施例类似于图1所示的实施例，其中具有用于检测对沿y轴的科里奥利移动的响应的电极313-316。如同图1所示的实施例，将块301和302、梁305-308和309-312、以及电容器极板303和304悬置在基板300上。将电极313-316安装在基板上的固定位置，并将其在y方向上分布在块的上方和下方。
当驱动块301、302以反相模式在x方向上振动、并且装置绕z轴旋转时，在块301、302上差动地产生科里奥利力，从而导致块302在y方向差动地振动。通过由电极313-316与振动块形成的电容器检测这种移动，来测量转速。
设置在块的相对侧的电极313-316与所述块组成差动电容性检测器。所述差动检测有利于消除来自线性加速度的干扰，因为该干扰被看作共模信号而不是差动信号。
如图3所示，其中的实施例通过检测沿y轴的移动而对绕z轴的旋转灵敏。如果需要，也可以将该实施例调整为检测绕y轴的旋转，在这种情况下，将电容器极板313-316沿z轴方向设置在块的上方和/或下方。
图3a所示的实施例与图1b和图3中的实施例类似，其中电容器极板303ax、304ax提供块301a、302a之间的用于沿x方向的移动的耦合，极板303ay、304ay提供用于沿y方向的移动的耦合，以及极板313a-316a与所述块形成电容器，用于检测块沿y方向的移动。
图4示出了另一个实施例，其中两个块通过置于其间的第三个块被静电耦合在一起。在该实施例中，通过机械梁将由科里奥利力引起的沿y轴的移动的变化传递到可移动检测元件，然后优选使用电容性检测器检测该变化以测量转速。在不存在由旋转导致的科里奥利力的情况下，检测元件相对静止并且不受块沿x轴的振动的影响，从而最小化正交误差。
如同图2所示的实施例，将块401、402和403、电容器极板404、405和406、407、以及梁408-411、412-415和416、417悬置在基板400上。此外，检测块418、419通过梁420、421和422、423也被悬置在基板上、并通过梁424、425和426、427与块401、402连接，以沿y方向移动。将固定的检测元件428-431邻近检测块地固定在基板上，并与检测块电容性耦合。
当驱动块401、402以反相模式沿x方向振动、并且装置绕z轴旋转时，在块401、402上差动地产生科里奥利力，从而导致所述块在y方向上差动地振动。这种振动通过梁424、425和426、427传递到检测块418、419。由于梁420、421和422、423仅在x方向延伸，从而以这样的方式保持所述检测块，使得它们最少地受到振动块沿不存在科里奥利力的x方向上的振动的影响。检测块418、419的移动通过它们与电极板428-431之间的电容量的变化来检测。
图5示出了陀螺仪的另一个实施例，其中的两个块通过第三个块静电耦合在一起，并与可移动检测元件耦合。如同前述实施例，将块501、502和503、电容器极板504、505和506、507、以及梁508-511、512-515和516、517悬置在基板500上。
刚性矩形框形式的检测元件或块522通过梁523-526被悬置在基板上、并通过梁518、519和520、521被连接到块501、502上。将固定的检测元件527-530邻近检测块地固定在基板上，并与检测块电容性耦合。
当驱动块501、502以反相模式沿x方向振动、并且装置绕z轴旋转时，在块501、502上差动地产生科里奥利力，并导致这些块在y方向上差动地振动。通过梁518-521将该振动传递给检测块522。由于这些梁在y方向上延伸并在该方向上相对刚性，从而容易传递y方向上的移动，而没有较大程度地将这些块在x轴上的差动振动传递给所述检测块。
梁523-526使检测块避免受到块501、502在不存在科里奥利力的x方向上的振动的影响。梁523-526还稳固地保持块522，并禁止其响应沿x和y轴的线性加速度的移动变化，但容易响应由科里奥利力引起的绕z轴的旋转移动的任何变化。通过该块与电极板527-530之间的电容量变化来检测检测块522的移动。
图6示出了具有刚性检测元件或块的另一实施例。在该实施例中，块601、602通过极板603、604静电耦合在一起，并被L形梁605-608和609-612悬置在基板600上。上述块还通过极板613、614；615、616；617、618和619、620与围绕的检测块621静电耦合，该检测块具有刚性的矩形框架形式。通过梁622-625将所述检测块悬置在基板上，并将电极板626-629固定到基板上而与上述检测块电容性耦合，以检测其移动。
当驱动块601、602以反相模式沿x方向振动、并且装置绕z轴旋转时，在所述块上差动地产生科里奥利力，从而导致这些块在y方向上差动地振动。通过电极板613、614；615、616；617、618和619、620将该移动变化传递给检测块621。这些电极对形成平行板电容器，当在它们之间施加电压时，每对极板之间的静电力随所述电极对在y方向上的相对位置变化。
梁622-625在没有科里奥利力时保持块621相对静止，从而减小正交误差。它们还稳固地保持块621，从而有效地阻止由沿x和y轴的线性加速度导致的移动变化，但仍然易于响应由科里奥利力引起的绕z轴的旋转移动的变化。与前述实施例一样，通过检测块621与电极板626-629之间的电容量变化来检测检测块621的移动。
本发明具有许多重要的特征和优点。所提供的微加工振动陀螺仪克服了现有技术中陀螺仪的缺陷，包括正交误差、对线性加速度的灵敏性、动量不平衡、以及机械耦合效果。
通过耦合两个块并以反相模式驱动它们来平衡驱动动量，可以实现对动量不平衡的消除。所述耦合通过静电力实现，所述静电力随两个块的相对位置而变化。可以将该静电力直接施加在两个块之间，或通过两个驱动块之间的一个或多个中间块来施加。
由于通过反相模式驱动两个块，在两个块上的科里奥利力呈相反方向，从而可以差动地检测输出信号。线性加速度的效果被看作共模干扰，并可以被用于处理信号的电子设备排除。从而可以极大地减小对线性加速度的灵敏性。
在一些实施例中，通过机械梁和/或静电力将由科里奥利力引起的振动块的移动变化传递到一个或多个其它体(即检测块)，所述静电力随被驱动的块与检测块之间的相对位置而变化。这样悬置检测块，使得它们在没有科里奥利力时相对静止，从而极大地减小了正交误差。
上述悬置检测块的方式还阻止它们响应沿x和y轴的线性加速度的移动变化，但允许它们易于响应由科里奥利力引起的沿响应轴(y轴)的差动移动。这种设计显著降低了对线性加速度的灵敏性。
微加工陀螺仪被制造在平面基板上，其中通过静电力耦合两个振动块，所述静电力随所述两个块的相对位置而变化。这种静电力可以直接在两个块之间产生，或者可以通过一个或多个中间块产生。对于反相谐振模式和同相谐振模式，所述耦合导致沿振动轴的谐振的不同谐振频率。这种耦合技术可以易于扩展到具有多于两个的块的微加工振动陀螺仪。
通过机械梁和/或静电力将科里奥利力引起的移动变化传递到一个或多个其它可移动块或检测体，所述静电力随所述振动块与检测块之间的相对位置而变化。
这样悬置检测块，使得在没有科里奥利力时将其保持为相对静止，并使其不受振动块沿振动轴的振动的影响。
上述悬置检测块的方式显著阻止了其响应基板平面内的线性加速度的移动，但允许所述检测块易于响应由绕垂直于基板平面的轴的旋转引起的移动变化。
块之间的静电耦合可以是对称或不对称的，并且既可以被沿检测轴使用，也可以被沿驱动轴使用。
虽然该优选实施例中的陀螺仪对绕z轴的旋转灵敏，但是其驱动模式的静电耦合也可适用于具有沿y轴的输入轴的陀螺仪。
尽管本发明具体参考微加工陀螺仪进行了描述，可以理解，它还可以等效地适用于将振动块静电耦合在一起的其它装置。
从上文显然可知，本发明提供了一种新型的、改进的微加工振动陀螺仪。对于本领域技术人员显然的是，尽管本文只详细描述了特定的目前优选的实施例，但是，在不偏离由所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下，还可以进行特定变化和修改。
权利要求
1.一种微加工振动陀螺仪，包括第一和第二块，其被以这样的方式安装，使得允许沿第一轴的反相振动移动、和响应由绕第三轴的旋转产生的科里奥利力的沿第二轴的差动移动；以及用于通过静电力将所述块耦合在一起的装置，所述静电力随所述块的相对位置而变化。
2.如权利要求1所述的微加工振动陀螺仪，其中所述静电耦合力被取向为沿所述第一轴，使得所述块沿所述第一轴的反相移动和同相移动具有不同的谐振频率。
3.如权利要求1所述的微加工振动陀螺仪，其中所述块被同时沿所述第一轴和所述第二轴静电耦合，使得所述块沿所述第一和第二轴中的每个的反相移动和同相移动具有不同的谐振频率。
4.如权利要求1所述的微加工振动陀螺仪，其中所述用于将所述块耦合在一起的装置包括多个与所述块连接以与所述块一致移动的平行极板。
5.如权利要求4所述的微加工振动陀螺仪，其中连接所述第一块的极板被等距地隔开在连接所述第二块的极板之间，使得所述块相互靠近和远离的移动产生基本相等的静电力。
6.如权利要求1所述的微加工振动陀螺仪，其中用于将所述块耦合在一起的装置包括被静电耦合在所述第一和第二块之间的第三块。
7.如权利要求1所述的微加工振动陀螺仪，还包括多个传感器，其与所述第一和第二块电容性耦合，以监测所述块沿所述第二轴的移动。
8.如权利要求1所述的微加工振动陀螺仪，还包括与所述第一和第二块耦合的检测元件、以及与所述检测元件电容性耦合的多个传感器，以监测所述块沿所述第二轴的移动。
9.如权利要求8所述的微加工振动陀螺仪，其中所述检测元件与所述块静电耦合。
10.如权利要求1所述的微加工振动陀螺仪，其中所述块被悬置在平面基板上，所述第一和第二轴位于平行于所述基板的平面内，所述第三轴垂直于所述基板。
11.如权利要求1所述的微加工振动陀螺仪，其中所述块被悬置在平面基板上，所述第一和第三轴位于平行于所述基板的平面内，所述第二轴垂直于所述基板。
12.一种微加工速度传感器，包括被静电耦合在一起的第一和第二块，其被以这样的方式安装，使得允许沿第一轴的反相振动移动、以及响应由绕第三轴的旋转产生的科里奥利力的沿第二轴的差动移动。
13.如权利要求12所述的微加工速度传感器，其中所述第一和第二块通过静电力相互耦合，所述静电力随所述块的相对位置而变化。
14.如权利要求12所述的微加工速度传感器，其中所述静电耦合力被取向为沿所述第一轴，使得所述块沿所述第一轴的反相移动和同相移动具有不同的谐振频率。
15.如权利要求12所述的微加工速度传感器，其中所述块被同时沿所述第一轴和所述第二轴静电耦合，使得所述块沿所述第一和第二轴中的每个的反相移动和同相移动具有不同的谐振频率。
16.如权利要求12所述的微加工速度传感器，还包括多个传感器，其与所述第一和第二块电容性耦合，以监测所述块沿所述第二轴的移动。
17.如权利要求12所述的微加工速度传感器，还包括与所述第一和第二块耦合的检测元件、以及与所述检测元件电容性耦合的多个传感器，以监测所述块沿所述第二轴的移动。
18.如权利要求17所述的微加工速度传感器，其中所述检测元件与所述块静电耦合。
19.如权利要求17所述的微加工速度传感器，其中所述检测元件包括矩形框架，所述框架围绕所述第一和第二块并与其共面。
20.如权利要求12所述的微加工速度传感器，其中所述第一和第二轴互相垂直并垂直于所述第三轴。
全文摘要
一种微加工振动陀螺仪，其具有两个或多个被悬置在平面基板上的共面的可移动块。将两个垂直的轴(x和y)限定在基板平面内，而将第三轴，即z轴或输入轴，限定为垂直于基板平面。所述两个块沿x轴的移动通过静电耦合装置耦合，使得沿x轴的同相模式和反相模式的谐振的固有谐振频率互相分离。当驱动所述两个块以反相模式沿x轴振动、并且上述装置绕z轴旋转时，科里奥利力在Y方向上差动地作用于所述块，导致所述两个块以反相模式沿y轴振动。可以通过速度传感器直接检测沿y轴的反相振动，以测量绕z轴的旋转的转速。可选的是，可以将所述第一和第二体沿y轴的反相振动传递到其它可移动体(即速度检测块)，然后检测所述可移动体的移动以测量绕z轴的旋转的转速。优选以这种方式悬置所述检测体，使得在没有科里奥利力时，振动块沿x轴的移动不影响检测体。这阻止了所述检测体响应基板平面内的线性加速度而移动，但允许这些体易于响应由科里奥利力引起的绕垂直于基板平面的轴的移动。
文档编号G01C19/5684GK1802550SQ200480006120
公开日2006年7月12日 申请日期2004年3月3日 优先权日2003年3月6日
发明者严海, R·布格哈特, B·哈特曼, K·卡普塞尔, M·罗斯 申请人:Bei科技公司, 康蒂-特米克微电子有限公司, 大陆-特韦斯贸易合伙股份公司及两合公司