改进的振动陀螺仪的制作方法
【专利摘要】一种传感装置，其包括微机械陀螺仪，所述陀螺仪包括：改进的具有微机械陀螺仪(51)的传感装置，其中，第一机械共振器(52)的共振频率和第二机械共振器(53)的共振频率被调整为基本一致。所述装置包括连接至所述第二机械共振器(53)的反馈回路，所述反馈回路和所述第二机械共振器(53)的组合的品质因数小于10。在基本上不增加传感器装置构造的复杂度的情况下实现了更加精确的感测。
【专利说明】改进的振动陀螺仪
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微机电装置，特别地，如独立权利要求的前序部分所限定的，涉及用于 感测角速度的传感器装置和方法。
【背景技术】
[0002] 微机电系统或MEMS可以被定义为至少一些元件具有某种机械功能的小型机械和 机电系统。因为使用用来创建集成电路的相同工具创建MEMS装置，所以能够将微机械和微 电子制造在同一硅片上以使机器智能化。
[0003]MEMS结构能够应用来快速而精确地检测物理性质的非常小的变化。例如，能够使 用微机电陀螺仪来快速和精确地检测非常小的角位移。运动具有六个自由度：三个正交方 向上的平动和绕着三个正交轴的转动。后面的三个转动可以由角速度传感器（也称为陀螺 仪）来测量。MEMS陀螺仪使用科里奥利效应（CoriolisEffect)来测量角速度。当质点正 在一个方向上运动并施加转动角速度时，由于科里奥利力（Coriolisforce),该质点会受 到正交方向上的力。由科里奥利力造成的物理位移则可以从电容式或压阻式传感结构中读 出。
[0004] 在MEMS陀螺仪中，由于缺少足够的承载，主运动不可能是如常规陀螺仪中那样的 连续转动。作为替代地，可以使用机械振荡作为主运动。当振荡陀螺仪经受与该主运动的 方向正交的角运动时，就产生了波动的科里奥利力。这造成与角运动的轴以及主运动正交 并且具有主振荡的频率的次级振荡。这个耦合的振荡的振幅能够被用作角速度的测量。
[0005] 振动陀螺仪根据通过将主模式振动与由附着有陀螺仪的物体的转动引起的科里 奥利力导致的次级模式振动耦合的原理来工作。陀螺仪的工作很大程度上依赖于如何彼此 相关地选择用于主模式振动的共振器的共振频率（主频率）和用于次级模式振动的共振器 的共振频率（次级频率）。当上述频率相距甚远时，陀螺仪对外部振动的敏感度较低并且表 现出对于环境变化（例如，温度和时间）的良好稳定性，但是检测出的振幅相对低。可以对 产生的信号进行电放大，但是同时也放大了噪声，所以信噪比往往非常低。当上述频率较接 近时，次级共振器的增益放大了科里奥利运动，并且获得了更好的信噪比。然而，同时，对于 各种外部和内部因素的敏感度增大。对于这些因素中的许多因素而言，可以通过传感装置 中增加的机械结构或电路来控制敏感度。然而，这样的布置通常导致装置的尺寸增大以及 鲁棒性降低。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是使在基本上不增加传感器装置构造的复杂度的情况下使用微机 电陀螺仪进行更加精确的感测成为可能。使用根据独立权利要求的特征部分的传感器装置 和方法来实现本发明的目的。
[0007]从属权利要求公开了本发明的优选实施例。
[0008] 本发明基于这样的理念：通过使主频率和次级频率相一致来施加共振增益以提高 从次级共振器输出的信号电平。使用非常强的阻尼反馈回路来控制次级共振器。因而可以 用最少量的装置组件来实现信号电平的显著提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 在下文中，将参照附图并结合优选实施例更加详细地说明本发明，其中，
[0010] 图1示出了二自由度（DoF)机械共振器；
[0011] 图2图示了典型的微机械陀螺仪的构造；
[0012] 图3图示了典型的微机电传感器装置的构造；
[0013] 图4示出了典型的机械共振器的典型振幅和相位传递函数；
[0014] 图5示出了图示了微机械传感装置构造的实施例的框图；
[0015] 图6示出了适用于将位移转换成电信号的质点-弹簧系统的简化示例；
[0016] 图7示出了适用于将位移转换成电信号的质点-弹簧系统的另一个示例；
[0017] 图8示出了图示了典型的第二机械共振器的功能构造的框图。
【具体实施方式】
[0018] 下面的实施例是典型的。尽管说明书可能提及"一"、"一个"或"一些"实施例，但 是这不一定意味着每次这样提及的是相同的实施例或者特征仅用于单个实施例。可以对不 同实施例的单个特征进行组合以提供更多的实施例。
[0019] 在下文中，将使用可以实施本发明的各种实施例的器件结构的简单示例说明本发 明的特征。仅详细说明与图示实施例有关的元件。本文中可以不具体说明本领域技术人员 通常知晓的传感器装置和方法的各种实施方式。
[0020] 为了建立应用的概念和术语，图1示出了如现有技术中所述的（例如：Mikko Saukoski的"SystemandcircuitdesignforacapacitiveMEMSgyroscope(电容MEMS 陀螺仪的系统和电路设计）"）现有技术的二自由度（DoF)机械共振器。图1的2-DoF结构 包括两个1-DoF共振器，一个由质点10、x轴方向上的弹簧kxx和阻尼器Dxx形成，另一个由 质点l〇、y轴方向上的弹簧kyy和阻尼器Dyy形成。在角速度的微机械传感器中，x方向的共 振器可以被称为主共振器或驱动共振器。通常以具有x方向的共振器的共振频率（被称为 工作频率）的外力来激发x方向的共振器。y方向的共振器可以被称为次级共振器或感测 共振器。当绕着z轴施加角速度时，可以在次级共振器中检测到相应的科里奥利力。在图 1的功能图中，主共振器和次级共振器的质点完全相同。根据构造，主共振器和次级共振器 的质点也可以不同。
[0021] 图2图示了典型的微机械陀螺仪的构造，微机械陀螺仪包括质点20,质点20借助 于弹簧23、24在y轴方向上被支撑于致动框架21。所述致动框架21借助于弹簧25、26在 x轴方向上被支撑于支撑结构22。在图示的陀螺仪中，通过弹簧25、26的启动，可以将中间 的质点20和围绕质点20的致动框架21激活成在x轴方向上进行振动主运动。借助于质 点20到致动框架21的弹簧悬挂23、24而在y轴方向上形成的检测轴垂直于所述主运动。 当以主运动的形式振动的结构关于与xy平面垂直的Z轴转动时，主运动中的质点20经受 到y轴方向上的科里奥利力。检测弹簧23、24限定引起的检测运动的振动的振幅和相位。
[0022] 图3图示了典型的现有技术的微机电传感装置30的构造。该装置包括微机械陀螺 仪31，微机械陀螺仪31包括用于驱动模式振动（主运动）的第一机械共振器32和耦合至 第一机械共振器以在与驱动模式振动的方向垂直的方向上产生关联的感测模式振动（次 级运动）的第二机械共振器33。例如，可以使用产生振荡电信号的主振荡器电路32和将输 入至第一机械共振器32的静电能转换成主共振器中的机械的驱动模式振动的换能器（未 示出）来实施和控制驱动模式振动。
[0023] 第一机械共振器与第二机械共振器的耦合造成第二机械共振器33中的可以使用 换能器（未示出）而被转换成电信号的感测模式振动。可以使用放大器35来放大从次级 共振器输出的对应于感测模式振动的电信号。图3的典型的微机械传感器装置的构造应用 了这样的同步检测：其中，来自主振荡器电路的电信号以及来自放大器的电信号被馈入产 生传感器装置的输出的同步检测器36中。当微机械传感器装置转动时，陀螺仪的驱动模式 振动与借助于科里奥利力的感测模式振动耦合，且从第二机械共振器接收到的电信号对应 于科里奥利力并因此对应于装置的角速度。
[0024] 陀螺仪的工作强烈依赖于如何彼此相关地设定第一机械共振器的共振频率 fP_(主频率）和第二机械共振器的共振频率4。（次级频率）。图4示出了典型的机械共 振器的振幅和相位传递函数。这里将微机械陀螺仪的主频率与次级频率之间的差称为德尔 塔频率（deltafrequency)或delta-f。
[0025] 在常规的陀螺仪中，主频率被选定为低于次级频率，并且delta-f相当大，大约为 1至2kHz的级别。从图4可以看出，当陀螺仪的delta-f非常大时，主频率处于次级共振 器传递函数的平直部。当使主频率和次级频率彼此接近时，科里奥利运动开始被次级共振 器的增益放大。假设次级共振器的品质因数（Q值）足够高，那么该增益基本上仅取决于 delta-f。当双方的共振频率彼此足够接近时，该增益开始饱和为由次级共振器的品质因数 确定的值。
[0026] 在理想结构中，通过简单地使主频率与次级频率之间的差值最小化，共振增益就 可以完全用于最佳的敏感度和分辨率。无论这些非理想特性中的一些特性的理想化和影响 如何相当强地依赖于delta-f，但是现实世界中的结构不是这样的。
[0027] 例如，当减小delta-f时，科里奥利运动增加且因此共振增益增大，但是同时，对 delta-f变化的敏感度增大。在MEMS陀螺仪中，非常难以制造这样的结构：其中，主频率与 次级频率之间的delta-f对于温度和老化效应完全保持稳定。通过传感器装置中的附加的 信号处理电路可以进行主频率和次级频率的适当跟踪，但是这样复杂的构造往往体积大并 且降低了装置的鲁棒性。
[0028] 还存在着其它原因使得在通常情况下不顾已知的共振增益损失而仍应用较高值 的delta-f。干扰检测的另一个机制是具有delta-f频率的振动。检测轴上的delta-f 频率的角振动将借助科里奥利力而耦合至次级共振器并对主频率进行调制以使得旁带 (sideband)恰好以次级共振频率发生。因为科里奥利项包含主信号速度与角速度信号的乘 积，所以发生这种情况。如果通过同步检测解调来自次级共振器（次级通道）的信号，那么 陀螺仪的频率响应将在delta-f?频率处具有峰值。避免这种情况的一个方式是将delta-f 设计得尽可能大并且减小次级共振器的机械品质因数（机械Q值）。当然，如果把delta-f 设计为显著高于传感器的带宽，那么可以从传感器输出中对delta-f共振滤波。
[0029] 此外，由于陀螺仪制造时的瑕疵，常常存在从主共振器到次级共振器的直接机械 耦合。该耦合与主运动的振幅成比例，而通过科里奥利力的耦合与速度成比例。因此，直接 机械耦合与科里奥利信号相比具有90度相位偏移并被称为正交信号。
[0030] 陀螺仪的零点稳定很大程度上依赖于被检测的主振荡与次级共振器的传递函数 之间的相位稳定和正交信号电平。如果次级通道中存在相位变化△，则产生的角速度输出 的零点变化是：
【权利要求】
1. 一种传感装置，其包括微机械陀螺仪，所述陀螺仪包括： 用于驱动模式振动的第一机械共振器； 第二机械共振器，所述第二机械共振器耦合至所述第一机械共振器并且用于与角速度 相对应的感测模式振动，其中，所述第一机械共振器的共振频率和所述第二机械共振器的 共振频率最初被调整为基本一致； 阻尼反馈回路，所述阻尼反馈回路连接至所述第二机械共振器，所述反馈回路和所述 第二机械共振器的组合的品质因数小于10。
2. 根据权利要求1所述的传感装置，其中， 所述反馈回路包括换能器元件和控制元件； 所述换能器元件包括第一换能器和第二换能器； 所述第一换能器被构造为输出与所述感测模式振动相对应的第一电信号； 所述控制元件被构造为从所述第一换能器接收所述第一电信号并且根据特定的响应 函数生成第二电信号，所述响应函数限定了所述第一电信号的值与所述第二电信号的值之 间的对应性； 所述控制元件被构造为将所述第二电信号馈入所述第二换能器； 所述第二换能器被构造为对质点施加与所述第二电信号相对应的反向力； 所述控制元件是信号处理滤波器，所述信号处理滤波器的响应函数具有与第一共振频 率基本一致的共振频率特性。
3. 根据权利要求1或2所述的传感装置，其中，所述第一机械共振器的共振频率与所述 第二机械共振器的共振频率之间的初始频率间隔在0至0. 05的范围内。
4. 根据权利要求1、2或3所述的传感装置，其中，所述第一机械共振器和所述第二机械 共振器的共振频率被设计为对环境变化表现出同样的反应。
5. 根据前述权利要求1至4中任一项所述的传感装置，其中，所述第二共振器的第一换 能器和第二换能器是面积调制型的电容式/静电式换能器。
6. 根据前述权利要求1至4中任一项所述的传感装置，其中，所述第二共振器的第一换 能器和第二换能器是压电式换能器。
7. 根据前述权利要求1至4中任一项所述的传感装置，其中，所述第一机械共振器或所 述第二机械共振器的结构被设计为使得它们的机械和静电对弹簧的贡献的比率基本恒定。
8. 根据权利要求2所述的传感装置，其中，所述控制元件是信号处理滤波器。
9. 根据权利要求8所述的传感装置，其中，所述信号处理滤波器的品质因数大于1。
10. 根据权利要求8或9所述的传感装置，其中，所述信号处理滤波器的品质因数在3 至10的范围内。
11. 根据权利要求8、9或10所述的传感装置，其中，闭合反馈回路对于低于所述第一共 振频率的频率的回路增益在〇. 1至〇. 3的范围内。
12. 根据权利要求5至10中任一项所述的传感装置，其中，所述共振频率特性与所述第 一共振频率的偏差小于50%。
13. -种传感装置的制造方法，所述传感装置包括微机械陀螺仪，所述陀螺仪包括用于 驱动模式振动的第一机械共振器和耦合至所述第一机械共振器的用于与角速度相对应的 感测模式振动的第二机械共振器，所述方法包括以下步骤： 将所述第一机械共振器的共振频率和所述第二机械共振器的共振频率调整为基本一 致； 将待连接的反馈回路连接至所述第二机械共振器，所述反馈回路和所述第二机械共振 器的组合的品质因数小于10。
【文档编号】G01C19/5776GK104395695SQ201380031839
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2013年6月27日 优先权日:2012年6月29日
【发明者】安斯·布卢姆奎斯特 申请人:株式会社村田制作所