抑制干扰的微机电陀螺仪以及感测角速率的方法与流程

本发明涉及抑制干扰的微机电陀螺仪以及感测角速率的方法。

背景技术：

如公知的，使用微机电系统(mems)被越来越广泛地用于各种技术领域，并且产生令人鼓舞的结果，尤其在用于大范围应用的惯性传感器、微集成陀螺仪和机电振荡器的制造中。

具体地，多种类型的mems陀螺仪是可用的，它们可以通过它们的复杂机电结构和操作模式来区分，但是在任何情况下都基于柯氏加速度的检测。在这种类型的mems陀螺仪中，质量(或质量系统)弹性地约束至衬底或定子，能够在相互垂直的驱动方向和感测方向上平移。通过控制设备，质量被设置为在驱动方向上以受控频率和振幅来振荡。

当陀螺仪以角速率绕着垂直于驱动方向和感测方向的轴转动时，由于驱动方向上的运动，质量经受柯氏力并在感测方向上移动。质量在感测方向上的位移通过角速率和驱动方向上的速率来确定，并且可以被转换为电信号。例如，质量和衬底可以电容性地耦合，使得电容取决于质量相对于衬底的位置。因此，质量在感测方向上的位移可以与角速率成比例的方式进行振幅调制的电信号的形式被检测，其中载体处于驱动质量的振荡频率。解调器的使用使得可以得到调制信号，由此得到瞬时角速率。

然而，在许多情况下，承载关于瞬时角速率的信息的加速信号还包含不被柯氏加速度确定的杂散分量形式的干扰。例如，传播至衬底的振动或者施加于其的外部力可以引起质量在感测方向上的位移或干扰驱动动作。这两种事件均会导致角速率的检测和改变的输出信号，尽管实际上衬底不经受任何旋转。

杂散分量的抑制是常见问题，并且对于一些应用来说尤其严重，诸如汽车行业。通过示例，在沿着直线路径的汽车行进中，陀螺仪的输出可被由不均匀道路表面引起的振动或冲击所影响。这些干扰不相应于陀螺仪的衬底的实际旋转，其中陀螺仪可刚性地耦合至汽车的车架，但是输出信号会反映杂散分量并表示不正确的角速率。

已经提出了多种解决方案，通常的目的都在于减小对外部干扰的灵敏度。这些解决方案中的许多都被证明在抑制干扰线性加速度和干扰关于旋转轴(其位于由驱动方向和感测方向限定的陀螺仪平面中)的角速度的不期望的效应方面是完全可靠的。然而，绕着垂直于陀螺仪平面的轴的旋转加速度会直接影响质量在感测平面内方向上的位移，因此干扰汽车应用中期望的外部角速率测量的精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供微机电陀螺仪和感测角速率的方法，其能够克服或者至少缓解上面描述的限制。

根据本发明，提供了分别在权利要求1和18中限定的微机电陀螺仪和感测角速率的方法。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在仅通过非限制性示例并参照附图来描述一些实施例，其中：

图1是根据本发明实施例的微机电陀螺仪的简化框图；

图2是图1的微机电陀螺仪的一部分的简化顶视图；

图3是图1的陀螺仪的第一细节的放大图；

图4是图1的陀螺仪的第二细节的放大图；

图5是图1的陀螺仪的第三细节的放大图；

图6是图1的陀螺仪的第四细节的放大图；

图7是图1的陀螺仪的部件的简化电路图；

图8是第一操作条件下的图1的陀螺仪的示意图；

图9是第一操作条件下的图1的陀螺仪的示意图；

图10是根据本发明另一实施例的微机电陀螺仪的一部分的简化顶视图；

图11是根据本发明另一实施例的微机电陀螺仪的一部分的简化顶视图；

图12是根据本发明另一实施例的微机电陀螺仪的一部分的简化顶视图；

图13是沿着图12的线xiii-xiii截取的图12的陀螺仪的截面；

图14是沿着图12的线xiv-xiv截取的图12的陀螺仪的截面；以及

图15是根据本发明的结合微机电陀螺仪的电子系统的简化框图。

具体实施方式

参照图1，根据本发明实施例的微机电陀螺仪整体通过标号1来表示，并且包括衬底2、微结构3、控制设备4和读设备5。如以下详细解释的，微结构3包括可移动部分和相对于衬底2固定的部分。控制设备4与微结构3形成控制环路，并且被配置为保持微结构3的可移动部分相对于衬底以受控频率和振幅来振荡。为此，控制设备4接收来自微结构3的位置信号sp，并将驱动信号sd提供给微结构3。读设备5根据微结构3的可移动部分的移动提供输出信号sout。输出信号sout表示衬底2相对于旋转的至少一个陀螺轴的角速率。在图1的实施例中，陀螺仪1是单轴陀螺仪。

图2更详细示出了根据本发明一个实施例的衬底2和微结构3。微结构3本质上是平面的，并且在静止时与由第一轴x(也限定驱动方向)和第二轴(也限定感测方向)限定的陀螺仪平面xy平行。第一轴x和第二轴y相互垂直。旋转的陀螺轴与第三轴z平行并垂直于第一轴x和第二轴y。

在一个实施例中，微结构包括可移动质量的系统、固定和可移动驱动电极的集合以及固定和可移动感测电极的集合。这里在下文中，术语“固定”和“可移动”理解为相对于限定陀螺仪1的定子的衬底2。

固定和可移动电极的附加集合(图中未示出)可以任选地设置用于沿着驱动方向感测质量的位置并且相应地控制驱动振荡的频率和振幅的目的。

可移动质量的系统包括内质量10、第一外质量11和第二外质量12，它们对称地布置在内质量10的相对侧。内质量10又相对于第二轴y对称，并且具有与第一外质量11相邻的第一质量部10’和与第二外质量12相邻的第二质量部10”。为了简化，第一轴x、第二轴y和第三轴z被限定为通过内质量10的重量中心(至少在静止配置方式中)。

内质量10、第一外质量11和第二外质量12通过相应的弯曲部13和锚部15弹性地耦合至衬底2。在一个实施例中，内质量10、第一外质量11和第二外质量12还可以相对于第一轴x对称。弯曲部13被配置为使得第一质量10、第一外质量11和第二外质量12沿着第一轴x在驱动方向上以及沿着第二轴y在感测方向上振荡。

在一个实施例中，内质量10设置有可移动驱动电极16a的两个集合、用于第一质量部10’的一个集合以及用于第二质量部10”的一个集合。可移动驱动电极16a以梳齿式配置方式与衬底2上的相应固定或定子驱动电极16b电容性地耦合，并且布置为相对于第一轴x和第二轴y对称。可移动驱动电极16a和定子驱动电极16b被配置为响应于由控制设备4提供的驱动信号沿着第一轴x在驱动方向上振荡内质量10。然而，在一个实施例中，内质量可具有可移动和定子驱动电极的单个集合，即使可能相对于第二轴y不对称布置。

内质量10包括可移动感测电极17a的两个集合、用于第一质量部10’的一个集合以及用于第二质量部10”的一个集合，并且每一个集合都可以划分为子集。可移动感测电极17a的集合被布置为相对于第一轴x和第二轴y对称。此外，每个可移动感测电极17a与第一轴x平行延伸，并且以平行板结构与相应的第一固定或定子感测电极17b和相应的第二固定或定子感测电极17c电容性耦合(还参见图3和图4)。因此，第一定子感测电极17b和第二定子感测电极17c也与第一轴x平行。第一定子感测电极17b和第二定子感测电极17c被布置为：使得响应于内质量10(刚性附接有感测电极17a)沿着第二轴y在感测方向上的位移，每个感测电极17a和相应的第一定子感测电极17b之间的第一电容增加，并且每个感测电极17a与相应的第二定子感测电极17c之间的第二电容减小；以及使得响应于内质量10沿着第二轴y与感测方向相反的位移，第一电容减小而第二电容增加。此外，第一定子感测电极17b和第二定子感测电极17c分别电耦合至第一定子终端27和第二定子终端28(还参见图7)。

再次参照图2，第一外质量11和第二外质量12对称地布置在内质量10的相对侧。更具体地，第一外质量10和第二外质量12相对于第二轴y彼此相对对称(至少在微结构3的静止配置方式中)。在一个实施例中，第一外质量11还关于第一质量部10’对称，并且与内质量10的第二质量部10”具有相同的结构；以及第二外质量12相对于第二质量部10”对称，并且具有与内质量10的第一质量部10’相同的结构。因此，至少在静止配置方式中，整个微结构3相对于第二轴y对称。

第一外质量11和第二外质量12通过弯曲部19弹性地耦合至内质量10，其中弯曲部19被配置为使得第一外质量11和第二外质量12沿着第一轴x在驱动方向上以及沿着第二轴y在感测方向上相对于内质量10移动。第一外质量11和第二外质量12还可以相对于内质量10稍微旋转。

第一外质量11和第二外质量12包括可移动驱动电极20a的相应集合以及可移动感测电极21a的相应集合。

可移动驱动电极20a以梳齿式配置方式与衬底2上的对应固定或定子驱动电极20b电容性耦合。可移动驱动电极20a和定子驱动电极20b被配置为响应于由控制设备4提供的驱动信号沿着第一轴x在驱动方向上振荡第一外质量11和第二外质量12。

在第一外质量11和第二外质量12中，可移动感测电极21a的相应集合被布置为相对于第一轴x对称，并且可以划分为子集。然而，在一个实施例中，内质量可以具有与相应的第一和第二定子感测电极耦合的可移动感测电极的单个集合。此外，每个可移动感测电极21a都与第一轴x平行延伸，并且以平行板配置方式与相应的第一固定或定子感测电极21b和相应的第二固定或定子感测电极21c电容性耦合(还参见图5和图6)。因此，第一定子感测电极21b和第二定子感测电极21c也与第一轴x平行。第一定子感测电极21b和第二定子感测电极21c被布置为：使得响应于第一外质量11和第二外质量12(其相应地刚性附接有的感测电极21a)沿着第二轴y与感测方向相反的位移，每个感测电极21a与相应的第一定子感测电极21b之间的第三电容增加，且每个感测电极21a和相应的第二定子感测电极21c之间的第四电容减小；以及使得响应于第一外质量11和第二外质量12沿着第二轴y在感测方向上的位移，第三电容减小且第四电容增加。此外，第一定子感测电极21b和第二定子感测电极21c分别电耦合至第一定子终端27和第二定子终端28。

选择第一定子感测电极17b、21b和第二定子感测电极17c、21c的感测电极17a、21a的形状和大小，使得在静止配置方式中，质量10、11、12与第一定子感测电极17b、21b之间的总电容平衡质量10、11、12与第二定子感测电极17c、21c之间的总电容。

参照图7，读设备5包括耦合至微结构3的读接口23(在一个实施例中，其为电荷放大器电路)以及耦合至读接口23并被配置为提供输出信号sout的处理电路25。读接口23具有耦合至第一定子终端27的第一差分输入以及耦合至第二定子终端28的第二差分输入。读接口23被配置为感测定子终端27、28处的电容不平衡，并且为处理电路25馈送对应的读信号。

如图8所示，控制设备4被配置为利用受控的振幅和频率沿着第一轴在驱动方向上振荡内质量10。控制设备4还被配置为彼此同相且相对于内质量10反相(即，具有180°的相位偏移；水平箭头示出了内质量10、第一外质量11和第二外质量12中的每一个的运动方向，即速率的方向)地振荡第一外质量11和第二外质量12。实际上，微结构3和控制设备4形成两个所谓的“心脏跳动”结构(一个通过第一外质量11和内质量10的第一质量部10’形成，另一个通过内质量10的第二质量部10”和第二外质量12形成)，它们的相邻部分(即，第一和第二质量部10’、10”)刚性地相互耦合以形成内质量10。然而，在一个实施例中，第一和第二质量部10’、10”可以通过弯曲部弹性地相互耦合，并且通过控制设备4基本保持在固定相对位置。

因此，第一外质量11和第二外质量12响应于衬底2以角速率ω绕着垂直于平面xy的轴的旋转在相同方向上经历相等的柯氏力(图8中的fc)。反之亦然，施加于内质量10的柯氏力相对于施加于第一外质量11和第二外质量12的柯氏力为相反方向(图8中的-fc)，因为驱动运动处于反相。因此，在第一定子感测电极17b、21b和第二定子感测电极17c、21c的布置的示图中，由内质量10、第一外质量11和第二外质量12引起的电容贡献合计以建立由读接口23感测的总体电容失衡。实际上，所有可移动感测电极17a、21a都趋向于朝向相应的第一定子感测电极17b、21b以及远离相应的第二定子感测电极17c、21c，或者朝向相应的第二定子感测电极17c、21c以及远离相应的第一定子感测电极17b、21b而移动。

相反，由于惯性，相对于第三轴z的角加速度引起第一外质量10和第二外质量11沿着第二轴y在相反方向上的位移(参见图9)，并且惯性力fi、fi’施加于内质量10的第一部分10’和第一外质量11，以及相反惯性力-fi、-fi’施加于内质量10的第二部分10”和第二外质量12，而内质量10趋于绕着其质量中心(即，绕着第三轴z)旋转。可以有用地适当调整链接至感测框的弯曲部，从而以高频而不是驱动和柯氏感测模式的操作频率得到该同相感测移动模式。因此，在这种情况下，由内质量10、第一外质量11和第二外质量12的偏移引起的电容贡献趋于取消，并且有效地抑制干扰。实际上，在内质量10的第一质量部10’中，可移动感测电极17a趋于朝向相应的第一定子感测电极17b移动到在第二质量部10”中可移动感测电极17a趋于远离相应的第一定子感测电极17b移动的程度，反之亦然。类似地，在第一外质量11中，可移动感测电极21a趋于朝向相应的第一定子感测电极21b移动到在第二外质量12中可移动感测电极21a趋于远离相应的第一定子感测电极21b移动的程度，反之亦然。因此，微结构3的任何部分处的电容失衡总是通过微结构3的对应部分处的相反电容失衡进行补偿。

图10示出了另一实施例，其中微机电陀螺仪100包括衬底102和微结构103，微结构103具有内质量110、第一外质量111和第二外质量112。第一外质量111和第二外质量112与参照图2所描述的相同。内质量110包括可移动感测电极117a的集合，每一个都与第一轴x平行延伸并且相对于第二轴y对称(至少在静止配置方式中)。每个可移动感测电极117a都以平行板配置方式与相应的第一定子感测电极117b和相应的第二定子感测电极117c电容性耦合。第一定子感测电极117b和第二定子感测电极117c被布置为：使得响应于内质量110沿着第二轴y在感测方向上的位移，每个感测电极117a与相应的第一定子感测电极117b之间的第一电容增加且每个感测电极117a与相应的第二定子感测电极117c之间的第二电容减小；以及响应于内质量110沿着第二轴y与感测方向相反的位移，第一电容减小而第二电容增加。此外，与图2至图7的实施例相同，第一定子感测电极117b和第二定子感测电极117c分别电耦合至第一定子终端和第二定子终端(未示出)。

在图11中示出了本发明的另一实施例。微机电陀螺仪200包括衬底202以及具有内质量210、第一外质量211和第二外质量212的微结构203。

内质量210的第一质量部210’、内质量210的第二质量部210”、第一外质量211和第二外质量212中的每一个都包括至少三个质量部件，它们相互弹性耦合，即：

驱动框，分别针对第一质量部210’、第二质量部210”、第一外质量211和第二外质量212示为210a’、210a”、211a、212a；

感测质量，分别针对第一质量部210’、第二质量部210”、第一外质量211和第二外质量212示为210b’、210b”、211b、212b；

至少一个(在图11的实施例中为两个)感测框，分别针对第一质量部210’、第二质量部210”、第一外质量211和第二外质量212示为210c’、210c”、211c、212c。

如已经描述的，驱动框210a’、210a”、211a、212a通过弯曲部213弹性地耦合至衬底202以沿着第一轴x振荡，并以与相应的定子驱动电极216b的电容耦合支持相应的可移动驱动电极216a(针对第一质量部210’和第二质量部210”)和220a(针对第一外质量211和第二外质量212)。驱动框210a’、210a”、211a、212a不需要根据第二轴y可振荡。

感测质量210b’、210b”、211b、212b通过弯曲部214弹性地耦合至相应的驱动框210a’、210a”、211a、212a，这允许根据第二轴在感测方向上的一个相对自由度，同时关于沿着第一轴x在驱动方向上的运动限定刚性布置。换句话说，感测质量210b’、210b”、211b、212b在驱动方向上利用相应的驱动框210a’、210a”、211a、212a刚性移动，但是可以在感测方向上位移。

感测质量210c’、210c”、211c、212c通过弯曲部218弹性地耦合至相应的感测质量210b’、210b”、211b、212b，这允许沿着第一轴x在驱动方向上的一个相对自由度，同时关于根据第二轴y在感测方向上的运动限定刚性布置。此外，感测质量210c’、210c”、211c、212c通过弯曲部219弹性耦合至衬底202，这允许沿着第二轴y在感测方向上相对于衬底202的运动。换句话说。感测质量210c’、210c”、211c、212c利用相应的感测质量210b’、210b”、211b、212b刚性移动，但是可以相对于相应的感测质量210b’、210b”、211b、212b在驱动方向上位移，因为感测框210c’、210c”、211c、212c不需要根据第一轴x可振荡。

如已经描述的，感测框210c’、210c”、211c、212c以与相应的第一定子感测电极217b、221b和相应的第二定子感测电极217c、221c的电容耦合来支持相应的感测电极217a(针对第一质量部210’和第二质量部210”)和221a(针对第一外质量211和第二外质量212)。

内质量210、第一外质量211和第二外质量212的质量部件的分离和部分去耦允许补偿可能的缺陷(例如，弯曲部中)，这种缺陷会在驱动运动期间引起干扰，诸如正交误差。通过引入弹性连接来代替质量部件之间的刚性耦合，这些干扰被抑制或者至少衰减。

根据图12所示的实施例，微机电陀螺仪300包括衬底302以及具有内质量310、第一外质量311和第二外质量312的微结构303。此外，微结构303包括第一附加质量311a和第二附加质量312a。

在一个实施例中，内质量具有：第一质量部310’，其相对于与第二轴y平行的轴与第一外质量311对称；以及第二质量部310”，其相对于与第二轴y平行的轴与第二外质量312对称。

内质量310设置有可移动驱动电极316a的集合，它们被布置为相对于第二轴y对称并且耦合至相应的定子驱动电极316b。驱动电极316a、316b被配置为沿着第一轴x在驱动方向上移动内质量310。

基本如上面参照图2所述的，内质量还设置有感测电极317a，其也被布置为相对于第二轴y对称并且耦合至相应的第一定子感测电极317b和第二定子感测电极317c，以感测内质量310沿着第二轴y在感测方向上的位移。

第一外质量311和第二外质量312设置有可移动驱动电极320a的相应集合，它们耦合至相应的定子驱动电极320b并被配置为沿着第一轴x在驱动方向上移动第一外质量311和第二外质量312。

基本如参照图2所述，第一外质量311和第二外质量312进一步设置有感测电极321a，其耦合至相应的第一定子感测电极321b和第二定子感测电极321c以感测第一外质量311和第二外质量312沿第二轴y在感测方向上的位移。

第一附加质量311a被布置为相对于第一轴x对称，并且位于内质量310和第一外质量311之间。

第二附加质量312a被布置为相对于第一轴x对称，并且位于内质量310与第二外质量312之间。

弯曲部318弹性地将第一附加质量311a耦合至内质量310和第一外质量311，以及将第二附加质量312a耦合至内外质量310和第二外质量312。弯曲部318被配置为当内质量310和第一(第二)外质量311(312)朝向彼此移动时使得第一(第二)附加质量311a(312a)彼此朝向移动，以及当内质量310和第一(第二)外质量311(312)远离彼此移动时使得第一(第二)附加质量311a(312a)相互远离移动。驱动运动利用内质量310、第一外质量311和第二外质量312通过弯曲部318被传输至第一附加质量311a和第二附加质量312a。

实际上，在微结构303中限定反相移动的两个心跳结构。两个心跳结构(即，第一质量部310’和第二质量部310”)的相邻质量刚性耦合以形成内质量310。

内质量310、第一外质量311、第二外质量312、第一附加质量311a和第二附加质量311b还通过弯曲系统313在锚部315处耦合至衬底302。

此外，弯曲部318和弯曲系统313被配置为使得内质量310、第一外质量311、第二外质量312、第一附加质量311a和第二附加质量312a也沿着第三轴z移动到平面外。更具体地，内质量310、第一外质量311和第二外质量312可以响应于绕着与第二轴y平行的轴的旋转沿着第三轴z通过柯氏力偏移(图13)；并且第一附加质量311a和第二附加质量312a可响应于绕着与第一轴x平行的旋转轴的旋转沿着第三轴z通过柯氏力偏移(图14)。

第三定子感测电极322设置在衬底302上，并且均电容性地耦合至内质量310、第一外质量311、第二外质量312、第一附加质量311a和第二附加质量312a中的相应一个。内质量310、第一外质量311、第二外质量312、第一附加质量311a和第二附加质量312a的位移可以通过相应的第三定子感测电极322来检测，因为根据第三轴通过质量与衬底302的距离来确定电容耦合。

因此，微结构303允许提供3轴微机电陀螺仪。

图15示出了根据本发明实施例的电子系统400的一部分。系统400结合微机电陀螺仪1，并且可用于诸如膝上型计算机或平板电脑的设备(其可能具有无线连接能力)、手机、智能手机、消息设备、数字音乐播放器、数码相机或者被设计为处理、存储、传输或接收信息的其他设备。具体地，微机电陀螺仪1可以用于执行控制的功能，例如在用于计算机的运动启动用户接口或者用于视频游戏的控制台或者在卫星导航设备中。

电子系统400可以包括控制单元410、输入/输出(i/o)设备420(例如，键盘或屏幕)、陀螺仪1、无线接口440和易失性或非易失性的存储器460，它们通过总线450耦合到一起。在一个实施例中，电池480可以用于为系统400供电。应该注意，本发明的范围不限于需要具有所列设备中的一个或所有的实施例。

控制单元410例如可以包括一个或多个微处理器、微控制器等。

i/o设备420可用于生成消息。系统400可以使用无线接口440用于利用射频(rf)信号向/从无线通信网络发射/接收消息。无线接口的示例可以包括天线、无线收发器(诸如偶极子天线)，即使本发明的范围不限于此。此外，i/o设备420可以提供表示以数字输出的形式(如果数字信息被存储)或以模拟信息的形式(如果模拟信息被存储)进行存储的电压。

最后，在不背离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对所描述的微机电陀螺仪和方法进行修改和变化。