CN101542234A

CN101542234A - 具有寄生模衰减功能的振动陀螺仪

Info

Publication number: CN101542234A
Application number: CNA2007800420966A
Authority: CN
Inventors: 戴维·惠兰; 多里安·A·查洛纳
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2009-09-23
Anticipated expiration: 2027-12-20
Also published as: AU2007336930B2; US7493814B2; CA2663520C; KR101412877B1; AU2007336930A1; GB2455455B; JP2010515021A; JP5389664B2; GB0904811D0; CN101542234B; KR20090091295A; US20080148846A1; GB2455455A; WO2008079930A1; CA2663520A1

Abstract

一种操作平面谐振器的方法。公开了操作具有面内寄生振动模的平面谐振陀螺仪以改善性能。平面谐振陀螺仪，诸如碟形谐振陀螺仪，可以利用嵌入式电极操作。所述嵌入式电极可以设置在所述平面谐振器附近，并靠近寄生振动模的一个或多个波腹点。感知到寄生模幅值施加在用于操作该陀螺仪的差分信号中。用于衰减寄生模的反馈控制器向设置在所述平面谐振器寄生模一个或多个波腹点附近的一个或多个驱动电极施加由所述成比例的电压产生的驱动电压。因此，在操作陀螺仪时，通过模拟运算放大器或数字反馈装置施加主动衰减，可以衰减面内寄生模。

Description

具有寄生模衰减功能的振动陀螺仪

技术领域

本发明涉及振动陀螺仪。

背景技术

机械陀螺仪用来根据感知到的内部运动检验质块的惯性反应来确定运动平台的方向。常见机电陀螺仪包括悬挂的检验质块、陀螺仪壳体、敏感元件(pickoff)、扭矩装置和读取电子件。惯性检验质块悬挂在陀螺仪壳体内部，该壳体刚性安装在所述平台上并传递该平台的惯性运动，同时将检验质块从外部干扰隔离。感知内部检验质块运动的敏感元件、保持或调节该运动的扭矩装置以及必须靠近该检验质块的读取电子件安装在所述壳体内部，所述壳体还必须向平台电子件和动力供应件提供电气馈送连接件。所述壳体还提供标准机械接口，从而将陀螺仪与运输工具平台连接或对准。在各种形式中，陀螺仪通常用作运输工具诸如飞行器或航天飞机的关键传感器。它们通常用于导航，或者根据需要自主确定自由物体的取向。

老式传统机械陀螺仪依照目前的标准来说，是非常沉重的机构，采用相对大型的旋转质块。许多近期技术已经造就了新式陀螺仪，包括光学陀螺仪，诸如激光陀螺仪以及光纤陀螺仪，还有机械振动陀螺仪。

航天飞机通常依赖惯性速率(inertial rate)感知设备来提供位姿控制。目前，这种功能通常由昂贵的传统旋转质块陀螺仪(例如，Kerfott惯性基准单元)或通常机加工的振动陀螺仪(例如，Litton半球形谐振陀螺仪惯性基准单元)来实现。但是，这两种陀螺仪都非常昂贵、巨大且沉重。

此外，虽然一些现有的对称振动式陀螺仪已经制造出来，但是它们的振动动量通过壳体直接传递给运输工具平台。这种传递或耦合带来了无法区别于惯性速率输入的额外干扰和能量损失，因此导致感知误差和漂移。这种振动陀螺仪的一种示例可以参见授予Tang等人的美国专利5,894,090，该专利说明了一种对称的三星振动陀螺仪设计。其他的平面调谐叉形陀螺仪可以对基板实现一定程度的振动隔离，但是这些陀螺仪缺乏调谐操作所希望的振动对称性。

此外，已经知道壳体模(shell mode)陀螺仪，诸如半球形谐振陀螺仪以及振动细环陀螺仪，具有一些期望的隔离和振动对称属性。但是，这些设计并不适合平面硅微制造技术。半球形谐振器采用半球体的延伸柱状侧部作为敏感的静电传感器以及有效促动器。但是，其较大的纵横比以及三维曲线几何形状并不适合成本低廉的薄平面硅微制造技术。细环陀螺仪(例如，美国专利6,282,958)虽然适合平面硅微制造技术，但是缺乏利用了该设备延伸平面区域优势的静电传感器和促动器。此外，用于该陀螺仪的壳体的材料与谐振器检验质块并不相同，所以敏感元件和扭矩装置相对于该谐振器检验质块的对准情况随着温度变化，导致陀螺仪漂移。

采用壳体低频地震支撑件或谐振器低频地震支撑件进行振动隔离也是已知的(例如，美国专利6,009,751)。但是，这种隔离效果的改善所付出的代价是成比例地加重的地震质块和/或更低的支持频率。这两种情况对于紧凑的战术惯性测量单元(IMU)应用来说，都是不希望看到的，因为检验质块会在加速条件下失准。

此外，以前的硅陀螺仪(例如，美国专利5,894,090)的尺度无法优化用于导航或比预想情况产生更高噪声和漂移的指示功能。这个问题来源于依赖外延生长的薄硅材质面外弯曲来限定临界振动频率，该频率限制于厚度的0.1％的精度。因此，设备尺寸限制为几个毫米。这种设计因振动的非对称性和不平衡性而引起较大的漂移，并且由于质量较小而引起高速率误差，质量较小将增大热机械噪声并减小电容传感器面积，电容传感器面积减小会因传感器电子件噪声而增大速率误差。

将非隔离硅陀螺仪的比例放大也会带来问题，因为外部能量损失将会增大，而且谐振器Q不会得到改进且也不会降低针对个案的漂移。在噪声非常小的指示和导航功能，需要三维制造精度方面的改善达到若干数量级的隔离cm级谐振器。

传统机加工导航级谐振器，诸如石英半球形或壳形陀螺仪在较大比例尺，例如30mm时，具有优化的噪声和漂移性能以及三维制造精度，但是这种陀螺仪昂贵且制造耗时。微加工硅振动陀螺仪在更小的比例尺下具有更低的损失和更好的漂移性能，但是在更小的比例尺下，敏感元件噪声增大且机械精度降低，因此利用传统硅设计方案来说，对比例尺缩小存在极限。机械谐振器的传统激光修整可以在某种程度上进一步改善机械精度。但是，这种处理并不适合机械间隙狭窄、分辨率有限、最终调谐过程需要较大静电偏置调节的微型陀螺仪。

最近，一些平面谐振陀螺设备已经研制出来(诸如碟形谐振陀螺仪)，这些设备通过激励并感知基本上实心平面谐振器面内振动模来操作。通过在更容易制造和封装的紧凑封装件内获得更大的驱动和感知面积，这些平面谐振器相对于诸如半球形或壳形谐振器的设计方案而言，性能得到改善。例如，参见2005年授予Shcheglov等人、题为“INTEGRAL RESONATORGYROSCOPE”的美国专利6,944,931以及2006年5月9日授予Shcheglov等人、题为“ISOLATED PLANAR GYROSCOPE WITH INTEGRAL RADIALSENSING AND ACUTATION”的美国专利7,043,163。

鉴于前述内容，本领域需要小型、廉价、能够制造的平面陀螺仪，且其对于导航和航天飞机净载量指示以及其他应用具有改善的性能。为此，需要一种操作这种陀螺仪来改善其性能的系统和方法。

发明内容

本文公开了操作平面谐振式陀螺仪以改善性能。高质量平面谐振器具有用于惯性速率感知的隔离退化振动成对模或者差分成对模，和被激励并产生速率感知误差的其他寄生振动模。平面谐振陀螺仪，诸如碟形谐振陀螺仪，具有谐振器，该谐振器具有延伸的垂直和水平表面，用作电容电极，这种平面谐振陀螺仪可以操作来衰减一个或多个面内和面外寄生振动模。这些电极在靠近谐振器寄生模波腹点的地方布置成不同的驱动和感知电极组。对于面内寄生模或共模最低频率来说，电极组可以包括谐振器中央安装点相对两侧上的一对相反的电极。该对电极其中之一因而靠近共模的正波腹点，而该对电极中的第二个电极靠近负波腹点。用于速率感知的面内差分模可以具有靠近每个电极的波腹点，但是它们的极性总是相同。驱动差分信号施加在相反的一对驱动电极上，并且在相反的一对感知电极之间确定感知差分信号。因此，针对共模的差分信号优选用于操作该陀螺仪，主动衰减寄生共模，以便不会对用于惯性速率感知的振动的两个差分模带来衰减或干扰，施加在这组差分驱动电极上的反馈控制信号建立在该感知差分信号的基础上。因此，在操作该陀螺仪时，通过模拟运算放大器或数字反馈装置施加主动衰减，可以衰减面内寄生模。

本发明的典型方法实施方式包括对平面谐振器的操作，该方法包括步骤：利用平面谐振器附近设置地靠近平面谐振器寄生振动模一个或多个波腹点的多个电容电极中的一个或多个感知电极感知平面谐振器寄生振动模的幅值；产生与该寄生振动模幅值成比例的电压；和向在平面谐振器附近设置地靠近平面谐振器寄生振动模一个或多个波腹点的多个电容电极中的至少一个或多个驱动电极施加由该成比例电压产生的驱动电压，从而衰减该寄生模。所述平面谐振器可以包括碟形谐振器。此外，该碟形谐振器可以包括中央安装并圆周开槽的碟盘，而所述多个电容电极包括位于该碟形谐振器内的嵌入式电极。所述一个或多个感知电极可以围绕该碟形谐振器设置在所述一个或多个驱动电极的周围。通常，平面谐振器作为陀螺仪操作，测量平面谐振器的旋转。可以利用模拟或数字控制电路产生的比例电压来进行谐振器控制。施加驱动电压可以包括利用宽带DC电容感知装置来主动控制共模位置和速度。

在一些实施方式中，所述一个或多个感知电极可以包括多个分隔开的感知电极，以提供差分感知信号来感知寄生振动模的幅值。在这种情况下，平面谐振器可以包括具有中央安装点的碟形谐振器，且感知寄生振动模的所述多个分隔感知电极在一个或多个内侧感知电极和一个或多个外侧感知电极之间分隔开。

类似地，本发明的传感器实施方式包括平面谐振器和位于该平面谐振器附近并靠近平面谐振器寄生振动模一个或多个波腹点的多个电容电极。所述多个电容电极可以包括用来感知平面谐振器寄生振动模幅值的一个或多个感知电极。采用感知电路来产生与寄生振动模幅值成比例的电压，并采用反馈控制器向在平面谐振器附近设置地靠近平面谐振器寄生振动模一个或多个波腹点的多个电容电极中的至少一个或多个驱动电极施加由所述成比例的电压产生的驱动电压来衰减该寄生模。本发明的传感器实施方式可以根据文中所述操作平面谐振器的方法进一步改动。

本发明进一步的实施方式可以包括操作平面谐振器的方法，该方法包括步骤：将至少一组驱动电极分成位于平面谐振器中央安装点相对两侧上的一对相反的驱动电极；将至少一组感知电极分成位于该平面谐振器中央安装点相对两侧上的一对相反的感知电极；确定所述驱动电极的所述一对相反的驱动电极之间的驱动差分信号；确定所述感知电极的所述一对相反的感知电极之间的感知差分信号；和根据所述驱动差分信号和所述感知差分信号向所述该组驱动电极施加反馈控制信号。所述平面谐振器可以是碟形谐振器，并可以作为陀螺仪操作来测量平面谐振器的旋转。选定用于寄生模衰减的电极可以组合来产生感知和驱动信号，以便用于速率感知的差分模或Coriolis模既观测不到也无法控制。

向所述该组驱动电极施加反馈控制信号可以包括主动衰减所述平面谐振器的至少一个寄生振动模。主动衰减该平面谐振器的至少一个寄生振动模可以利用施加到感知差分信号的比例控制器来实施。例如，如果利用一对连接到嵌入式差分感知电极的跨阻抗放大器感知该谐振器的运动，然后让输出电压差分信号与该谐振器速度成比例，并且利用固定的负反馈增益对相应的差分控制电极形成电压驱动。所述比例控制器可以利用模拟或数字控制电路来实施。

在一些实施方式中，第一组驱动电极可以沿着平面谐振器第一振动模的第一轴线设置，而第一组感知电极设置地与该第一轴线正交。施加反馈控制信号包括驱动并感知该第一振动模。此外，第二组驱动电极可以沿着所述平面谐振器第二振动模的第二轴线设置，而第二组感知电极设置地与该第二轴线正交。施加反馈控制信号包括驱动并感知该第二振动模。

在一些实施方式中，施加反馈控制信号还可以包括在寄生模频率周围对所述信号进行第一窄带滤波，以防止因对寄生模运动敏感的差分电极存在不平衡而对用于速率感知的Coriolis模造成干扰。可以选择的是，平面谐振器附近位于寄生振动模波腹点处的一个或多个电极连接但不形成差分电极对，从而产生与波腹点运动成比例的信号，所述的一个或多个电极连同窄带滤波足够控制平面谐振器来主动衰减寄生模而不会干扰速率感知。

平面谐振器诸如碟形谐振器，具有延伸的垂直和水平表面，允许采用众多的其他电极布置主动衰减寄生模。例如，靠近垂直环圈表面、不用作速率感知电极的单独的嵌入式电极可以用于衰减面内寄生模，或者置于该环圈以下的基部表面或以上的顶部表面的电极可以用于衰减面外寄生模，诸如碟形谐振器的第一轴线模和两个第一摆动模。

类似地，本发明的另一种传感器实施方式包括平面谐振器，该谐振器具有至少一组驱动电极和至少一组感知电极和控制电路，所述该组驱动电极分隔成位于平面谐振器中央安装点相对两侧上的一对相反的驱动电极，并且所述该组感知电极分隔成位于所述平面谐振器中央安装点相对两侧上的一对相反的感知电极，所述控制电路用于确定所述驱动电极中的所述一对相反的驱动电极之间的驱动差分信号，确定所述感知电极中的所述一对相反的感知电极之间的感知差分信号，并根据所述感知差分信号向所述该组驱动电极施加反馈控制信号。本发明另外的传感器实施方式可以根据文中所述用于操作平面谐振器的方法进一步改动。

附图说明

现在参照附图讨论，其中类似的附图标记始终代表相应的部件：

图1A描述了用于陀螺仪或惯性传感器的隔离谐振器的示意顶视图，该谐振器可以按照本发明的实施方式进行操作；

图1B描述了图1A所示示例平面谐振陀螺仪的侧视图；

图1C示出了用于根据本发明的实施方式操作的示例平面谐振器结构的图案；

图1D示出了用于该示例谐振器第一差分模的操作的传统电极；

图2A示出了示例碟形谐振陀螺仪的操作原理；

图2B示出了示例碟形谐振陀螺仪的第一面内、差分、退化振动模；

图3A和3B示出了质心移动时的两个第一面内、差分、退化振动模；

图4A和4B示出了质心不移动时的两个第一面内、差分、退化振动模；

图5示出了在普通差分模操作下使用感知和控制电极的模型；

图6A示出了在本发明的操作下使用延伸的感知和控制电极的示例模型；

图6B示出了在本发明的操作下使用感知和控制电极的第二示例模；

图6C是用于本发明的实施方式的示例控制电路示意图；

图7是根据本发明操作平面谐振器的示例方法的流程图。

具体实施方式

1.概述

在以下优选实施方式的说明中，参照附图进行讨论，附图构成优选实施方式的一部分，并且在附图中借助示例示出了一种具体实施方式，可以在该实施方式中实现本发明。应该理解，在不背离本发明的范围的基础上，可以采用其他实施方式或者可以进行结构变动。

如前所述，采用较短的实心柱状谐振器或者具有明显可用内部谐振腔、允许包含明显更多感知装置以测量期望的谐振器内部运动的碟盘，本发明的实施方式可以应用于支撑在中央刚性杆上、感知能力显著提高的平面谐振器。使用平面元件，诸如碟盘，而非壳体或环圈，形成显著的顶部和底部表面积以及用来安装其他传感器的大型内部空间。碟盘像柱状壳体那样提供了同样有利的径向模。

本发明的实施方式一般描述一种隔离的平面振动陀螺仪。一般来说，本发明的实施方式采用嵌入式感知和促动方式，提供平面微加工硅陀螺仪，该陀螺仪具有期望的具备有单一中央节点支撑件的轴对称谐振器、集成式(和分布式)检验质块(proof mass)以及挠性悬架以及总面积较大的延伸电容电极。具有优势的是，本发明的整个谐振器、嵌入式电极以及集成壳体壁可以用单一硅晶片制作。

硅环谐振器(例如，美国专利6,282,958)缺乏大面积内部电容传感器和促动器，需要挠性支撑梁。其他石英半球形谐振陀螺仪是三维形状的，所以它们无法进行微加工并且不能设置嵌入式电极。虽然柱台质块型谐振陀螺仪相对其他设计方案而言，具有较高的角度增益、面积较大的感知元件以及优良的噪声性能，但是它们无法获得单一中央节点支撑件的优化谐振隔离特性，并且通常采用单独组装的柱台检验质块。此外，对于单独柱台检验质块谐振陀螺仪或面外陀螺仪来说，无法像本发明那样实现更好的热学和振动性能所希望的集成制造、完全差分的嵌入式电极。

环形陀螺仪的主要问题在于细环周围所固有的传感器面积较小以及支撑梁的挠性和相互影响。三维半球形陀螺仪具有用于大面积电容感知装置的较高侧部，但还是需要组装单独的周边电极柱或电极杯用于感知和激励。带有中央支撑件和周边电极的高柱也面临这个问题。带有中央支撑件和压电和/或电磁导线传感器和促动器的短实心柱或碟盘解决了非嵌入式传感器面积较小的问题，其中的压电和/或电磁导线传感器和促动器安装在碟盘的顶表面和底表面。然而，本发明的优选实施方式是在以下所述的示例实施方式中所示的开设多个凹槽的碟盘谐振器。

2.示例平面谐振陀螺仪

图1A示出了用于陀螺仪或惯性传感器的隔离谐振器的示意顶视图，该隔离谐振器根据本发明的实施方式操作。该陀螺仪包括特别的平面谐振器100，该谐振器由刚性中央支撑件106支撑并设计用于面内振动。在实施方式示例中，谐振器100包括碟盘，该碟盘包括由同心圆周节段104A-104E形成的多条凹槽，例如116A-116D(总称为116)。圆周节段104A-104E由径向节段102A-102E支撑。该谐振器的总体直径可以根据性能需求而改变。例如，直径16mm的谐振器可以提供相对较高的机加工精度和较低的噪声。进一步改进该谐振器可以在显著降低成本的情况下获得直径仅4mm的谐振器。

图1B示出了组装到基板112上的本发明的示例隔离谐振器100。中央支撑件106将谐振器100支撑在基板112上。谐振器100中的至少一些凹槽116为嵌入式电极108A-108D提供通道，这些电极也支撑在基板112上的支柱114上。电极108A-108D与谐振器100的至少一些圆周节段104A-104|E形成电容间隙110A-110H(外侧间隙110A、110C、110F和110H以及内侧间隙110B、110D、110E和110G)。所述电极108A-108D用于径向激励谐振器100以及感知谐振器100的运动。为了便于工作，每个电极108A-108D分成多个分开的元件以改善谐振器控制和感知效果。例如，如图所示，环形电极108B可以分成两个或更多个元件，至少一个通过外侧间隙110C发生作用，而至少一个通过内侧间隙110D发生作用。通过单独激励所述元件，在谐振器100的电极108B位置产生偏置反应，从而在该谐振器内引起振动，。

一般来说，激励电极108B、108C设置地较之电极108A、108D(即，谐振器100的外侧凹槽内)更靠近中央支撑件106(即，谐振器100的内侧凹槽内)，以改善感知效果。但是，激励和感知电极108A-108D的布置和分布可以根据需要而改变。在另外的实施方式中，还可以使用额外的电极来偏置谐振器100，以提供静电调谐或者微调非均匀性。这种偏置电极还可以包括多个单独的元件作为激励和感知电极。

一个或多个额外的电极140、142可以设置在平面谐振器100附近。虽然电极140、142在图中示为位于平面谐振器100上方或下方的单一元件，但是每个电极可以包括多个可以独立控制的不同元件。上电极140可以设置在收纳谐振器的壳体的内表面上，而下电极142可以设置在基板112上。下电极142限制于嵌入式电极108A-108D和刚性中央支撑件106之间的可用面积。额外的电极140、142可以用来改善平面谐振器100的控制。所述电容电极140、142可以用于轴向加速度或角加速度测量，以及主动衰减碟盘谐振陀螺仪的轴向模和摇摆模。

平面谐振器100的操作，例如作为陀螺仪的一部分，将在以下的段落中说明。一般来说，各种电极(嵌入谐振器或它附近的电极)利用耦接到每个电极的控制电路144驱动平面谐振器的振动模以及感知这些模对谐振器运动的反应。本领域技术人员根据本文的教导，容易开发出控制电路144的设计方案。

图1C示出了用于本发明示例平面谐振器100的图案120。图案120采用大量同心交织圆周凹槽122。一些凹槽，例如122A-122E较宽，以容纳多元件电极。例如，两个较宽的外环凹槽122A、122B用于感知电极，而三个较宽的内环凹槽用于驱动电极。剩下的凹槽122可以用来结构性地调谐谐振器100(例如，降低频率)和/或可以由偏置电极占据，这些偏置电极用于在操作中主动偏置该谐振器。图中示出了谐振器以及模型轴线124，并且谐振器的操作识别它们，因为图案120是对称的。

虽然示例谐振器100显示为碟盘，但是使用内部感知和促动方式的其他平面几何形状也可以适用本发明的原理。此外，进一步来说，希望采用单一中央支撑件106，提供完全隔离的谐振器，但是采用一个或多个额外安装支撑件的其他安装配置也是可行的。

正如以上所述，谐振器100内采用的中央支撑的实心柱体或碟盘具有两个适合Coriolis感知的退化面内径向模，但是频率非常高(高于100KHz)，并且径向电容感知区域随着柱体高度或碟盘厚度递减。但是，多凹槽碟盘谐振器100，如图1A和1B所示，克服了这些问题。通过在柱体或碟盘上蚀刻多条环形凹槽，带来两种直接效果：适合低频(小于50KHz)Coriolis感知的两个退化模以及较大的感知、偏置和驱动电容。低频来源于凹槽提供的径向依从性增大。较大的感知、偏置和驱动电容是机加工在谐振器上的大量凹槽带来的结果。

图1D示出了图1C所示谐振器第一差分模的传统电极操作。与图案120的谐振器100一起操作的电极136在左侧图形中示出。使用了4组电极124，围绕该图案的圆周每个间隔90°。负激励元件126和正激励元件128，即电极的成对元件，受到驱动以激励谐振器100。所述成对元件126、128共享凹槽，负元件126位于外侧位置而正元件128位于内侧位置。还要注意，如图所示，一些成对元件与其他不同的成对电极共享公用凹槽，表明多个可单独操作的电极能共享公用谐振凹槽。感知电极设置在较大的径向位置，包括负感知元件130和正感知元件132，它们一起提供与谐振器100运动有关的输出信息。

凹槽116、122之间可以采用均匀径向间隔，但是也可以采用其他类型的间隔，只要能保持适合Coriolis感知的两个退化径向模即可。此外，在进一步的实施方式中，一些或者全部节段104A-104E可以额外开槽，以使单道节段进一步分成包括多个平行节段的复合节段。有选择地使用这种复合节段可以用来调节谐振器的频率，以及消除漂移性能方面的有害热弹性效应，因为在谐振器操作过程中，所述节段受压力。一般来说，增加凹槽形成复合圆周节段将降低谐振频率。多个凹槽还可以缓解机加工误差的影响。虽然这种复合节段优选应用于圆周节段104A-104E，但是该技术也可以应用于径向节段102A-102E或者其他谐振图案中具备其他节段的其他设计方案。

采用所述的面内(in-plane)设计，本发明的实施方式相对于面外(out-of-plane)陀螺仪获得了众多优势。例如，中央支撑件结合部不承受振动载荷，消除了任何的摩擦可能性以及锚定损失变化。此外，经由凹槽实现了谐振器和电极的同时光刻加工。此外，径向电极电容可以总和起来消除振动整流(Vibration rectification)并且轴向振动不会将电容改变到第一级。模型对称性也主要由光刻对称性决定，而不是像其他设计方案那样由晶片厚度决定。实现了感知电容(例如，从外侧凹槽)和驱动电容(例如，从内侧凹槽)的隔离和优化。本发明的实施方式还实现了几何参数可以缩放的设计方案，可以设计用于较小或较大的直径和较薄或较厚的晶片。此外，本发明的实施方式可以完全由宽度相同的凹槽限定，以满足机加工的统一性和对称性。本发明的实施方式还可以适应产生频率分裂的硅晶体各向异性。例如，可以使用<111>硅晶片和/或宽度可变的凹槽。

如上所述，由于振动频率接近热松弛谐振，所以较高的热弹性衰减会导致谐振衰退期较短和陀螺漂移较大。但是，凹槽径向间隔可以调节，以限定优化的波束宽度(beam width)，并且可以在凹槽之间额外蚀刻许多凹槽，以限定电极间隙，从而进一步减小振动波束宽度。

3.平面谐振陀螺仪的操作

本发明的实施方式指导一种操作平面谐振陀螺仪的新技术，用来获取改进的性能。可以通过比较操作平面谐振陀螺仪的原始技术与本发明的技术来说明该技术。本发明的实施方式在下文中参照碟形谐振陀螺仪进行说明。但是，本发明的实施方式并不限于碟形谐振陀螺仪。本领域技术人员知道，本发明的实施方式类似地适用于采用原理相同的其他平面谐振器的陀螺仪的操作。

图2A示出了操作原理，而图2B示出了示例碟形谐振陀螺仪(诸如图1A-1C所述)的第一面内、差分、退化振动模。该模为椭圆形，并且相对于碟形谐振器202的刚性中央支撑件没有反应。这种模以固定振动幅值激励，并且当惯性旋转如图2A所示施加时，其进动可以经由嵌入互联的环或靠近该环的分段电容电极来观测，所述的互联环包括碟形谐振器202结构。进动量是惯性旋转精确的几何限定分量。在所示例子中，在碟形谐振器202的壳体旋转之前，在第一位置200A示出了驻波振动图案。当固定到中央支撑的碟形谐振器202的所述壳体如图所示转过90度时，进动将驻波振动图案偏移到第二位置200B(在本例中，沿着顺时针方向大约为36度)。图2B所示的示例碟形谐振模型的第一面内、差分、退化振动模展现出的Coriolis耦合机械角度增益约为k＝0.4。用于感知和控制的相邻电极节段在图2B所示的环形结构模型上示出。

一般来说，振动陀螺仪主动控制至少一个振动Coriolis模，从而以恒定幅值振动。可以主动迫使附近的第二输出Coriolis模为零幅值或者允许其自由振动，目的是感知由第一模振动与沿着垂直于振动平面的轴线的输入惯性速率相结合所引起的Coriolis力。将幅值重新平衡为零的闭环力或者开环进动是输入惯性速率的指标。

现在越来越需要更高性能的振动陀螺仪，该陀螺仪驱动更高质量和/或衰减更轻微的振动，以避免因衰减不均衡出现错误的Coriolis速率指标。对称的中央支撑的碟形谐振陀螺仪本身提供高质量的振动模，特别是带有隔热材质的mm级硅谐振器，或者带有绝热材质的cm级熔凝二氧化硅谐振器。但是，在具备更高的机械质量的情况下，当前振动操作方法的难点在于振动的寄生模衰减不足，并很可能强烈地耦合到外部振动或加速度。

图3A和3B示出了质心运动时的两个第一面内退化振动模。它们是示例碟形谐振器的共模，并且代表示例的一对寄生模。原理模型轴线分开大约90度。壳体横向加速度可以直接激励这些模。这种模与差分模形成对照。

图4A和4B示出了质心不运动时的两个第一面内退化振动模。它们是用于示例碟形谐振器的差分模，并且代表了一对退化模。这些模被共同控制和感知，用于振动陀螺仪的操作，并且不能被壳体加速度所激励。原理模型轴线分开大约45度。

对于高性能陀螺仪来说，可以由主Coriolis模读取电子件检测到寄生模的轻微衰减的运动，并导致速率噪声和漂移增大。因此，对于高性能振动陀螺仪来说，希望主动衰减或控制这种寄生模。图中示出通过进一步分隔示例碟形谐振器的电容驱动电极和感知电极，以使在每种寄生模(例如，图3A和3B所示的模)的波腹点处存在可分的感知电极和控制电极，可以衰减或控制寄生模。

图5示出了模型500，感知和控制电极用于常用操作。该有限元分析模型500包括2440个节点，说明示例碟形谐振器的内环，根据附近的感知或驱动电极标记出节段。图5所示的8个电容感知电极节段或电极组导线连接成4对电容：S1p、S1n、S2p、S2n，就像用于碟形谐振陀螺仪的普通操作那样。在这种情况下，平面谐振器中央安装点相对两侧上每一对相反的感知电极都不差分，这些成对电极电气耦接。类似地，控制电极节段或电极组导线连接成4对电容：D1p、D1n、D2p、D2n。这里还是一样，平面谐振器中央安装点相对两侧上每一对相反的驱动电极都不差分。注意，这些电极可以通过设置在支撑碟形谐振器的基板上的导电图案进行导线连接，该导电图案连接到控制电路(例如，如图1B示意性地示出)。谐振器模型不同区域内的感知和驱动电极由“*”或“+”表示，并且在图5中标出S1p、S1n、S2p、S2n、D1p、D1n、D2p、D2n。

这种碟形谐振器结构可以偏置到电压VGB，而且4个视为地线的跨阻抗电容感知缓冲器可以用来测量电荷以得出输出电压VS1p、VS1n、VS2p、VS2n。对于参照确定的轴线1和2感知和控制两个第一面内差分模来说，参数可以如下这样定义：

VS1＝VS1p-VS1n (1)

VS2＝VS2p-VS2n (2)

VD1p＝-VD1n＝VD1 (3)

VD2p＝-VD2n＝VD2 (4)

这种Coriolis传感器接口在2002年10月22日授予Challoner等的美国专利6,467,346中有述。与此对照，本发明的实施方式感知并衰减寄生模，并且可以采用分隔成对的驱动和感知电极的方法，并利用每一对电极之间的差分信号来改善对陀螺仪的控制并且提高性能，正如下述。

图6A示出了示例模型600，感知和控制电极用在本发明提出的操作中。有限元分析模型600包括2056个节点，用于说明示例碟形谐振器的内环，根据附近的感知或驱动电极标记出节段。这里，成对电极被分隔成电气上相区分的“a”和“b”元件。对于感知并控制以主动衰减两个第一面内共模而言，掩码导线可以从图5所示进行改变，以便保留通往全部8个电容感知电极(4对相反的电极)的不同路径：S1pa、S1pb、S1na、S1nb，S2pa、S2pb、S2na、S2nb。类似地，也保留通往驱动电极D1pa、D1pb、D1na、D1nb、D2pa、D2pb、D2na、D2nb。

该碟形谐振器结构可以偏置到电压VGB，并且视为地线的8个跨阻抗电容感知缓冲器可以用来测量电荷，以得出输出电压VS1pa、VS2pb、VS1na、VS1nb、VS2pa、VS2pb、VS2na和VS2nb。采用8个跨阻抗电容感知缓冲器(也称为跨阻抗放大器)，可以限定成对电极之间的以下差分信号。在一个示例中可以采用类似于美国专利6,467,346所述的接口，

VS1’＝VS1pa-VS1pb+VS2pa-VS2pb (5)

VS2’＝VS1na-VS1nb+VS2na-VS2nb (6)

VD1pa＝-VD1pb＝VD2pa＝-VD2pb＝VD1’ (7)

VD2na＝-VD1nb＝VD2na＝-VD2nb＝VD2’ (8)

以提供完整的共模可观测性以及控制，同时，通过定义以下信号，可以保持完整的差分模可观测性和控制。

VS1＝VS1pa+VS1pb-VS1na-VS1nb (9)

VS2＝VS2pa+VS2pb-VS2na-VS2nb (10)

VD1pa＝VD1pb＝-VD1na＝-VD1nb＝VD1 (11)

VD2pa＝VD2pb＝-VD2na＝-VD2nb＝VD2 (12)

可以利用成对的波腹点感知和控制电容信号VS1’、VD1’和VS2’、VD2’来实施主动衰减，衰减每一个寄生面内共模。利用以下示例控制规则，可以利用模拟运算放大器或数字反馈装置来简单地应用主动衰减。

VD1’＝-K*VD1’ (13)

VD2’＝-K*VD2’ (14)

可以选择反馈增益来限定衰减时间常数。跨阻抗放大器信号与模型速度成比例，所以这种简单的比例电容力反馈就足够了。

也可以采用其他电容运动传感器，诸如高阻抗电压跟随器或者自举缓冲器来替换跨阻抗放大器。也可以采用以寄生模频率为中心的窄带滤波器与反馈增益装置K串联，防止因提供寄生共模衰减所用的差分电极轻微不匹配而对差分模感知频率带来干扰。

平面谐振器附近的电容电极，例如碟形谐振陀螺仪互联环以上和/或以下的电极，也可以用来主动衰减碟形谐振陀螺仪的轴向模和摆动模。

图6B示出了第二示例模型620，感知和控制电极用在本发明提出的操作中。在这种情况下，在模型620中描述了示例的直径8mm碟形谐振器的多个互联环。为了清晰未示出各个嵌入式电极，但是为每个八分圆指定了所产生的感知和驱动电极，并且在以下有说明。

典型的DRG分段电极与图1D所示一样，并且谐振器碟盘的多个互联环与图1C所示一样。每个八分圆的感知和驱动电极嵌入圆周凹槽中，并且每个电极进一步分成内侧节段和外侧节段(正如参照图1D所述)。为了清晰起见，在图6B中未示出嵌入式电极。在图6B中，分别以相邻环节段上的“+”和“·”表示内侧电极和外侧电极。图6B中的每个电极可以根据以下编码来引用。“s”表示感知电极，而“d”表示驱动电极。奇数：1、3、5和7表示有关第一轴线及其正交轴线的电极组。类似地，偶数：2、4、6和8表示有关第二轴线及其正交轴线的电极组。作为示例，有关第一轴线一侧的感知电极标记为用于外侧感知电极622的“C1so”；和用于内侧感知电极624的“C1si”。有关第一轴线同一侧的驱动电极是用于外侧驱动电极626的“C1do”和用于内侧驱动电极的“C1di”。每个八分圆内的每个电极类似地标记。(“C”表示电容，适用于所有电极。)每个八分圆的内侧和外侧电极电气连接，形成内侧感知和驱动电容与外侧感知和驱动电容。环相对于外侧电极的向外的运动(相对于相邻的环节段向外)将形成更小的间隙，因此增大外侧电容。应该注意，谐振器周边的感知电极设置在两个凹槽中。这意味着对于每个特定的感知电极示出了两排。这种规则说明适用于以下的操作说明和控制方程中。

为了像采用两个退化差分模的陀螺仪一样操作，用于两个模的感知和驱动电容根据下述方程进行电气连接。

CS1p＝C1so+C5so+C3si+C7si (15)

CS1n＝C1si+C5si+C3so+C7so (16)

CS2p＝C2so+C6so+C4si+C8si (17)

CS2n＝C2si+C6si+C4so+C8so (18)

CD1p＝C1do+C5do+C3di+C7di (19)

CD1n＝C1di+C5di+C3do+C7do (20)

CD2p＝C2do+C6do+C4di+C8di (21)

CD2n＝C2di+C6di+C4do+C8do (22)

利用谐振器偏置电压VGB和带有反馈电阻Rf的跨阻抗放大器，然后可以如下给出与感知电容有关的输出感知电压。

VS1p＝-VGB*Rf*d(CS1p)/dt (23)

VS1n＝-VGB*Rf*d(CS1n)/dt (24)

VS2p＝-VGB*Rf*d(CS2p)/dt (25)

VS2n＝-VGB*Rf*d(CS2n)/dt (26)

然后利用输出感知电压的组合，定义差分模感知信号VS1和VS2。

VS1＝VS1p-VS1n (27)

VS2＝VS2p-VS2n (28)

为了产生与电压VD1和VD2成比例的静电驱动力来控制两个差分模，施加在驱动电容：CD1p、CD1n、CD2p、CD2n上的电压如下给出：

VCD1p＝-VCD1n＝VD1 (29)

VCD2p＝-VCD2n＝VD2 (30)

这种原始的电容互联关系阻止直接观测寄生共模。

在改变波腹点的电容导线互联关系之后，可以利用图6B中4个奇数八分圆内的电极充分的感知并衰减两种寄生共模。利用8个跨阻抗放大器，可以感知并结合8个感知电容，以便能如下所述地独立观测两个共模以及与第一轴线对准的差分模：

VC1so＝-VGB*Rf*d(C1so)/dt (31)

VC1si＝-VGB*Rf*d(C1si)/dt (32)

VC3so＝-VGB*Rf*d(C3so)/dt (33)

VC3si＝-VGB*Rf*d(C3si)/dt (34)

VC5so＝-VGB*Rf*d(C5so)/dt (35)

VC5si＝-VGB*Rf*d(C5si)/dt (36)

VC7so＝-VGB*Rf*d(C7so)/dt (37)

VC7si＝-VGB*Rf*d(C7si)/dt (38)

VS1p＝VC1so+VC5so+VC3si+VC7si (39)

VS1n＝VC1si+VC5si+VC3so+VC7so (40)

用于第一轴线的差分模感知电压由以下方程得出：

VS1＝VS1p-VS1n (41)

为了产生与电压VD1成比例的静电驱动力来控制第一轴线差分模，则施加在奇数驱动电容上的电压如下给出：

VC1do＝VC5do＝VC3di＝VC7di＝VD1 (42)

VC1di＝VC5di＝VC3do＝VC7do＝-VD1 (43)

第二轴线差分模可以像方程(15)至(30)所述的原始配置那样感知和驱动。

为了感知并衰减两个寄生共模，得出以下信号：

VS1p’＝VC1so+VC5si (44)

VS1n’＝VC1si+VC5so (45)

VS2p’＝VC3so+VC7si (46)

VS2n’＝VC3si+VC7so (47)

两个共模感知电压由以下关系式给出：

VS1’＝VS1p’-VS1n’ (48)

VS2’＝Vs2p’-VS2n’ (49)

为了产生与电压VD1’和VD2’成比例的静电驱动力以控制两个寄生共模，以及产生与VD1成比例的静电驱动力以控制第一轴线差分模，由以下方程给出施加在奇数驱动电容上的电压：

VC1do＝VD1’+VD1 (50)

VC1di＝-VD1’-VD1 (51)

VC3do＝VD2’-VD1 (52)

VC3di＝-VD2’+VD1 (53)

VC5do＝-VD1’+VD1 (54)

VC5di＝VD1’-VD1 (55)

VC7do＝-VD2’-VD1 (56)

VC7di＝VD2’+VD1 (57)

由于VS1’和VS2’与电容变化率或谐振器速度成比例，所以借助比例负反馈而简单地实现了对两个寄生共模的主动衰减：

VD1’＝K*F(s)*VS1’ (58)

VD2’＝K*F(s)*VS2’ (59)

K是固定增益，而F(s)是任选的以共模频率为中心的窄带滤波器，该滤波器可以用来阻止差分模频率下的任何反馈。

图6C是用于本发明如图6B所公开的实施方式的示例控制电路640的示意图。图中示出了用于寄生模衰减的碟形谐振器642、电极644、646和电路640布置的简化视图，其中仅示出了碟形谐振器642的两个谐振器环以及寄生模偏转情况。仅示出了感知电极646的一个外侧感知电容C1si和驱动电极644的一个外侧驱动电容C1di。其他感知和驱动电极可以增添并电气连接，如图6B的示例所述。感知电极646位于中央安装的碟形谐振器642的驱动电极644周围。偏置电压648(VGB)施加在谐振器642上。感知电极646耦接到跨阻抗放大器650，其通过Rf反馈电阻652产生输出感知电压VS1’。在该简化结构中，输出感知电压VS1’利用比例负反馈基本上可以直接施加到驱动电极644上。固定增益放大器654可以用来提供比例负反馈。任选的，以共模频率为中心的窄带滤波器656可以包括在内，以使差分模频率下的反馈最小。

此外，本领域技术人员可以明白，可以类似地应用于本发明实施方式中的示例数字陀螺控制电子件可以参见2005年7月5日授予M’Closkey等人的美国专利6,915,215。

图7是操作本发明谐振器的示例方法的流程图。方法700从利用在平面谐振器附近设置地靠近该平面谐振器寄生振动模一个或多个波腹点的多个电容电极中的一个或多个感知电极来感知所述平面谐振器寄生振动模幅值的操作702开始。接下在，在操作704中，产生与所述寄生振动模幅值成比例的电压。最后，在操作706中，向在平面谐振器附近设置地靠近该平面谐振器寄生振动模一个或多个波腹点的多个电容电极中的至少一个或多个驱动电极施加由该成比例电压产生的驱动电压，从而衰减所述寄生模。该基本方法700可以如上所述进一步改动，例如实现主动衰减和/或位置反馈。

为了图示和说明的目的，对本发明优选实施方式进行了前述说明。本意并非穷举或者将本发明精确地限制于公开的内容。根据上述教导，可以进行许多改型和变化。本意在于表明本发明的范围并非由该具体实施方式来限定，而是由附带的权利要求书限定。上述说明、示例和数据为本发明的制作和使用提供了完整的说明。当然，在不脱离后附权利要求书的范围的情况下，可以制作本发明的各种实施方式。

Claims

1.一种操作平面谐振器的方法，包括步骤：

利用在平面谐振器附近设置地靠近该平面谐振器寄生振动模一个或多个波腹点的多个电容电极中的一个或多个感知电极来感知所述平面谐振器寄生振动模的幅值；

产生与该寄生振动模的幅值成比例的电压；和

向在该平面谐振器附近设置地靠近该平面谐振器寄生振动模的所述一个或多个波腹点的所述多个电容电极中的至少一个或多个驱动电极施加由所述成比例的电压产生的驱动电压，从而衰减所述寄生振动模。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述平面谐振器包括碟形谐振器。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述碟形谐振器包括中央安装且圆周开槽的碟盘，而所述多个电容电极包括位于所述碟形谐振器内的嵌入式电极。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述一个或多个感知电极位于围绕所述平面谐振器的所述一个或多个驱动电极的周围。

5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述平面谐振器作为陀螺仪操作，来测量所述平面谐振器的旋转。

6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述一个或多个感知电极包括多个分隔开的感知电极，从而提供差分感知信号来感知所述寄生振动模的幅值。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述平面谐振器包括具有中央安装点的碟形谐振器，并且感知所述寄生振动模的幅值的所述多个分隔开的感知电极在一个或多个内侧感知电极和一个或多个外侧感知电极之间分隔开。

8.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述成比例的电压由模拟控制电路产生。

9.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述成比例的电压由数字控制电路产生。

10.如权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，施加驱动电压包括利用宽带DC电容感知方式主动控制共模位置和速度。

11.一种传感器，包括：

平面谐振器；

多个电容电极，其设置在所述平面谐振器附近，靠近所述平面谐振器寄生振动模一个或多个波腹点，所述多个电容电极包括用于感知所述平面谐振器寄生振动模的幅值的一个或多个感知电极；

感知电路，其用于产生与所述寄生振动模的幅值成比例的电压；和

反馈控制器，其向在该平面谐振器附近设置地靠近该平面谐振器寄生振动模的所述一个或多个波腹点的所述多个电容电极中的至少一个或多个驱动电极施加由所述成比例的电压产生的驱动电压，从而衰减所述寄生振动模。

12.如权利要求11所述的传感器，其特征在于，所述平面谐振器包括碟形谐振器。

13.如权利要求12所述的传感器，其特征在于，所述碟形谐振器包括中央安装且圆周开槽的碟盘，而所述多个电容电极包括位于所述碟形谐振器内的嵌入式电极。

14.如权利要求13所述的传感器，其特征在于，所述一个或多个感知电极位于围绕所述平面谐振器的所述一个或多个驱动电极的周围。

15.如权利要求11-14任一项所述的传感器，其特征在于，所述平面谐振器作为陀螺仪操作，来测量所述平面谐振器的旋转。

16.如权利要求11-15任一项所述的传感器，其特征在于，所述一个或多个感知电极包括多个分隔开的感知电极，从而提供差分感知信号来感知所述寄生振动模的幅值。

17.如权利要求16所述的传感器，其特征在于，所述平面谐振器包括具有中央安装点的碟形谐振器，并且感知所述寄生振动模的幅值的所述多个分隔开的感知电极在一个或多个内侧感知电极和一个或多个外侧感知电极之间分隔开。

18.如权利要求11-17任一项所述的传感器，其特征在于，所述成比例的电压由模拟控制电路产生。

19.如权利要求11-17任一项所述的传感器，其特征在于，所述成比例的电压由数字控制电路产生。

20.如权利要求11-19任一项所述的传感器，其特征在于，施加驱动电压包括利用宽带DC电容感知方式主动控制共模位置和速度。

21.一种陀螺仪，包括：

用于感知旋转的平面谐振装置，其具有至少一组驱动电极，所述驱动电极分隔成位于平面谐振器中央安装点相对两侧上的一对相反的驱动电极；和至少一组感知电极，所述感知电极分隔成位于平面谐振器中央安装点相对两侧上的一对相反的感知电极；和

控制电路装置，用于确定所述驱动电极的一对相反的驱动电极之间的驱动差分信号，确定所述感知电极的一对相反的感知电极之间的感知差分信号，并且根据所述驱动差分信号和感知差分信号向所述一组驱动电极施加反馈控制信号。