CN103998894B - 平衡式mems类型惯性角传感器及用于使此类传感器平衡的方法 - Google Patents

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Abstract

MEMS类型的惯性角传感器，包括：至少两个质块(2)的支承件(1)，这些质块被安装成能相对于支承件移动；至少一个静电致动器(3)；以及至少一个静电检测器(4)。这些质块(2)被悬挂在框架(6)中，该框架(6)本身通过悬挂装置连接到支承件。致动器和检测器被设计成分别产生和检测这些质块的振动。用于使此类传感器平衡的方法，该传感器提供有至少一个负载检测器以及至少一个静电弹簧(8)，至少一个负载检测器被安装在框架和支承件之间，并且至少一个静电弹簧被放置在框架和质块之一之间并根据负载传感器的测量信号被役使以便确保该传感器的动态平衡。

Description

平衡式MEMS类型惯性角传感器及用于使此类传感器平衡的 方法
本发明涉及振动式惯性角传感器(诸如，陀螺测试仪或陀螺仪)以及用于使这种传感器平衡的方法。
更精确地，本发明涉及也称为MEMS(即微机电系统)的微机电传感器。这些传感器是通过在非常小厚度的晶片材料上集体蚀刻来生产的。它们小巧、质轻且相对廉价，由此使得它们能够被利用于众多应用领域，即能被利用于专业技术产品，也能被利用于大众商品。
这些传感器的应用领域包括对角度(自由陀螺)和角速度(速率陀螺)的惯性测量。
MEMS类型的振动式惯性角传感器根据谐振器的定义被分类成两个家族。谐振器可以是可变形体，一般是轴对称的：环、圆柱体、半球体、圆盘。谐振器也可以由通过弹性元件连接到支承件的一个或多个不可变形的质块(mass) 组成。每一传感器包括被设计成将可变形的谐振器或质块/弹性元件系统设置成以该系统的谐振频率振动的致动器，并且可变形谐振器的变形或质块/弹性元件系统的运动的检测器被安装在可变形谐振器或质块/弹性元件系统以及支承件之间。
任何振动式惯性传感器的性能直接源自谐振器的阻尼各向异性的稳定性。此稳定性受制于：
-谐振器的时间常数τ(等于机械过张力Q除以π并除以频率f，即τ＝Q /(π.f))，该时间常数τ支配使谐振器保持处于谐振将必须消耗的能量，
-谐振器的动态平衡，从而一方面限制来自传感器的向外的能量损耗，而另一方面限制谐振器的振动通过振动环境对处于操作频率的传感器的干扰。
在MEMS类型的振动式传感器的领域中，这是通过以下来表明的：
-将硅用作用于获得相对高的过张力的材料，
-存在按以下方式对称地安装的至少两个质块：使得这些质块反相移动，由此提供到第一级次(order)的平衡。
最高性能的MEMS类型的振动式惯性角传感器由此具有根据正方形图案设置的四个质块。
然而，这些传感器的性能方面的改善受限于这些传感器的生产缺陷。
这些生产缺陷引起由这些质块的全局重心的位移以振动频率造成的动态失衡。此动态失衡导致支承件中的反作用力，并因此导致振动的能量损耗。随着传感器的小尺寸增加了这些生产缺陷对测量精度的影响，这更加麻烦。实际上，相对于宏观传感器而言，MEMS的[生产缺陷/特征维度]比率降级了。这导致关于谐振器的质块的更高的动态失衡。
谐振器的小质块所造成的结果是使得难以测量动态平衡的缺陷，因为失衡所引起的负载对于使得能够测量这些负载而言太小了。此外，即使将成功执行该测量，但由于该传感器的小尺寸仍将难以通过在本地移除或添加材料来校正该失衡。此外，此类通过移除或添加材料的校正将展现以下缺点：即将使得不能够根据温度和时间来补偿失衡方面的改变。
通常以增加的对振动的敏感度和更少的机械回弹为代价而将失衡的谐振器刚性地固定于相当大的反弹质块。
此外，在具有若干质块的谐振器的情况下，这会导致这些质量块间的独立性。允许对这些质块的位移进行第一级次补偿的机械耦合于是由使这些质块互连的杆来确保，以便约束这些质块反相位的位移。传感器的生产因而是复杂且昂贵的。此外，平衡因由质块数目和这些质块之间的耦合杆数目所导致的自由度的增殖而变得困难，这必然使其他质块受对这些质块之一执行的任何平衡校正的影响。出于相同的理由，借助校正算法的电子平衡执行起来是复杂的。
本发明从不同的方法得到，其目的是改善MEMS类型的振动式惯性角传感器。
出于这个目的，根据本发明提供有MEMS类型的振动式惯性角传感器，该传感器包括：支承件；至少两个质块，这些质块被悬挂在框架中，该框架被安装成能通过悬挂装置相对于支承件移动；至少一个静电致动器；以及至少一个静电检测器。此致动器和此检测器被设计成分别产生和检测这些质块的振动。
由此，消除了这些质块之间通过杆的直接机械耦合。实际上，在本发明中，这些质块之间的机械耦合由悬挂式框架来确保，由此简化了传感器的结构。例如，致动器和检测器各自被安装在质块之一和框架之间，并如之前那样操作。
优选地，至少一个负载传感器被安装在框架和支承件之间，并且至少一个静电弹簧被安装在框架和质块之一之间并根据负载传感器的测量信号被役使 (slave)以便确保该传感器的动态平衡。
对于该结构，该平衡可以通过测量两个质块/悬挂系统之间的频率方面的各向异性(或差异)并通过消除这种各向异性来获得。对各向异性的测量可以通过测量由频率各向异性引起的失衡的效果以间接方式进行。优选地，平衡校正是通过控制静电弹簧按以下方式向拥有最高频率的质块/悬挂系统的刚度添加负静电刚度来执行的：使得校正由生产缺陷以及每一个质块/悬挂系统的各参数的时间和热量改变所造成的角频率方面的内在差异。此基于零役使的调整不需要在该传感器处理电子器件层面上的任何准确的基准张力或稳定增益。
本发明的主题也是一种用于使这种传感器平衡的方法。
在阅读下面对本发明的具体非限定实施例的描述后，本发明的其它特征和优点将浮现出。
现在参见附图，在附图中：
图1是本发明的传感器的第一实施例的示意图，
图2是解说这种传感器的操作原理的示意图，
图3是本发明的传感器的第二实施例的示意图，
图4是本发明的传感器的第三实施例的示意图，
图5是本发明的传感器的控制单元的实施例的示意图。
参考这些附图，本发明涉及旨在形成自由陀螺或速率陀螺的MEMS类型的振动式惯性角传感器。
本发明的传感器包括支承件1和至少两个质块2，这些质块2被安装成能相对于支承件1移动并且与静电致动器3以及静电检测器4相关联。
质块2经由悬挂装置5被悬挂在框架6中，该框架6本身通过悬挂装置7 连接到支承件1。悬挂装置5和7在界定传感器的质块的悬挂平面的XY平面中是各向同性的，并且被产生为沿着该传感器的该平面法向的轴展现相当大的刚度，从而消除质块2以及框架6在该平面外部的自由度。每一质块2和框架6在该平面中具有三个自由度，即(沿着X和Y轴的)两个平移以及(围绕该 X和Y平面法向的轴的)旋转。
对于X和Y轴中的每一个轴，致动器3和检测器4被安装在每一个质块2 和框架6之间。致动器3和检测器4具有其齿互插的梳状电极形式的公知结构。致动器3的梳和检测器4的梳可具有利用可变间隙或利用可变表面区域的操作模式。
各质块2是相同的，并且具有正方形形状，在其各侧上设置有致动器3和检测器4。悬挂装置5设置在每一质块2的各顶点处。
两个静电弹簧8被安装在框架6和每一质块2之间，以便分别沿着X和Y 轴动作。静电弹簧8具有其齿互插的梳状电极形式的公知结构。静电弹簧8的梳具有利用可变间隙的操作模式。
失衡效果检测器(此处更具体地为力传感器)被集成在悬挂装置7中，以便提供表示框架6向支承件1传送的负载的测量信号。这些传感器本身是公知的，并且可以是压阻式应变仪或压电式应变仪。
本发明的传感器的制造是以用于蚀刻半导体材料的晶片的常规技术为基础来实施的。此处使用的半导体材料是硅。
致动器3和检测器4通过本身为公知的电导体连接到同样本身为公知的控制单元9，该控制单元9被编程用以控制致动器3并处理检测器4的信号，以便确保对绕各质块2的位移平面法向的轴的角度大小的检测。
静电弹簧8和集成在悬挂装置7中的力传感器同样被连接到控制单元9，该控制单元9被编程用以根据基于质块2的振动频率而解调出的所述力传感器的信号来役使静电弹簧8，以便按使得确保该传感器平衡的方式以振动频率消除该失衡。
在图5中，控制单元的操作被表示在根据自由度“n”为该传感器的平衡对刚度变化Δkn的确定中。其中用标号表示了椭圆振动的长轴“a”和短轴“b”。该振动的长轴在XY坐标系中形成角θ。陀螺仪的实现导致根据传感器4所检测到的运动η1、η2确定对致动器3的控制C1和C2。知道值 且的情况下，对a、q、θ和的估计从其推导出。知道传感器7所检测到的负载ξn的情况下，控制单元计算值和以便得到刚度变化Δkn，该刚度变化Δkn用作驱动静电弹簧8的设置点。
在图1和图2的实施例中，质块2的数量为2，并且这些质块2被并排安装在框架6之内。框架6具有矩形形状，并且包括各自容纳这两个质块2中的一个质块的两个相邻的壳体10。
更具体地，参考图2，根据第一实施例的传感器可被看作被另一质块/弹簧系统(m0,k0)连接到外部世界的两个质块/弹簧系统(m1,k1)和(m2,k2)。
该传感器的行为可以以下数据(质量差异和刚度差异分别被表示成δm和δk)为基础来建模：
m1：＝m·(1+δm)：m2： ＝m·(1-δm)：
k1：＝k·(1+δk)：k2：＝k·(1-δk)：
m0：＝β·m：k0：＝α·k：
k：＝ω2·m：
该建模使得能够计算自然模式的频率、有用的自然模式的失衡，以及该失衡对支承件的反作用力。
由此得出该失衡与质量m成比例、与被表示成α的比率k0/k成比例、并与这两个质块弹簧系统在角频率方面的差异δω成比例。该有用模式的失衡由此等于：
失衡＝2mαδω
向外部世界传送的负载可以以类似的方式表达：
负载＝2kαδω
从以上公式显现出本发明的特定架构使得有可能通过消除这两个质块弹簧系统之间角频率方面的差异来消除该失衡，该差异可在测量框架上的负载的基础上观察到。根据本发明，对传感器的平衡因此能以以下步骤为基础来实施：
-测量各质块之间的频率方面的各向异性，该测量步骤通过测量框架由于由生产缺陷引起的传感器的失衡而向支承件施加的负载来实施，
-校正这些质块之间的频率方面的各向异性。
校正步骤通过按用以减少这种效果的方式控制静电弹簧8来实施：利用对合并在悬挂装置7中的力传感器的信号的振动频率的解调的役使来校正放置在质块2和框架6之间的静电弹簧8的刚度，从而以该振动的频率消除该失衡。
更精确地，该校正在此处是通过以下方式来执行的：向拥有最高频率的质块/弹簧系统的刚度添加负静电刚度，以便校正由生产缺陷以及每一个质块/弹簧系统的各参数的时间和热量改变所造成的角频率方面的内在差异。
将注意，传感器的安置使得有可能获得沿着X轴的两种自然模式，即质块 m1和m2同相位移动以及质块m1和m2反相位移动，在质块m0具有较小位移的情况下，质块m1和m2不具有相同的频率。例如，如果m0＝10*m1/2，则频率差异属于10％的级次，或者如果m0＝4*m1/2，则频率差异属于25％的级次。这确认了以下可能性：通过这些质块之间不使用任何机械耦合杆来简化结构，没有在操作期间连结这两种自然模式的任何风险。
由此有可能利用对科里奥利路径Y上的0个运动的役使制造具有2个振动质块的闭环陀螺仪。这使得有可能使用对于该路径未被平衡到第一级次的自然模式。
在图3的实施例中，质块2的数量为4个且根据正方形图案设置，并且对于X轴和Y轴中的每一个轴，静电弹簧8被放置在框架6和四个质块2中的每一个质块之间。框架6具有正方形形状，并且包括各自容纳这些质块2中的一个质块的四个相邻的壳体10。
在该实施例中，传感器也由于该具有四个质块的安置而在Y轴上被平衡到第一级次。因此，该传感器可在陀螺仪模式中使用，并且得益于该模式的内在优点，即该装置漂移的稳定性。
在图4的实施例中，质块2.1、2.2的数量都是2个，并且被设计成能够被同心地安装。框架6具有正方形形状，并且正方环形形状的质块2.1、2.2被放置在框架6的每一侧上。
质块2.1、2.2因此具有框架形状，其中合并的对称轴拥有相同的自然频率。优选地，框架2.1、2.2的质块是相同的，并且用于悬挂质块2.1、2.2的装置具有相同的刚度。这使得能够遵循以上提出的动态建模等式的假设。
当然，本发明不限于所描述的实施例，而是涵盖落在诸如由权利要求限定的本发明的范围内的任何变化形式。
有可能让静电弹簧受所有质块2或受除一个质块以外的所有质块2的役使。
所测量的失衡的效果可以是框架6向支承件1施加的负载、框架6相对于支承件1的加速度、框架6相对于支承件1的速度、框架6相对于支承件1的位移或其他。
传感器可具有与以上描述那些形状不同的形状。在传感器平面上质块和框架可具有多边形或至少部分弯曲的形状，这可以由4个表示该几何形状的四分之一的图案的90°旋转来描述。
致动器和检测器可被安装在质块之一和框架之间，或者被安装在质块之一和支承件之间。
至少一个静电致动器和至少一个静电检测器可被放置在框架6和支承件1 之间，以便达成框架6的悬挂7的本身公知的活跃阻尼。
本发明还涉及一种传感器，该传感器的质块将被悬挂在框架中，并且该传感器将没有结合各附图中表示的实施例描述的活跃的平衡装置。

Claims (14)

1.MEMS类型的振动式惯性角传感器，包括：至少两个质块(2)的支承件(1)，所述质块被安装成能相对于所述支承件移动；以及被设计成分别产生和检测所述质块的振动的至少一个静电致动器(3)和至少一个静电检测器(4)，其特征在于，所述传感器包括通过第一悬挂装置连接到所述支承件的框架(6)，且每一质块通过第二悬挂装置直接连接到所述框架，使得所述质块和所述框架相对于所述支承件仅具有三个自由度，所述自由度在界定所述传感器的所述质块的悬挂平面的平面中。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述质块(2)的数量为两个。
3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述质块(2)被并排安装在所述框架(6)中。
4.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述质块(2)被设计成能够被同心地安装在所述框架(6)的任一侧上。
5.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，对于界定所述质块的悬挂平面的两个轴中的每一轴，至少一个静电弹簧(8)被安装在所述框架和所述质块中的至少一个质块之间。
6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述质块(2)的数量为四个并且根据正方形图案设置。
7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，对于界定所述质块的悬挂平面的两个轴中的每一轴，静电弹簧(8)被安装在所述框架和所述质块中的至少三个质块之间。
8.根据前述权利要求中的任一项所述传感器，其特征在于，至少一个失衡效果检测器被安装在所述框架和所述支承件之间，并且至少一个静电弹簧(8)被放置在所述框架和所述质块之一之间，并根据所述失衡效果检测器的测量信号被役使以便确保所述传感器的动态平衡。
9.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述静电致动器和所述静电检测器各自被安装在所述质块之一和所述框架之间。
10.用于使根据权利要求8所述的传感器平衡的方法，包括测量和校正由生产缺陷造成的所述质块(2)之间在频率方面的各向异性的步骤，所述测量步骤是通过测量由频率各向异性引起的传感器的失衡所产生的效果来实施的，并且所述校正步骤是通过役使对所述静电弹簧(8)的控制以便减少这种效果来实施的。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，测量到的所述失衡的效果是由所述框架(6)向所述支承件(1)施加的负载。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，测量到的所述失衡的效果是所述框架(6)相对于所述支承件(1)的加速度。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，测量到的所述失衡的效果是所述框架(6)相对于所述支承件(1)的速度。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，测量到的所述失衡的效果是所述框架(6)相对于所述支承件(1)的位移。
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