CN105940283B - 改进的环形陀螺仪结构和陀螺仪 - Google Patents

Abstract

一种具有中心弹簧结构的环形陀螺仪结构，其中，中心弹簧结构优选2θ‑模式并且使得它们在频率上较低。趋于与外部机械激发相耦合的弯曲谐振模式明显高于2θ‑模式。因此，所描述的结构相对于外部的机械冲击和振动是非常强健的。

Description

改进的环形陀螺仪结构和陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种微机电装置，以及更特别地涉及在独立权利要求的前序中所限定的陀螺仪结构以及陀螺仪。

背景技术

微机电系统或MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)可以被定义为其中至少一些元件具有机械功能的小型化机械和机电系统。由于MEMS装置是利用与用于创建集成电路相同的工具来创建的，可以在相同的硅片上制造微机械元件和微电子元件以实现先进的机械。

MEMS结构可以被用来快速和准确地检测物理性质的非常小的变化。例如，微机电陀螺仪可以被用来快速和准确地检测非常小的角位移。运动具有六个自由度：沿三个正交方向的平移以及绕三个正交轴的旋转。后三者可以通过角速率传感器(又被称为陀螺仪)来进行测量。MEMS陀螺仪使用科里奥利效应来测量角速率。当质量块(mass)沿一个方向移动并且施加了旋转角速度时，质量块由于科里奥利力而经受沿正交方向的力。然后，由科里奥利力引起的作为结果的物理位移可以由例如电容式、压电式或压阻式感测结构来读取。

在MEMS陀螺仪中，由于缺少适当的轴承，主运动通常不像在传统陀螺仪中那样是连续的旋转。替代地，可以使用机械振荡作为主运动。当振荡的陀螺仪经受与主运动的方向正交的角运动时，产生波动的科里奥利力。这产生了与主运动正交且与角运动的轴正交的并且处于主振荡的频率的副振荡(secondary oscillation)。该耦合振荡的幅度可以用作对于角速率的度量。

陀螺仪是非常复杂的惯性MEMS传感器，并且朝着结构越来越紧凑的趋势发展。陀螺仪设计中的基本挑战在于：科里奥利力非常小，因此生成的信号与陀螺仪中存在的其他电信号相比往往非常微小。像传统的音叉结构一样，对振动的假响应和敏感性困扰许多紧凑MEMS陀螺仪设计。

用于降低对于外部振动的敏感性的一个已知方法是平衡环结构：该平衡环结构包括具有环形或圈形结构的平面振动共振器，其中，所述环形或圈形结构具有围绕公共轴延伸的内边缘或外边缘。平面共振器通常被激发成cos2θ共振模式，该cons2θ共振模式在45°的夹角处作为振动模式的简并对(degenerate pair)而存在。这些模式中的一个模式被激发作为载波模式(carrier mode)。当该结构围绕与环的平面垂直的轴旋转时，科里奥利力将能量耦合到响应模式中。响应模式的运动幅度给出对于施加的旋转速率的直接度量。

传统环形结构的缺点在于它们通常具有低于两个操作振动模式的频率的寄生模式。这样的寄生模式容易与外部冲击和振动耦合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对于外部冲击较不敏感的紧凑环形陀螺仪结构。本发明的目的通过根据独立权利要求的特征部分的陀螺仪结构来实现。

权利要求限定了一种平面微机电陀螺仪结构，该平面微机电陀螺仪结构包括：圆形结构，其围绕中心点延伸；中心弹簧结构，其用于将所述圆形结构悬挂于围绕中心点对称地定位的四个中心锚定点；以及在圆形结构上的四个中心圆周点和四个外围圆周点，所述外围圆周点处于中心圆周点之间。相邻的外围圆周点形成外围圆周点对，相邻的中心圆周点形成中心圆周点对。中心弹簧结构被构造成将四个中心锚定点中的每一个连接至圆形结构上的中心圆周点对。中心弹簧结构与圆形结构之间的连接被配置成将外围圆周点对或中心圆周点对中的第一圆周点的在平面上的径向位移变换成外围圆周点对或中心圆周点对中的第二圆周点上的反向的在平面上的径向力。第一圆周点的在平面上的径向位移的方向与第二圆周点上的在平面上的径向力的方向正交。

权利要求还限定了一种包括微机电陀螺仪结构的陀螺仪。在从属权利要求中公开了本发明的有益实施方式。

本发明限定了一种特定的中心弹簧结构，该中心弹簧结构将cos2θ共振模式(驱动和感测)布置到最低的频率中。这使得能够简单地消除寄生模式。

本发明的另外的优点将根据下文的实施方式来进行更加详细的讨论。

附图说明

在下文中，将参照附图并结合优选实施方式来对本发明进行更详细的描述，在附图中，

图1示出了陀螺仪结构的实施方式；以及

图2更详细地示出了示例性的中心子结构；

图3示出了示例性的外围弹簧子结构；

图4A至图4C示出了可适用于陀螺仪结构中的替选驱动结构；

图5示出了利用陀螺仪结构制造的振动仿真；

图6示出了陀螺仪的元件。

具体实施方式

下面的实施方式是示例性的。虽然说明书可能提到“一个”(“an”或“one”)或“一些”(“some”)实施方式，但是这并不一定意味着每个这样的提及均针对相同的实施方式，也不意味着特征仅适用于单一实施方式。可以将不同实施方式的单一特征进行组合以提供另外的实施方式。

在下文中，将利用装置架构的简单示例来描述本发明的特征，其中，在所述装置架构中可以实现本发明的各种实施方式。仅对用于说明实施方式的相关元件进行详细描述。在本文中可能不会具体描述本领域的技术人员通常已知的陀螺仪结构的各种实现方式。

图1示出了根据本发明的陀螺仪结构100的实施方式。在图1中，示出了在以下的初始状态下的陀螺仪结构：陀螺仪结构被悬挂于支承底座(base)，但是没有附加的外力作用于陀螺仪结构。所示构造包括围绕中心点104延伸的圆形结构102。陀螺仪结构100可以具有平面的形状。这意味着圆形结构102与二维平面(长度、宽度)对准。圆形结构102为陀螺仪提供震动质量块(seismic mass)，其中，震动质量块可以被激发出主运动，并且可以检测到其由科里奥利力导致的副运动。

中心弹簧结构106可以用于将圆形结构102悬挂于静态(非振荡)支承物，通常悬挂于MEMS陀螺仪的另一本体元件。如果陀螺仪结构为MEMS结构晶片(wafer)，则可以例如通过陀螺仪芯片(die)的底层处理晶片(underlying handle wafer)或覆盖罩晶片(coveringcap wafer)来提供其他本体元件。为了悬挂，陀螺仪结构100可以包括围绕中心点104对称地定位的四个中心锚定点108、110、112和114。在此处，术语“锚定点”指代通过其来创建或可以创建与支承物的连接的弹簧结构的一部分，通常为末端部分。可以认为陀螺仪结构具有两个径向方向，其中每个径向方向与连接中心点和两个中心锚定点(110、114、104，或者108、112、104)的对角线132或对角线134对准。

中心弹簧结构106可以被构造成将四个中心锚定点108、110、112和114中的每一个连接至圆形结构102上的中心圆周点对。为此，中心弹簧结构106可以包括四个中心子结构，每个中心子结构与两个中心圆周点相连并且与一个中心锚定点相连。图2更详细地示出了连接两个中心圆周点120、122并且连接锚定点112的示例性的中心子结构200。

在本文中，圆周点指代弹簧子结构的元件可以附接至的圆形结构102的微小扇形。接触可以在圆形结构102的内表面和外表面发生。内表面指代圆形结构102的表面的沿径向面向内朝向中心点104的部分。外表面指代圆形结构102的表面的沿径向面向外离开中心点104的部分。图1示出了在圆形结构102的内表面上形成连接的示例性构造。如图1所示，四个中心圆周点116、118、120和122可以均匀分布在圆形结构102的内表面上。可以认为两个相邻的中心圆周点(例如，116和118，118和120，120和122，以及122和116)形成中心圆周点对。

中心子结构可以包括沿纵向方向伸长和绷紧的至少三个弹簧202、204和206。该背景下的伸长是指：在圆形结构的平面中，弹簧的长度尺寸(平面中的最大尺寸)是弹簧的宽度尺寸(垂直于长度尺寸)的多倍。伸长的弹簧沿其纵向方向的刚度对应于弹簧沿其长度尺寸的方向的刚性。因此，当弹簧沿纵向方向绷紧时，其响应于沿纵向方向施加的是沿其他方向的许多倍的力而抵抗变形。因此，沿其纵向方向绷紧的伸长的弹簧沿其他方向可以是柔性的。

三个弹簧中的第一弹簧206沿径向方向从中心锚定点112延伸至连接点208，在连接点208处，第一弹簧206与中心子结构的第二弹簧202和第三弹簧204相连。第二弹簧202在连接点208与第一中心圆周点120之间延伸，而第三弹簧204在连接点208与第二中心圆周点122之间延伸。

有利地，弹簧子结构200关于穿过弹簧子结构200的对角线132对称。因此，连接第一中心圆周点120以及连接点208的线与通过对角线132限定的径向方向之间的角度等于连接第二中心圆周点122以及连接点208的线与径向方向之间的角度。要注意的是，在图2的示例性构造中，第二弹簧202平行于第一中心圆周点120的径向振荡方向，以及第三弹簧204平行于第二中心圆周点122的径向振荡方向。然而，这对于弹簧子结构并非是必要的。在范围内的其他构造也是可行的；例如，第二弹簧和第三弹簧相连处的点可以被布置成较接近于中心锚定点，以使得第二弹簧和第三弹簧变得与它们连接至的圆周点的径向振荡是非对准的。

从图2可以看出，三个弹簧202、204、206以及圆形元件102在第一中心圆周点120与第二中心圆周点122之间的圆弧的组合产生以下结构：该结构能够将第一中心圆周点120的在平面上的径向位移变换成第二圆周点122上的反向的在平面上的径向力。因此，当第一中心圆周点120向内、朝向中心点104移动时，该运动产生从第二中心圆周点122向外推动圆形结构102离开中心点104的机械力。相应地，当第二中心圆周点122向内移动时，该运动产生从第一中心圆周点120向外推动圆形结构102离开中心点104的机械力。中心圆周点120、122的最终的径向运动振荡并且还正交，以使得在圆形结构120的平面中第一中心圆周点120的振荡方向垂直于第二中心圆周点122的振荡方向。

返回至图1，在圆形结构102的外表面上可以存在四个外围圆周点124、126、128和130。外围圆周点124、126、128和130可以均匀分布在外表面上，并且交错在中心圆周点116、118、120和122之间。可以认为两个相邻的外围圆周点(例如，124和126，126和128，128和130，以及130和124)形成外围圆周点对。陀螺仪结构可以包括外围弹簧结构，外围弹簧结构包括四个外围子结构，四个外围子结构中的每一个包括外围锚定点140、142、144和146。外围锚定点140、142、144和146以及中心锚定点116、118、120和122可以互相对准，以使得外围锚定点140、142、144和146中的每一个与微机电陀螺仪结构的对角线132、对角线134中的一条对角线重合。在图1的构造中，中心锚定点108、112和外围锚定点140、144与对角线132重合，并且中心锚定点110、114和外围锚定点142、146与对角线134重合。

图3更详细地示出了包括图1的外围锚定点140的示例性外围弹簧子结构。外围弹簧子结构300可以包括第四弹簧302，该第四弹簧302将外围锚定点140和圆形结构上的外围圆周点124相连。有益地，连接外围锚定点140和外围圆周点124的线与对角线132的径向方向R对准。当在圆形结构的平面中切线方向垂直于径向方向时，第四弹簧302有益地被布置成对于外围圆周点沿径向方向R的运动是柔性的而相对于外围圆周点沿切线方向T的运动是僵硬的。

图3示出示例性弹簧形式，然而在范围中可以应用提供相应的方向性功能的其他弹簧形式。例如，可以将外围锚定点140和第四弹簧定位在对角线132在圆形结构内的径向方向R上。因此，与中心圆周点和外围圆周点二者的接触可以在圆形结构102的内表面上。

为了测量结构的角运动，平面圆形结构可以被激发出面内主运动以作为移动的震动质量块而工作。在施加旋转角速度时，沿一个方向移动的质量块由于科里奥利力而经受沿正交方向的力。由科里奥利力引起的最终的物理位移(副振荡)然后可以从例如电容式、压电式或压阻式感测结构被读取。在环形结构中，沿径向振荡的不同质量块可能经受起因于科里奥利效应的沿切线方向的力。

因此，陀螺仪结构可以包括被构造成通过在圆形结构中引起平面上的径向位移来激发主运动的一个或更多个驱动结构。陀螺仪结构还可以包括被构造成通过感测圆形结构的在平面上的径向位移来检测副运动的感测结构。由于结构的这种构造，驱动方向和感测方向对应于2θ-模式。这意味着：如果驱动结构被构造成驱动中心圆周点的径向振荡，则可以通过感测外围圆周点的位移来执行检测，或者反之。

图4A至图4C示出了适用于图1的陀螺仪结构中的替选驱动结构。图4A示出了电容性地实现激发和检测的示例性构造。驱动结构400可以包括面向圆形结构102的外表面的弯曲电极，以及感测结构可以包括面向圆形结构102的内表面的另一弯曲电极402。当在圆形结构102与驱动结构400之间施加电压差时，中心圆周点118会被诱导成根据圆形结构102与驱动电极400之间的静电力而移动。相应地，角运动可以被检测为圆形结构102与感测电极402之间的电容变化。

图4B示出了利用包括在圆形结构中的压电元件来实现驱动结构400和感测结构402的另一替选方案。

图4C示出了围绕图1的陀螺仪结构的中心点104的放大部分。在该示例性构造中，应用压电装置来提供驱动结构400。在所述实施方式中，将中心弹簧子结构的第一弹簧沿纵向方向分成压电材料的两个电分离的部分。该两部分用不同的图案类型示出。在操作中，可以以反相模式来驱动第一部分410和第二部分412。可以利用图4A中描述的感测电极来电容性地实现感测结构，或者利用图4B中描述的感测元件来压电性地实现感测结构。

图5的表示出了针对根据图1的陀螺仪结构进行的仿真。在仿真中，圆形结构102的直径为3mm，圆形结构102的宽度(沿圆形结构的平面)为35μm，圆形结构102的厚度为65μm，中心弹簧结构的第一弹簧206的宽度为17μm，中心弹簧结构的第二弹簧202和第三弹簧204的宽度均为11μm，以及外围弹簧结构的第四弹簧的宽度为6μm。在表中，示出了振荡期间的共振模式。可以看出，元件的限定构造优选2θ-模式并且使得它们在频率上较低。传统环形陀螺仪中的对应于圆形结构围绕中心点的旋转的模式通过外围弹簧结构被有效地消除。趋于与外部机械激发相耦合的弯曲共振模式(flexing resonance mode)明显高于2θ-模式。因此，所描述的结构相对于外部的机械冲击和振动是非常强健的。

构造还使得能够避免过大的幅度，而该过大的幅度在高品质因数模式通过共振频率处的机械振动被激发时是可能存在的。此外，中心弹簧结构可以保持倾斜，并且包括很少的元件，因此使得能够实现非常紧凑的元件设计。

图6示出了包括第一部分600和第二部分602的陀螺仪的元件。第一部分600可以包括图1的陀螺仪结构，而第二部分602可以包括至少连接至来自陀螺仪结构的输入电信号的电路。如图6所示，可以将来自一个或更多个感测结构的信号输入到电路602以将其处理成表示由陀螺仪结构检测的角运动的输出信号。

陀螺仪可以包括在以下的组合传感器元件中：所述组合传感器元件包括例如各种传感器元件，有线或移动计算、游戏(gaming)或通信装置，测量装置，呈现装置或车辆功能控制单元等。

对于本领域技术人员而言明显的是，随着技术进步，本发明的基本思想可以利用各种方式实现。因此，本发明及其实施方式不限于上述示例，而可以在权利要求书的范围内变化。

Claims (16)

1.一种平面微机电陀螺仪结构，包括：

圆形结构，其围绕中心点延伸；

中心弹簧结构，其用于将所述圆形结构悬挂于围绕所述中心点对称地定位的四个中心锚定点；

在所述圆形结构的表面上的四个中心圆周点以及四个外围圆周点，所述外围圆周点处于所述中心圆周点之间，相邻的外围圆周点形成外围圆周点对以及相邻的中心圆周点形成中心圆周点对；

所述中心弹簧结构将所述四个中心锚定点中的每个中心锚定点连接至所述圆形结构上的中心圆周点对；

所述中心弹簧结构与所述圆形结构之间的连接将中心圆周点对中的第一圆周点的平面内径向位移变换成所述中心圆周点对中的第二圆周点的反向的平面内径向位移，

所述第一圆周点的所述平面内径向位移的方向与所述第二圆周点的所述平面内径向位移的方向正交，

所述微机电陀螺仪结构具有两个径向方向，其中径向方向与连接所述中心点和两个中心锚定点的对角线对准；

所述中心弹簧结构包括四个中心子结构，其中，中心子结构包括至少三个弹簧，每个弹簧均沿其纵向方向伸长并且绷紧；

所述三个弹簧包括第一弹簧、第二弹簧和第三弹簧；

第一弹簧的一端、第二弹簧的一端以及第三弹簧的一端在连接点彼此相连；所述三个弹簧中的第一弹簧沿第一方向从中心锚定点延伸至所述连接点，所述第一方向为径向方向；

所述第二弹簧在所述连接点与第一中心圆周点之间延伸；

所述第三弹簧在所述连接点与第二中心圆周点之间延伸。

2.根据权利要求1所述的微机电陀螺仪结构，其特征在于：连接所述第一中心圆周点和所述连接点的线与径向方向之间的角度等于连接所述第二中心圆周点和所述连接点的线与该径向方向之间的角度。

3.根据前述权利要求中任一项所述的微机电陀螺仪结构，其特征在于下述外围弹簧结构：所述外围弹簧结构包括围绕所述中心点对称地定位的四个外围锚定点。

4.根据权利要求3所述的微机电陀螺仪结构，其特征在于：所述外围锚定点和所述中心锚定点被定位成使得所述外围锚定点中的每一个与所述微机电陀螺仪结构的所述对角线中的一条对角线重合。

5.根据权利要求3所述的微机电陀螺仪结构，其特征在于：所述外围弹簧结构包括四个外围子结构，其中，外围子结构包括将外围锚定点和所述圆形结构上的外围圆周点相连的第四弹簧，连接所述外围锚定点和所述外围圆周点的线与径向方向对准。

6.根据权利要求5所述的微机电陀螺仪结构，其特征在于：所述第四弹簧对于所述外围圆周点沿所述径向方向的运动是柔性的，但是抵抗所述外围圆周点沿切线方向的运动，其中，所述切线方向垂直于所述径向方向。

7.根据前述权利要求1或2所述的微机电陀螺仪结构，其特征在于：所述中心圆周点的所述平面内径向位移包括沿所述圆形结构的圆的径向方向的线性振荡。

8.根据权利要求7所述的微机电陀螺仪结构，其特征在于下述驱动结构：所述驱动结构被构造成引起所述中心圆周点的平面内径向位移。

9.根据权利要求8所述的微机电陀螺仪结构，其特征在于下述感测结构：所述感测结构被构造成检测所述外围圆周点的平面内径向位移。

10.根据权利要求7所述的微机电陀螺仪结构，其特征在于下述驱动结构：所述驱动结构被构造成引起所述外围圆周点的平面内径向位移。

11.根据权利要求10所述的微机电陀螺仪结构，其特征在于下述感测结构：所述感测结构被构造成检测所述中心圆周点的平面内径向位移。

12.根据前述权利要求8所述的微机电陀螺仪结构，其特征在于：所述平面内径向位移被压电性地或电容性地引起或检测。

13.根据前述权利要求9所述的微机电陀螺仪结构，其特征在于：所述平面内径向位移被压电性地或电容性地引起或检测。

14.根据前述权利要求10所述的微机电陀螺仪结构，其特征在于：所述平面内径向位移被压电性地或电容性地引起或检测。

15.根据前述权利要求11所述的微机电陀螺仪结构，其特征在于：所述平面内径向位移被压电性地或电容性地引起或检测。

16.一种陀螺仪，所述陀螺仪包括根据前述权利要求中任一项所述的微机电陀螺仪结构。