CN106066175A - 用于感测角速率的微机电陀螺仪及感测角速率的方法 - Google Patents

Abstract

一种微机电陀螺仪包括：衬底；固定到衬底的定子感测结构；第一质量块，其被弹性地耦合到衬底并可以相对于衬底在第一方向上移动；第二质量块，其被弹性地耦合到第一质量块并且可以相对于第一质量块在第二方向上移动；以及弹性约束到第二质量块和衬底并被电容耦合到定子感测结构的第三质量块，第三质量块可以相对于衬底在第二方向上以及相对于第二质量块在第一方向上移动。

Description

用于感测角速率的微机电陀螺仪及感测角速率的方法

技术领域

本公开内容涉及用于感测角速率的微机电陀螺仪，以及感测角速率的方法。

背景技术

众所周知，微机电系统(MEMS)的应用在不同技术领域日益广泛，并且取得了令人鼓舞的结果，尤其是在惯性传感器、微集成陀螺仪和机电振荡器的生产中。

特别地，存在不同类型的MEMS陀螺仪，它们并不是由其复杂的机电结构和操作模式来区分，而是在任何情形下基于科里奥利加速检测进行区别。在这种类型的MEMS陀螺仪中，质量块弹性地被约束到衬底或定子，以能够在互相垂直的驱动方向和感测方向上平移。通过控制设备，将质量块在驱动方向上以受控的频率和幅度处进行振动。

当陀螺仪沿着垂直于驱动方向和检测方向的轴以一角速率旋转时，由于在驱动方向上的运动，质量块受科里奥利力支配并且沿着检测方向移动。质量块在感测方向上的位移由角速率和在驱动方向上的速度两者确定，并且可被转换为电信号。例如，质量块和衬底可被电容耦合，以使得电容取决于质量块相对于衬底的位置。由此质量块在检测方向上的位移可以以幅度调制的电信号的形式被检测，幅度调制的电信号与角速率成比例，其载波处于驱动质量块的振动频率。解调器的使用使得获得调制信号以得到瞬时角速率成为可能。

然而，在许多情况下，承载关于瞬时角速率信息的加速信号还包含并非由科里奥利加速确定的杂散分量，并且因而以干扰的形式存在。例如经常地，由于精度限制和生产流程扩展，杂散分量可能取决于微机械部分的结构缺陷。典型地，由于质量块与衬底之间所提供的弹性约束中的缺陷，驱动质量块的有效振动运动可能与理论上期望的方向并不对准。这种类型的缺陷通常产生正交信号分量，其由于微结构的旋转而叠加到有用信号上。实际上，正如科里奥利力，这种不一致导致质量块不仅在驱动方向上还在感测方向上位移，并且在质量块与衬底之间产生电容变化。

显然，后果是劣化的信噪比的以及读取接口的改变动态，以将要读取取的信号为代价，且在程度上取决于缺陷的程度。

发明内容

本发明的一个或多个实施例公开了一种微机电陀螺仪和一种感测角速率的方法。

根据本发明的一个实施例，一种微机电陀螺仪包括衬底和固定到衬底的定子感测结构。该陀螺仪进一步包括弹性耦合到衬底并且可以相对于衬底在第一方向上移动的第一质量块，以及弹性耦合到第一质量块并且可以相对于第一质量块在第二方向上移动的第二质量块。该陀螺仪包括弹性耦合到第二质量块的第三质量块以使得能够在第一方向上移动，以及弹性耦合到衬底以使得能够在第二方向上移动，第三质量块被电容耦合到定子感测结构。

附图说明

为了更好地理解本公开内容，现将仅通过非限制性示例的方式和参考下列附图，对本公开的一些实施例进行描述。在附图中：

图1是根据本公开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俯视图；

图3是根据本公开的不同实施例的微机电陀螺仪的一部分的简化俯视图；

图4是并入了根据本公开内容的微机电陀螺仪的电子系统的简化框图。

具体实施方式

参考图1，根据本公开的实施例的微机电陀螺仪由标号1指代，其包括衬底2、微结构3、控制设备4和读取设备5。如在下文中详细解释的，微结构3包括可动的部分以及相对于衬底2固定的部分。控制设备4与微结构3形成控制回路，并且被配置为保持微结构3的可动部分以受控的频率和幅度相对于衬底进行振动。为了达到这个目的，控制设备4接收来自微结构3的位置信号S_P并且向微结构3提供驱动信号S_D。根据微结构3的可动部分的移动，读取设备5提供输出信号Sout。所述输出信号Sout指示衬底2相对于陀螺仪旋转轴的角速率。

图2根据本公开的实施例示出衬底2以及更细节的微结构3。特别地，微结构3包括驱动质量块7、换能(transduction)质量块8和可动感测结构10。

驱动质量块7弹性地受衬底2约束，并且可相对于衬底2在驱动方向D1上移动。在使用中，控制设备4保持驱动质量块7在驱动方向D1上在一静止位置附近进行振动。为了达到这个目的，控制设备4使用固定到驱动质量块7的可动的驱动电极12a，以及固定到衬底2的定子驱动电极12b。可动驱动电极12a和定子驱动电极12b以梳齿状配置来电容耦合并且基本上平行于驱动方向D1。定子驱动电极12b通过电连接线(由于简化的原因未示出)接收来自控制设备4的驱动信号S_D。驱动质量块7的振动定义用于陀螺仪1的换能链的信号载波。

驱动质量块7到衬底2的弹性连接通过弹性悬置元件11或“挠曲部”(“flexure”)来获得，弹性悬置元件11或“挠曲部”被配置为使得驱动质量块7能够在驱动方向D1上振动并且防止驱动质量块7的其他移动，尤其是在垂直于驱动方向D1的换能方向D2上的移动。在这里以及下文中，关于驱动方向D1和换能方向D2两者或任意其他方向，“防止在一方向上移动”及类似表述应被理解为实质上限制在所述方向上的移动，并且与约束定义中的技术和几何限制所允许的内容相兼容。因此，所提及的表述不能被理解为与在禁止方向上可能的杂散移动的存在相矛盾，它们相对于驱动质量块的振动所限定的载波可能处于干扰信号的来源，但是这些移动仅是理想地被弹性元件的特定配置和在这些方向上实际上刚性的约束所阻止。

换能质量块8被弹性地约束到驱动质量块7，并且可相对于驱动质量块在换能方向D2上移动。

换能质量块8与驱动质量块7的弹性连接通过弹性悬置元件13来获得，弹性悬置元件13被配置为使得换能质量块8相对于驱动质量块7能够在换能方向D2上振动并且防止换能质量块8相对于驱动质量块7的其他相对移动，尤其是在驱动方向D1上的移动。相反，由于驱动质量块7的拉伸动作和弹性悬置元件13施加的约束，相对于衬底2，换能质量块8既可在换能方向D2上也可在驱动方向D1上移动。

可动感测结构10包括支架15和可动感测电极的集合16a，可动感测电极16a由支架15支撑并且平行于驱动方向D1延伸。支架15弹性地受换能质量块8和衬底2约束。相对于衬底2，支架15可在换能方向D2上移动；相对于换能质量块8，支架15可在驱动方向D1上移动。

支架15与衬底2的弹性连接通过弹性悬置元件18来获得，弹性悬置元件18被配置为使得支架15相对于衬底2能够在换能方向D2上振动并且防止支架15相对于衬底2的其他移动，尤其是在驱动方向D1上的移动。

支架15通过弹性连接元件20耦合到换能质量块8，弹性连接元件20被配置为防止在换能方向D2上换能质量块8与支架15之间的相对移动。相反，弹性连接元件20使得换能质量块8与支架15之间能够进行其他相对移动。特别地，允许在驱动方向D1上的平移振动以及旋转振动。因此，换能质量块8在换能方向D2上的移动基本上上以刚性的方式传递，而在驱动方向上的平移运动和换能质量块的旋转运动至少部分地由弹性连接元件20所补偿。由于弹性连接元件20允许支架15与换能质量块8之间在驱动方向D1上的位移，如已经描述的，支架15可以被约束到衬底2，由于作用于换能质量块8的科里奥利力因而不用抵消有用的平移分量。如果仅有换能质量块8与可动感测结构10之间的刚性连接，这将是不可能实现的。

可动感测结构10电容耦合到定子感测结构30，定子感测结构30包括固定到衬底2并且在驱动方向D1上延伸的定子感测电极16b。特别地，可动感测电极16a和定子感测电极16b根据“平行板”机制耦合并且根据在换能方向D2上可动感测结构10相对于衬底2的位置来限定具有电容变量的电容器。

如所提及的，在使用中，控制设备4保持驱动质量块7在驱动方向D1上以受控的频率和幅度振动。弹性悬置元件13使得驱动质量块和换能质量块8仅能够在换能方向D2上相对移动，由于弹性悬置元件13的连接，换能质量块8被驱动质量块7在驱动方向D1上的移动中拉动。当衬底2绕陀螺轴G垂直于驱动方向D1向换能方向D2转动时，换能质量块8受到换能方向D2上的科里奥利力。因而换能质量块8在换能方向D2上振动，振动的幅度取决于驱动方向D1上的线性拉动速度，并且以衬底2绕陀螺轴G的角速率振动。弹性悬置元件11的缺陷导致的杂散位移可能会由于科里奥利力叠加到位移上。杂散位移引起的分量在与载波相同的频率上变化，但相对于科里奥利力项相移90°，这是因为该分量取决于驱动方向D1上的位置而不是速度。由于允许仅在驱动方向D1上的相对平移运动的弹性连接元件20，换能质量块8在换能方向D2上的总平移被传递给可动感测结构10。

然而约束缺陷的作用，尤其是连接驱动质量块7到衬底2的弹性悬置元件11的约束缺陷的作用，被以比科里奥利力的贡献小得多的程度转移到可动感测结构10。由此，由于换能方向D2上的驱动缺陷所致的对换能质量块8和感测质量块10两者的贡献被驱动质量块7与换能质量块8之间的弹性悬置元件13和可动感测结构10与衬底2之间的弹性悬置元件18，以及换能质量块8与支架15之间的弹性连接元件20所衰减。特别地，弹性连接元件20还能够减弱杂散旋转运动，杂散旋转运动由驱动质量块7传递给换能质量块8，其并不能由弹性悬置元件13完全补偿。相反，来自于换能质量块8的在换能方向D2上的科里奥利力产生的贡献直接得到提升，并且由弹性连接元件20无衰减地传递，弹性连接元件20能够在方向D2上产生基本上刚性的耦合，这个贡献受到弹性悬置元件13和弹性悬置元件18的动作的影响，并且随后以无衰减的方式传递给感测质量块10。驱动质量块7上的科里奥利力替代地被弹性悬置元件11完全平衡。

相对于对角速率检测有用的贡献，杂散贡献的权重因而被减弱，相应地信噪比得到了提升。

图3示出了本发明不同的实施例。在这种情形下，除了控制设备和读取设备(未示出)之外，微机电陀螺仪100还包括衬底102和微结构103。

微结构103包括两个致动质量块106、两个驱动质量块107、两个换能质量块108以及四个可动感测结构110，它们全部关于中心锚固109对称地布置。

更具体地，致动质量块106相对于中心锚固109被对称地布置并且在致动方向上对齐。致动质量块106弹性地耦合到衬底102以用于在固定的致动方向上振动。到衬底102的连接通过弹性元件111来获得以用于连接至相应的外端。通过弹性连接元件112和桥113，两个致动质量块106进一步耦合在一起，其依次连接到中心锚固109。桥113由围绕中心锚固的支架限定并且连接到锚固以能够相对于两个垂直轴在平面外振动。

致动质量块106被配置有相应的可动致动电极的集合115a，可动致动电极115a以梳齿状配置电容耦合到固定到衬底2上的定子致动电极115b。控制设备(未示出)使用可动致动电极115a和定子致动电极115b，来保持致动质量块106相对于致动方向以受控的频率和幅度以及例如共同的相移进行振动。

驱动质量块107相对于中心锚固109被对称地布置并且在垂直于致动方向的驱动方向D1’上对齐。驱动质量块107弹性地耦合到衬底102和致动质量块106以用于在驱动方向D1’上振动。特别地，每个驱动质量块107通过相应的弹性悬置元件117耦合到两个致动质量块106，弹性悬置元件117被配置为将致动质量块106在致动方向上的运动转化为驱动质量块107在驱动方向D1’上的运动。致动质量块106在致动方向上的共同相移的振动运动导致驱动质量块107在驱动方向D1’上的相应的共同相移的振动运动。

驱动质量块107进一步通过弹性悬置元件118耦合到衬底10以及通过弹性连接元件120耦合到桥113。弹性悬置元件118和弹性连接元件120被配置为防止驱动质量块107横向于驱动方向D1’的移动。

每个换能质量块108通过弹性连接元件121弹性地耦合到驱动质量块107中的相应驱动质量块。换能质量块108关于中心锚固109对称布置。弹性连接元件121被配置为使得换能质量块108能够相对于驱动质量块107在垂直于驱动方向D1’的换能方向D2’上相对移动，以及防止换能质量块108相对于驱动质量块107在驱动方向D1’上相对移动(在一个实施例中，换能方向D2’平行于致动方向)。

耦合到每个换能质量块108的是相对于换能方向D2’在相对侧上的两个相应的可动感测结构110。

每个可动感测结构110包括支架115和可动感测电极的集合126a，相应的支架115支撑可动感测电极的集合126a。支架115弹性地约束到相应的换能质量块108和衬底102，并且可相对于衬底在换能方向D2’上以及相对于相应的换能质量块108在驱动方向D1’上移动。

支架115到衬底102的弹性连接通过弹性悬置元件128来获得，弹性悬置元件128被配置为使得支架115能够相对于衬底102在换能方向D2’上振动，并且防止支架115相对于衬底102在驱动方向D1’上的移动。

支架115到相应的换能质量块108的弹性连接通过弹性悬置元件129来获得，弹性悬置元件129被配置为使得换能质量块108能够相对于相应的支架115在驱动方向D1’上振动，并且防止支架115与相应的换能质量块108之间在换能方向D2’上的相对移动。

可动感测结构110电容耦合至相应的定子感测结构130，该定子感测结构130包括固定到衬底102的相应的定子感测电极的集合126b。特别地，可动感测电极126a和定子感测电极126b根据平行板机制耦合并并且根据在换能方向D2’上可动感测结构110相对于衬底102的位置来限定具有电容变量的电容器。

在所述的实施例中，致动质量块106和驱动质量块107可以被约束到衬底102，使得相应的平面外的旋转运动被允许。实际中，致动质量块106和驱动质量块107的弹性连接元件可被配置为实现绕平行于驱动方向D1’(对于致动质量块106)或换能方向D2’(对于驱动质量块107)的相应轴的旋转。在这种情况下，致动质量块106和驱动质量块107可被电容耦合到被布置在衬底102的相应部分上的电极(未示出)。这使得提供多轴陀螺仪成为可能，其还可以检测衬底102还相对于平行于驱动方向D1’或换能方向D2’(实际中，平行于衬底102的表面)的轴的旋转。

同样在这种情况下，换能质量块108和可动感测结构110与驱动质量块107分离，并且被耦合以用于妨碍杂散移动(由于约束缺陷所致)到感测结构的传递。实际中，支架115与衬底102之间的弹性悬置元件128以及换能质量块108与相应的支架115之间的弹性悬置元件129希望有该结果。

图4中示出根据本公开的实施例的电子系统200的一部分。系统200并入机电变换器1，并且可以被用在诸如可能具有无线连接能力的笔记本电脑或平板电脑、蜂窝电话、智能电话、消息收发设备、数字音乐播放器、数码相机之类的设备或其他设计为处理、存储、发送或接收信息的设备中。特别地，电声变换器1可被用于执行语音控制功能，例如在计算机的动作激活的用户接口中或视频游戏的控制台或卫星导航装置中。

电子系统200可包括控制单元210、输入输出(I/O)设备220(例如，键盘或显示屏)、陀螺仪100、无线接口240和易失性或非易失性类型的存储器260，其通过总线250偶合在一起。在一个实施例中，电池280可被用于为系统200供电。应该注意的是，本公开的范围并不限于必定具有一个或所有列出设备的实施例。

控制单元210可包括例如一个或多个微处理器、微控制器类似设备。

I/O设备220可被用于生成消息。系统200可使用无线接口240来发送消息至具有射频(RF)信号的无线通信系统或接收来自于该系统的消息。无线接口的示例可包括天线、无线收发器，例如偶极子天线，尽管本公开的范围并不限于此。进一步地，I/O设备220可提供表示存储的内容是以数字输出形式(如果已经存储了数字信息)或以模拟信息形式(如果已经存储了模拟信息)的电压。

上面描述的不同实施例可被组合以提供进一步的实施例。可以根据上面的详细描述对实施例做这些或其他改变。一般而言，在随后的权利要求中，使用的术语应不被解释为限制权利要求为在说明书和权利要求中所公开的具体实施例，而应该被解释为包括所有可能的实施例连同权利要求所要求保护的等同的全部范围。相应地，权利要求并不限于本公开内容。

Claims (21)

1.一种微机电陀螺仪，包括：

衬底；

固定到所述衬底的定子感测结构；

第一质量块，其被弹性地耦合到所述衬底并且能够相对于所述衬底在第一方向上移动；

第二质量块，其被弹性地耦合到所述第一质量块并且能够相对于所述第一质量块在第二方向上移动；以及

第三质量块，所述第三质量块按照使得所述第三质量块能够相对于所述第二质量块在所述第一方向上移动的方式而被弹性地耦合到所述第二质量块，并且所述第三质量块按照使得所述第三质量块能够相对于所述衬底在所述第二方向上移动的方式而被弹性耦合到所述衬底；所述第三质量块被电容耦合到所述定子感测结构。

2.根据权利要求1所述的陀螺仪，包括所在述衬底与所述第三质量块之间的第一弹性元件，所述第一弹性元件被配置为使得所述第三质量块能够相对于所述衬底在所述第二方向上移动并且防止所述第三质量块相对于所述衬底在所述第一方向上的移动。

3.根据权利要求2所述的陀螺仪，包括在所述第三质量块与所述第二质量块之间的第二弹性元件，所述第二弹性元件被配置为使得所述第三质量块能够相对于所述第二质量块在所述第一方向上移动并且防止所述第三质量块相对于所述第二质量块在所述第二方向上的移动。

4.根据权利要求3所述的陀螺仪，包括在所述衬底与所述第一质量块之间的第三弹性元件，所述第三弹性元件被配置为使得所述第一质量块能够相对于所述衬底在所述第一方向上移动并且防止所述第一质量块相对于所述衬底在所述第二方向上的移动。

5.根据权利要求4所述的陀螺仪，包括在所述第一质量块与所述第二质量块之间的第四弹性元件，所述第四弹性元件被配置为使得所述第二质量块能够相对于所述第一质量块在所述第二方向上移动并且防止所述第二质量块相对于所述第一质量块在所述第一方向上的移动。

6.根据权利要求1所述的陀螺仪，其中所述第三质量块被耦合到所述定子感测结构，使得所述第三质量块与所述定子感测结构之间的电容由所述第三质量块相对于所述衬底的位置来确定。

7.根据权利要求1所述的陀螺仪，其中：

所述第三质量块包括被弹性地耦合到所述第二质量块和可动感测电极的集合的支撑元件；并且

所述定子感测结构包括固定到所述衬底并且被电容耦合到相应的可动感测电极的定子感测电极的集合。

8.根据权利要求1所述的陀螺仪，包括：

固定到所述第一质量块的可动驱动电极；以及

固定到所述衬底并且被电容耦合到相应的可动驱动电极的定子驱动电极。

9.根据权利要求1所述的陀螺仪，其中所述第一质量块是多个第一质量块的一个，每个第一质量块被弹性地耦合到所述衬底，所述第一质量块相对于中心锚固对称地被布置并且在所述第一方向上对齐。

10.根据权利要求9所述的陀螺仪，包括多个第四质量块，每个第四质量块被弹性地耦合到所述衬底，其中：

所述多个第四质量块相对于所述中心锚固对称地被布置并且在垂直于所述第一方向的致动方向上对齐；

每个第一质量块通过相应的另外的弹性悬置元件被耦合至每个所述第四质量块，每个第一质量块被配置为将所述第四质量块在所述致动方向上的移动转换为所述第一质量块在所述第一方向上的移动。

11.根据权利要求10所述的陀螺仪，其中所述第一质量块和所述第四质量块通过桥被耦合到所述中心锚固，所述桥由围绕所述中心锚固的支架限定并且被耦合到所述中心锚固，所述桥被配置为在平面外振动。

12.根据权利要求9所述的陀螺仪，其中所述第二质量块是多个第二质量块的一个，每个第二质量块被弹性地耦合到所述第一质量块中的相应的第一质量块并且相对于所述中心锚固对称地被布置。

13.根据权利要求12所述的陀螺仪，包括，对于每个第二质量块，两个相应的第三质量块相对于所述第二方向位于相对侧。

14.根据权利要求1所述的陀螺仪，其中所述第二方向垂直于所述第一方向。

15.一种电子系统，包括：

微机电陀螺仪，所述微机电陀螺仪包括：

衬底；

固定到所述衬底的定子感测结构；

第一质量块，其被弹性地耦合到所述衬底并且能够相对于所述衬底在第一方向上移动；

第二质量块，其被弹性地耦合到所述第一质量块并且能够相对于所述第一质量块在第二方向上移动；

被耦合到所述第二质量块的第一弹性元件；

被耦合到所述衬底的第二弹性元件；以及

第三质量块，通过所述第一弹性元件被耦合到所述第二质量块以使得所述第三质量块能够在所述第一方向上移动而同时防止在所述第二方向上的移动，所述第三质量块通过所述第二弹性元件被弹性地耦合到所述衬底以使得能够在所述第二方向上移动而同时防止在所述第一方向上的移动，所述第三质量块被电容耦合到所述定子感测结构；以及

被耦合到所述陀螺仪的控制单元。

16.根据权利要求15所述的电子系统，其中所述电子系统是笔记本电脑、平板电脑、蜂窝电话、智能电话、消息收发设备、数字音乐播放器和数码相机中的至少一个。

17.根据权利要求15所述的电子系统，其中所述第一质量块是多个第一质量块中的一个，每个第一质量块被弹性地耦合到所述衬底，所述多个第一质量块相对于中心锚固对称地被布置并且在所述第一方向上对齐。

18.一种感测角速率的方法，所述方法包括：

在第一方向上相对于衬底振动第一质量块，所述第一质量块被弹性地耦合到所述衬底；

感测第二质量块在第二方向上的位移，所述第二质量块被弹性地耦合到所述第一质量块并且能够相对于所述第一质量块在所述第二方向上移动；以及

感测第三质量块的位移，所述第三质量块被电容耦合到所述衬底上的定子感测结构并且被弹性地耦合到所述第二质量块和所述衬底，所述第三质量块能够相对于所述衬底在所述第二方向上以及相对于所述第二质量块在所述第一方向上移动。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第三质量块按照使得能够在所述第一方向上移动而限制在所述第二方向上的移动的方式而被弹性地耦合到所述第二质量块，并且按照使得能够在所述第二方向上移动而限制在所述第一方向上的移动的方式而被弹性耦合到所述衬底。

20.根据权利要求19所述的方法，其中感测所述第二质量的位移包括感测能够相对于所述第一质量块在所述第二方向上移动的多个第二质量块的位移。

21.根据权利要求18所述的方法，其中所述第二方向垂直于所述第一方向。