CN107636419B - 振动微机械角速度传感器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种传感器结构和一种用于操作角速度的振动传感器的方法，其中振动传感器包括旋转质量块(103)和两个线性移动质量块(101、102)。传感器结构包括两个T形杆(218、219)，每个T形杆与两个线性移动质量块(101、102)耦接并且耦接至旋转质量块(103)。T形杆(218、219)使得旋转质量块(103)和两个线性移动质量块(101、102)能够被激励进入反相位主模式，在反相位主模式下旋转质量块(103)的角动量的方向与线性移动质量块(101、102)的角动量的方向相反。旋转质量块(103)和线性移动质量块(101、102)的角动量在很大程度上彼此抵消，使得结构的角动量的总和非常小。与例如平行相位主模式的其他可能的主模式的标称频率相比，反相位主模式的标称频率明显低。

Description

振动微机械角速度传感器及其操作方法

技术领域

本发明涉及用于测量角速度的测量装置，特别涉及独立权利要求1的前序部分中所限定的角速度的振动传感器。本发明还涉及微机械陀螺仪元件，尤其涉及能够测量具有两个或三个自由度的角速度的陀螺仪元件。本发明还涉及独立权利要求11的前序部分中所限定的用于操作角速度的振动传感器的方法。

背景技术

国际专利申请公布WO2009/127782提出了用于测量相对于两个或三个轴的角速度的微机电MEMS传感器。它具有三个质量块：一个旋转质量块和两个线性振动(seismic)质量块。线性振动质量块用柔性弹簧耦接至旋转质量块。线性振动质量块被激励成振动，并且旋转质量块跟随线性振动质量块的方向，使得从旋转质量块和两个线性质量块得到的角动量总是相互具有相同的方向，在顺时针与逆时针之间改变。

术语线性移动质量块、直线移动质量块或简单线性质量块是指质量块的预期的线性主移动，而不是质量块的形式或形状。线性移动质量块意在被激励成沿着轴的线性主振荡运动，而不是围绕旋转轴的旋转主运动。

使用角速度的振动传感器测量角速度或角速率(角速度矢量的绝对值)已知是简单且可靠的构思。在角速度的振动传感器中，在传感器中产生并保持一个或多个振动质量块的主运动。然后，将要测量的运动检测为与主运动的偏差。

在MEMS陀螺仪中，使用机械振荡作为主运动(primary motion)，机械振荡也被称为主运动或主模式。当振荡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。这在主振荡的频率处产生与主运动和/或角运动的轴正交的次级振荡，次级振荡也被称为感测模式。该耦合的振荡的振幅可以用作角速率即角速度的绝对值的量度。

在陀螺仪装置中，多个移动质量块的组合除了总线性动量之外还可能引起总角动量，这两者都可能在陀螺仪装置中引起一些问题。例如，除了在启动时间期间引起的问题之外，非零总动量还可能引起速率偏移的不稳定性、速率信号噪声、对外部机械冲击和振动的敏感性和/或与外部机械冲击和振动冲突，这将在后面更详细地描述。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服现有技术的缺点，特别是减轻由非零总角动量引起的问题的方法和装置。本发明的目的通过根据权利要求1的特征部分的装置来实现。本发明的目的还通过根据权利要求11的特征部分的方法来实现。

本发明的实施方式具有以下优点：根据权利要求的传感器元件使得能够以良好的性能可靠地测量角速度。所介绍传感器元件结构具有反相位主模式，其具有低的标称频率和非常低的总角动量。低标称频率有助于整个传感器装置的机械鲁棒性。低的总角动量降低传感器元件的可检测振动。因此，没有或很少的振动能量泄漏到传感器元件之外，这提高了传感器装置Q值的稳定性。

根据第一方面，提供了一种用于角速度的振动传感器的结构，其中，振动传感器至少包括旋转质量块和两个线性移动质量块。该结构包括两个T形杆，每个T形杆通过柔性弹簧耦接至两个线性移动质量块和旋转质量块。T形杆使得旋转质量块和两个线性移动质量块能够被激励进入反相位主模式，其中，旋转质量块的相对于结构的几何中心的角动量的方向与线性移动质量块的角动量的方向相反。

根据第二方面，两个T形杆对称地位于旋转质量块的第一相对侧。

根据第三方面，所述线性移动质量块对称地位于旋转质量块的第二相对侧。

根据第四方面，传感器还包括激励装置，用于激励两个线性移动质量块进入装置的平面内的线性主振荡运动，并且两个T形杆被配置成将两个线性移动质量块的线性主振荡运动传递成旋转质量块的旋转主运动，旋转主运动发生在装置的平面内。

根据第五方面，线性主振荡运动被配置成分别沿着两个平行第一轴发生，其中，两个线性移动质量块被配置成以相反相位移动，并且两个平行第一轴以非零距离分开，并且旋转质量块的旋转主运动被配置成围绕垂直于装置的平面的第二轴发生。

根据第六方面，耦接至旋转质量块和线性移动质量块的T形杆的端部形成等腰三角形，并且每个T形杆包括在第一杆的长度的大致中间处附接至第一杆的第二杆，并且/或者第二杆与第一杆呈90度的角度附接。

根据第七方面，T形杆还使得旋转质量块和两个线性移动质量块能够被激励进入平行相位主模式，在平行相位主模式下旋转质量块的角动量的方向与线性移动质量块的角动量的方向相同。

根据第八方面，反相位主模式的标称频率低于平行相位主模式的标称频率。

根据第九方面，反相位主模式具有小于旋转质量块和两个线性移动质量块的角动量的绝对值之和的5％的总角动量。

根据第十方面，该结构还包括两个支承框架，其中两个支承框架中的每个非柔性地耦接至第一悬挂结构，并且两个支承框架中的每个用柔性弹簧耦接至至少两个第二悬挂结构。两个支承杆中的每个用至少两个柔性弹簧耦接至线性移动质量块之一。

根据用于操作角速度的振动传感器的第一方法方面，该振动传感器至少包括旋转质量块和两个线性移动质量块，该方法包括设置旋转质量块和两个线性移动质量块进入反相位主模式，其中，旋转质量块的相对于结构的几何中心的角动量的方向与线性移动质量块的角动量的方向相反。

根据第二方法方面，该方法包括使用两个T形杆设置旋转质量块和两个线性移动质量块进入反相位主模式，其中，每个T形杆用柔性弹簧耦接至两个线性移动质量块和旋转质量块。

根据第三方法方面，设置旋转质量块和两个线性移动质量块进入反相位主模式包括：激励两个线性移动质量块进入装置的平面内的线性主振荡运动，以及使用两个T形杆将两个线性移动质量块的线性主振荡运动传递成旋转质量块的旋转主运动，旋转主运动发生在装置的平面内。

根据第四方法方面，线性主振荡运动沿着两个平行第一轴发生，其中两个线性移动质量块以相反相位振荡，并且其中，两个平行第一轴彼此相距非零距离，并且旋转主运动围绕垂直于装置的平面的第二轴发生。

根据第五方法方面，两个T形杆对称地位于旋转质量块的第一相对侧。

根据第六方法方面，两个线性移动质量块对称地位于旋转质量块的第二相对侧。

根据第七方法方面，反相位主模式具有小于旋转质量块和两个线性移动质量块的角动量的绝对值之和的5％的总角动量。

根据第九方法方面，所述T形杆还使得旋转质量块和两个线性移动质量块能够被激励进入平行相位主模式，在平行相位主模式下旋转质量块的角动量的方向与线性移动质量块的角动量的方向相同。

根据第十方法方面，反相位主模式的标称频率低于平行相位主模式的标称频率。

根据第十一方法方面，两个线性移动质量块还由两个支承框架支承，支承框架减少两个线性移动质量块在线性主振荡运动期间离开装置的平面的移动。

附图说明

在下文中，将结合优选实施方式参照附图更详细地描述本发明，在附图中：

图1a是传感器元件的主要结构部件的示意图。

图1b示出了传感器元件的实施方式。

图2a示意性地示出了振荡的第一主模式。

图2b示出了振荡的第一主模式的MEMS实施方式。

图2c示意性地示出了振荡的第二主模式。

图2d示出了振荡的第二主模式的MEMS实施方式。

图3示意性地示出了传感器装置。

图4示出了传感器元件的替选实施方式。

具体实施方式

关于“装置的平面”，“结构的平面”，“传感器的平面”，“质量块的平面”或“旋转质量块的平面”，指的是由传感器装置的惯性质量块在没有被激励成任何移动时处于它们的初始位置而形成的平面。在本文献的图中的坐标中，该平面对应于xy平面。物理装置的惯性质量块在z轴方向上具有非零厚度。这些质量块的平面应该被理解为包括包含在相应的所提及的结构元件的厚度内的平面。

术语“线性移动质量块”是指意在具有线性主振荡运动即沿着给定轴的纵向振荡的振动质量块，以将意在具有这样的线性主振荡运动的振动质量块与意在具有旋转主运动的振动质量块区分开。线性移动质量块可以具有根据传感器装置的设计和预期用途的各种次级感测运动模式。

术语“旋转质量块”是指意在具有旋转主运动并且能够且意在围绕一个、两个或三个自由轴旋转的振动质量块，其中，围绕一个特定轴的旋转运动是主模式的一部分，而围绕一个或两个其它轴的旋转运动可以用于次级感测运动。虽然“线性主振荡运动”是指线性移动质量块的运动，“旋转主运动”是指旋转质量块的运动，但是“主模式”代表当被激励成主运动时传感器元件的所有惯性部件的移动的组合。

在惯性MEMS装置中，弹簧结构由通常具有均匀横截面的梁(beam)构成。然而MEMS技术本质上是平面的，所以梁的尺寸，特别是在z轴的尺寸或厚度方面受到限制。因此，MEMS装置的可移动部件可以被认为在xy平面中基本上形成平面结构。梁的长度和宽度以及形状可以变化。在本说明书中，术语“弹簧”用于意在作为柔性弹簧工作的任何类型的直的、折叠的或弯曲的梁结构。例如，弹簧可以是这样的结构：其中窄的梁已经被折叠一次或更多次，从而允许在至少一个方向上的弹性运动。直的梁可以作为弹簧工作，当其刚度低时，允许梁扭曲或弯曲或者扭转移动。术语“杆”是指意在是刚性的结构，即不像弹簧那样是柔性的。它们可以形成为梁或多于一个梁的组合，它们可以包括更复杂的结构。

图1a示意性地示出了传感器元件的主要结构部件。图1b示出了同一传感器元件的示例性实施方式，其中具有更多一些的实施细节。这些图在这里同时描述，并且当可见时，共有的结构元件具有相同的附图标记。然而该图意在解释传感器元件内的惯性运动元件的本质和功能，所以在这些图中未示出传感器元件的支承体。传感器的支承体可以包括在装置层下方的处理晶片(handle wafer)，其中，装置层悬挂在处理晶片上方。装置层包括传感器的所有惯性和可移动部件，包括这里描述的结构部件。

根据图1a和图1b的传感器元件具有至少两个线性移动质量块(101、102)以及旋转质量块(103)。线性移动质量块(101、102)被激励成平面内的主运动，并且它们可以用于感测围绕z轴的角速度。更具体地，线性移动质量块被激励进入沿x轴的方向在质量块的平面内发生的线性主振荡运动。关于x轴的方向，这意味着运动意图是主要在x轴的方向上发生，尽管可能会发生该方向的一些偏差，即，由于物理装置的非理想性。在不脱离范围的情况下，允许在正常工作公差范围内的与精确的意图方向的偏差。当围绕z轴的角速度影响线性振荡线性移动质量块(101、102)时，在y轴方向上引起科里奥利力，并且线性移动质量块(101、102)可以开始在y轴方向上的检测运动。旋转质量块(103)被激励进入围绕垂直于质量块的平面的z轴的旋转主运动，并且该旋转质量块可以用于检测平面内的角速度。线性移动质量块的结构可以变化。它们每个可以仅包括单个移动质量块，或者它们每个可以包括至少两个移动质量块。例如，每个线性移动质量块可以包括内部移动质量块和外部移动质量块，其中，外部移动质量块也被称为框架。在另一替选方案中，每个线性移动质量块可以包括在框架内的多于一个的移动质量块。不同移动质量块的目的是为质量块提供对于主模式和次级感测运动(感测模式)所需的自由度。线性移动质量块的结构的细节对于熟悉振动微机械传感器的人员是已知的，为了简单起见，这里不再详细描述。以下示例将示出一些示例性实施方式。

旋转质量块(103)通常使用在悬挂结构(106)与旋转质量块(103)之间的柔性弹簧(118，为了清楚起见，在图1a中未示出)被支承到传感器元件的本体，其中，悬挂结构(106)基本上在旋转质量块(103)的中间，有时被称为锚固件(anchor)，柔性弹簧(118)允许旋转质量块(103)围绕旋转质量块(103)结构的中心旋转。在这种布置中，旋转质量块(103)的主旋转围绕z轴发生在旋转质量块(103)的平面中，在xy平面中，z轴穿过传感器元件和旋转质量块(103)的几何中心。旋转质量块(103)的平面或传感器元件的平面指的是处于静止状态时，即，当没有被激励成任何运动时由传感器元件形成的平面。

传感器元件可以通过布置在线性移动质量块的端部的激励梳(comb)(未示出)来被激励，但是可以使用本领域技术人员已知的用于对装置进行激励的任何其它的方法和结构。例如，可以替选地使用压电激励。关于图2a至图2d进一步解释了主振荡移动和主模式。

为了激励旋转质量块(103)进入期望的旋转主运动，装置具有下面将要解释的梁和弹簧布置。两个线性移动质量块(101、102)通过第一杆(110、112)彼此耦接，其中，第一杆是刚性的，即不允许任何显著的弯曲或扭曲。这些第一杆(110、112)用柔性弹簧(120、121、122、123)耦接至两个线性移动质量块(101、102)。如果线性移动质量块(101、102)仅由一块制成，则柔性弹簧将耦接至质量块本身。在线性移动质量块(101、102)具有内部质量块和外部质量块的情况下，柔性弹簧将自然地耦接至外部质量块，即框架。通过添加另外的第二杆(114、116)，每个第一杆结构通过另外添加第二杆(114、116)而进一步增强成杆式T形杆结构，其中，每个另外的第二杆分别通过柔性弹簧(115、117)将两个第一杆(110、112)之一耦接至旋转质量块(103)。第一杆(110)和第二杆(114)一起形成与由第一杆(112)和第二杆(116)形成的T形杆基本上类似的T形杆，T形杆位于旋转质量块(103)的相对侧。形成T形杆的这些不同的梁结构优选地在同一制造步骤期间被制造，即对于梁不需要特定的“耦接”、“附接”或“连接”，但是它们可以通过图例如掩模工艺和蚀刻工艺的案化工艺形成在单个硅晶片上，其中可以使用至少一些普通的制造工艺步骤来产生所有传感器结构。

当装置处于静止状态时，两个T形杆结构优选地位于对称位置，使得第二杆(114、116)耦接至它们之间的旋转质量块(103)，并且T形杆放置在旋转质量块(103)的两个相对侧彼此相对，并且包括旋转质量块(103)和将旋转质量块耦接至悬挂结构(106)的弹簧的旋转系统相对于穿过旋转质量块(103)的中心的至少一个轴对称。在该示例中，系统相对于x轴和相对于y轴都对称。在本示例中，旋转质量块(103)是四边形的，并且T形杆在与线性移动质量块(101、102)不同的相对侧上，使得线性移动质量块(101、102)或T形杆出现在旋转质量块(103)的每一侧。悬挂结构(106)可以存在于基本上在旋转质量块(103)的中间的壳体(enclosure)中，将旋转块悬挂于装置本体。在该图中未示出装置本体，但是可以理解为存在装置体，即存在于所示出的传感器元件的下方或顶部。旋转质量块(103)可以用弹簧(118)与悬挂结构(106)悬挂在旋转质量块(103)的平面中，弹簧(118)允许旋转质量块(103)在至少一个方向上旋转，即围绕至少一个轴。在本示例中，将旋转质量块(103)耦接至悬挂结构(106)的弹簧结构(118)可以允许旋转质量块(103)围绕所有三个轴(x、y、z)旋转。除了基本上在旋转质量块(103)的中间的壳体内的悬挂结构(106)之外，还可以存在多个另外的悬挂结构(107)，用于当处于静止状态和/或当被激励进入质量块的平面中发生的主模式时将在质量块的预期的平面中的传感器元件悬挂在处理晶片上方。弹簧布置允许旋转质量块(103)和线性移动质量块(101、102)相对于悬挂结构(106、107)移动。传感器元件可以包括另外的结构部件，例如驱动和检测梳和/或弹簧或其他驱动元件、附加的悬挂结构等。在图1a和1b的示意图中并未示出所有这些结构和元件，而仅示出了理解所要求保护的发明所需的部件。

虽然我们将第一杆(110或112)和第二杆(分别为114或116)的结构描述为T形杆，但是应当理解，在不脱离本发明的情况下，结构可以具有一些变化。变化可能由制造工艺中的一些非理想性引起，或者它们可能是有意的。第二杆(114、116)优选地呈90度的角度附接至相应的第一杆(110、112)，但是在没有显著地改变T形杆的功能的情况下，角度可以略微变化。类似地，第二杆(114、116)的位置可以不在相应的第一杆(110、112)的绝对中间，而是可以稍微在旁边。杆之间的顶点或梁/弹簧的弯曲中的任何角可能不是尖锐的，而是可以有点圆化，即，在顶点中可能存在倒角。在制造工艺中，一些尖角甚至也可以在没有任何设计措施的情况下通过倒角变得稍微平滑。另一方面，为了缓解顶点区域中的应力，甚至可以在顶点中设计倒角。在顶点区域中可能存在一些有意添加的材料，即用于减轻应力或增加T形杆的刚性。此外，刚性杆可以包括横截面不均匀的梁。形成T形的第一杆和/或第二杆甚至可以是曲线的或者包括曲线部分或弯曲部分。T形杆的任何变型都在范围内，只要耦接至振动质量块(101、102、103)的T形杆的三个端部形成等腰三角形，使得第一杆(110或112)的每个端部与第二杆(分别为114或116)的端部之间的距离基本相等。

图2a、图2b、图2c和图2d描述了由对应于在图1a和图1b中的刚性线性梁(110、112)和第二杆(分别是114、116)的组合的T形杆结构(218、219)所实现的几种可能的运动模式的两个示例。图2a和图2b是第一主模式的示意图，图2a是更一般的示意图，图2b示出了具有在MEMS装置中实现的更多结构细节的第一主模式的实施方式。图2c和图2d示出了与第一主模式不同的第二主模式，图2c是一般的示意图，图2d示出了具有在MEMS装置中实现的更多结构细节的第二主模式的示例性实施方式。耦接线性移动质量块(101、102)和旋转质量块(103)的T形杆(218、219)实现至少两种移动模式，所述至少两种移动模式彼此之间显著不同之处不仅在于不同结构部件的相对移动方向，还在于不同移动模式的标称频率。

优选地，通过使两个线性移动质量块(101、102)在装置的平面内以线性主振荡运动，在x轴方向上振荡，方式移动来激励该系统。每个线性移动质量块(101、102)沿着距x轴和距彼此非零距离的与x轴平行的不同的轴移动。当结构不受外力激励时，它保持在我们可以称为平衡状态的位置。线性移动质量块(101、102)可以被激励进入具有给定频率的振荡，其中线性移动质量块(101、102)首先从平衡状态移开，直到它们达到距平衡状态的设定位移，然后往回朝平衡状态移动，并且进一步继续向相反方向的移动到设定位移，并且移动的方向再次改变以返回到平衡状态。例如，在图2a、图2b、图2c、图2d中，上线性移动质量块(101)已向右移动，而下线性移动质量块(102)已向左移动。因此，两个线性移动质量块(101、102)沿着被定位成平行且彼此之间具有非零的距离的它们各自的轴沿相反的方向移动。还可以说，两个线性移动质量块的线性主振荡运动的相位是相反的。在示意图中以虚线箭头指示已使线性移动质量块(101、102)处于其当前位置的移动的方向。在所有图2a、图2b、图2c、图2d中，还可以注意到，在首次处于平衡状态之后，为了达到线性移动质量块(101、102)的当前位置，线性移动质量块(101、102)已经移动到在围绕位于旋转质量块(103)和整个传感器结构的几何中心的旋转轴(z轴)的顺时针方向具有角动量的方向。在下一个振荡周期中，线性移动质量块(101、102)在逆时针方向具有总角动量，到达可以被描述为当相对于y轴镜像时的图2a至图2d的镜像的位置。周期往回朝如图2a、图2b、图2c、图2d所示的位置继续，其中线性移动质量块(101、102)在围绕旋转轴(z轴)的顺时针方向具有角动量。在线性主振荡运动期间，除了预期的线性主振荡运动之外，线性移动质量块(101、102)的移动甚至可以具有一些其他的移动分量，例如不期望的正交移动。可以通过本领域技术人员已知的任何方法来减少正交移动。鉴于本发明意在改进的主模式，关于线性移动质量块(101、102)的主要兴趣是由上述主模式下的直线运动引起的线性主振荡运动和角动量，其中两个线性移动质量块(101、102)以相反相位振荡并且引起关于旋转质量块(103)的几何中心处的共同旋转轴(z轴)的净(总)角动量，其中旋转质量块(103)的几何中心也是整个传感器结构的几何中心。

线性移动质量块(101、102)的线性主振荡运动使得旋转质量块(103)围绕旋转质量块(103)的中心旋转。该运动被称为旋转质量块(103)的旋转主运动。线性振荡运动由T形杆(218、219)朝旋转质量块(103)传递，使得旋转质量块(103)开始其自身的特征性主移动。将两个线性移动质量块(101、102)和旋转质量块(103)组合在一起的柔性弹簧和T形杆结构(218、219)引起影响旋转质量块(103)的力，并且它引起了具有由线性移动质量块(101、102)的线性主振荡运动设定的频率的振荡旋转运动。

当用例如直梁、折叠梁、U形弹簧或蛇形弹簧的柔性弹簧将刚性T形杆(218、219)耦接至三个移动质量块时，刚性T形杆(218、219)实现旋转质量块(103)在所需方向上的旋转自由。该旋转自由向传感器元件提供了至几种不同主振荡模式的能力，后面将更详细地解释两个示例性振荡模式。

图2a和图2b示出了第一主模式，其中线性移动质量块(101、102)和旋转质量块(103)以称为反相位主模式的方式移动。在该模式下，旋转质量块(103)以与线性移动质量块(101、102)的相位相反的相位旋转。当线性移动质量块(101、102)达到在它们沿使得线性移动质量块(101、102)具有顺时针方向的角动量的方向运动之后它们达到峰值位置的位置时，旋转质量块(103)在旋转到逆时针方向之后达到其峰值位置。在朝该峰值位置的移动期间，旋转质量块(103)围绕位于旋转质量块(103)的中心的旋转轴(z轴)具有角动量，旋转质量块(103)的角动量在与由线性移动质量块(101、102)的移动引起的角动量相反的方向上。不同元件中的移动和动量的方向由虚线箭头示出。当振荡转到下一旋转相位时，相似的状况和动量的相对方向将继续。线性移动质量块(101、102)具有相对于位于原点(即，在旋转质量块(103)的几何中心)的旋转轴(z轴)的在逆时针方向上的组合角动量，而旋转质量块(103)具有相对于同一旋转轴(z轴)顺时针方向上的角动量。基于三个质量块、T形杆、弹簧和系统的整体结构的设计和惯性，当其达到这样的稳定的反相位振荡运动时存在某个频率。该频率可以称为反相位驱动模式的标称频率。当线性移动质量块(101、102)和旋转质量块(103)已经被恰当设计时，线性移动质量块(101、102)的角动量之和与旋转质量块(103)的角动量相反并且在强度方面几乎相等，使得角动量在很大程度上彼此抵消，并且与这种系统可能具有的几乎任何其他旋转模式相比，振荡系统的剩余总角动量非常低。还可以注意到，甚至T形杆(218、219)也在与旋转质量块(103)的旋转相反的方向上旋转。虽然T形杆(218、219)未被固定到任何旋转中心，但它们也可以具有相对于旋转质量块(103)的旋转轴的某角动量。当设计具有最小总角动量的系统时，即使由实际上其本身具有一定质量的T形杆(218、219)引起的角动量也可以考虑在内，但是为了简单起见，这里省略。

系统中移动质量块的剩余总角动量的比率可以描述为：

其中Llinear1和Llinear2分别代表线性移动质量块(101、102)的角动量，Lcenter代表旋转质量块(103)的角动量。线性移动质量块(101、102)的角动量Llinear1、Llinear2被理解为包括线性移动质量块(101、102)的总动量的分量，该分量具有针对在任何时刻从旋转质量块(103)的中心绘制的半径的切线方向。虽然线性移动质量块(101、102)的移动不是旋转的，但是旋转质量块(103)的中心与线性移动质量块(101、102)中的每个的重心之间的半径当线性移动质量块(101、102)处于线性主振荡运动时随着时间而稍微改变。当线性移动质量块(101、102)的振荡的频率优选地低于下面将描述的第二主模式下的振荡的频率时，发生图2a的反相位主模式。这两个标称振荡频率的显著差异有助于装置的鲁棒性。在适当确定旋转质量块(103)和线性移动质量块(101、102)(以及可选择地，还有T形杆(218、219))的尺寸的情况下，在该第一主模式下，系统的剩余总动量Lremaining可以是这些质量块的角动量的绝对值之和的5％或更少。例如，在模拟中已经实现了角动量的绝对值之和的4％的总角动量值。

图2c和图2d描述了可以被称为平行相位主模式或寄生模式的第二主模式。当线性移动质量块(101、102)的激励频率被适当设定时，质量块的系统具有另一振荡平衡状态，在该另一振荡平衡状态中旋转质量块(103)总是具有与由线性移动质量块(101、102)引起的角动量方向相同的角动量。此外，用虚线箭头标示每个部件中的移动的方向。由于装置的所有主要惯性质量都具有沿相同方向的角动量，因此使得动量将会累积，对于系统该模式产生相当高的总角动量。该模式下的总角动量对应于等式[1]的分母。换句话说，平行相位主模式的总角动量具有对应于线性移动质量块(101、102)和旋转质量块(103)的动量的绝对值之和的总动量。此外，甚至T形杆(218、219)的角动量也具有相同的方向并且加到角动量的总和。即使由T形杆(218、219)引起的附加角动量也可以在设计中被考虑在内，但为了简单起见，这里省略。

振荡的平行相位主模式具有比振荡的反相位主模式明显高的标称频率。虽然两个振荡关于频率明显不同的，但是传感器结构可以激励成所需的具有高可靠性的反相位主模式振荡。

在示例性系统中，反相位主模式具有约8kHz的标称频率，而平行相位主模式具有超过两倍的约18kHz的标称频率。实现针对优选的主模式使用低的标称频率，这可以为传感器元件带来好处。当反相位主模式(第一主模式)被设置成最低标称频率模式时，有助于传感器元件的机械鲁棒性。

这里所述的具有多个运动振动部件的传感器元件可以具有一个或更多个另外的主模式。然而我们已描述的第一主模式(反相位主模式)可以是优选的主模式，所以我们可以将所有其他主模式称为寄生模式。图2c和图2d描述了一个示例性寄生模式，其被称为第二主模式。在优选操作模式(第一、反相位主模式)和任何寄生操作模式(即第二、平行主模式)之间的清晰标称频率间隔也提高了优选主模式的稳定性。因此，如果传感器元件的设计有助于具有尽可能远离优选主模式的标称频率的寄生模式，则这是有益的。当第一主模式具有低标称频率时，这表明寄生操作模式应该优选具有比第一主模式明显高的标称频率。

图3示意性地示出了传感器装置(305)，其中包括类似于图1a、图1b、图2a、图2b、图2c、图2d、图4a和图4b中描述的惯性元件的惯性元件以及支承惯性元件的装置本体的传感器元件(301)被放置在壳体(303)内部，壳体(303)可以包括预制的或二次成型的由塑料材料制成的封装、陶瓷封装或芯片尺寸封装。传感器元件(301)被放置在壳体(303)内部，并且用粘合剂(302)附接至壳体。壳体用盖(304)覆盖，盖(304)可以为例如镍铁合金的金属或塑料材料，即由例如镍铁合金的金属制成，或者由塑料材料制成。

对于系统具有低的总动量提供了显著的益处。当传感器元件(301)的总动量接近零时，传感器装置(305)不会对其环境产生任何振动，并且不能从外部检测到传感器装置(305)内部发生的振动。很少或没有振动能量泄漏到传感器元件(301)的外部，这种泄漏可能会引起例如传感器装置(305)Q值的稳定性等方面的问题。即使使用诸如环氧树脂的硬粘合剂将传感器元件(301)附接至其壳体(303)，低或零总动量也将减小或消除振动能量从传感器装置(305)的泄露的影响。然而，使用硬粘合剂可能另外引起对传感器元件(301)的机械干扰的增加。例如，如果使用硬粘合剂，则来自位于传感器装置(305)附近的另一谐振器的干扰可能增加，其中，所述另一谐振器比如类似类型的传感器或具有接近传感器元件(301)的谐振频率的谐振频率的其它部件。因此，已经发现使用软粘合剂的能力是有益的。

当振荡传感器元件(301)本身不会对壳体(303)产生任何显著的振动时，使用软粘合剂(302)使得能够将振动传感器元件(301)安装到壳体(303)。在存在来自传感器元件(301)的总的非零动量并且使用软粘合剂(302)将传感器元件(301)附接至壳体(303)的情况下，传感器元件(301)可能会在壳体(303)内移动，这是不能接受的。零或非常低的动量传感器元件(301)允许使用软粘合剂(302)以将传感器元件(301)附接至壳体(303)中。使用例如硅的软粘合剂(302)是有益的和值得实行的，因为它减少了来自或通过壳体和封装的即由于温度变化的通过粘合剂(302)的外部应力。因此，使用软粘合剂(302)可以实现更好的偏置稳定性和对变化的温度的感测稳定性。低的总动量还提高了驱动振荡(主模式)的总体稳定性，这在传感器元件(301)的启动期间或者当出现朝传感器装置(305)的外部冲击时特别重要。

图4a和图4b示出另一传感器元件，这些图描述了传感器元件的主要惯性部件，而未示出支承体。图4a是传感器元件的示意图，而图4b描述了物理装置的实施方式。如图1中所示，存在设置在两个线性移动质量块(101、102)之间的旋转质量块(103)。T形杆(218、219)通过柔性弹簧(120、121、122、123)将线性移动质量块(101、102)彼此连接。这里，每个线性移动质量块(101、102)包括内部质量块(101m、102m)和外部质量块(101f、102f)，后者也被称为框架。每个内部质量块(101m、102m)用在线性主振荡运动的方向上相当刚性的至少两个弹簧与相应的外部质量块(101f、102f)耦接，从而使内部质量块(101m、102m)当外部质量块(101f、102f)被激励成线性主振荡运动时跟随外部质量块(101f、102f)的运动。T形杆(218、219)现在用柔性弹簧(120、121、122、123)耦接至线性移动质量块(101、102)的框架部件(101f、102f)，并且通过柔性弹簧(115、117)耦接至旋转质量块103。类似于图1中描述的示例性装置，T形杆(218、219)可以被描述为包括在线性移动质量块(101、102)之间的第一杆和将第一杆耦接至旋转质量块(103)的第二杆，并且每个T形杆(218、219)的三个端部形成等腰三角形。旋转质量块(103)用柔性弹簧布置(图4b中的118，为清楚起见，图4a中未示出)耦接至位于外壳内的基本上位于旋转质量块(103)的中间的悬挂结构(106)，柔性弹簧布置在x方向和y方向上相对于穿过旋转质量块(103)的平面中的装置的中心的两个轴均对称。

图4b示出了第二杆和第一杆彼此接合以形成T形杆(218、219)的区域中的可能的结构变化的示例，其中，在顶点具有一些添加材料以增加结构的刚度，即防止T形杆在第一杆与第二杆的耦接区域处或附近发生弯曲。

图4a和图4b所示出的实施方式还包括另外的支承框架结构(430、432)，从而为线性移动质量块(410、412)提供进一步的支承。这些支承框架结构(430、432)直接耦接至多个悬挂结构(433、434)，其中所述悬挂结构(433、434)也可以被称为主锚固件(main anchor)。优选地，支承框架(430、432)与相应的主锚固件(433、434)固定。支承框架结构(430)用至少两个弹簧(435、436)耦接至相应的线性移动质量块(101)。支承框架结构(432)用至少两个弹簧(437、438)耦接至相应的线性移动质量块(102)。支承框架结构(430、432)的目的是改善线性移动质量块(101、102)的稳定性，特别是在z轴方向上。

图4a和图4b还示出了另外的支承布置，所述另外的支承布置具有被称为子锚固件(sub anchor)(440、444、442、443)的附加悬挂结构，子锚固件(440、444、442、443)被布置成当静止和/或在主模式下时进一步悬挂装置的预期的平面内的支承框架结构(430、432)。弹簧(450、452)将支承框架结构(430)分别与两个子锚固件(440、442)耦接。弹簧(451、453)将支承框架结构(432)分别与两个子锚固件(441、443)耦接。通过用子锚固件(440、441、442、443)改进对于支承框架结构(430、432)的悬挂，进一步增强了线性移动质量块(101、102)的主模式的稳定性，并且减小了线性移动质量块(101、102)的不期望的移动分量，特别是在z轴方向上。

图4a和图4b中示出的实施方式与图1中示出的更传统的类型的装置相比，即使在由于外部应力或热应力引起的变形下也产生随着温度变化的更稳定的速率偏移。可能的正交信号(当仅存在主运动时，质量块在z轴的方向上的无意的运动)通过附加支承框架布置被减小，并且正交信号还具有由于温度变化更小的变化。因此，当在恶劣的条件下使用传感器装置时，图4a和图4b中描述的实施方式可以是优选实施方式。

对于本领域技术人员明显的是，随着技术的进步，本发明的基本思想可以以各种方式实现。因此，本发明及其实施方式不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (17)

1.一种用于角速度的振动传感器的传感器元件结构，所述振动传感器元件结构至少包括旋转质量块、两个线性移动质量块和激励装置，所述激励装置用于激励所述两个线性移动质量块进入结构平面内的线性主振荡运动，所述结构平面是在所述传感器元件结构的惯性质量块没有被激励成任何移动时由处于所述惯性质量块的初始位置的所述惯性质量块形成，所述惯性质量块包括所述两个线性移动质量块和所述旋转质量块，其特征在于，所述传感器元件包括：

-基本上在所述旋转质量块的中间的悬挂结构，所述悬挂结构与所述旋转质量块之间有允许所述旋转质量块被激励进入所述旋转质量块的主旋转的柔性支承弹簧，所述主旋转发生在所述结构平面中；

-两个T形杆，每个T形杆通过柔性弹簧耦接至所述两个线性移动质量块和所述旋转质量块，其中，所述T形杆使得所述旋转质量块和所述两个线性移动质量块能够被激励进入反相位主模式，

其中，所述两个T形杆被构造成在所述旋转质量块和所述两个线性移动质量块被激励进入所述反相位主模式时将所述两个线性移动质量块的线性主振荡运动传递成所述旋转质量块的所述主旋转，使得所述旋转质量块的相对于所述传感器元件结构的几何中心的角动量的方向与所述线性移动质量块的角动量的方向相反。

2.根据权利要求1所述的用于角速度的振动传感器的传感器元件结构，其中，所述两个T形杆对称地位于所述旋转质量块的第一相对侧。

3.根据权利要求2所述的用于角速度的振动传感器的传感器元件结构，其中，所述线性移动质量块对称地位于所述旋转质量块的第二相对侧。

4.根据权利要求1所述的用于角速度的振动传感器的传感器元件结构，其中，主运动包括以下中的至少一个：

-所述线性主振荡运动被配置成分别沿着两个平行第一轴发生，其中，所述两个线性移动质量块被配置成以相反相位移动，并且其中，所述两个平行第一轴以非零距离分开，以及

-所述旋转质量块的旋转主运动被配置成围绕垂直于所述结构平面的第二轴发生。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的用于角速度的振动传感器的传感器元件结构，其中，

-耦接至所述旋转质量块和所述线性移动质量块的所述T形杆的端部形成等腰三角形；并且

-每个T形杆包括在第一杆的长度的大致中间处附接至所述第一杆的第二杆；并且/或者

-所述第二杆与所述第一杆以90度的角度附接。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的用于角速度的振动传感器的传感器元件结构，其中，所述T形杆还使得所述旋转质量块和所述两个线性移动质量块能够被激励进入平行相位主模式，在所述平行相位主模式下所述旋转质量块的角动量的方向与所述线性移动质量块的角动量的方向相同。

7.根据权利要求6所述的用于角速度的振动传感器的传感器元件结构，其中，所述反相位主模式的标称频率低于所述平行相位主模式的标称频率。

8.根据权利要求1至4中的任一项所述的用于角速度的振动传感器的传感器元件结构，其中，所述反相位主模式具有小于所述旋转质量块和所述两个线性移动质量块的角动量的绝对值之和的5％的总角动量。

9.根据权利要求1至4中的任一项所述的用于角速度的振动传感器的传感器元件结构，还包括：两个支承框架，其中

所述两个支承框架中的每个非柔性地耦接至第一悬挂结构，

所述两个支承框架中的每个用柔性弹簧耦接至至少两个第二悬挂结构，并且

所述两个支承框架中的每个用至少两个柔性弹簧耦接至所述线性移动质量块之一。

10.一种用于操作角速度的振动传感器的方法，所述传感器包括传感器元件结构，所述传感器元件结构至少包括旋转质量块和两个线性移动质量块，其特征在于，所述方法包括：

-使用两个T形杆设置所述旋转质量块和所述两个线性移动质量块进入反相位主模式，其中，每个T形杆用柔性弹簧耦接至所述两个线性移动质量块和所述旋转质量块，并且其中所述旋转质量块被悬挂至基本上布置在所述旋转质量块的中间的悬挂结构，其中，所述设置包括：

-激励所述两个线性移动质量块进入结构平面内的线性主振荡运动，所述结构平面是在所述传感器元件结构的惯性质量块没有被激励成任何移动时由处于所述惯性质量块的初始位置的所述惯性质量块形成；以及

-用所述两个T形杆将所述两个线性移动质量块的线性主振荡运动传递成所述旋转质量块的旋转主运动，所述旋转主运动发生在所述结构平面中，其中，所述旋转质量块的相对于所述传感器元件结构的几何中心的角动量的方向与所述线性移动质量块的角动量的方向相反。

11.根据权利要求10所述的用于操作角速度的振动传感器的方法，其中，

-所述线性主振荡运动沿着两个平行第一轴发生，其中，所述两个线性移动质量块以相反相位振荡，并且其中，所述两个平行第一轴彼此相距非零距离；并且其中，

-所述旋转主运动围绕垂直于所述结构平面的第二轴发生。

12.根据权利要求10至11中的任一项所述的用于操作角速度的振动传感器的方法，其中，所述两个T形杆对称地位于所述旋转质量块的第一相对侧。

13.根据权利要求12所述的用于操作角速度的振动传感器的方法，其中，所述两个线性移动质量块对称地位于所述旋转质量块的第二相对侧。

14.根据权利要求10至11中的任一项所述的用于操作角速度的振动传感器的方法，其中，所述反相位主模式具有小于所述旋转质量块和所述两个线性移动质量块的角动量的绝对值之和的5％的总角动量。

15.根据权利要求10至11中的任一项所述的用于操作角速度的振动传感器的方法，其中，所述T形杆还使得所述旋转质量块和所述两个线性移动质量块能够被激励进入平行相位主模式，在所述平行相位主模式下所述旋转质量块的角动量的方向与所述线性移动质量块的角动量的方向相同。

16.根据权利要求15所述的用于操作角速度的振动传感器的方法，其中，所述反相位主模式的标称频率低于所述平行相位主模式的标称频率。

17.根据权利要求10至11中的任一项所述的用于操作角速度的振动传感器的方法，其中，所述两个线性移动质量块还由两个支承框架支承，所述支承框架减少所述两个线性移动质量块在所述线性主振荡运动期间离开所述结构平面的移动。

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