CN107976180B - 频率调制mems三轴陀螺仪 - Google Patents

频率调制mems三轴陀螺仪 Download PDF

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Abstract

一种频率调制MEMS三轴陀螺仪(10)，具有：两个可移动质量块(11A，11B)；第一和第二驱动体(31A，31B)，该第一和第二驱动体通过弹性元件(41A，41B)联接至这些可移动质量块(11A，11B)，这些弹性元件在第一方向(X)上是刚性的并且在横向于该第一方向的第二方向(Y)上是柔顺的；以及第三和第四驱动体(32A，32B)，该第三和第四驱动体通过弹性元件(42A，42B)联接至这些可移动质量块，这些弹性元件在该第二方向上是刚性的并且在该第一方向(X)上是柔顺的。第一和第二驱动元件(59A)联接至该第一和第二驱动体(31A，31B)，用于使得这些可移动质量块在该第一方向上反相地平移。第三和第四驱动元件(63A)联接至该第三和第四驱动体(32A，32B)，用于使得这些可移动质量块在该第二方向上且反相地平移。平面外驱动元件(68A)联接至该第一和第二可移动质量块，用于使得在第三方向(Z)上反相地平移。移动感测电极(60A，64A，69A)根据外部角速度生成频率信号。

Description

频率调制MEMS三轴陀螺仪
技术领域
本发明涉及一种频率调制MEMS三轴陀螺仪。
背景技术
众所周知，使用MEMS(微电子机械系统)技术获得的半导体材料的集成陀螺仪利用科里奥利加速度(Coriolis acceleration)基于相对加速度原理工作。具体地，当对以近似恒定角速度转动的可移动质量块(还称为“检验质量块”)施加线性加速度时，该可移动质量块“感觉到”明显的力(被称为科里奥利力)，该力确定该可移动质量块在垂直于该线性速度并垂直于旋转轴的方向上的移位。通过检测在该明显的力的方向上的这个移位，因而可以间接地测量角速度。
所提出的MEMS陀螺仪基于两种不同原理工作：幅度调制和频率调制。
在幅度调制陀螺仪中，在与驱动方向垂直的方向(即，在对可移动质量块施加的预设线性速度的方向)上测量可移动质量块的移位幅度。具体地，在这种类型的陀螺仪中，以近似恒定速度绕第一笛卡尔轴(例如笛卡尔参考系的Z轴)转动的可移动质量块在驱动方向(例如平行于X轴)上被驱动。在这种情形下，科里奥利力引起在垂直于前两个方向的感测方向(例如在此平行于Y轴)上的移位。在感测方向上的移位与驱动性移动的幅度(其为已知的)成比例，并与外部角速度成比例，因而可以通过测量该移位来确定该外部角速度。
在QFM(正交频率调制)类型的和LFM(李萨如频率调制)类型的频率调制陀螺仪中，测量由于科里奥利力所造成的频率变化。
为了得到对上文更深的理解，可以参照QFM类型的理想频率调制陀螺仪，以便测量绕Z轴的角速度分量。在这种情况下，质量块m的可移动惯性体通过具有刚度kx和ky并允许在X和Y这两个方向上平移的弹簧系统连接至基板，并在平面的这两个方向X和Y上被驱动。
为了简单起见，假定该体为点状的并且忽略任何摩擦，由于分别沿着X轴和Y轴作用的力Fx和Fy而在这两个方向上被投影的惯性系统中的运动方程为：
Figure GDA0002833271990000021
Figure GDA0002833271990000022
这两个方向上的固有振荡频率ωox和ωoy为：
Figure GDA0002833271990000023
如果ωox＝ωoy，则共振运动是环形的，如QFM类型的操作所要求的。
当存在外部角速度Ωz(被假定为在测量间隔内以可忽略的方式变化)时，这些方程由于科里奥利力的存在而被更改并且变成：
Figure GDA0002833271990000024
Figure GDA0002833271990000025
其中，项
Figure GDA0002833271990000026
和
Figure GDA0002833271990000027
是由科里奥利力引起的，并且因此运动发生变化。具体地，频率变成ωx和ωy，并且可以用以下形式表达理想最简单情况下的解决方案：
Figure GDA0002833271990000028
Figure GDA0002833271990000029
其中，ψx和ψy是相位，并且
Figure GDA00028332719900000210
和
Figure GDA00028332719900000211
分别是沿着X轴和Y轴的振幅。
利用QFM类型操作，在这两个方向之间施加90°的相位偏移(ωxt-ωyt+ψx-ψy＝90°)。将方程[2]代入方程[1]，并考虑与所述移位相正交的非齐次项，方程的实部得出：
Figure GDA00028332719900000212
Figure GDA0002833271990000031
施加对在此所考虑的QFM操作必需的限制
Figure GDA0002833271990000032
(量
Figure GDA0002833271990000033
和
Figure GDA0002833271990000034
在下文中还将分别被表示为vya和vxa，只要它们代表振荡速度在这两个方向上的振幅)，并根据ωx和ωy来解方程[3]，我们得到：
ωx-ωox＝-Ωz
ωy-ωoy＝-Ωz
频率变化测量因此使得能够对角速度Ωz进行测量。
对于三轴陀螺仪(再次基于上述的理想假设)，惯性体能够在这三个方向上相对于基板自由地平移。当存在外部角速度分量Ωx、Ωy、Ωz时，可以将方程写作：
Figure GDA0002833271990000035
在操作过程中，施加关系式
Figure GDA0002833271990000036
我们得到使得能够对角速度进行测量的以下表达式：
ωx-ωox＝-Ωzsin(φxy)+Ωysin(φxz)
ωy-ωoy＝-Ωzsin(φxy)-Ωxsin(φyz)
ωz-ωoz＝+Ωysin(φxz)-Ωxsin(φyz)
其中，φxy、φxz、φyz和φyz是在平行于下标中出现的轴的方向上的移位之间的相位差，这在时间上可能是可变的(LFM操作)。系统的非理想性(阻尼、刚性上的机械联接、移位幅度在时间上的变化)可以包括在具有某种程度正式复杂度的系统中并且将包括在下文所描述的三轴陀螺仪的完整方程中。
例如在WO 2014/093727中描述了以频率调制进行操作的单轴陀螺仪。在此所介绍的结构非常简单(包括单个可移动质量块)，并且使得能够对仅沿着一个轴(Z轴)作用的角速度进行无差测量。
Izyumin I.等人于2015年1月18至22日在葡萄牙的MEMS 2015上在论文“A 7ppm,6°/Hr frequency-output MEMS gyroscope(一种7ppm 6°/Hr频率输出MEMS陀螺仪)”中描述了另一种利用频率调制原理来测量角速度的已知结构。在这种情况下，由于引入了四个适当连接的质量块，读取沿着Z轴作用的角速度是有差别的。这种结构因此具有较大的整体尺寸。
另一方面，根据频率调制原理运行的MEMS陀螺仪具有高稳定性的优点，并且与振幅调制(AM)陀螺仪相比，MEMS陀螺仪的灵敏度当存在温度变化、应力时、或随着时间变化较少经受漂移。
发明内容
因而期望提供一种具有简单且紧凑的结构、根据频率调制原理操作的能够检测绕不同轴的角速度的MEMS陀螺仪。
根据本发明，提供了一种频率调制MEMS三轴陀螺仪以及相应的控制方法，如所附权利要求书中所定义的。
根据本公开的一个方面，提供了一种MEMS三轴陀螺仪，包括：悬挂在基板上方的第一可移动质量块和第二可移动质量块；第一驱动体，所述第一驱动体通过第一弹性元件联接至所述第一可移动质量块；第二驱动体，所述第二驱动体通过第二弹性元件联接至所述第二可移动质量块，所述第一和第二弹性元件在第一方向上是刚性的并且在横向于所述第一方向的第二方向上是柔顺的；第三驱动体，所述第三驱动体通过第三弹性元件联接至所述第一可移动质量块；第四驱动体，所述第四驱动体通过第四弹性元件联接至所述第二可移动质量块，所述第三和第四弹性元件在所述第二方向上是刚性的并且在所述第一方向上是柔顺的；第一和第二驱动元件，所述第一和第二驱动元件分别联接至所述第一和第二驱动体，并且被配置成用于使得所述第一和第二可移动质量块在所述第一方向上以第一频率并且反相地平移；第三和第四驱动元件，所述第三和第四驱动元件分别联接至所述第三和第四驱动体，并且被配置成用于使得所述第一和第二可移动质量块在所述第二方向上以第二频率并且反相地平移；平面外驱动元件，所述平面外驱动元件联接至所述第一和第二可移动质量块并且被配置成用于使得所述第一和第二可移动质量块在第三方向上以第三频率并且反相地平移，所述第三方向横向于所述第一和第二方向；以及移动感测电极，所述移动感测电极在所述第一、第二、和/或第三方向上联接至所述第一和第二质量块，以感测由外部角速度所造成的移动，并在使用中以取决于所述外部角速度的频率生成信号。
在一些实施例中，所述第一和第二弹性元件在所述第二和第三方向上是柔顺的，并且所述第二和第三弹性元件在所述第一和第三方向上是柔顺的。
在一些实施例中，所述陀螺仪包括第一悬挂装置，所述第一悬挂装置联接至支撑结构并且联接至所述第一驱动体；第二悬挂装置，所述第二悬挂装置联接至刚性支撑结构并联接至所述第二驱动体；第三悬挂装置，所述第三悬挂装置联接至刚性支撑结构并联接至所述第三驱动体；以及第四悬挂装置，所述第四悬挂装置联接至支撑结构并联接至所述第四驱动体，所述第一和第二悬挂装置在所述第一方向上是柔顺的并且在所述第二和第三方向上是刚性的，并且所述第三和第四悬挂装置在所述第二方向上是柔顺的并且在所述第一和第二方向上是刚性的。
在一些实施例中，所述陀螺仪进一步包括中央悬挂结构，所述中央悬挂结构被安排在所述第一与第二可移动质量块之间并且将所述第一和第二可移动质量块联接至所述基板。
在一些实施例中，所述中央悬挂结构包括十字形元件，所述十字形元件包括第一杆元件和第二杆元件，所述第一杆元件在所述第一与第二可移动质量块之间平行于所述第二方向地延伸并且具有通过第一弹性弹簧联接至所述基板的部分，所述第一弹性弹簧被配置成用于使得所述十字形元件能够至少绕所述第二方向的旋转，所述第二杆元件在横向于所述第一杆元件的方向上与所述第一方向平行地延伸并且具有通过第二弹性弹簧分别联接至所述第一和第二可移动质量块的第一部分和第二部分，所述第二弹性弹簧被配置成用于使得所述第一和第二可移动质量块能够在所述第一、第二、和第三方向上反相地平移。
在一些实施例中，所述可移动质量块具有总体上矩形的区域并且在第一侧上被安排为彼此靠近，并且其中，所述第一驱动体被安排在所述第一可移动质量块的与所述第一侧相反的第二侧上，所述第二驱动体被安排在所述第二可移动质量块的与所述第一侧相反的第二侧上，所述第三驱动体被安排在所述第一可移动质量块的横向于所述第一侧的第三侧上，并且所述第四驱动体被安排在所述第二可移动质量块的横向于所述第一侧的第三侧上，所述陀螺仪进一步包括第五和第六驱动体，所述第五驱动体被安排在所述第一可移动质量块的与所述第三侧相反第四侧上，所述第六驱动体被安排在所述第二可移动质量块的与所述第三侧相反的第四侧上，所述第五和第六驱动体通过第五和第六弹性元件分别联接至所述第一和第二可移动质量块，所述第五和第六弹性元件在所述第二方向上是刚性的并且在所述第一和第三方向上是柔顺的。
在一些实施例中，所述第一、第二、第三、第四、第五、和第六驱动体包括对应的刚性框架元件，所述对应的刚性框架元件包围对应的驱动电极并与所述对应的驱动电极一起形成平面内平行板电容性驱动元件。
在一些实施例中，所述第一、第二、第三、第四、第五、和第六驱动体的所述框架元件进一步环绕对应的感测电极并与其一起形成平面内平行板电容性感测元件。
在一些实施例中，所述第一、第二、第三、第四、第五、和第六驱动体的所述框架元件进一步环绕对应的调谐电极并与其一起形成平面内平行板电容性感测元件。
在一些实施例中，所述第一、第二、第三、第四、第五、和第六驱动体包括对应的刚性框架元件，所述对应的刚性框架元件承载与对应多个固定指状物呈梳齿状的对应多个可移动指状物并与所述对应可移动指状物一起形成平面内梳齿状电容性驱动元件。
在一些实施例中，所述平面外驱动元件包括第一和第二驱动电极，所述第一和第二驱动电极在所述基板中或上分别被安排在所述第一和第二可移动质量块下面，并与对应的所述第一和第二可移动质量块一起形成平面外可变距离电容性驱动元件。
在一些实施例中，所述陀螺仪进一步包括第一和第二平面外感测电极，所述第一和第二平面外感测电极在所述基板中或上分别被安排在所述第一和第二可移动质量块下面，并与对应的所述第一和第二可移动质量块一起形成平面外可变距离电容性感测元件。
在一些实施例中，所述陀螺仪进一步包括第一和第二平面外调谐电极，所述第一和第二平面外调谐电极分别被安排在所述第一和第二可移动质量块下面并与其一起形成平面外可变距离电容性调谐元件。
根据本公开的另一方面，提供了一种用于控制如上所述的MEMS三轴陀螺仪的方法，所述方法包括：控制联接至悬挂在基板上方的第一可移动质量块的第一驱动元件，以使得所述第一驱动元件和所述第一可移动质量块在第一方向上彼此刚性地以第一频率平移；控制联接至悬挂在基板上方的第二可移动质量块的第二驱动元件，以使得所述第二驱动元件和所述第二可移动质量块相对于所述第一驱动元件和所述第一可移动质量块在所述第一方向上且反相地彼此刚性地以所述第一频率平移；控制联接至所述第一可移动质量块的第三驱动元件，以使得所述第三驱动元件和所述第一可移动质量块在横向于所述第一方向的第二方向上彼此刚性地以第二频率平移；以及控制联接至所述第二可移动质量块的第四驱动元件，以使得所述第四驱动元件和所述第二可移动质量块相对于所述第三驱动元件和所述第一可移动质量块在所述第二方向上且反相地彼此刚性地以所述第二频率平移；控制联接至所述第一和第二可移动质量块的平面外驱动元件，以使得所述第一和第二可移动质量块在第三方向上以第三频率并且反相地平移，所述第三方向横向于所述第一和第二方向；以及以由于造成所述第一和第二可移动质量块在所述第一、第二、和/或第三方向上的移动的外部角速度所导致的可变频率来检测信号。
在一些实施例中，所述第一、第二、第三、和第四驱动元件根据相反方向上的三维轨迹生成所述第一和第二悬挂质量块的三维平移。
根据本公开的又一方面，提供了一种电子系统，包括：处理单元；接口，所述接口联接至所述处理单元；以及如上所述并且联接至所述处理单元的MEMS三轴陀螺仪。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在仅通过非限制性示例的方式、参照附图描述本发明的优选实施例，在附图中：
-图1是本陀螺仪的可能实施例的示意性俯视平面图；
-图2示出了由于在第一方向上的驱动而导致的图1的陀螺仪所经历的变形；
-图3示出了由于在第二方向上的驱动而导致的图1的陀螺仪所经历的变形；
-图4是由于在第三方向上的驱动而引起的图1的陀螺仪的侧视图的示意性表示；
-图5是图1的陀螺仪的第四种可能实现方式的俯视平面图；
-图6至图8示出了图5的结构的放大细节；
-图9示出了结合了图1的陀螺仪的电子装置的简化框图；并且
-图10是图1的陀螺仪的不同实现方式的一部分的俯视平面图。
具体实施方式
在此所描述的三轴陀螺仪是基于通过相量的方法描述具有三个自由度(三轴陀螺仪)的系统的经典运动方程的方案。针对理想情况，这些方程由方程[4]表示。
下文中所提供的是笛卡儿坐标中针对设置有阻尼；各方向之间的刚度联接kxy、kxz和kyz；以及非点状质量块的非理想系统的运动方程：
Figure GDA0002833271990000091
Figure GDA0002833271990000092
Figure GDA0002833271990000093
根据(针对一轴情况在前述国际专利WO 2014/093727中详细讨论的)合适假设，通过求解前述运动方程并在各轴之间施加取决于时间的相位差(LFM)，获得以下表达式：
Figure GDA0002833271990000094
其中，ωx、ωy和ωz分别是相对于轴X、Y和Z所测量的脉动，ω0x、ω0y、和ω0z是当不存在科里奥利力时具有三个自由度的系统的固有脉动，αx、αy、和αz是取决于模态质量块通过科里奥利力(角度增益)的联接并且在点状质量块的理想情况下等于一的因子，vya、vxa、vza具有上文参照等式[3]所指示的同样意义，Ωx、Ωy、和Ωz是有待确定的绕轴X、Y和Z的外部角速度，并且φxy、φxz、φyz、和φyz是在如下标中所指示的两个方向上的移位之间的相位差。
这些脉动、以及因此绕这三条轴旋转的频率取决于外部角速度。因此，通过对这三条轴上的频率变化的组合读数，可以容易地推导出所寻求的外部角速度的值。
本陀螺仪具有带有两个(不同的)可移动质量块的结构，其中，每个可移动质量块可以沿着彼此解除联接的这三条轴X、Y、和Z进行单纯平移，如下文参照图1所解释的。
图1示出了由第一可移动质量块11A和第二可移动质量块11B形成的陀螺仪10。
这些可移动质量块11A、11B相对于彼此垂直并且平行于笛卡尔参考系XYZ的轴X和Y的第一和第二对称轴S1、S2对称。在陀螺仪10中，可移动质量块11A、11B可以平行于第一和第二对称轴S1、S2(即平行于笛卡尔轴X、Y)、并且平行于竖轴O(平行于笛卡尔参考系XYZ的Z轴并穿过陀螺仪10的图心)平移。进一步，在使用中，陀螺仪10以有待确定的角速度绕笛卡尔轴X、Y、和Z旋转。
可移动质量块11A、11B通过中央桥结构12彼此联接在一起。进一步，每个可移动质量块11A、11B通过锚定结构13、45A、45B、46A、46B、47A、47B以及三对联接/驱动结构14A、14B、15A、15B、16A、16B悬挂在(仅示意性表示的)基板15上方，如下文详细描述的，这些结构使得可移动质量块11A、11B能够在这三个方向上独立地进行三维平移移动，如下文详细描述的。
这些可移动质量块11A、11B；该中央桥结构12；以及这些联接和驱动结构14A、14B、15A、15B、16A、16B通过表面微加工技术形成于例如多晶硅的同一结构层中。例如，它们是通过移除下面的牺牲层获得的。
详细地，以本身已知的方式，每个可移动质量块11A、11B具有总体矩形形状，具有比其他尺寸小得多的厚度(在平行于Z轴的方向上)。每个可移动质量块11A、11B因而(在俯视平面图)中具有：第一侧20，平行于联接至中央桥结构12的Y轴(因而下文还被称为内侧)；与该第一侧20相反的第二侧21，同样平行于Y轴，被安排成朝外(因而，在下文还被称为外侧)；以及在俯视图中平行于X轴的第三侧22和第四侧23(在下文还被称为顶侧和底侧)。
可移动质量块11A、11B的第二、第三、和第四侧21-23各自联接至对应的联接和驱动结构14A、14B、15A、15B、16A、16B。
在所示的实施例中，中央桥结构12由包括以下各项的十字形接头形成：一对第一杆25；第二杆26；以及第一、第二、第三、和第四中央弹簧27-30。
这些第一杆25平行于Y轴延伸作为彼此的进展并且具有与第二对称轴S2重合的纵轴。这些第一杆25通过第一中央弹簧27并通过第二杆26在内端连接在一起，并且通过第二中央弹簧28和锚定结构13在外端锚定至基板15。
第一中央弹簧27将第一杆25的内端连接至第二杆26的中央部分，并且是使得第二杆26能够相对于第一杆25绕陀螺仪10的竖轴O的旋转的基本上挠曲、但在其他方向是基本上刚性的弹簧。它们因此形成铰链类型的铰接式接头，如下文详细讨论的。
第二中央弹簧28是扭力弹簧，这些扭力弹簧使得第一杆25能够绕第二对称轴S2的旋转。它们可以进一步使得第一杆25能够同样绕协调的竖轴O的微小旋转，但相对于第二杆26总体上不是刚性的，如下文更详细解释的。
第三中央弹簧29各自被安排在第二杆26的对应端与对应的可移动质量块11A、11B之间。中央弹簧29在平行于X轴(如图2中所示)的方向上是可变形的，从而在平行于X轴的方向上将可移动质量块11A、11B从第二杆26(并因此从第一杆25)解除联接。第三中央弹簧29还使得第二杆26能够相对于可移动质量块11A、11B旋转，如下文参照图3所描述的。
第四中央弹簧30在第一杆25与悬挂质量块11A、11B之间延伸，并且在可移动质量块11A、11B的平行于笛卡尔轴X、Y、和Z的所有三个移动方向上是柔顺的。
这些联接/驱动结构14A、14B、15A、15B、16A、16B彼此相似并且具有在(平行于X或Y轴的)对应的方向上驱动可移动质量块11A、11B的任务，从而还使得其能够平行于Z轴进行移位。每个联接/驱动结构14A、14B、15A、15B、16A、16B包括：对应的框架元件31A、31B、32A、32B、33A、33B；至少一个锚定弹簧36A、36B、37A、37B、38A、38；以及至少一个解除联接弹簧41A、41B、42A、42B、43A、43B。
由于陀螺仪10的结构相对于对称轴S2的对称性，这些结构根据它们是联接至第一可移动质量块11A还是联接至第二可移动质量块11B而被相同的数字和被字母A或B标识。进一步，在未指示字母A和B的下文中，将理解的是，所描述的指联接/驱动结构两者并指其被相对于第二对称轴对称地安排的元件两者。
详细地，框架元件31-33(还被称为X框架元件31，第一Y框架元件32、和第二Y框架元件33)在此由矩形框架形成，平行于笛卡尔轴X和Y延伸并且联接至对应的X联接/驱动结构14、第一Y联接/驱动结构15以及第二Y联接/驱动结构16。
X联接/驱动结构14A、14B被安排在对应的可移动质量块11A、11B的外侧21与第二锚定结构45A、45B之间，并且联接至对应的X锚定弹簧36和对应的X解除联接弹簧41。被安排在对应的第二锚定结构45A、45B与对应的X框架元件31A、31B之间的X联接/驱动结构14A、14B的每个锚定弹簧36A、36B仅使得后者能够平行于X轴进行平移。被安排在对应的X框架元件31A、31B与对应的可移动质量块11A、11B之间的每个X解除联接弹簧41A、41B使得对应的可移动质量块11A、11B能够相对于其本身的X框架元件31A、31B平行于Y和Z轴进行移动，但平行于X轴是刚性的从而沿着这条轴传送移动，如下文参照图2解释的。
同样，第一Y联接/驱动结构15A、15B被安排在每个可移动质量块11A、11B的顶侧22与第三锚定结构46A、46B之间，并且被联接至对应的Y锚定弹簧37和对应的Y解除联接弹簧42。第二Y联接/驱动结构16A、16B被安排在每个可移动质量块11A、11B的底侧23与第四锚定结构47A、47B之间，并且被联接至对应的第二Y锚定弹簧38和对应的第二Y解除联接弹簧43。被安排在对应的锚定结构46A、46B、47A、47B与对应的Y框架元件32A、32B、33A、33B之间的第二和第三Y联接/驱动结构15A、15B、16A、16B的每个锚定弹簧37A、37B、38A、38B仅使得后者能够平行于Y轴进行平移。被安排在对应的框架元件32A、32B、33A、33B与对应的可移动质量块11A、11B之间的每个Y解除联接弹簧42A、42B、43A、43B使得后者能够相对于其本身的Y框架元件32A、32B、33A、33B平行于X和Z轴进行移动，但在平行于Y轴的方向上是刚性的从而在这个方向上传送移动，如下文参照图3所解释的。
下文中，在平行于轴X、Y、和Z(下面还称为X、Y、和Z移动)的这三个方向单独地描述可移动质量块11A、11B的移动。然而，在作为三轴陀螺仪操作的过程中，正常地在所有三个方向上同时驱动陀螺仪，并且将下面所描述的移动加起来。具体地，可以同时地(通过下面所描述的对应的驱动电极)以相同的速度幅度和合适的相位驱动框架元件31-33和可移动质量块11A、11B，从而获得在LFM情况下具有三维李萨如轨迹的可移动质量块11A、11B的三维类型的整体移动。
以图1中未示出的方式，X联接/驱动结构14A、14B具有用于使可移动质量块11A、11B如图2中所示平行于X轴反相地移动(X移动)的第一驱动单元。在此，可移动质量块11A、11B和X框架元件31A、31B在第一位置以实线示出并且在第二位置以虚线示出。具体地，X移动由X框架元件31A、31B通过X解除联接弹簧41A、41B驱动(在相反的方向上)，这些弹簧在平行于X轴的方向上是刚性的。因而，如图2中的这对箭头50A、50B所示(其中，第一箭头50A指示第一步骤中的X移动，并且第二箭头50B指示第二步骤中在相同方向X上的移动)，可移动质量块11A、11B被根据平行于X轴的不同移动(当不存在外部角速度时处于频率ω0x)周期性地驱动，总是一起移动离开或朝向中央桥结构12。在X移动过程中，X联接/驱动结构14A、14B的X锚定弹簧36A、36B被压缩并且第三中央弹簧29基于驱动阶段而伸展(并且反之亦然)。
如所指示的，在X移动过程中，由于X联接/驱动结构14A、14B的X解除联接弹簧41A、41B在平行于X轴的方向上是刚性的，它们传送从X框架元件31A、31B向对应的可移动质量块11A、11B的驱动移动。进一步，Y联接/驱动结构15、16的Y解除联接弹簧42、43经历变形，从而将可移动质量块11A、11B从Y框架元件32、33解除联接。第三和第四中央弹簧29、30进一步在平行于X轴的方向上将可移动质量块11A、11B从第一杆25解除联接。
同样，以图1中未示出的方式，Y联接/驱动结构15、16配备有第二驱动单元，比如从而管理可移动质量块11A、11B平行于Y轴的反相移动(Y移动)，如图3中所示。在此，可移动质量块11A、11B和Y框架元件32A、32B、33A、33B在第一位置以实线示出并且在第二位置以虚线示出。具体地，Y移动由Y框架元件32A、32B、33A、33B通过Y解除联接弹簧42A、42B、43A、43B驱动(在相反的方向上)，这些弹簧平行于Y轴是刚性的。因而，如图3中的箭头52A、52B所示(其中，第一箭头52A指示第一步骤中的Y移动，并且第二箭头52B指示第二步骤中的Y移动)，可移动质量块11A、11B被以相反的方式驱动，根据当不存在外部角速度时具有频率ω0y的移动，一种朝上并且另一种朝下且反之亦然。
在Y移动过程中，Y联接/驱动结构15、16的Y锚定弹簧37、38基于驱动阶段而压缩和伸展，而平行于Y轴为刚性的Y解除联接弹簧42、43传送从Y框架元件32、33到对应的可移动质量块11A、11B的驱动移动。在这种驱动模式下，X联接/驱动结构14的X解除联接弹簧41以及中央弹簧27、29和30经历变形。进一步，如图3中所示，第二杆26由于第一中央弹簧27而绕竖轴O转动，这些中央弹簧实际上形成铰接式接头。如上文所指示的，在这一步骤中，第一杆25同样可以绕竖轴O转动，即使到比第二杆26更小的程度。可替代地，第一杆25和第二杆26可以形成刚性体，从而一起转动。
陀螺仪10的可移动质量块11A、11B进一步能够平行于Z轴平移并相对于框架元件31-33解除联接(Z移动)。详细地，如图4中所示，Z驱动电极68被设置在可移动质量块11A下面从而驱动其平行于Z轴的反相移动。在图4中所示的示例中，Z驱动电极68由基板15内的掺杂区域形成，但其他方案也是可能的。
在使用中，Z驱动电极68被偏置从而如箭头54A、54B所示的那样控制可移动质量块11A、11B反相的移动(其中，第一箭头54A指示第一步骤中的移动，并且第二箭头54B指示Z移动在第二步骤中的移动)。在实践中，根据当不存在外部角速度时具有频率ω0z的移动，可移动质量块11A、11B中一个被驱动离开并且另一个被驱动朝向基板15，并且反之亦然。在这个移动过程中，解除联接弹簧41-43(其中，图4仅示出了解除联接弹簧41A、41B、42A、42B)，中央桥12的第二、第三、和第四中央弹簧28-30经历变形，从而将可移动质量块11A、11B从框架元件31-33解除联接，它们因而被沿Z固定。相反，第一和第二杆25、26可以绕第二对称轴S2转动。
在一个实施例中，在可移动质量块11A、11B的移动过程中，第一弹簧27行动以防止寄生振动模式在工作频率附近开始。事实上，在没有第一弹簧27的情况下，可移动质量块11A、11B将自由地相位中立地(对陀螺仪而言为非期望的移动)或反相地(对陀螺仪而言为期望的移动)朝上平移(方向Y)，造成驱动陀螺仪10时出现问题。进一步，由于第一弹簧27的存在，第一杆25的移位在可移动质量块11的Y移动过程中急剧减小(实际上变为零)。因此，利用图5中所示的结构，Y移动中所涉及的模态质量块未被更改，并且因此不存在通过科里奥利力(“角度增益”)的质量块联接因子的以及因此陀螺仪10的灵敏度的不期望的减小。以这种方式，可移动质量块11A、11B具有三个自由度(3个d.o.f.)，彼此解除联接，并且框架元件31-33仅具有一个自由度(1个d.o.f.)。进一步，第一和第二杆25、26可以根据第一自由度(绕第二对称轴S2旋转)进行主要移动，并且第二杆26还具有第二自由度(绕竖轴O旋转)。
在陀螺仪10中，当可移动质量块11A、11B在测量间隔内以恒定或以可忽略的方式可变的角速度绕这三条轴X、Y、和Z中的至少一条轴旋转并且根据上文所指示的三维轨迹被驱动时，它们由于沿着笛卡尔轴X、Y、和/或Z作用的科里奥利力而经历频率变化。如方程[5]所讨论和所示的，此频率变化可以通过感测电极X、Y、和Z被检测到，由于与可移动质量块11A、11B的三维运动相关联的电容变化，这些感测电极生成具有可变频率的感测信号。这些感测信号可以被提供给处理单元(未示出)从而计算外部角速度，所述处理单元一般在集成有陀螺仪10的裸片的外部。
所描述的陀螺仪10因此具有可以在这三个方向X、Y、和Z上被独立地控制的两个可移动质量块11A、11B，从而提供了三轴陀螺仪10。
进一步，可以利用相同的结构来提供一种AM陀螺仪，该AM陀螺仪被例如通过第一框架元件31沿着X轴驱动(根据图2中的箭头50A、50B的移动)并且沿着Y轴感测(根据图3中的箭头52A、52B的移动，横摆模式)或沿着Z轴感测(根据图4中的箭头54A、54B的移动，横滚模式)。
可以借助于陀螺仪10相对于第一和第二对称轴S1、S2的对称性如图5中所示(关于结构的四分之一)的那样实现陀螺仪10。具体地，图5示出了驱动电极以及X和Y感测电极(还有调谐电极)的可能实现方式，如下文所描述的。
在此，框架元件31-33由容纳开口的总体矩形的多个体形成，这些开口容纳驱动电极、感测电极、和调谐电极。
详细地，X框架元件31A(以及31B，不可见的)环绕X驱动电极(其中，仅示出了参考号59A)、X感测电极(其中，仅示出了参考号60A)、以及X调谐电极(其中，仅示出了参考号61A)。
同样，Y驱动电极(其中，仅示出了参考号63A)、Y感测电极(其中，仅示出了参考号64A)、和Y调谐电极(其中，仅示出了参考号65A)在Y框架元件32A(以及32B、33A和33B，不可见的)内延伸。
X和Y驱动电极59、63以及X和Y感测电极60、64通过已知的方式被形成半导体材料的投影，这些投影在对应的X和Y框架元件31、32(以及33，不可见的)内从基板15(在图5中不可见)延伸并因此电容性地联接至X和Y框架元件31、32和33的内部竖直壁。它们因此形成允许陀螺仪10进行平面内运动的平行板电极。
图5还示出了形成于X框架元件31的相应开口中的止挡结构77。
图5示出了锚定弹簧36-38的以及解除联接弹簧41-43的第一、第二、第三、和第四中央弹簧27-30的可能实现方式。这些弹簧以放大的比例同样表示在图6-图8中，允许理解在可移动质量块11A、11B的X、Y、和Z移动方向上选择性地确定其弹性特性的各种配置。具体地，第二中央弹簧28(其中，图5仅示出了接近第一Y框架元件32A、32B的那个，并且图8仅示出了接近第二Y框架元件33A、33B的那个)仅相对于第一对称轴S1是对称的，即使可能还相对于第二对称轴S2获得对称的配置。一般地，即使该结构具有高度对称性，离完整对称的微量偏差是可能的。进一步，在图5的实施例中，进一步的中央弹簧72平行于第二对称轴S2在第一杆25内延伸并且将第一杆25联接至进一步的锚定元件73。进一步的中央弹簧72还使得能够进行第一杆25的如上文所述的移动。
图5进一步用虚线示出了Z驱动电极68。另外，图5还用虚线示出了Z感测电极69和Z调谐电极70。如图4中所示，在此使所有Z电极68、69和70集成在基板15中并用适当绝缘的掺杂区域形成。
应该注意的是，在图5中所示的陀螺仪的实施例中，电极59-61、63-65、以及68-70的尺寸单纯是指示性的，并且其有效尺寸取决于期望的性能。进一步，X和Y调谐电极61、65可以省略，从而为感测电极留出更多空间并因此关于噪声提高陀螺仪10的性能。
以这种方式，本陀螺仪能够仅使用两个可移动质量块检测绕三条轴的旋转速度。所描述的陀螺仪因而具有减少体积的和更低的成本。
本陀螺仪特别可靠，因为它潜在地能够仅以两个可移动质量块拒绝所有方向的外部加速度。
给定其不同的结构，本陀螺仪减小了热应力效果并提高的灵敏度的线性范围。
可以使用(在平行于Z轴的方向)具有均匀厚度的单个结构层通过表面处理技术获得本陀螺仪。其产品因而非常简单并且与当前表面微加工工艺兼容。本陀螺仪因而表现高可靠性和产量。
它能够作为三轴陀螺仪和作为二轴陀螺仪(俯仰-横滚、横摆-横滚、横摆-俯仰)工作，从而允许模式之间的良好解除联接。
图9展示了结合陀螺仪10的并且可以在如掌上型计算机(个人数字助理，PDA)、可能具有无线能力的膝上型计算机或便携式计算机、蜂窝电话、消息收发设备、数字音乐播放器、数码相机、或被设计成用于处理、存储、传输或接收信息的其他装置等装置中使用的电子系统400的一部分。例如，陀螺仪10可以用在数码相机中以检测移动并且实现图像稳定。在可能的实施例中，陀螺仪10包括在用于计算机或视频游戏控制台的运动激活的用户接口中。在进一步实施例中，陀螺仪10结合在卫星导航设备中，并且在卫星定位信号丢失的情况下用于临时位置跟踪。
图9的电子系统400包括控制单元410、输入/输出(I/O)单元420(例如，键盘或显示器)、陀螺仪10、无线接口440和易失性或非易失性类型存储器460，这些部件通过总线450联接在一起。可替代地，存储器460可以在控制单元410内部并且存储用于操作陀螺仪10的参数和量，比如驱动电压。在一个实施例中，电池480可以用于向系统400供电。然而，电子系统400可以仅包括图9中所示出的单元中的一些单元。
控制单元410可以包括例如一个或多个微处理器、微控制器等。I/O单元420可以用于生成消息。系统400可以使用无线接口440通过射频(RF)信号来向和从无线通信网络(未示出)发射和接收消息。无线接口的示例可以包括天线、如偶极天线等无线收发器，尽管本发明的范围不限于此。进一步地，I/O单元420可以提供表示所存储的信息的电压作为数字输出(如果已经存储了数字信息)或者作为模拟输出(如果已经存储了模拟信息)。
最后，如权利要求中所限定的，在不背离本发明的范围的情况下，可以对本文描述和说明的陀螺仪进行修改和变化。
例如，可以不同于图5地形成X和Y驱动电极59、63以及X和Y感测电极60、64。具体地，代替被形成微平行板电极，它们可以是梳齿状电极，如图12中关于Y框架元件32A的一半和X框架元件31A的一半所示。具体地，伴随这种配置，X和Y框架元件31、32具有多个可移动的指状物80，这些可移动指状物彼此平行并朝内地从X和Y框架元件31、32的长侧延伸，与固定指状物81形成梳齿状，形成于X和Y框架元件31、32内。固定指状物81被安排成彼此平行并与可移动指状物平行并且被锚定至基板(未示出)，与已知的梳齿状结构类似。

Claims (16)

1.一种MEMS三轴陀螺仪(10)，包括：
悬挂在基板上方的第一可移动质量块和第二可移动质量块(11A，11B)；
第一驱动体(31A)，所述第一驱动体通过第一弹性元件(41A)联接至所述第一可移动质量块(11A)；
第二驱动体(31B)，所述第二驱动体通过第二弹性元件(41B)联接至所述第二可移动质量块(11B)，所述第一和第二弹性元件在第一方向(X)上是刚性的并且在横向于所述第一方向的第二方向(Y)上是柔顺的；
第三驱动体(32A)，所述第三驱动体通过第三弹性元件(42A)联接至所述第一可移动质量块(11A)；
第四驱动体(32B)，所述第四驱动体(32B)通过第四弹性元件(42B)联接至所述第二可移动质量块(11B)，所述第三和第四弹性元件在所述第二方向上是刚性的并且在所述第一方向上是柔顺的；
第一和第二驱动元件(59A)，所述第一和第二驱动元件分别联接至所述第一和第二驱动体(31A，31B)，并且被配置成用于使得所述第一和第二可移动质量块(11A，11B)在所述第一方向上以第一频率并且反相地平移；
第三和第四驱动元件(63A)，所述第三和第四驱动元件分别联接至所述第三和第四驱动体(32A，32B)，并且被配置成用于使得所述第一和第二可移动质量块在所述第二方向上以第二频率并且反相地平移；
平面外驱动元件(68A)，所述平面外驱动元件联接至所述第一和第二可移动质量块并且被配置成用于使得所述第一和第二可移动质量块在第三方向(Z)上以第三频率并且反相地平移，所述第三方向横向于所述第一和第二方向；以及
移动感测电极(60A，64A，69A)，所述移动感测电极在所述第一、第二、和/或第三方向上联接至所述第一和第二质量块，以感测由外部角速度所造成的移动，并在使用中以取决于所述外部角速度的频率生成信号。
2.根据权利要求1所述的陀螺仪，其中，所述第一和第二弹性元件(41A，41B)在所述第二和第三方向上是柔顺的，并且所述第二和第三弹性元件(42A，42B)在所述第一和第三方向上是柔顺的。
3.根据权利要求1或2所述的陀螺仪，包括第一悬挂装置(36A)，所述第一悬挂装置联接至支撑结构(45A)并且联接至所述第一驱动体(31A)；第二悬挂装置(36B)，所述第二悬挂装置(36B)联接至刚性支撑结构(45B)并联接至所述第二驱动体(31B)；第三悬挂装置(37A)，所述第三悬挂装置联接至刚性支撑结构(46A)并联接至所述第三驱动体(32A)；以及第四悬挂装置(37B)，所述第四悬挂装置联接至支撑结构(46B)并联接至所述第四驱动体(32B)，所述第一和第二悬挂装置在所述第一方向上是柔顺的并且在所述第二和第三方向上是刚性的，并且所述第三和第四悬挂装置在所述第二方向上是柔顺的并且在所述第一和第二方向上是刚性的。
4.根据权利要求1或2所述的陀螺仪，进一步包括中央悬挂结构(12)，所述中央悬挂结构被安排在所述第一与第二可移动质量块(11A，11B)之间并且将所述第一和第二可移动质量块联接至所述基板(15)。
5.根据权利要求4所述的陀螺仪，其中，所述中央悬挂结构(12)包括十字形元件，所述十字形元件包括第一杆元件(25)和第二杆元件(26)，所述第一杆元件(25)在所述第一与第二可移动质量块(11A，11B)之间平行于所述第二方向地延伸并且具有通过第一弹性弹簧(28)联接至所述基板的部分，所述第一弹性弹簧被配置成用于使得所述十字形元件(25，26)能够至少绕所述第二方向的旋转，所述第二杆元件(26)在横向于所述第一杆元件(25)的方向上与所述第一方向平行地延伸并且具有通过第二弹性弹簧(29)分别联接至所述第一和第二可移动质量块(11A，11B)的第一部分和第二部分，所述第二弹性弹簧(29)被配置成用于使得所述第一和第二可移动质量块能够在所述第一、第二、和第三方向上反相地平移。
6.根据权利要求1、2和5中任一项所述的陀螺仪，其中，所述第一和第二可移动质量块(11A，11B)具有总体上矩形的区域并且在第一侧(20)上被安排为彼此靠近，并且其中，所述第一驱动体(31A)被安排在所述第一可移动质量块(11A)的与所述第一侧相反的第二侧(21)上，所述第二驱动体(31B)被安排在所述第二可移动质量块(11B)的与所述第一侧相反的第二侧(21)上，所述第三驱动体(32A)被安排在所述第一可移动质量块的横向于所述第一侧的第三侧(22)上，并且所述第四驱动体(32B)被安排在所述第二可移动质量块的横向于所述第一侧的第三侧(22)上，
所述陀螺仪(10)进一步包括第五和第六驱动体(33A，33B)，所述第五驱动体(33A)被安排在所述第一可移动质量块(11A)的与所述第三侧(22)相反第四侧(23)上，所述第六驱动体(33B)被安排在所述第二可移动质量块(11B)的与所述第三侧(22)相反的第四侧(23)上，所述第五和第六驱动体(33A，33B)通过第五和第六弹性元件(43A，43B)分别联接至所述第一和第二可移动质量块(11A，11B)，所述第五和第六弹性元件在所述第二方向上是刚性的并且在所述第一和第三方向上是柔顺的。
7.根据权利要求6所述的陀螺仪，其中，所述第一、第二、第三、第四、第五、和第六驱动体(31-33)包括对应的刚性框架元件，所述对应的刚性框架元件包围对应的驱动电极(59，63)并与所述对应的驱动电极一起形成平面内平行板电容性驱动元件。
8.根据权利要求7所述的陀螺仪，其中，所述第一、第二、第三、第四、第五、和第六驱动体(31-33)的所述框架元件进一步环绕对应的感测电极(60，64)并与其一起形成平面内平行板电容性感测元件。
9.根据权利要求7或8所述的陀螺仪，其中，所述第一、第二、第三、第四、第五、和第六驱动体(31-33)的所述框架元件进一步环绕对应的调谐电极(61，65)并与其一起形成平面内平行板电容性感测元件。
10.根据权利要求6所述的陀螺仪，其中，所述第一、第二、第三、第四、第五、和第六驱动体(31-33)包括对应的刚性框架元件，所述对应的刚性框架元件承载与对应多个固定指状物呈梳齿状的对应多个可移动指状物并与所述对应可移动指状物一起形成平面内梳齿状电容性驱动元件。
11.根据权利要求1、2、5、7、8和10中任一项所述的陀螺仪，其中，所述平面外驱动元件包括第一和第二驱动电极(68)，所述第一和第二驱动电极在所述基板(15)中或上分别被安排在所述第一和第二可移动质量块(11A，11B)下面，并与对应的所述第一和第二可移动质量块一起形成平面外可变距离电容性驱动元件。
12.根据权利要求1、2、5、7、8和10中任一项所述的陀螺仪，进一步包括第一和第二平面外感测电极(69)，所述第一和第二平面外感测电极在所述基板(15)中或上分别被安排在所述第一和第二可移动质量块(11A，11B)下面，并与对应的所述第一和第二可移动质量块一起形成平面外可变距离电容性感测元件。
13.根据权利要求1、2、5、7、8和10中任一项所述的陀螺仪，进一步包括第一和第二平面外调谐电极(70)，所述第一和第二平面外调谐电极分别被安排在所述第一和第二可移动质量块(11A，11B)下面并与其一起形成平面外可变距离电容性调谐元件。
14.一种用于控制根据权利要求1-12中任一项所述的MEMS三轴陀螺仪的方法，所述方法包括：
控制联接至悬挂在基板上方的第一可移动质量块的第一驱动元件，以使得所述第一驱动元件和所述第一可移动质量块在第一方向上彼此刚性地以第一频率平移；
控制联接至悬挂在基板上方的第二可移动质量块的第二驱动元件，以使得所述第二驱动元件和所述第二可移动质量块相对于所述第一驱动元件和所述第一可移动质量块在所述第一方向上且反相地彼此刚性地以所述第一频率平移；
控制联接至所述第一可移动质量块的第三驱动元件，以使得所述第三驱动元件和所述第一可移动质量块在横向于所述第一方向的第二方向上彼此刚性地以第二频率平移；以及
控制联接至所述第二可移动质量块的第四驱动元件，以使得所述第四驱动元件和所述第二可移动质量块相对于所述第三驱动元件和所述第一可移动质量块在所述第二方向上且反相地彼此刚性地以所述第二频率平移；
控制联接至所述第一和第二可移动质量块的平面外驱动元件，以使得所述第一和第二可移动质量块在第三方向上以第三频率并且反相地平移，所述第三方向横向于所述第一和第二方向；以及
以由于造成所述第一和第二可移动质量块在所述第一、第二、和/或第三方向上的移动的外部角速度所导致的可变频率来检测信号。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一、第二、第三、和第四驱动元件根据相反方向上的三维轨迹生成所述第一和第二悬挂质量块的三维平移。
16.一种电子系统(400)，包括：
处理单元(410)；
接口(440)，所述接口联接至所述处理单元；以及
根据权利要求1-13中任一项所述并且联接至所述处理单元的MEMS三轴陀螺仪(10)。
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