CN111504294B - 伪扩展模式mems环陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及伪扩展模式MEMS环陀螺仪。描述扩展模式静电微机电系统(MEMS)陀螺仪。MEMS陀螺仪以扩展模式操作。MEMS陀螺仪包括以扩展模式静电地激发的振动环结构。

Description

伪扩展模式MEMS环陀螺仪
相关申请
本申请根据35 USC§119(e)要求于2019年1月31日提交、代理人案号为G0766.70276US00、名称为“伪扩展模式MEMS环陀螺仪”的美国临时申请序列No.62/799,382的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本申请涉及微机电系统(MEMS)陀螺仪。
背景技术
MEMS陀螺仪用于检测旋转。一些MEMS陀螺仪带有圆盘或圆环作为检测质量块。这种陀螺仪以酒杯模式操作检测质量块，其中检测质量块在不改变其面内宽度或厚度的情况下变形。
发明内容
描述以扩展模式操作的MEMS陀螺仪。在一些实施方案中，MEMS陀螺仪可以包括以扩展模式激发的振动环结构，并且仅以该扩展模式感测基于这种激励而产生的信号。
在某些实施方案中，提供MEMS陀螺仪，包括：振动环结构；至少一对驱动电极，被配置为向所述振动环结构静电地施加电压，从而以扩展模式激发所述振动环结构，其中所述至少一对驱动电极包括位于所述振动环结构相对侧的第一驱动电极和第二驱动电极；和第一支撑结构，被配置为悬挂所述振动环结构，所述第一支撑结构位于所述振动环结构的内侧上。
在某些实施方案中，提供扩展模式陀螺仪，包括：复合网环，包括第一多个弯曲部分；至少一对驱动电极，被配置为向所述复合网环静电地施加电压，从而以扩展模式激发所述复合网环；和一个或多个支撑结构，被配置为当以扩展模式激发时允许所述复合网环的第一多个弯曲部分的两个或多个弯曲部分的振幅基本相等的运动。
在某些实施方案中，提供一种具有复合网环的微机电系统(MEMS)陀螺仪的操作方法，所述复合网环包括闭合轮廓内边缘和闭合轮廓外边缘、至少一对驱动电极和至少一对感测电极，该方法包括：通过所述至少一对驱动电极来以面内扩展模式静电地激发所述复合网环，其中在以面内扩展模式激发所述复合网环时，所述复合网环的闭合轮廓内边缘和闭合轮廓外边缘以基本相等的振幅来运动；和响应于以面内扩展模式激发所述复合网环，通过所述至少一对感测电极静电地感测由所述复合网环产生的一个或多个信号。
附图说明
将参考以下附图描述本申请的各个方面和实施方案。应当理解，附图不一定按比例绘制。出现在多个图中的项目在所有出现的图中均用相同的参考数字表示。
图1示出了根据非限制性实施方案的陀螺仪的振动的示例性扩展模式，其中，环宽度在其整个圆周上变化。
图2A示出了根据非限制性实施方案的陀螺仪的酒杯模式，其中不拒绝角加速度。
图2B示出了根据非限制性实施方案的在扩展模式陀螺仪中的角加速度的拒绝。
图3A示出了根据非限制性实施方案的MEMS环形陀螺仪的示例布局，其示出了复合网环振动结构。
图3B示出了根据非限制性实施方案的图3A的MEMS环陀螺仪的示例布局，其进一步示出了电极的布置，该电极被配置为以静电方式驱动和静电感测复合网环的扩展模式。
图4示出了根据非限制性实施方案的图3B的复合网环振动结构的分解图。
图5A示出了根据非限制性实施方案的图3A的MEMS环形陀螺仪中的驱动电极和感测电极的示例布置。
图5B示出了根据非限制性实施方案的图3A的MEMS环形陀螺仪中的驱动电极和感测电极的替代示例布置。
图6A和图6B示出了根据非限制性实施方案的处于扩展模式的图3A的复合网环振动结构的简并本征模式。
图7A示出了根据非限制性实施方案的用于酒杯模式的模态位移和振动能。
图7B示出了根据非限制性实施方案的用于扩展模式的模态位移和振动能。
图8示出了根据非限制性实施方案的振动模式的频率扫描。
图9示出了根据非限制性实施方案的振铃下降的对数线性图，示出了用于扩展模式的Q因子。
图10示出了根据非限制性实施方案的汽车，其可以包括本文所述类型的MEMS环形陀螺仪。
具体实施方式
本申请的方面提供扩展模式静电MEMS陀螺仪。MEMS陀螺仪以扩展模式操作而不以酒杯模式操作。MEMS陀螺仪可包括静电地激发并以面内扩展模式感测的振动环结构。在非限制性实施方案中，振动环结构可包括复合网环检测质量块。在其他非限制性实施方案中，振动环结构可包括具有环形形状的实心环检测质量块。
常规的环形陀螺仪通常利用酒杯振动模式。这些模式通过节点数(零位移点)进行分类，这是一种在基本模式(n＝2)下操作环形陀螺仪的常用方法。某些较高的节点模式(n＝3，4)表现出对制造缺陷的容忍度，但具有较低的角增益(布莱恩系数K，0＜K≤1)，从而降低了噪声性能。然而，申请人已经意识到，这仅对于在振动期间面内环宽度保持恒定的模式(例如，酒杯模式)是正确的。另一方面，振动的扩展模式是其中环宽度在其圆周上变化(即，膨胀和收缩)的高阶模式。如图1所示，环宽度变化，使得宽度w2大于宽度w1。扩展模式可能具有n＝2、3、4个变体。本申请的各方面在不损害角增益的情况下以更高阶模式提供了MEMS陀螺仪的操作。在一些实施方案中，包括环形结构110的MEMS陀螺仪在扩展模式下以与在酒杯模式下操作的具有基本上相同的尺寸/足迹的常规环形陀螺仪相似或基本相同的角增益来操作。在一些实施方案中，可以通过改变激励频率来选择MEMS陀螺仪的操作模式。
具有静电传导的常规MEMS和BAW陀螺仪受到由诸如热梯度、外部冲击、机械应力和扭矩的外部应力引起的静电感测间隙距离的变化的影响。间隙间距的变化等于灵敏度(比例因子)的变化，最终导致这些传感器的零速率偏移，使其容易受到外部振动的影响，这会对导航应用造成负面影响。本申请的各方面利用具有固有的振动抑制特性的振动的扩展模式，同时保持与静电换能的MEMS陀螺仪相关的SWaP+C(尺寸，重量，功率和成本)度量。例如，与基本酒杯n＝2模式通过在环的直径上匹配电极拒绝线性加速度但不拒绝角加速度210(如图2A中的力230所示)相比，扩展模式允许局部拒绝线性加速度和角加速度210(如图2B中的力220所示)。
在一些实施方案中，MEMS陀螺仪可包括振动环结构、至少一对驱动电极和至少一对感测电极。所述至少一对驱动电极和至少一对感测电极可以位于所述振动环结构的相对侧，而无需直接连接所述振动环结构。换句话说，可以将驱动电极和感测电极放置成使得在电极与振动环结构之间存在间隙以提供静电操作。
在一些实施方案中，驱动电极静电地激发振动环结构的平面内扩展模式，并且感测电极仅静电地感测振动环结构的平面内扩展模式。在一些实施方式中，至少一对驱动电极中的一个驱动电极电连接到至少一对驱动电极中的另一驱动电极。类似地，至少一对驱动电极中的一个感测电极电连接到至少一对感测电极中的另一感测电极。
在非限制性实施方案中，所述振动环结构包括以扩展模式被激励的实心环检测质量块。电极(例如，驱动电极和感测电极)可以被定位成以扩展模式驱动实心环并且仅感测实心环的扩展模式。
图3A示出了MEMS环形陀螺仪的示例性布局300，其示出了复合网环振动结构。在非限制性实施方案中，振动环结构包括以扩展模式被激励的复合网环310。在一些实施方案中，复合网环310可包括限定闭合轮廓内边缘340和闭合轮廓外边缘350的多个弯曲部分315。在非限制性实施方案中，多个弯曲部分315可包括多个同心环。在非限制性实施方案中，复合网格环310包括自由浮动的多个紧密间隔的环(即，各个环在激发时均等地运动)，从而使振动能集中在复合网环310中。在另一个非限制性实施方案中，复合网环310可以包括连接环结构，该环结构包括连接多个同心环的多个挠性构件或元件。与传统的环结构相比，本文所述的复合网环310可具有较低的共振频率。在非限制性实施方案中，对于n＝2的扩展模式，复合网环310可以包括通过8个挠曲构件/元件(例如，图4所示的双头螺栓410)彼此连接的40个单独的环，每两个环之间具有22.5度的偏移以降低共振频率并由于热弹性阻尼而增加Q因数。应当理解，对于更高阶(例如，n＝3、4或更高阶)的模式，可以使用具有不同数量的环和具有不同程度偏移的双头螺栓的复合网环，而不脱离本公开的范围。
如图3A所示，MEMS环形陀螺仪可以包括一个或多个支撑结构320，其被配置为经由一个或多个锚330相对于衬底(未示出)悬挂复合网环310。在非限制性实施方案中，一个或多个支撑结构320的第一支撑结构320a可以位于复合网环310的内侧。在非限制性实施方案中，一个或多个支撑结构320的第二支撑结构320b可以位于复合网环310的外侧。在非限制性实施方案中，一个或多个锚330包括位于第一支撑结构320a的内侧上的内部锚。在另一非限制性实施方案中，一个或多个锚330包括位于第二支撑结构320b的外侧的外锚。在又一个非限制性实施方案中，一个或多个锚330包括内部锚和外部锚。
图4示出了复合网环310的一部分的分解图400。如图4所示，复合网环310的同心环被布置成在环的各部分之间具有第一间隔402。在一些实施方案中，一个或多个支撑结构320中的每一个包括以第二间隔420布置的多个弯曲部分(例如，环)415，如图4所示。在非限制性实施方案中，与支撑结构320相关联的第二间隔420具有大于与复合网环310相关联的第一间隔402的距离。在非限制性实施方案中，第二间隔可以比第一间隔大5倍，或者比第一间隔大3倍至10倍。较大的间隔为复合网环310提供了柔性的悬挂结构，从而允许复合网环310的闭合轮廓内边缘340和闭合轮廓外边缘350的振幅基本上相等的运动。在非限制性实施方案中，复合网环的任一侧上的支撑结构320允许复合网环310的至少最内环和最外环的振幅基本相等的运动。申请人已经认识到，尽管根据锚固位置，以酒杯模式操作的常规装置中的振动能集中在最外圈或最内圈，但是当将电极放置在复合网环310的相对侧上时，本文所述的扩展模式装置的振动能量基本上均等地集中在复合网环310的内侧和外侧，从而允许局部差分传导。支撑结构320确保振动能集中在环内部且远离锚，从而将振动运动与基底分离，并由于锚固损耗而改善Q因子。在同时提供内锚和外锚的实施方案中，锚使对外部振动敏感的平移模式变硬，从而降低了对冲击/G敏感度的敏感性。
下表1中示出了复合网环的非限制性实施方案的各种几何参数。
图3B示出了图3A的MEMS环形陀螺仪的示例布局，该布局进一步示出了电极360的放置，该电极被配置为静电驱动和静电感测复合网环310的扩展模式。电极360可以包括驱动电极和感测电极，所述驱动电极和感测电极被定位成以扩展模式驱动复合网环310并且仅感测复合网环310的扩展模式。在一些实施例中，振动的扩展模式可以被称为伪扩展模式，其中，激励可以表现为彼此相对反相驱动的两个叠加的酒杯n＝2模式。可以以比常规环结构低得多的频率来驱动处于扩展/伪扩展模式的复合网环310。振动的伪扩展模式可用于Q因子为110,000且噪声水平为0.06°/√hr(例如，对于2×2mm2陀螺仪)的速率感测。在非限制性实施例中，相对于电极360，扩展/伪扩展模式被视为共模。
在一些实施方案中，电极360位于复合网环310的相对侧。图5A示出了根据非限制性实施例的驱动电极和感测电极的示例布置。电极360可以包括位于复合网环310的相对侧上的至少一对驱动电极或施力电极510和位于复合网环310的相对侧上的至少一对传感电极520。一对510中的驱动电极(D1，D2)被电连接，而一对520中的感测电极(S1，S2)被电连接。一对驱动电极510可以被配置为将电压静电地施加到复合网环310，以面内扩展模式激励环。一对感测电极520可以被配置为感测复合网环310的面内扩展模式，并且输出可以用于确定旋转的信号。在非限制性实施例中，一个或多个支撑结构320的第一支撑结构320a可以定位在一对驱动/感测电极中的第一电极(例如，D1，S1)的内侧上。在非限制性实施例中，一个或多个支撑结构320的第二支撑结构320b可以位于一对驱动/感测电极中的第二电极(例如，D2，S2)的外侧。
在图5B的非限制性实施例中，电极360包括四对(510、512、514、516)内部/外部驱动(F)电极，四对(520、522、524、526)内部/外部感测(P)电极和八个正交调谐(Q)电极。另外，可以提供在驱动电极和感测电极之间共享的频率调谐(T)电极。在非限制性实施例中，一个或多个支撑结构320的第一支撑结构320a可以定位在成对的驱动/感测电极对中的内部电极组的内侧，如图3B所示。在非限制性实施例中，一个或多个支撑结构320的第二支撑结构320b可以位于一对驱动/感测电极中的一组外部电极的外侧，如在图3B中可以看到的。
在非限制性实施方案中，图5B示出了仅用于激发扩展/伪扩展模式的电极配置。由于图5B的电极配置对共模间隙变化较敏感，所以扩展/伪扩展模式对差动间隙的敏感性较小，这反过来又使扩展/伪扩展模式对冲击/振动的敏感性较小，因此非常适合苛刻的高G环境应用。
在一些实施方案中，为了允许扩展模式激励和感测，每对(510、512、514、516)中的驱动电极被电连接并且每对(520、522、524、526)中的感测电极被电连接。另外，所有正交调谐电极彼此电连接，并且所有频率调谐电极彼此电连接。
应当理解，尽管图3A和3B示出了具有以125kHz驱动的扩展模式的陀螺仪设计，但是可以以不同的频率(例如85kHz或其他频率)来驱动符合本申请的方面的陀螺仪。图6A和6B示出了在有限元分析(FEA)模拟运行中以扩展模式振动的复合网环310。
模拟与结果
将理解的是，尽管本文将MEMS环形陀螺仪描述为以扩展/伪扩展模式操作，但是出于比较酒杯模式与扩展模式激励的目的，针对在酒杯模式和扩展模式下操作的MEMS环形陀螺仪进行了仿真。通过改变激励频率和电极配置来选择MEMS环形陀螺仪的工作模式。内部和外部静电电极的差模与共模组合选择是激发还是感测酒杯或扩展模式。图7A和7B示出了MEMS环形陀螺仪的FEA仿真的结果(为清楚起见省略了支撑结构)。
图7A示出了酒杯模式的模态位移和振动能。图7B示出了扩展模式的模态位移和振动能。为了清楚起见，在图7A、7B中省略了锚和支撑结构，但是将其包括在仿真中。如下表2所示，扩展模式(n＝2)的角增益和模态质量与酒杯(n＝2)模式的相似。如图7A所示，酒杯模式下的振动能量集中在最外圈，如区域1010所示，而扩展模式下的振动能量(如图7B所示)基本上均匀地集中在环的内侧和外侧，如区域1020所示。
通过采用每种模式的动能与平均速度的平方之比从本征频率分析中提取模态质量。使用频域分析，通过谐波驱动接近共振频率的扩展模式并响应于所施加的旋转提取简并扩展模式的幅度，来计算角增益。
初始实验表征使用20V的DC偏置电压和20mV的AC电压。图8示出了MEMS环形陀螺仪的频率扫描，示出了酒杯(n＝2，n＝3和n＝4)模式，接着是扩展(n＝2)模式。
图9示出了振铃下降的对数线性图，其示出了延伸简并(S11，S22)模式的Q因子为108,000和109,000。S11是指一对驱动电极(例如，图5A的对510)的驱动模式，而S22是指一对感测电极(例如，图5A的对520)的传感模式。在非限制性实施例中，轴上频率调谐电极(例如，如图5B所示的T0。和T45。)可用于匹配简并模式和离轴正交调谐电极(例如，Q-和Q+)可用于消除正交。
图10示出了非限制性示例，其中在汽车中采用了本文所述类型的至少一个MEMS环形陀螺仪。在图10的示例中，汽车1400包括通过有线或无线连接耦合到汽车的车载计算机1404的控制单元1402。控制单元1402可以包括至少一个本文所述类型的MEMS环形陀螺仪。作为非限制性示例，至少一个MEMS环形陀螺仪可以基于由感测电极(例如，感测电极520-526)拾取的信号来检测旋转。控制单元1402可以从车载计算机1404接收电力和控制信号，并且可以将本文所述类型的输出信号提供给车载计算机1404。
因此，已经描述了本申请技术的几个方面和实施例，应当理解，本领域普通技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进旨在在本申请中描述的技术的精神和范围内。因此，应当理解，前述实施方式仅以举例的方式给出，并且在所附权利要求及其等同物的范围内，可以以不同于具体描述的方式实践本发明的实施方式。另外，如果本文描述的两个或更多个特征、系统、制品、材料和/或方法不相互矛盾，则这些特征、系统、制品、材料和/或方法的任何组合都包括在本发明的范围内。
而且，如所描述的，一些方面可以体现为一种或多种方法。作为该方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式排序。因此，可以构造实施例，其中以与所示出的顺序不同的顺序来执行动作，即使在说明性实施例中被示为顺序动作，其也可以包括同时执行一些动作。
如本文所定义和使用的所有定义应被理解为控制字典定义，通过引用并入的文档中的定义和/或所定义术语的普通含义。
术语“大约”、“基本上”和“大概”在一些实施方案中可用于表示目标值的±20％以内，在一些实施方案中可用于表示目标值的±10％以内，在一些实施方案中可用于表示目标值的±5％以内，在一些实施方案中还用于表示目标值的±2％以内。术语“大约”和“大概”可以包括目标值。

Claims (20)

1.一种微机电系统MEMS陀螺仪，包括：
振动环结构，所述振动环结构包括第一多个同心环和多个挠性构件；
至少一对驱动电极，被配置为向所述振动环结构静电地施加电压，从而以扩展模式激发所述振动环结构，其中所述至少一对驱动电极包括位于所述第一多个同心环的内侧和外侧的彼此相对设置并且被配置为以相同极性信号操作的第一驱动电极和第二驱动电极；
至少一对感测电极，被配置为静电地感测所述振动环结构的扩展模式，其中所述至少一对感测电极包括位于所述第一多个同心环的内侧和外侧的彼此相对设置并且被配置为感测相同极性信号的第一感测电极和第二感测电极；
第一支撑结构，被配置为悬挂所述振动环结构，所述第一支撑结构位于所述第一驱动电极和所述第一感测电极的内侧上，以及
第二支撑结构，被配置为悬挂所述振动环结构，所述第二支撑结构位于所述第二驱动电极和所述第二感测电极的外侧上。
2.如权利要求1所述的微机电系统MEMS陀螺仪，其中所述振动环结构包括复合网环。
3.如权利要求1所述的微机电系统MEMS陀螺仪，其中所述振动环结构包括具有环形形状的实心环。
4.如权利要求1所述的微机电系统MEMS陀螺仪，其中所述至少一对驱动电极被配置为静电地激发所述振动环结构的面内扩展模式。
5.如权利要求4所述的微机电系统MEMS陀螺仪，还包括：
至少一对感测电极，位于所述振动环结构的相对侧上并被配置为静电地仅感测所述振动环结构的面内扩展模式。
6.如权利要求1所述的微机电系统MEMS陀螺仪，其中所述振动环结构包括复合网环，所述复合网环包括以第一间隔布置的第一多个同心环，并且所述第一支撑结构包括以第二间隔布置的第二多个同心环，其中所述第二间隔大于所述第一间隔。
7.如权利要求1所述的微机电系统MEMS陀螺仪，其中所述振动环结构包括复合网环，所述复合网环包括多个同心环，并且所述MEMS陀螺仪还包括：
第二支撑结构，被配置为悬挂所述振动环结构，所述第二支撑结构位于所述振动环结构的外侧上，其中所述第一支撑结构和所述第二支撑结构被配置为当以扩展模式激发时允许所述复合网环的至少最内环和最外环的振幅基本相等的运动。
8.如权利要求1所述的微机电系统MEMS陀螺仪，其中所述第一支撑结构被配置为通过锚悬挂所述振动环结构。
9.一种扩展模式陀螺仪，包括：
复合网环，包括第一多个环和多个挠性构件；
至少一对驱动电极，被配置为向所述复合网环静电地施加电压，从而以扩展模式激发所述复合网环，其中所述至少一对驱动电极包括位于所述第一多个环的内侧和外侧的彼此相对设置并且被配置为以相同极性信号操作的第一驱动电极和第二驱动电极；和
至少一对感测电极，被配置为静电地感测所述复合网环的扩展模式，其中所述至少一对感测电极包括位于所述第一多个环的内侧和外侧的彼此相对设置并且被配置为感测相同极性信号的第一感测电极和第二感测电极；
一个或多个支撑结构，被配置为当以扩展模式激发时允许所述复合网环的第一多个环的两个或多个环的振幅基本相等的运动，所述一个或多个支撑结构包括：
位于所述第一驱动电极和所述第一感测电极的内侧上的第一支撑结构；以及
位于所述第二驱动电极和所述第二感测电极的外侧上的第二支撑结构。
10.如权利要求9所述的扩展模式陀螺仪，还包括：
至少一对感测电极被配置为静电地仅感测所述扩展模式。
11.如权利要求9所述的扩展模式陀螺仪，其中所述一个或多个支撑结构包括位于所述复合网环的内侧上的第一支撑结构。
12.如权利要求11所述的扩展模式陀螺仪，其中所述一个或多个结构包括位于所述复合网环的外侧上的第二支撑结构。
13.如权利要求9所述的扩展模式陀螺仪，其中所述第一多个弯曲部分以第一间隔布置，并且所述一个或多个支撑结构中的每个包括以第二间隔布置的第二多个弯曲部分，其中所述第二间隔大于所述第一间隔。
14.如权利要求9所述的扩展模式陀螺仪，其中所述至少一对驱动电极位于所述复合网环的相对侧上。
15.如权利要求14所述的扩展模式陀螺仪，其中所述一个或多个支撑结构包括第一支撑结构和第二支撑结构，所述第一支撑结构位于所述至少一对驱动电极的第一电极的内侧上，并且所述第二支撑结构位于所述至少一对驱动电极的第二电极的外侧上。
16.如权利要求9所述的扩展模式陀螺仪，其中所述一个或多个支撑结构被配置为通过一个或多个锚来悬挂所述复合网环。
17.一种操作具有复合网环的微机电系统(MEMS)陀螺仪的方法，所述复合网环包括闭合轮廓内边缘和闭合轮廓外边缘、至少一对驱动电极、至少一对感测电极、位于所述复合网环的内侧上的第一支撑结构以及位于所述复合网环的外侧上的第二支撑结构，该方法包括：
通过所述至少一对驱动电极来以面内扩展模式静电地激发所述复合网环，其中在以面内扩展模式激发所述复合网环时，所述复合网环的闭合轮廓内边缘和闭合轮廓外边缘以基本相等的振幅来运动；和
响应于以面内扩展模式激发所述复合网环，通过所述至少一对感测电极静电地感测由所述复合网环产生的一个或多个信号，
其中以所述面内扩展模式激发所述复合网环包括以具有大于或等于0.78的角增益的面内扩展模式激发所述复合网环。
18.如权利要求17所述的方法，其中以面内扩展模式激发所述复合网环包括以在100kHz内的面内扩展模式激发所述复合网环。
19.如权利要求17所述的方法，其中响应于以面内扩展模式激发所述复合网环，所述复合网环的宽度跨越所述复合网环的圆周变化。
20.如权利要求17所述的方法，其中所述面内扩展模式表现为彼此相对反相驱动的两个叠加的酒杯模式。
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