CN117516500A - 偏航轴科里奥利振动陀螺仪的正交微调垂直电极 - Google Patents

偏航轴科里奥利振动陀螺仪的正交微调垂直电极 Download PDF

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I·P·普里霍德科
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Abstract

本发明涉及偏航轴科里奥利振动陀螺仪的正交微调垂直电极。描述了具有平面外正交微调电极的微机电系统(MEMS)偏航陀螺仪。陀螺仪包括被配置为在平面内被驱动的检验质量块。检验质量块包括一个开口或多个开口。平面外正交微调电极被定位为在投影平面中与开口的边缘横向重叠。平面外正交微调电极微调检验质量块在一个或两个方向上的平面内运动，以限制正交运动。平面外正交微调电极可以以对称图案布置，以实现模式切换。

Description

偏航轴科里奥利振动陀螺仪的正交微调垂直电极
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2022年4月18日提交的、题为“偏航轴科里奥利振动陀螺仪的正交微调垂直电极”、代理人案卷No.G0766.70350US00的美国临时申请序列No.63/332,138的权益，通过引用将其全部并入本文。
技术领域
本公开涉及用于偏航陀螺仪的正交微调电极配置。
背景技术
偏航陀螺仪检测绕偏航轴的角加速度。一些偏航陀螺仪包括验证质量块，该验证质量块沿一个方向在平面内驱动，并且响应于绕偏航轴的旋转沿正交方向在平面内移动。
发明内容
描述了具有平面外正交微调电极的微机电系统(MEMS)偏航陀螺仪。陀螺仪包括被配置为在平面内被驱动的检验质量块。检验质量块包括一个开口或多个开口。平面外正交微调电极被定位为在投影平面中与开口的边缘横向重叠。平面外正交微调电极微调检验质量块沿一个或两个方向的平面内运动。
根据本技术的一个方面，描述了一种微机电系统(MEMS)陀螺仪，包括：基板；检验质量块，所述检验质量块悬置在所述基板上方并且包括封闭开口；和所述基板上的平面外正交微调电极，在垂直于所述检验质量块的方向上与所述检验质量块分离，并且横向定位为在开口处与所述检验质量块的内边缘重叠。
在一些实施方案中，所述检验质量块包括开口阵列，并且所述MEMS陀螺仪包括横向定位成与所述开口阵列的内边缘重叠的平面外正交微调电极阵列。
在一些实施方案中，所述平面外正交微调电极阵列以棋盘图案布置以接收两种不同的电压。
在一些实施方案中，所述平面外正交微调电极沿两个维度横向定位，以在所述检验质量块的两个平面内维度中提供正交微调。
在一些实施方案中，所述MEMS陀螺仪还包括至少一个驱动电极，所述驱动电极被配置为驱动所述检验质量块沿第一方向的平面内运动。
在一些实施方案中，所述MEMS陀螺仪还包括控制器，所述控制器被配置为向所述平面外正交微调电极施加直流(DC)电压，并向所述至少一个驱动电极施加交流(AC)电压。
在一些实施方案中，所述平面外正交微调电极中的每一个的尺寸是在20μm和40μm之间的值。
在一些实施方案中，所述封闭开口的尺寸是在20μm和40μm之间的值，并且所述平面外微调电极的两个相邻电极之间的间距是在0.1μm和1.0μm之间。
根据本技术的一个方面，描述了一种微机电系统(MEMS)陀螺仪，包括：悬置在基板上方的平面检验质量块；驱动电极，所述驱动电极与所述平面检验质量块在平面内并且被配置为驱动所述平面检验质量块的平面内运动；和一对平面外正交微调电极，位于所述平面检验质量块中的开口下方，并且被配置为在所述开口处向所述平面检验质量块施加平面内正交微调力。
在一些实施方案中，所述平面检验质量块包括包括开口的开口阵列；和所述MEMS陀螺仪包括平面外正交微调电极的阵列，所述平面外正交微调电极的阵列包括所述一对平面外正交微调电极，所述平面外正交微调电极的阵列横向定位成与所述开口阵列的内边缘重叠。
在一些实施方案中，所述平面外正交微调电极的阵列沿两个维度横向定位，以在所述平面检验质量块的两个平面内维度中提供正交微调。
在一些实施方案中，所述MEMS陀螺仪还包括控制器，所述控制器被配置为向所述一对平面外正交微调电极施加直流(DC)电压，并向所述驱动电极施加交流(AC)电压。
根据本技术的一个方面，描述了一种操作微机电系统(MEMS)偏航陀螺仪的方法，该方法具有平面检验质量块，该平面检验质量块具有悬置在一对正交微调电极上方的开口。该方法包括：通过向所述一对正交微调电极施加第一直流(DC)电压，在所述平面检验质量块的开口处沿第一平面内方向产生平面内力；驱动所述平面检验质量块沿着所述第一平面内方向的平面内运动；和通过感测所述平面检验质量块沿着垂直于所述第一平面内方向的第二平面内方向进行的平面内运动来感测所述MEMS偏航陀螺仪的角运动。
在一些实施方案中，所述一对正交微调电极是第一对正交微调电路，和所述MEMS偏航陀螺仪还包括垂直于所述第一对正交微调电极定位的第二对正交微调电极，并且该方法还包括：通过向所述第二对正交微调电极施加第二DC电压，在所述平面检验质量块的开口处沿所述第二平面内方向产生平面内力。
在一些实施方案中，驱动所述平面检验质量块的平面内运动包括向一对平面内驱动电极施加交流(AC)驱动信号。
在一些实施方案中，将所述DC电压施加到所述一对正交微调电极包括将所述DC电压施加到连接到正交微调电极的阵列的子集的垫。
在一些实施方案中，驱动所述平面检验质量块的平面内运动基本上不改变所述平面检验质量块和所述一对正交微调电极之间的间隙。
附图说明
将参考以下附图来描述本申请的各个方面和实施例。应该理解的是，这些数字不一定是按比例绘制的。出现在多个图中的项目在其出现的所有图中由相同的参考数字表示。
图1A示出了根据一些实施例的具有平面外正交微调电极的微机电系统(MEMS)偏航陀螺仪的截面图。
图1B以自上而下、并排的视图示出了根据一些实施例的图1A的基板和检验质量块。
图1C示出了根据一些实施例的图1A的结构的自上而下的视图。
图2示出了根据一些实施例的成对提供的正交微调电极，如通过不同阴影所示。
图3示出了根据一些实施例的图2的结构的尺寸的示例。
图4示出了根据一些实施例的平面外正交微调电极的阵列。
图5示出了根据一些实施例的图4的正交微调电极的阵列，其被划分为电分离的两组。
图6示出了根据一些实施例的覆盖正交微调电极的部分阵列的陀螺仪的单个象限的配置。
图7A示出了根据一些实施例的正交质量陀螺仪的四个质量。
图7B示出了根据一些实施例的具有与图7A的结构不同的驱动模式的正交质量块陀螺仪的四个质量块。
图8示出了根据一些实施例的平面外正交微调电极的操作方式。
具体实施方式
综述
本技术的各方面包括用于微机电系统(MEMS)偏航陀螺仪的正交微调电极配置，其中正交微调电极位于陀螺仪检验质量块的平面外。检验质量块可以是配置为在平面内驱动的平面检验质量块。控制器可以被配置为向至少一个驱动电极施加交流(AC)电压，以在平面内驱动检验质量块。检验质量块可以包括开口。正交微调电极可以定位在检验质量块的平面外，使正交微调电极在检验质量块平面内的投影与检验质量块的开口的边缘重叠。直流(DC)电压可以施加到正交微调电极上，从而在检验质量块的开口处产生作用在检验质量块的边缘上的力。控制器可以进一步被配置为将DC电压施加到平面外正交微调电极。该力可以在一个或两个平面内方向上微调检验质量块。例如，可以实现x方向和y方向的正交微调。
检验质量块可以被配置为在平面内被驱动，以确定偏航率、围绕垂直轴(例如，平行于z轴)的角速度。检测围绕垂直轴的角运动包括沿第一轴在平面内驱动检验质量块(本文称为驱动模式)和沿第二轴检测平面内运动(本文称之为感测模式)。在平面内驱动检验质量块可引起偏航陀螺仪的运动，导致检验质量块以周期性的方式振动。当偏航陀螺仪的检验质量块振荡并且偏航陀螺仪受到角运动时，产生可感测的科里奥利效应，从而产生科里奥利力。在一些实施方案中，检验质量块可以被驱动以在x轴方向上振荡，并且检验质量块可以经历围绕垂直轴的角运动，从而产生指向y方向的科里奥利力。在这些实施方案中，科里奥利力可以通过感测检验质量块在y方向上的平面内运动来感测。
在偏航陀螺仪中可以使用微调来补偿由于正交运动而产生的不期望的影响。制造过程中造成的缺陷(例如，倾斜的侧壁)可能会导致检验质量块的正交运动。当检验质量块虽然被驱动仅沿一个方向(例如，x方向)在平面内振荡，但在另一个方向上(例如，y方向)也会发生不希望的运动，从而导致串扰时，就会出现正交运动。正交运动可能被耦合到偏航陀螺仪的电子电路错误地解释为角速度。认识到消除和补偿由于制造引起的缺陷而产生的串扰的愿望，申请人开发了限制或完全消除正交运动的偏航陀螺仪。根据本申请的各方面的MEMS偏航陀螺仪利用正交微调电极。正交微调电极可以被布置为产生静电力，该静电力在补偿陀螺仪正交运动的方向和量上偏置检验质量块的位置。
某些陀螺仪依赖于平面内正交微调电极(位于检验质量块所在的同一平面内的正交微调电极)，它们在一个轴上相对于彼此对准。这样的配置可以导致平面内正交微调电极和检验质量块之间的小间隙，从而限制检验质量块在平面内的运动。限制验证质量块运动限制了陀螺仪对角运动的灵敏度。可以使用更大的间隙来实现更高的质量块振幅运动，但更大的缝隙会导致正交微调强度迅速降低，使陀螺仪更容易受到串扰的影响。
相反，本技术的各方面提供了用于正交微调的对称电极图案配置，其中，检验质量块上的力取决于基板和移动的检验质量块之间的垂直间隙(例如，相对于z轴的间隙)，因此不干扰检验质量块运动的方向和大幅度。用于偏置检验质量块的位置以抵消正交运动的平面内力可以通过操作平面外微调电极(定位在与检验质量块所在的平面不同的平面中的正交微调电极)结合在检验质量块中形成的开口来产生。正交微调电极在检验质量块平面内的投影与检验质量块开口的边缘重叠。因此，向正交微调电极施加直流电压会导致力作用在检验质量块开口处的检验质量块边缘上，从而偏置检验质量块的位置。
在一些实施方案中，微调电极相对于彼此紧密间隔开，以避免它们之间暴露的电介质充电。电极可以形成具有由四个正方形组成的重复基本正方形单元的周期性图案。该基本图案单元的两个对角正方形可以具有相同的控制电压，并且另外两个对角方块可以具有相反的符号电压。检验质量块可以通过稳定的小垂直间隙与正交微调电极分离。可以在名义上与基本电极单元的中心对准的检验质量块中提供孔。当检验质量块在共振激励下移动时，检验质量块中的孔相对于基板上的静态电极图案改变位置。基本单元的四个电极和检验质量块的孔之间的面积重叠的变化产生了正交于检验质量块运动方向的交叉轴力。
因此，本技术的各方面提供了用于微调MEMS偏航陀螺仪的平面内运动的平面外正交微调电极。平面外正交微调电极与陀螺仪的检验质量块垂直分离，陀螺仪被配置为在平面内驱动。垂直正交微调电极和检验质量块之间的垂直间距在检验质量块的平面内运动期间可以保持基本恒定。响应于经历绕垂直轴的旋转，检验质量块在平面内方向上移动，这由位于与检验质量块相同平面的感测电极检测。
下文将进一步描述上文所描述的方面和实施例，以及额外的方面和执行例。这些方面和/或实施例可以单独使用，全部一起使用，或者以两个或多个的任何组合使用，因为本申请在这方面不受限制。
II.平面外正交微调电极
图1A示出了根据非限制性实施例的具有平面外正交微调电极106的MEMS偏航陀螺仪10的截面图。MEMS偏航陀螺仪10包括平面检验质量块102、基板100和正交微调电极106。
平面检验质量块102悬置在基板100上方。例如，平面检验质量块102可以通过系绳、锚固件或支撑结构的组合连接到基板100。平面检验质量块102被悬置，使得它可以在二维(例如，x方向和y方向)平面内移动，并且可选地，它可以响应于陀螺仪的滚转或俯仰旋转而移出平面(在图中的z方向)。驱动电极108可以与检验质量块102在平面内提供以驱动检验质量块(例如，通过施加合适的交流(AC)驱动信号)。在图1A的截面图中，可以看到两个驱动电极108。然而，可以提供更多，并且在非限制性实施例中，四个驱动电极可以与检验质量块102在平面内提供，其中在检验质量块102的每一侧上提供一个。驱动电极108可以从检验质量块102偏移图1A中标记为“a”的距离。在一些实施方案中，检验质量块102和驱动电极108之间标记为“a”的距离不会过于显著地限制检验质量块的运动范围。除了其他形状之外，驱动电极108可以具有矩形形状。检验质量块102显示为矩形形式，但可以具有任何合适的尺寸和形状，并且可以由任何合适的材料形成。
检验质量块102包括开口104。在一些实施例中，检验质量块包括多个开口，例如开口阵列。然而，为了简化说明，在图1A中示出了单个开口104。开口104可以是正方形或矩形(当在z方向上观察时)，尽管在替代实施例中可以使用替代形状。开口104的尺寸可以设置为提供开口104的内边缘的足够表面积，以经受来自平面外正交微调电极106的微调力。
如图1A所示，MEMS偏航陀螺仪10包括设置在基板100上的多个正交微调电极106。正交微调电极106因此在z方向上与检验质量块102分离，并且被称为平面外正交微调电极，因为它们位于检验质量块102的平面之外。正交微调电极106可以与检验质量块102分开图1A中标记为“s”的距离。在图1A的截面图中，可以看到两个正交微调电极106。然而，可以提供更多，如将关于后续附图描述的那样。
值得注意的是，当检验质量块102被驱动时，平面检验质量块102的平面内移动可能不会改变检验质量块102和正交微调电极106之间的垂直距离。这样的配置简化了在MEMS偏航陀螺仪10的操作期间对正交微调电极106的控制。通过不改变检验质量块102和正交微调电极106之间的间距，由正交微调电极施加在检验质量块102上的力可以比如果正交微调电极以在它们和检验质量块102之间存在可变间隙的方式定位(如平面内正交微调电极的情况)更好地控制。
图1B以自上而下、并排的视图示出了图1A的基板100和检验质量块102。应当理解，为了便于说明，这两者是并排的，并且在实践中检验质量块102在基板100上，如图1C所示。如图1C所示，图1C是图1A的结构的俯视图，检验质量块102和平面外正交微调电极106被定位成使得平面外正交微调电极106横向地(相对于xy平面)与检验质量块102中的开口104重叠。在一些实施方案中，平面外正交微调电极106到检验质量块的平面中的投影与开口104的边缘重叠。正交微调电极106和检验质量块102的开口104的尺寸可以被确定为使得即使当检验质量块102在操作期间移动到其最大平面内范围时也存在重叠。下面将进一步描述的图2也说明了这一特征。
图1C的配置允许使用平面外正交微调电极106对检验质量块102进行平面内正交微调。向正交微调电极106施加DC电压将产生具有作用在边缘128(在图1C中示出为检验质量块102的开口104的内边缘)上的平面内分量的电场。如图1C所示，开口104的每个边缘128在顶点116处与另一个边缘128相交。电场的平面内分量导致在开口104的边缘128处施加力。该力可以在x方向和/或y方向上定向，并且可以是平面内力。
参考图2，正交微调电极106和检验质量块102的开口104的尺寸可以被确定为使得即使当检验质量块102在操作期间移动到其最大平面内范围时也存在重叠。虚线框130表示检验质量块开口104在平衡(例如静止)时的定位。标记为“L1”的距离表示正交微调电极106的尺寸，标记为“L2”的距离指示检验质量块102在相同方向，即x方向上的尺寸。如图2所示，正交微调电极每个被标记为“b”的间隔分开。如图所示，开口104可以在x和y方向上分别位移量“x”和“y”。当移位时，开口104仍然覆盖在正交微调电极106上，使得每个顶点116继续覆盖相应的正交微调电极106。
图2还示出了可以成对地提供正交微调电极106，如不同的阴影所示。这些对与电压差的应用有关。例如，相对于彼此对角定位的电极可以电连接在一起。所述对可以相对于彼此垂直地定位。提供如图所示定位的两对电极允许在x和y方向上进行微调。提供单个对将允许在单个方向(x方向或y方向)上进行微调。电极沿两个维度横向定位，以提供两个平面内维度的正交微调。
图3示出了用于图2的结构的尺寸的示例。所示的尺寸是非限制性的示例，因为可以使用其他尺寸。也就是说，如图所示，开口104可以明显大于正交微调电极之间的平面内间距(例如，图2中标记为“b”的间距)。在一些实施方案中，开口104可以具有与每个单独的正交微调电极106相当的尺寸。如图3所示，图2中标记为“L1”的距离可约为30μm，并且大于标记为“b”的间距，该间距可为0.5μm。标记为“L1”的距离可以是25至35μm、20至40μm之间的值，也可以是这些范围内的任何值。类似地，标记为“L2”的距离可以是25到35μm之间、20到40μm之间的值，或者这些范围内的任何值。相邻电极之间标记为“b”的间距可以在0.1至5.0μm、0.1至1.0μm之间，或这些范围内的任何值。如图3所示，检验质量块102可以具有蚀刻孔120，蚀刻孔120是为了制造目的而形成的。每个蚀刻孔120在一个方向上可以具有大约3μm的尺寸，在1.0到5.0μm之间的尺寸，或者在该范围内的值。虽然图3示出了具有开口104的单个检验质量块102，但在非限制性实施例中，检验质量块102可以包括被配置为限定开口的互连质量块。
因此，根据本技术的一个方面，MEMS陀螺仪可以包括基板(例如，基板100)和悬置在基板上方的平面检验质量块(例如，检验质量块102)。在一些实施例中，“在上面”意味着处于相对于垂直轴偏移的位置，并且还可以包括设备相对于y轴旋转(例如，翻转)的情况。检验质量块可以具有封闭的开口(例如，开口104)。例如，开口可以被检验质量块的材料包围。MEMS陀螺仪可以包括基板上的平面外正交微调电极(例如，正交微调电极106)。正交微调电极106在垂直于检验质量块的顶表面的方向上与检验质量块102分离。正交微调电极可以横向定位，以在开口处与检验质量块的内边缘(例如，边缘128)重叠。例如，开口的每个顶点可以与相应的电极重叠。重叠可能会导致每个部分在某个维度上被另一部分覆盖。
III.平面外正交电极在多检验质量块陀螺仪中的应用
应当理解，并非所有实施例都限于一个检验质量块，因为本文所述类型的陀螺仪可以包括任何其他合适数量的检验质量块。在一个示例中，陀螺仪可以具有定位在四个相应象限中的四个检验质量块。在具有四个检验质量块的情况下，陀螺仪可以在驱动和感测模式中以反相方式操作，其中一个检验质量块在负x方向上移动，而相邻的检验质量块在正x方向上运动(例如，如图7A所示)。具有四个检验质量块可以由于差分地感测角运动的能力而提高精度。
图4示出了平面外正交微调电极106的阵列。在一些实施方案中，提供了数十个或数百个正交微调电极106。提供两个垫，垫122和垫124，以提供对正交微调电极106的电接入。也就是说，正交电极106的阵列可以包括电连接到第一垫的第一子集和电连接到第二垫的第二子集。图5进一步示出了该特征。第一组和第二组可以具有多对电极。第一组和第二组可以被配置为接收两个不同的电压。多个电极组，例如图4所示的平面外正交微调电极106的阵列，可以用于在不增加施加电压的情况下提高横向力。申请人已经意识到，可以施加到微调电极的最大电压由驱动电极的专用集成电路(ASIC)的性质决定。例如，某些ASIC不允许产生超过40V(或在30V到50V之间)的电压。为了提供足够的力来补偿陀螺仪的正交运动，尽管可以驱动微调电极的电压有限，平面外正交微调电极106的阵列可以与检验质量块中的多个开口结合使用。每组四个电极可以在相应开口的边缘施加力。因此，施加到检验质量块上的整体力是施加到各个开口上的力的组合。不幸的是，提供多个开口带来了一个缺点：因为从检验质量块中雕刻出来的材料量增加了，所以对角运动的灵敏度可能会降低。
如图5所示，正交微调电极106的阵列可以被划分为电分离的两组。在这个非限制性示例中，这两个组被布置成棋盘图案。第一组彼此电连接，第二组彼此电相连。该阵列可以被划分为四个象限。如图5所示，每个象限对应于平面外检验质量块102A、102B、102C和102D(例如，图6中的检验质量块102)，其覆盖相应的正交微调电极106。每个检验质量块(位于电极106上方的平面中)的轮廓用虚线示出。箭头126示出了在平面内驱动哪个方向检验质量块102A、102B、102C和102D。在这种情况下，质量以反相位的方式沿着x轴被驱动。
图6示出了在正交微调电极106的部分阵列之上的检验质量块102的单个象限的示例配置。在这个例子中，在检验质量块102中有十六个正方形开口104，并且在开口104下面有三十二对正交微调电极106。换句话说，图6示出了用于正交质量陀螺仪的单个检验质量块102的平面外正交微调电极106的8×8阵列。阵列的每组四个电极可以横向定位为与对应开口的边缘重叠，类似于结合图1C描述的布置。图6示出了根据一个示例的检验质量块102的一个尺寸大约为240μm。
图7A通过示出正交质量陀螺仪的四个质量块102A、102B、102C和102D来扩展图6。也就是说，图7A示出了图6的结构的四个实例。如图7A所示，根据非限制性实施例，X-Y轴被示出为方向的指示符，特别是哪个方向用于感测检验质量块102A、102B、102C和102D的平面内运动以及哪个方向用于驱动检验质量块的平面内移动的指示符。在图7A中，表示驱动模式的箭头126被示为指向沿着x轴的方向。
应当注意，本文所述类型的陀螺仪可以被成形为支持模式切换，由此驱动模式的方向和感测模式的方向被交换。允许陀螺仪执行模式切换在一些应用中可能是有用的。在一些实施例中，可以通过陀螺仪在检验质量块的平面中的对称性质来启用模式切换。
图7B示出了在经历模式切换时的图7A的陀螺仪。如图7B所示，X-Y轴指示X方向用于感测运动，Y方向用于驱动检验质量块102A、102B、102C和102D的运动。在这种情况下，表示驱动模式的箭头126被示为指向沿着y轴的方向。在一些实施例中，当系统处于第一模式时，平面外正交微调电极限制正交运动，如图7A所示沿着x轴驱动检验质量块，或者在第二模式中，如图7B所示沿着y轴驱动检验质量块。模式切换可以在不影响陀螺仪实现微调的能力的情况下发生，部分原因是正交微调电极是对称布置的。
IV.平面外正交电极的操作
图8示出了根据一些实施例的平面外正交微调电极的操作方式。如图8所示，正交微调电极106可以与检验质量块的开口104重叠，并且可以由间隙(在图8中不可见)分开。方框130表示当没有电压施加到电极时开口的位置。
检验质量块上的电势为HV。平面外正交微调电极106上的电势可以被设置为相同的幅度Vq，但在对角线上，具有不同的符号。平面外正交微调电极106和开口104之间的初始重叠由段L0和w0表示。开口104响应于微调而从初始位置移动距离x和y。
可以估计在平面外正交微调电极106和检验质量块之间产生的电容。这里，ε0表示自由空间的介电常数或介电常数。L0和w0表示检验质量块的开口和电极最初之间的重叠的尺寸。术语间隙表示电极和平面外的检验质量块之间的间隙。检验质量块与左上电极、右上电极、左下电极和左下电极之间的电容估计c1、c2、c3和c4可以分别表示如下：
在沿着y轴驱动检验质量块的实施例中，微调可以包括将x方向上的电力设置为基本上等于零。对于潜在的串扰，可能需要确定获得零力的条件，例如通过确定施加到检验质量块上的力的大小。这里，x方向上的电力由Fx表示。检验质量块上的电势为HV，并且电极上的电势是Vq(正或负，如图8所示)。可以使用以下表达式计算实现x方向上的电力为零的条件的值：
类似地，在沿着x轴驱动检验质量块的实施例中，微调可以包括将y方向上的电力设置为基本上等于零。这里，y方向上的电力由Fy表示。当计算Fy时，每个导数的内部函数与计算Fx时相同，这允许切换驱动和感测模式。可以使用以下表达式来计算实现y方向上的电力为零的条件的值：
V.结论
根据本技术的一个方面，提供了一种用于微调正交的对称电极图案，其补充了各种偏航轴科里奥利对称陀螺仪设计，包括全角度和模式切换。对称电极图案保持偏航陀螺仪的轴向对称性和运动轴的交换，而不限制检验质量块的位移幅度。
本文所述类型的偏航陀螺仪可以部署在各种设置中以检测角速率。一种这样的设置是在诸如自动驾驶汽车之类的汽车中，或者在诸如船只或飞机之类的车辆中。附加设置是工业应用或国防工业中的应用。MEMS偏航陀螺仪可以用于检测角速率并且希望减少串扰的任何应用中。
上述技术的各方面可以提供各种益处。现在描述一些益处的非限制性示例。应当理解，并非所有实施例都提供所有益处，并且除了列出的益处之外的益处可以在至少一些实施例中实现。
本技术的各方面提供MEMS偏航陀螺仪的正交微调，而不限制陀螺仪的检验质量块的平面内运动以适应正交微调电极。因此，在仍然提供有效的正交微调的同时，检验质量块运动的程度可以大于正交微调电极与检验质量块在平面内的情况。此外，即使在驱动检验质量块的同时，将正交微调电极放置在检验质量块平面外也会在检验质量块和正交微调电极之间提供恒定(或基本恒定)的间隙距离。因此，正交微调电极的操作不会受到间隙距离变化的负面影响，因为如果正交微调电极与陀螺仪检验质量块在平面内，则会发生这种情况。使用平面外正交微调电极进行平面内微调也允许使用简单形状的检验质量块中的开口。例如，开口可以是正方形，与可与平面内正交微调电极一起使用的更复杂的开口形状相比，这有利于简单的微制造。
本文所示和明确列出的那些特征的替代方案是可能的。例如，可以使用正交微调电极的替代形状。多边形、六边形、等边三角形或其他可以镶嵌的形状可以用作正交修剪电极形状。
术语“近似”、“实质上”和“大约”在一些实施例中可用于表示目标值的±20％，在一些实施方案中在目标值的±10％以内，在一些执行方案中在靶值的±5％以内，并且在一些实施方式中在靶量值的±2％以内。术语“近似”、“实质上”和“大约”可能包括目标值。

Claims (20)

1.一种微机电系统(MEMS)陀螺仪，包括：
基板；
检验质量块，所述检验质量块悬置在所述基板上方并且包括封闭开口；和
所述基板上的平面外正交微调电极，在垂直于所述检验质量块的方向上与所述检验质量块分离，并且横向定位为在开口处与所述检验质量块的内边缘重叠。
2.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其中所述检验质量块包括开口阵列，并且其中所述MEMS陀螺仪包括横向定位成与所述开口阵列的内边缘重叠的平面外正交微调电极阵列。
3.根据权利要求2所述的MEMS陀螺仪，其中所述平面外正交微调电极阵列以棋盘图案布置以接收两种不同的电压。
4.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其中所述平面外正交微调电极沿两个维度横向定位，以在所述检验质量块的两个平面内维度中提供正交微调。
5.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，还包括至少一个驱动电极，所述驱动电极被配置为驱动所述检验质量块沿第一方向的平面内运动。
6.根据权利要求5所述的MEMS陀螺仪，还包括控制器，所述控制器被配置为向所述平面外正交微调电极施加直流(DC)电压，并向所述至少一个驱动电极施加交流(AC)电压。
7.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其中所述平面外正交微调电极中的每一个的尺寸是在20μm和40μm之间的值。
8.根据权利要求7所述的MEMS陀螺仪，其中所述封闭开口的尺寸是在20μm和40μm之间的值，并且所述平面外微调电极的两个相邻电极之间的间距是在0.1μm和1.0μm之间。
9.一种微机电系统(MEMS)陀螺仪，包括：
悬置在基板上方的平面检验质量块；
驱动电极，所述驱动电极与所述平面检验质量块在平面内并且被配置为驱动所述平面检验质量块的平面内运动；和
一对平面外正交微调电极，位于所述平面检验质量块中的开口下方，并且被配置为在所述开口处向所述平面检验质量块施加平面内正交微调力。
10.根据权利要求9所述的MEMS陀螺仪，其中所述平面检验质量块包括包括开口的开口阵列，并且其中所述MEMS陀螺仪包括平面外正交微调电极的阵列，所述平面外正交微调电极的阵列包括所述一对平面外正交微调电极，所述平面外正交微调电极的阵列横向定位成与所述开口阵列的内边缘重叠。
11.根据权利要求10所述的MEMS陀螺仪，其中所述平面外正交微调电极阵列以棋盘图案布置以接收两种不同的电压。
12.根据权利要求10所述的MEMS陀螺仪，其中所述平面外正交微调电极的阵列沿两个维度横向定位，以在所述平面检验质量块的两个平面内维度中提供正交微调。
13.根据权利要求9所述的MEMS陀螺仪，还包括控制器，所述控制器被配置为向所述一对平面外正交微调电极施加直流(DC)电压，并向所述驱动电极施加交流(AC)电压。
14.根据权利要求9所述的MEMS陀螺仪，其中所述一对平面外正交微调电极的平面外正交微调电极中的每一个的尺寸是在20μm和40μm之间的值。
15.根据权利要求14所述的MEMS陀螺仪，其中所述开口的尺寸是在20μm和40μm之间的值，并且所述一对平面外微调电极之间的间距是在0.1μm和1.0μm之间。
16.一种操作微机电系统(MEMS)偏航陀螺仪的方法，所述MEMS偏航陀螺仪具有平面检验质量块，所述平面检验质量块具有悬置在一对正交微调电极上方的开口，所述方法包括：
通过向所述一对正交微调电极施加第一直流(DC)电压，在所述平面检验质量块的开口处沿第一平面内方向产生平面内力；
驱动所述平面检验质量块沿着所述第一平面内方向的平面内运动；和
通过感测所述平面检验质量块沿着垂直于所述第一平面内方向的第二平面内方向进行的平面内运动来感测所述MEMS偏航陀螺仪的角运动。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述一对正交微调电极是第一对正交微调电路，并且其中所述MEMS偏航陀螺仪还包括垂直于所述第一对正交微调电极定位的第二对正交微调电极，所述方法还包括：
通过向所述第二对正交微调电极施加第二DC电压，在所述平面检验质量块的开口处沿所述第二平面内方向产生平面内力。
18.根据权利要求16所述的方法，其中驱动所述平面检验质量块的平面内运动包括向一对平面内驱动电极施加交流(AC)驱动信号。
19.根据权利要求16所述的方法，其中将所述DC电压施加到所述一对正交微调电极包括将所述DC电压施加到连接到正交微调电极的阵列的子集的垫。
20.根据权利要求16所述的方法，其中驱动所述平面检验质量块的平面内运动基本上不改变所述平面检验质量块和所述一对正交微调电极之间的间隙。
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