[發明專利]雙軸和三軸慣性傳感器及慣性感測方法

有效

• 申請號: 201380057287.5
• 申請日: 2013-09-04
• 公開（公告）號: CN104781677B
• 公開（公告）日: 2017-09-12
• 發明（設計）人: A·A·塞西亞;P·希魯文卡塔納森;X·鄒
• 申請（專利權）人: 劍橋企業有限公司
• 主分類號: G01P15/097
• 分類號: G01P15/097;G01P15/18;G01K7/32;G01P1/00
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司11283
• 代理人: 孫向民,肖冰濱

技術領域

本發明涉及慣性傳感器及使用微機械慣性傳感器進行慣性傳感方法。具體地，本發明涉及可以很容易制造的并且僅使用單個懸掛的檢驗質量塊(proof mass)能夠在兩個或三個正交方向進行傳感的慣性傳感器。

背景技術

基于輕阻尼微機械諧振器的振蕩器以其生產穩定、低噪音頻率輸出的性能而聞名。而這些特征使得它們在通信系統中作為穩定的定時/頻率參考有價值，這些特征也使得它們在用作傳感器方面具有吸引力。通過定義，諧振傳感器是輸出頻率是測量的輸入的函數的振蕩器。換句話說，諧振傳感器的輸出對應于機械微觀結構的諧振頻率的偏移，機械微觀結構的諧振頻率的變化是根據待測物理/化學量的變化獲得調整。伴隨著經頻移的輸出信號的高靈敏度和穩定性，這種傳感器中的輸出信號的準數字(quasi-digital)性質已經引起這種微機械諧振傳感器從生物分子和化學診斷到高精度力、質量、張力(strain)并且甚至電荷感測范圍的多種應用中的廣泛使用。

對于諧振傳感器的特殊情況，在過去的幾年高精度微機械“全硅”諧振微加速計的發展中具有增加的興趣。參見例子：US5969249；US4851080；US2011/0056294；CN101303365。這種興趣被觸發，是由于最近在航空航天、汽車行業及家用電子市場中對于微型高精度運動傳感器的需求的增長。使用硅微機械技術制造的諧振微加速計呈現出許多顯著優點，最大的優點是經濟性。相對于它們更傳統的基于具有類似裝置封裝配對物的電容式檢測，這些硅諧振微加速計不僅具有更高的靈敏度和分辨率，而且還示出提供增強的動態范圍，這使得它們在識別市場(identified market)內的許多運動感測應用中的潛在應用中成為理想的候選者。

但是，這些傳感器的大部分仍然保持單軸或雙軸的，因此對于那些不需要復雜的三維(3D)運動控制的應用限制了它們的功能和實用性。同時，三個單軸的、正交定向的諧振微加速計可以潛在的被應用于精確的三維頻率偏移加速度/運動讀出，這種實施相應地增加了設備的成本、尺寸和功率需求。

本發明的目的是提供一種微機械硅諧振加速計，其允許僅使用單個懸掛的檢驗質量塊進行二維和三維加速度讀出。

發明內容

本發明在隨附獨立權利要求中限定，應該參考獨立權利要求。優選的特征在從屬權利要求中陳述。

在本發明的第一方面中，提供一種慣性傳感器，該慣性傳感器包括：

框架；

檢驗質量塊，該質量塊懸掛于所述框架；

第一諧振元件對，該第一諧振元件對電耦合至所述檢驗質量塊或電耦合至中間組件，該中間組件機械耦合至所述質量塊的，每個第一諧振元件相對于另一個第一諧振元件耦合至所述質量塊的對側，所述第一諧振元件實質上是彼此相同的并且當所述傳感器不加速時，具有實質上相同的與所述檢驗質量塊的靜電耦合；

其中，所述第一諧振元件和檢驗質量塊實質上位于一個平面內，并且其中所述檢驗質量塊正交于所述平面的相對于所述第一諧振元件的運動改變所述檢驗質量塊和所述第一諧振元件之間的靜電耦合；

驅動裝置，該驅動裝置耦合至所述第一諧振元件，用于使所述第一諧振元件中的每一者振動；以及

傳感器組件，用于檢測所述第一諧振元件中的每一者的諧振頻率的偏移；以及

處理裝置，用于對所述第一諧振元件中的每一者的偏移的求和以提供與第一軸平行的所述檢驗質量塊的加速度的測量，所述第一軸與所述平面正交。

在所述檢驗質量塊和諧振元件之間的靜電耦合的任何改變導致該諧振元件的有效剛度的改變，其改變了所述諧振元件的諧振頻率。在本文中，“檢測所述諧振頻率的偏移”應當被理解為包括直接檢測諧振頻率的偏移和通過檢測諧振元件的諧振頻率的在另一方面的改變來間接檢測諧振頻率的偏移。

對諧振頻率偏移求和消除了來自朝向或遠離所述諧振元件的所述檢驗質量塊的平面移動的貢獻，使得平面外加速度可以被解耦和確定。由于所述第一諧振元件的每一者被安裝在所述檢驗質量塊的對側，任何平面移動將導致在每個諧振元件上相同幅度但是相反方向的偏移。優選地，所述檢驗質量塊和諧振元件被配置以使與所述第一諧振元件相切的所述檢驗質量塊的移動不改變所述靜電耦合。例如，所述第一諧振元件所耦合的所述檢驗質量塊的側面可以具有均勻厚度并且平行于切線方向延伸，并在所述切線方向超出所述第一諧振元件。

任何合適的諧振元件可以被使用，例如雙端音叉諧振器。