[發(fā)明專利]具有改進的正交補償?shù)耐勇輧x結(jié)構(gòu)和陀螺儀

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201480050415.8
• 申請日: 2014-09-10
• 公開（公告）號: CN105556242B
• 公開（公告）日: 2018-09-04
• 發(fā)明（設計）人: 馬庫斯·林基奧;安斯·布盧姆奎斯特;亞科·羅希奧
• 申請（專利權(quán)）人: 株式會社村田制作所
• 主分類號: G01C19/5712
• 分類號: G01C19/5712;G01C19/5755;G01C19/5776
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 朱勝;陳煒

提供了一種微機電陀螺儀結(jié)構(gòu)，該微機電陀螺儀結(jié)構(gòu)包括震動質(zhì)量塊、本體元件以及使震動質(zhì)量塊懸掛于本體元件的彈簧結(jié)構(gòu)件。在主振蕩中，震動質(zhì)量塊的至少一部分在平面外方向上振蕩。第一導體被布置成與震動質(zhì)量塊一起移動，并且第二導體附接至本體元件。導體包括沿第一方向和第三方向延伸的相鄰的表面。電壓元件被布置成在第一表面與第二表面之間產(chǎn)生電勢差并且由此在第二方向上引發(fā)靜電力，該靜電力是通過震動質(zhì)量塊的主振蕩來調(diào)制的。

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及微機電裝置，尤其涉及由獨立權(quán)利要求的前序部分限定的陀螺儀結(jié)構(gòu)和陀螺儀。

背景技術(shù)

微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems)或MEMS可以被定義為其中至少一些元件具有機械功能的小型化機械和機電系統(tǒng)。由于利用用于創(chuàng)建集成電路的相同工具來創(chuàng)建MEMS裝置，因此可以在相同的硅片上制造微機械元件和微電子元件以實現(xiàn)智能的機器。

MEMS結(jié)構(gòu)可以應用于迅速地且精確地檢測物理性能的非常小的變化。例如，微機電陀螺儀可以應用于迅速地且精確地檢測非常小的角位移。運動具有六個自由度：三個正交方向上的平移和圍繞三個正交軸的旋轉(zhuǎn)。后三個可以由角速率傳感器(也被稱為陀螺儀)測量。MEMS陀螺儀使用科里奧利效應(Coriolis Effect)來測量角速率。當質(zhì)量塊(mass)沿一個方向移動并且施加了旋轉(zhuǎn)角速度時，質(zhì)量塊由于科里奧利力(Coriolis force)而經(jīng)受正交方向上的力。然后，可以從例如電容式、壓電式或壓阻式感測結(jié)構(gòu)讀取由科里奧利力引起的最后所得到的物理位移。

由于缺少適當?shù)闹С校贛EMS陀螺儀中，主運動通常不像在常規(guī)陀螺儀中那樣為連續(xù)旋轉(zhuǎn)。替代地，機械振蕩可以用作主運動。當振蕩的陀螺儀經(jīng)受與主運動的方向正交的角運動時，產(chǎn)生波動的科里奧利力。這產(chǎn)生了與主運動正交且與角運動的軸正交的、并且處于主振蕩的頻率下的副振蕩(secondary oscillation)。這種耦合振蕩的振幅可以用作角速率的度量。

陀螺儀是非常復雜的慣性MEMS傳感器。陀螺儀設計的基本挑戰(zhàn)在于，科里奧利力非常小，因此，生成的信號與陀螺儀中存在的其他電信號相比往往是很小的。對振動的寄生諧振和敏感性困擾許多MEMS陀螺儀設計。

陀螺儀設計中的一個挑戰(zhàn)是正交誤差運動。在理想的陀螺儀結(jié)構(gòu)中，主振蕩和副振蕩是完全正交的。然而，在實際的裝置中存在缺陷，從而導致震動質(zhì)量塊的主模式移位直接耦合至陀螺儀的副模式。這種直接耦合被稱為正交誤差。角運動信號與正交信號之間的相位差是90度，這意味著，基本上，可以用相敏解調(diào)消除正交誤差。然而，與角運動信號相比，正交信號可以是非常大的，并且因此可能引起對于相位解調(diào)的讀出電子裝置或相位精度的不合理的動態(tài)范圍需求。

解決該誤差源的一種已知方法是在生成正交信號之前除去傳感器結(jié)構(gòu)處的誤差信號的靜電式正交抵消。為此，可以對震動質(zhì)量塊施加與主振蕩完全同相并且與副振蕩平行的靜電力。圖1示出了美國專利公布5,992,233中介紹的用于靜電式正交抑制的現(xiàn)有技術(shù)配置。圖1示出了震動檢驗質(zhì)量塊(seismic proof mass)，其中，兩個指部從該震動檢驗質(zhì)量塊的相對側(cè)突出。每個突出的指部被靜止電極的左指部和右指部圍繞，并且在每對指部中的左指部與右指部之間施加有小電壓差。在右指部與對應的左指部之間可以施加相反的電壓電勢以使得該電壓差產(chǎn)生抵消正交誤差的平衡力。

然而，該原理不可應用于震動質(zhì)量塊的主模式振蕩沿平面外方向的陀螺儀結(jié)構(gòu)。MEMS裝置通常是分層結(jié)構(gòu)，在該分層結(jié)構(gòu)中，陀螺儀結(jié)構(gòu)被懸掛于底層本體元件或包覆本體元件。容易理解的是，制造相關技術(shù)的圍繞靜止電極配置來以溫度穩(wěn)健的方式提供必要的補償電壓差會具有挑戰(zhàn)性，或者甚至是不可能的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于設計下述陀螺儀結(jié)構(gòu)，該陀螺儀結(jié)構(gòu)允許對具有在平面外方向上被激勵的一個或多個平面質(zhì)量塊的陀螺儀結(jié)構(gòu)進行有效的正交補償。本發(fā)明的目的是通過根據(jù)獨立權(quán)利要求的特征部分所述的陀螺儀結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。