[发明专利]容性体声波盘状陀螺仪

说明书

技术领域

陀螺仪是用于测量旋转速度或角度的传感器。微机械陀螺仪构成微型 传感器市场中增长最快的部分之一。这些装置的应用领域从汽车很快扩展 到航天、消费者应用以及个人导航系统。在汽车领域中具有许多应用，其 中包括短距离导航、防滑系统和安全系统、侧滑检测、下一代安全气囊和 防锁死制动系统。消费者电子设备应用包括在数字照相机中的图像稳定 性、手持装置的灵巧的用户界面、游戏装置以及惯性点击装置。一些应用 需要单轴陀螺仪(Z轴)，而一些应用需要多轴旋转检测(关于X以及Y 和/或Z轴)。

微型陀螺仪可用于导航。惯性导航是借助于由安装在物体上的加速度 计和陀螺仪提供的测量来确定该物体的空间位置的过程。用于短距离导航 的惯性测量单元(IMU)是飞机、无人驾驶飞行器、GPS增强导航和个人航 向参考中的重要部件。IMU一般使用3个加速度计和沿着其相应的正交检 测轴放置的3个陀螺仪，用于收集关于物体的方向和航向的信息。由此， 加速度和转速可被解释用于产生物体的精确的空间位置。IMU是独立的， 在没有全球定位系统(GPS)辅助的惯性导航的情况下可进行对航空器/物 体的精确的短期导航。

现有技术中的微机械振动陀螺仪以低频工作(ω₀＝3-30kHz)，并依赖 于增加的质量(M)和激励幅值(q_drive)，以减少底噪以及改善偏置稳定性。 如果在1-10mTorr的真空下工作，这种装置可以达到约50000的品质因数 (Q)值，该值主要受到它们挠曲部分中的热弹性阻尼的限制。已知振动陀 螺仪的基本机械布朗(Brownian)噪声由下式给出：

Ωz(Brownian)∝1qdrive4kBTω0MQEffect-Sense]]>

其中q_drive是驱动幅值，ω₀，M，和Q_effect-sense分别是自然频率、质量和检测 模下的有效品质因数；k_B是波尔兹曼常数，T是绝对温度。

现有技术中的微机械陀螺仪在其扰曲模下以相当低的频率工作 (5-30kHz)，且在高度真空下具有小于50000的Q值，这造成在质量受限 的情况下具有高的噪声级。期望减少振动陀螺仪的噪声级而不必增加质量 和驱动幅值，这在低功率和小尺寸下是难于实现的。如这里将要说明的， 通过(1)使谐振频率增加2到3个数量级(到2-8MHz)，以及(2)通过 利用体声波模大大增加Q，容性体声波陀螺仪可以完成这个任务，其中， 所述体声波模与扰曲模相比经受小得多的热弹性阻尼。在这些陀螺仪中， 体声波模的非常高的Q将转变成优良的偏置稳定性。以高频工作可以使陀 螺仪的频率带宽增加几个数量级，这使传感器的响应时间减少并放松了模 匹配要求。增加陀螺仪的谐振频率的另一个优点是使得装置的刚度增加若 干数量级，这转变成装置的高得多的抗冲击性(100kG的容许量)。此外， 装置的大的刚性使其较少受空气阻尼的影响，这可以通过不再需要高真空 的封装而简化封装以及降低制造成本。