[发明专利]振动型微机械角速度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及用于测量角速度的测量仪器，更具体地涉及振动型微机械角速度传感器。本发明旨在提供一种改进的传感器结构，该传感器结构具体地在小型振动型微机械角速度传感器技术方案中可实现高效可靠测量。

背景技术

基于振动型角速度传感器的测量已被证实是一种构思简单且可靠的角速度测量方法。在振动型角速度传感器中，产生某种已知的主运动，并在该传感器中使所述主运动持续。然后，期望用该传感器所测量的运动被检测为该主运动的偏差。

角速度传感器所要求的主要特性为抗震性和耐冲击性。尤其是在例如汽车工业的驱动控制系统等高要求应用中，这些要求极其严格。即使例如由石块造成的外部撞击等猛烈的冲击，或者由汽车立体声系统造成的振动，也不应该影响角速度传感器的输出。

最常使用的振动型角速度传感器的工作原理是所谓的音叉原理。在音叉原理中，主运动是两个线性谐振器以反相的方式关于共轴振动时的振动。在与谐振器的运动方向垂直的方向上对该传感器起影响作用的外部角速度可产生在相反的方向上影响质量块的科里奥利力(Coriolis force)。

与角速度成比例的科里奥利力可从各质量块中直接检测出来，或者可从在同一旋转轴上连接的质量块中检测出来，因此，检测出的运动是在角速度轴的方向上的角振动。然而，待检测的角振动易受外部的机械干扰影响。

由于材料和子结构的振动，从冲击事件和振动中还对角速度传感器的检测轴不可避免地产生角加速度的情况。于是，特别是当干扰的频率接近传感器的工作频率时，检测用谐振器的运动被干扰，并且角速度传感器的输出信号产生偏差。

已提出了几个现有技术的传感器技术方案以补偿干扰信号。通常采用所谓的差分检测来制造这种传感器，因此可实现对外部机械干扰极不敏感的传感器结构。例如，美国专利公报US6,705,164号中描述了这样一种现有技术的传感器技术方案，其中，并排设置的两个振动质量块在表平面内以反相的方式并以相同方向进行线性振动。这样，检测用谐振器的轴对两个质量块是共同的，并且与主运动垂直。

在差分检测中，用于各检测用谐振器的重心的共同运动轴对外部机械扰动呈现最优的不灵敏度。由于传统音叉陀螺的对角加速度的灵敏度与各检测用谐振器的轴之间的距离成比例，因此在共检测轴的特殊情况下，而且在角加速度的情况下，利用两个质量块的差分检测抵消了外部线性加速度。

于是，与例如传统音叉相比，这种根据所谓反音叉原理的角速度传感器的实施方式可在震动条件下极为更可靠地工作。然而，反音叉原理的最大缺点是主运动易受外部扰动的影响。

在上述美国专利公报US6,705,164号的结构中，耦合成的线性谐振器在同相比在反相的情况下更易于移动。于是，由于使各质量块发生物理位移，因此沿主轴的线性加速度可极易于干扰传感器的工作，尽管对各质量块的差分检测在很大程度上减小了由此产生的信号。

比差分检测更好的用于补偿机械扰动的技术方案是所谓的双差分检测。这种现有技术的传感器技术方案例如在美国专利公报US6,122,961号中予以描述，其中，图3表示双差分音叉结构，该结构还具有包含以上所述的并列质量块的反音叉的工作原理。

在美国专利公报US6,122,961号中，四个质量块耦合在一起形成双差分音叉结构，其中，根据所述音叉的两对差分质量块以反相的方式并行振动。于是，该现有技术的结构包含两个反相的反音叉。

实际上，双差分音叉是基于一个平面内的线性运动的最可靠的角速度传感器结构。然而，双差分音叉的最大缺点是极其复杂且庞大的弹簧结构。激励结构也难以设计并且它们还占用大量空间。

在设计好的角速度传感器时的另一重大挑战是尤其在科里奥利力检测中的静电驱动的容性串扰。主运动的驱动信号与质量块的速度同相，而最经常观察到串扰信号与科里奥利信号精确地同相。这可引起依赖于驱动信号幅值的传感器零点值的扰动，从而导致依赖于例如温度的误差。

针对该问题的常规解决方案即为所谓的载波检测。在载波检测中，跨过待测量的电容来施加AC电压、即载波。在该配置中，以可变电容来调制前置放大器的输出信号的幅值，并且通过对载波进行解调而获得依赖于所述电容的电压。然后，由容性串扰引起的干扰信号被调制而远离载波频率处的信号频带。

然而，载波检测使角速度传感器这种已非常复杂的电子装置变得更复杂，于是，会增加电子装置的成本和尺寸并削弱该装置的可靠性。实际上，值得如此设计电容传感器元件，以便在差分科里奥利力检测中，会尽可能完全抵消由杂散电容引起的驱动信号的串扰。