[发明专利]振动微机械角速度传感器

说明书

本申请是申请日为2008年9月29日、发明名称为“振动微机械角速度传感器”的第200880109941.1号专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于测量角速度的测量装置，更具体地涉及一种振动微机械角速度传感器。本发明的目的是提供一种特别是在用于角速度传感器的小型振动微机械方案中，能够以良好的性能实现可靠测量的改进的传感器结构。

背景技术

在角速度的测量中，基于振动角速度传感器的测量方法的原理已证实是简单且可靠的。在振动角速度传感器中，在传感器中激发并保持某种已知的主运动(primary motion)。于是，想要借助于传感器测量的运动被检测为主运动的偏差。

在与谐振器的作用于传感器的运动方向垂直的方向上的外部角速度在测震质量块(seismic mass)中垂直于测震质量块运动方向的方向上激发科里奥利力(Coriolis force)。例如，从质量块的振动中以电容方式检测与角速度成比例的科里奥利力。

微机械振动角速度传感器中的一个最重要的问题是所谓的正交信号，该正交信号由结构中的尺寸精度不良而导致。在利用微机械方法制造的谐振器中，在与运动方向垂直的方向上可能存在容许误差，其在角速度传感器的检测中产生一个信号，称为正交信号，在最坏的情况下，其幅值比输出标度的最大值所对应的角速度信号大几百倍。

待测量的角速度信号相对于正交信号碰巧相移90度，从而在理想的解调中正交信号会消失，所述角速度信号与质量块的速度成比例。然而，由于显著大于待测量的信号，故正交信号限制了待测信号的动态。正交信号的另一个严重缺点是，如果得不到补偿，则由于电子信号随着例如温度变化而相移，所述正交信号会显著降低传感器的零点的稳定性。

在传感器中，正交信号可通过使用电场力(electric force)来补偿。一种已知的技术例如是前馈补偿，在该技术中，将由被检测的主运动进行调制的力以与正交信号相反的相位反馈到检测谐振器中。电气补偿的替代方式例如包括通过静电力或者通过由运动调制的静态实体而产生的力来校正运动方向，所述力可以补偿由于剩余弹力而导致的正交信号。

借助于电场力的补偿构成了对传感器的电子器件的挑战。在该传感器中，要么需要精确的相位控制，要么可能需要大的电压和独立的结构。

因此，本发明的目的是提供一种振动角速度传感器的结构，其中直接通过机械设计来实施对正交信号的补偿，而不需要电场力。

参照现有技术，芬兰专利公报FI-116543B1描述了一种根据现有技术的角速度传感器，其中测震质量块由弹性结构和/或刚性辅助结构而连接到支撑区域，弹性结构和/或刚性辅助结构为质量块提供了与垂直于它们所形成的盘的平面的旋转轴以及至少一个在盘的平面方向延伸的旋转轴相关的自由度。

而且，参照现有技术，芬兰专利公报FI-116544B1描述了一种根据现有技术的角速度传感器，其中与测震质量块的边缘关联形成有至少一对电极，这对电极与质量块的表面形成两个电容，从而，作为质量块的主运动的旋转角的函数，该对电极的一个电容增加，且该对电极的另一个电容减小。

发明内容

本发明的目的是提供这样一种改进的振动角速度传感器，尤其在小型振动角速度传感器的方案中，其能够以良好的性能实现可靠测量，其中对正交信号的补偿通过机械设计来实施，而不需要电气补偿，或者，可选地，与上述的电气补偿方法相结合。

本发明的第一方面，提供了一种振动微机械角速度传感器，其包括至少一个测震质量块以及与该质量块相关联的活动电极，所述质量块具有要被激发的主运动，并且不仅具有主运动，还具有与基本垂直于所述主运动的一个检测轴或多个检测轴有关的至少一个自由度，并且所述至少一个质量块借助于弹性结构支撑于传感器的框架处，以使得弹性结构是非对称的，从而由弹性结构传递的从一种运动模式到另一种运动模式的耦合使得由于弹性结构或其支撑部中的偏斜造成的不理想性而导致的耦合消除或减少。

优选地，将弹性结构的一个角蚀刻掉。或者，在弹性结构中蚀刻有一个或多个补偿槽。再或者，在弹性结构中蚀刻有一个或多个补偿腔。又或者，在弹性结构的至少一个附着点中蚀刻有一个或多个补偿槽或补偿腔。而且，优选地，通过恰当地设计补偿槽或补偿腔的尺寸，以使所述补偿槽或补偿腔有效地校正偏斜的弹性结构的端部。

或者，弹性结构的一个边缘是锯齿状的。再或者，弹性结构的两个边缘都是锯齿状的。而且，优选地，将锯齿状的尺寸恰当地设计为单侧的或非对称的，以使得锯齿状将弹性结构的弯曲轴扭转。