[发明专利]改进的振动陀螺仪

说明书

技术领域

本发明涉及微机电装置，特别地，如独立权利要求的前序部分所限定的，涉及用于感测角速度的传感器装置和方法。

背景技术

微机电系统或MEMS可以被定义为至少一些元件具有某种机械功能的小型机械和机电系统。因为使用用来创建集成电路的相同工具创建MEMS装置，所以能够将微机械和微电子制造在同一硅片上以使机器智能化。

MEMS结构能够应用来快速而精确地检测物理性质的非常小的变化。例如，能够使用微机电陀螺仪来快速和精确地检测非常小的角位移。运动具有六个自由度：三个正交方向上的平动和绕着三个正交轴的转动。后面的三个转动可以由角速度传感器(也称为陀螺仪)来测量。MEMS陀螺仪使用科里奥利效应(Coriolis Effect)来测量角速度。当质点正在一个方向上运动并施加转动角速度时，由于科里奥利力(Coriolis force)，该质点会受到正交方向上的力。由科里奥利力造成的物理位移则可以从电容式或压阻式传感结构中读出。

在MEMS陀螺仪中，由于缺少足够的承载，主运动不可能是如常规陀螺仪中那样的连续转动。作为替代地，可以使用机械振荡作为主运动。当振荡陀螺仪经受与该主运动的方向正交的角运动时，就产生了波动的科里奥利力。这造成与角运动的轴以及主运动正交并且具有主振荡的频率的次级振荡。这个耦合的振荡的振幅能够被用作角速度的测量。

振动陀螺仪根据通过将主模式振动与由附着有陀螺仪的物体的转动引起的科里奥利力导致的次级模式振动耦合的原理来工作。陀螺仪的工作很大程度上依赖于如何彼此相关地选择用于主模式振动的共振器的共振频率(主频率)和用于次级模式振动的共振器的共振频率(次级频率)。当上述频率相距甚远时，陀螺仪对外部振动的敏感度较低并且表现出对于环境变化(例如，温度和时间)的良好稳定性，但是检测出的振幅相对低。可以对产生的信号进行电放大，但是同时也放大了噪声，所以信噪比往往非常低。当上述频率较接近时，次级共振器的增益放大了科里奥利运动，并且获得了更好的信噪比。然而，同时，对于各种外部和内部因素的敏感度增大。对于这些因素中的许多因素而言，可以通过传感装置中增加的机械结构或电路来控制敏感度。然而，这样的布置通常导致装置的尺寸增大以及鲁棒性降低。

发明内容

本发明的目的是使在基本上不增加传感器装置构造的复杂度的情况下使用微机电陀螺仪进行更加精确的感测成为可能。使用根据独立权利要求的特征部分的传感器装置和方法来实现本发明的目的。

从属权利要求公开了本发明的优选实施例。

本发明基于这样的理念：通过使主频率和次级频率相一致来施加共振增益以提高从次级共振器输出的信号电平。使用非常强的阻尼反馈回路来控制次级共振器。因而可以用最少量的装置组件来实现信号电平的显著提高。

附图说明

在下文中，将参照附图并结合优选实施例更加详细地说明本发明，其中，

图1示出了二自由度(DoF)机械共振器；

图2图示了典型的微机械陀螺仪的构造；

图3图示了典型的微机电传感器装置的构造；

图4示出了典型的机械共振器的典型振幅和相位传递函数；

图5示出了图示了微机械传感装置构造的实施例的框图；

图6示出了适用于将位移转换成电信号的质点-弹簧系统的简化示例；

图7示出了适用于将位移转换成电信号的质点-弹簧系统的另一个示例；

图8示出了图示了典型的第二机械共振器的功能构造的框图。

具体实施方式

下面的实施例是典型的。尽管说明书可能提及“一”、“一个”或“一些”实施例，但是这不一定意味着每次这样提及的是相同的实施例或者特征仅用于单个实施例。可以对不同实施例的单个特征进行组合以提供更多的实施例。

在下文中，将使用可以实施本发明的各种实施例的器件结构的简单示例说明本发明的特征。仅详细说明与图示实施例有关的元件。本文中可以不具体说明本领域技术人员通常知晓的传感器装置和方法的各种实施方式。