[发明专利]z轴微机械陀螺仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量z轴角运动的微机械感测器装置，其包括：

a)限定衬底平面的衬底，

b)至少2个振动结构，每一个具有至少一个检测质量块(proofmass)，

c)悬挂结构，用于将两个振动结构悬挂在衬底上方，用于在驱动模式方向(x轴)上和在感测模式方向(y轴)上运动，其中，驱动模式方向和感测模式方向平行于衬底平面，

d)连接两个振动结构的至少一个耦合结构，

e)至少一个耦合支撑结构，其将耦合结构连接到至少一个锚结构并使得耦合结构可以旋转摆动运动，旋转摆动运动的旋转轴垂直于衬底平面，

f)其中，每个振动结构包括至少一个往复运动质量块，其通过感测模式弹簧耦合到所述至少一个检测质量块，所述感测模式弹簧在感测模式方向比在驱动模式方向(x)更柔性，用于激活每个振动结构的振动运动，

g)用于每个往复运动质量块的至少一个驱动电极结构，用于激活平行于衬底平面的驱动模式运动，

h)用于每个检测质量块的至少一个感测电极结构，用于检测平行于衬底平面的感测模式运动。

背景技术

用于检测Z轴旋转的微机械感测器装置在现有技术中是众所周知的，并在诸如航行、车辆防滑控制、稳定平台的许多商业和军事应用中使用。

US6,230,563(IntegratedMicroInstruments)的背景技术部分中描述了一种振动角速率陀螺仪的一些基本原理。基于这些原理，US6,230,563公开了一种旋转角速率感测器，其具有安装在锚定到衬底的悬挂系统中的2个检测质量块。悬挂系统具有2个主要的柔顺模式，其中之一被驱动到振荡。驱动的振荡结合衬底的绕垂直于衬底的轴的旋转导致了沿其它的柔顺模式、感测模式的科里奥利加速度。感测模式设计成响应科里奥利加速度同时抑制对平移加速度的响应。这通过使用连接两个检测质量块的一个或多个刚性杠杆来实现。杠杆使得检测质量块可以响应于科里奥利加速度在相反方向上运动。US6,230,563中提出的装置包括用于消除误差的装置，所述误差称为正交误差，由感测器的实施中的瑕疵导致。正交误差的消除利用静电力消除与驱动模式位置同相的不希望的感测轴运动。

US2010/0139399(NorthropGrummanLITEF)和US2010/0116050(LITEF)公开了一种旋转角速率感测器，包括在设计平面(x-y)上相对于衬底运动的两个结构。所述两个运动结构由自由浮动梁耦合以形成耦合结构，使得耦合结构具有在设计平面(x-y)上具有运动结构在第一方向(x)上的反相偏斜的第一振荡模式，作为激发模式。当第一振荡模式被激发并绕旋转角速率感测器的灵敏轴(z)旋转时，耦合结构具有第二振荡模式，其作为由科里奥利加速度激发的检测模式。所述结构具有中心锚，两个移动结构(两个振动框架)连接到所述中心锚以绕z轴旋转。在外围具有额外的锚，用于稳定振动框架。

US2010/313657(加利福尼亚大学)公开了一种振动速率z轴陀螺仪，其具有两个或四个分离的振动齿。杠杆式驱动模式机构耦合在齿之间，以便在预定的驱动频率下在结构上推动齿的反相驱动模式的运动。杠杆式驱动模式机构也旨在消除齿的反相驱动模式运动的比预定的驱动频率低的寄生频率模式并且提供齿的驱动-和感测-模式运动的同步。感测模式机构耦合在齿之间，所述齿布置和配置成提供齿的线性耦合、动态平衡的反相感测模式的运动，以使衬底能量耗散最小化并提高感测模式的品质因数和速率敏感系数。

US6,718,825B1(霍尼韦尔)、US6,837,108(霍尼韦尔)、US7,036,373(霍尼韦尔)公开了一种具有两个检测质量块的振动式z轴陀螺仪，所述检测质量块由横梁(或杠杆)耦合，所述横梁(或杠杆)由允许x轴平移和z轴旋转的挠曲件悬挂。但是，悬挂确实不能允许横梁的y轴平移。输入轴垂直于衬底平面。在US6,837,108B1的图1中，其为输入轴的z轴，标示为平行于衬底平面，而y轴标示为垂直于衬底平面(即垂直于附图的平面)。质量块通过面外运动(即垂直于衬底平面的运动)响应。

现有技术的反相检测质量块的结构是相对复杂的。例如，在US2010/313657的质量块之间具有显著数量的质量块和耦合元件的事实的影响在于，系统具有许多振动模式。很难以这样的方式设计整个系统，使得模式到输出模式中的交叉耦合是最小的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于测量z轴的角运动的微机械感测器装置，其具有紧凑的结构并相对于微扰或干扰模式易于控制。