[发明专利]单块振动梁式角速度传感器

说明书

本发明涉及角速度传感器，更具体地说，涉及一种基于复合向心力检测方法(Coriolis sensing method)的成批处理的硅制梁阵列式角速度传感器。

存在着许多用于测量在惯性空间中，围绕一个预先选择的轴线回转的速度的装置。这种装置(通常称为陀螺仪)构成任何一种惯性导航系统的基本元件。陀螺仪(诸如环形激光陀螺仪和光学纤维陀螺仪)包括，例如，多个复杂和难制造的、装有万向接头的旋转转子和多个捷联式传感器。所有上述的速度检测装置的特点是成本高，尺寸和功率消耗大，制造复杂和维修费用昂贵。

存在着用于测量围绕一个预先选择的轴线回转的输入转速的其他系统，这些系统是根据一面多年以前提出的福哥尔特(Focoult)摆原理制成的。基于该原理，市场上销售商标为“GYROTRON”的一种速度传感器是由Sperry陀螺仪公司开发的。该装置如同所有平衡共振传感器式或音叉式陀螺仪一样，机械结构和操作都比上述形式的装置简单得多。该装置是根据这样的原理工作的，即：当一个音叉围绕其中心线转动时，其所具有的动量矩等于回转速度与回转惯性矩的乘积。音叉尖端的参考运动周期性地改变其惯性矩。结果，为了保持动量矩恒定，回转速度必需周期性地按互补的方式改变。这样，音叉型传感器的实际工作情况与一个旋转的滑冰者的动作相似，当滑冰者收拢其手臂时，可旋转得较快，而当他伸开双臂时，则旋转较慢。结果，在音叉式传感器中，音叉尖端的向外和向内的径向振动转换为一种回转振动，回转振动的振幅与输入速度成比例。在Samuel N.Fersht等人的题为“压电式振动速度传感器”的美国专利5056366号中，公布了一种闭环振动式转速传感器。

角速度传感器有许多有用的应用场合，这些应用场合并不需要陀螺仪一样的速度。在飞行控制系统、汽车滑行控制系统、摄象机稳定系统和虚拟现实系统中都可找到这种应用。

在Stephen W.Tehon的题为“固态角速度检测装置”和Wiliam D.Gates在题为“振动式角速度传感器可能威胁陀螺仪”的文章中(参见杂志“电子”130～134页(1968年6月10日)所讨论的美国专利3520195号中，公布了一种形式的角速度检测装置。它的复杂程度较低，也是根据测量复合向心力(Coriolis force)进行工作的。这个装置包括一个方形的金属杆，它在其节点支承处从一个金属框架上悬挂下来。该金属杆由一个固定在一个表面上的压电驱动电极驱动，以其基本频率振动，而作为输出信号拾取器的一个压电传感器则固定在一个垂直表面上。虽然结构和概念简单，但这个装置不适合于成批加工。另外，尤其是作为驱动电极和拾取器电极的压电元件是利用有机粘接剂粘接在该振动杆的金属表面上的。这种粘接剂材料吸收能量，使该振动杆的Q值降低。结果，为了克服与振动驱动力相抗衡的阻尼力，必需将更多的能量输入杆中。

在Brian Dance的文章“用于紧凑的陀螺仪的压电陶瓷元件”(“设计新闻”第113和114页，1993年9月20日)中，公布了VYRO的一种变型。所述的装置包括一个英国Murata公司生产的角速度传感器，其检测元件由“ELINVAR”—一种镍-铬钢合金制成。该杆的横截面可以为园形或等边三角形。许多压电元件固定在该敏感元件上。这个装置也不适合于进行成批加工，并且由于存在着用来将压电传感器元件粘接在振动传感器上的有机材料，因此其性能降低。

本发明是针对先前技术的上述和其他一些缺点提出来的，它的第一方面提供了一个角速度传感器。这种传感器包括一个细长梁。一个框架具有一个安放该梁的内孔。设置有用于在该孔内悬挂该梁的装置。还设有用于挠性地驱动该梁以及用于检测是否有作用在该梁上的复合向心力存在和该力幅值大小的装置。该装置固定在上述梁上。该梁、该悬挂装置和该框架为一个由硅构成的整体结构。

本发明的第二方面包括一个单块式的角速度传感器。这个传感器包括多个传感器元件，它们做在一个基本上是平的硅基片内。每一个传感器元件包括一个细长梁。各个传感器元件的细长梁的主轴线是互相平行排列的。

本发明的第三方面提供了一个单块式的角速度传感器，用于检测围绕二条互相垂直的轴线转动的转速。该传感器包括作为一块硅基片内的一个第一传感器元件和一个第二传感器元件。每个传感器元件均包括一个细长梁。所述二个传感器元件的细长梁的主轴线是互相垂直排列的。