改进的振动陀螺仪制造技术

一种传感装置，其包括微机械陀螺仪，所述陀螺仪包括：改进的具有微机械陀螺仪(51)的传感装置，其中，第一机械共振器(52)的共振频率和第二机械共振器(53)的共振频率被调整为基本一致。所述装置包括连接至所述第二机械共振器(53)的反馈回路，所述反馈回路和所述第二机械共振器(53)的组合的品质因数小于10。在基本上不增加传感器装置构造的复杂度的情况下实现了更加精确的感测。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】改进的振动陀螺仪
本专利技术涉及微机电装置，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。
技术介绍
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(CoriolisEffect)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(Coriolisforce)，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。
技术实现思路
本专利技术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专利技术的目的。从属权利要求公开了本专利技术的优选实施例。本专利技术基于这样的理念：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专利技术，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。图9图示了控制器的传递函数(振幅)；图10图示了控制器的传递函数(相位)；图11图示了反馈回路模型。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，将使用可以实施本专利技术的各种实施例的器件结构的简单示例说明本专利技术的特征。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。为了建立应用的概念和术语，图1示出了如现有技术中所述的(例如：MikkoSaukoski的“SystemandcircuitdesignforacapacitiveMEMSgyroscope(电容MEMS陀螺仪的系统和电路设计)”)现有技术的二自由度(DoF)机械共振器。图1的2-DoF结构包括两个1-DoF共振器，一个由质点10、x轴方向上的弹簧kxx和阻尼器Dxx形成，另一个由质点10、y轴方向上的弹簧kyy和阻尼器Dyy形成。在角速度的微机械传感器中，x方向的共振器可以被称为主共振器或驱动共振器。通常以具有x方向的共振器的共振频率(被称为工作频率)的外力来激发x方向的共振器。y方向的共振器可以被称为次级共振器或感测共振器。当绕着z轴施加角速度时，可以在次级共振器中检测到相应的科里奥利力。在图1的功能图中，主共振器和次级共振器的质点完全相同。根据构造，主共振器和次级共振器的质点也可以不同。图2图示了典型的微机械陀螺仪的构造，微机械陀螺仪包括质点20，质点20借助于弹簧23、24在y轴方向上被支撑于致动框架21。所述致动框架21借助于弹簧25、26在x轴方向上被支撑于支撑结构22。在图示的陀螺仪中，通过弹簧25、26的启动，可以将中间的质点20和围绕质点20的致动框架21激活成在x轴方向上进行振动主运动。借助于质点20到致动框架21的弹簧悬挂23、24而在y轴方向上形成的检测轴垂直于所述主运动。当以主运动的形式振动的结构关于与xy平面垂直的Z轴转动时，主运动中的质点20经受到y轴方向上的科里奥利力。检测弹簧23、24限定引起的检测运动的振动的振幅和相位。图3图示了典型的现有技术的微机电传感装置30的构造。该装置包括微机械陀螺仪31，微机械陀螺仪31包括用于驱动模式振动(主运动)的第一机械共振器32和耦合至第一机械共振器以在与驱动模式振动的方向垂直的方向上产生关联的感测模式振动(次级运动)的第二机械共振器33。例如，可以使用产生振荡电信号的主振荡器电路34和将输入至第一机械共振器32的静电能转换成主共振器中的机械的驱动模式振动的换能器(未示出)来实施和控制驱动模式振动。第一机械共振器与第二机械共振器的耦合造成第二机械共振器33中的可以使用换能器(未示出)而被转换成电信号的感测模式振动。可以使用放大器35来放大从次级共振器输出的对应于感测模式振动的电信号。图3的典型的微机械传感器装置的构造应用了这样的同步检测：其中，来自主振荡器电路的电信号以及来自放大器的电信号被馈入产生传感器装置的输出的同步检测器36中。当微机械传感器装置转动时，陀螺仪的驱动模式振动与借助于科里奥利力的感测模式振动耦合，且从第二机械共振器接收到的电信号对应于科里奥利力并因此对应于装置的角速度。陀螺仪的工作强烈依赖于如何彼此相关地设定第一机械共振器的共振频率fprim(主频率)和第二机械共振器的共振频率fsec(次级频率)。图4示出了典型的机械共振器的振幅和相位传递函数。这里将微机械陀螺仪的主频率与次级频率之间的差称为德尔塔频率(deltafrequency)或delta-f。在常规的陀螺仪中，主频率被选定为低于次级频率，并且delta-f相当大，大约为1至2kHz的级别。从图4可以看出，当陀螺仪的delta-f非常大时，主频率处于次级共振器传递函数的平直部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种传感装置，其包括微机械陀螺仪，所述陀螺仪包括：用于驱动模式振动的第一机械共振器；第二机械共振器，所述第二机械共振器耦合至所述第一机械共振器并且用于与角速度相对应的感测模式振动，其中，所述第一机械共振器的共振频率和所述第二机械共振器的共振频率最初被调整为基本一致；阻尼反馈回路，所述阻尼反馈回路连接至所述第二机械共振器，所述反馈回路和所述第二机械共振器的组合的品质因数小于10。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.06.29 FI 201257581.一种传感装置，其包括微机械陀螺仪，所述陀螺仪包括：用于驱动模式振动的第一机械共振器；第二机械共振器，所述第二机械共振器耦合至所述第一机械共振器并且用于与角速度相对应的感测模式振动，其中，所述第一机械共振器的共振频率和所述第二机械共振器的共振频率最初被调整为基本一致，其特征在于，还包括阻尼反馈回路，所述阻尼反馈回路连接至所述第二机械共振器，所述反馈回路和所述第二机械共振器的组合的品质因数小于10，其中所述反馈回路包括换能器元件和控制元件；所述换能器元件包括第一换能器和第二换能器；所述第一换能器被构造为输出与所述感测模式振动相对应的第一电信号；所述控制元件被构造为从所述第一换能器接收所述第一电信号并且根据特定的响应函数生成第二电信号，所述响应函数限定了所述第一电信号的值与所述第二电信号的值之间的对应性；所述控制元件被构造为将所述第二电信号馈入所述第二换能器；所述第二换能器被构造为对所述第二机械共振器施加与所述第二电信号相对应的反向力；所述控制元件是信号处理滤波器，所述信号处理滤波器的响应函数具有与所述第二机械共振器的共振频率基本一致的共振频率峰值。2.根据权利要求1所述的传感装置，其中，所述第一机械共振器的共振频率与所述第二机械共振器的共振频率之间的初始频率间隔在0至0.05的范围内。3.根据权利要求1或2所述的传感装置，其中，所述第一机械共振器和所述第二机械共振器的共振频率被设计为对环境变化表现出同样的反应。4.根据前述权利要求1或2所述的传感装置，其中，第一换能器和第二换能器是面积调制型的电容式/静电式换能器。5.根据前述权利要求1或2所述的传感装置，其中，第一换能器和第二换能器是压电式换能器。6.根据前述权利要求1或2所述的传...

【专利技术属性】
技术研发人员：安斯·布卢姆奎斯特，
申请(专利权)人：株式会社村田制作所，
类型：发明
国别省市：日本;JP