用于感测角速率的微机电陀螺仪及感测角速率的方法技术

一种微机电陀螺仪包括：衬底；固定到衬底的定子感测结构；第一质量块，其被弹性地耦合到衬底并可以相对于衬底在第一方向上移动；第二质量块，其被弹性地耦合到第一质量块并且可以相对于第一质量块在第二方向上移动；以及弹性约束到第二质量块和衬底并被电容耦合到定子感测结构的第三质量块，第三质量块可以相对于衬底在第二方向上以及相对于第二质量块在第一方向上移动。

【技术实现步骤摘要】

本公开内容涉及用于感测角速率的微机电陀螺仪，以及感测角速率的方法。
技术介绍
众所周知，微机电系统(MEMS)的应用在不同
日益广泛，并且取得了令人鼓舞的结果，尤其是在惯性传感器、微集成陀螺仪和机电振荡器的生产中。特别地，存在不同类型的MEMS陀螺仪，它们并不是由其复杂的机电结构和操作模式来区分，而是在任何情形下基于科里奥利加速检测进行区别。在这种类型的MEMS陀螺仪中，质量块弹性地被约束到衬底或定子，以能够在互相垂直的驱动方向和感测方向上平移。通过控制设备，将质量块在驱动方向上以受控的频率和幅度处进行振动。当陀螺仪沿着垂直于驱动方向和检测方向的轴以一角速率旋转时，由于在驱动方向上的运动，质量块受科里奥利力支配并且沿着检测方向移动。质量块在感测方向上的位移由角速率和在驱动方向上的速度两者确定，并且可被转换为电信号。例如，质量块和衬底可被电容耦合，以使得电容取决于质量块相对于衬底的位置。由此质量块在检测方向上的位移可以以幅度调制的电信号的形式被检测，幅度调制的电信号与角速率成比例，其载波处于驱动质量块的振动频率。解调器的使用使得获得调制信号以得到瞬时角速率成为可能。然而，在许多情况下，承载关于瞬时角速率信息的加速信号还包含并非由科里奥利加速确定的杂散分量，并且因而以干扰的形式存在。例如经常地，由于精度限制和生产流程扩展，杂散分量可能取决于微机械部分的结构缺陷。典型地，由于质量块与衬底之间所提供的
弹性约束中的缺陷，驱动质量块的有效振动运动可能与理论上期望的方向并不对准。这种类型的缺陷通常产生正交信号分量，其由于微结构的旋转而叠加到有用信号上。实际上，正如科里奥利力，这种不一致导致质量块不仅在驱动方向上还在感测方向上位移，并且在质量块与衬底之间产生电容变化。显然，后果是劣化的信噪比的以及读取接口的改变动态，以将要读取取的信号为代价，且在程度上取决于缺陷的程度。
技术实现思路
本专利技术的一个或多个实施例公开了一种微机电陀螺仪和一种感测角速率的方法。根据本专利技术的一个实施例，一种微机电陀螺仪包括衬底和固定到衬底的定子感测结构。该陀螺仪进一步包括弹性耦合到衬底并且可以相对于衬底在第一方向上移动的第一质量块，以及弹性耦合到第一质量块并且可以相对于第一质量块在第二方向上移动的第二质量块。该陀螺仪包括弹性耦合到第二质量块的第三质量块以使得能够在第一方向上移动，以及弹性耦合到衬底以使得能够在第二方向上移动，第三质量块被电容耦合到定子感测结构。附图说明为了更好地理解本公开内容，现将仅通过非限制性示例的方式和参考下列附图，对本公开的一些实施例进行描述。在附图中：图1是根据本公开实施例的微机电陀螺仪的简化框图；图2是图1的微机电陀螺仪的一部分的简化俯视图；图3是根据本公开的不同实施例的微机电陀螺仪的一部分的简化俯视图；图4是并入了根据本公开内容的微机电陀螺仪的电子系统的简化框图。具体实施方式参考图1，根据本公开的实施例的微机电陀螺仪由标号1指代，其包括衬底2、微结构3、控制设备4和读取设备5。如在下文中详细解释的，微结构3包括可动的部分以及相对于衬底2固定的部分。控制设备4与微结构3形成控制回路，并且被配置为保持微结构3的可动部分以受控的频率和幅度相对于衬底进行振动。为了达到这个目的，控制设备4接收来自微结构3的位置信号SP并且向微结构3提供驱动信号SD。根据微结构3的可动部分的移动，读取设备5提供输出信号Sout。所述输出信号Sout指示衬底2相对于陀螺仪旋转轴的角速率。图2根据本公开的实施例示出衬底2以及更细节的微结构3。特别地，微结构3包括驱动质量块7、换能(transduction)质量块8和可动感测结构10。驱动质量块7弹性地受衬底2约束，并且可相对于衬底2在驱动方向D1上移动。在使用中，控制设备4保持驱动质量块7在驱动方向D1上在一静止位置附近进行振动。为了达到这个目的，控制设备4使用固定到驱动质量块7的可动的驱动电极12a，以及固定到衬底2的定子驱动电极12b。可动驱动电极12a和定子驱动电极12b以梳齿状配置来电容耦合并且基本上平行于驱动方向D1。定子驱动电极12b通过电连接线(由于简化的原因未示出)接收来自控制设备4的驱动信号SD。驱动质量块7的振动定义用于陀螺仪1的换能链的信号载波。驱动质量块7到衬底2的弹性连接通过弹性悬置元件11或“挠曲部”(“flexure”)来获得，弹性悬置元件11或“挠曲部”被配置为使得驱动质量块7能够在驱动方向D1上振动并且防止驱动质量块7的其他移动，尤其是在垂直于驱动方向D1的换能方向D2上的移动。在这里以及下文中，关于驱动方向D1和换能方向D2两者或任意其他方向，“防止在一方向上移动”及类似表述应被理解为实质上限制在所述方向上的移动，并且与约束定义中的技术和几何限制所允许的内容相兼容。因此，所提及的表述不能被理解为与在禁止方向
上可能的杂散移动的存在相矛盾，它们相对于驱动质量块的振动所限定的载波可能处于干扰信号的来源，但是这些移动仅是理想地被弹性元件的特定配置和在这些方向上实际上刚性的约束所阻止。换能质量块8被弹性地约束到驱动质量块7，并且可相对于驱动质量块在换能方向D2上移动。换能质量块8与驱动质量块7的弹性连接通过弹性悬置元件13来获得，弹性悬置元件13被配置为使得换能质量块8相对于驱动质量块7能够在换能方向D2上振动并且防止换能质量块8相对于驱动质量块7的其他相对移动，尤其是在驱动方向D1上的移动。相反，由于驱动质量块7的拉伸动作和弹性悬置元件13施加的约束，相对于衬底2，换能质量块8既可在换能方向D2上也可在驱动方向D1上移动。可动感测结构10包括支架15和可动感测电极的集合16a，可动感测电极16a由支架15支撑并且平行于驱动方向D1延伸。支架15弹性地受换能质量块8和衬底2约束。相对于衬底2，支架15可在换能方向D2上移动；相对于换能质量块8，支架15可在驱动方向D1上移动。支架15与衬底2的弹性连接通过弹性悬置元件18来获得，弹性悬置元件18被配置为使得支架15相对于衬底2能够在换能方向D2上振动并且防止支架15相对于衬底2的其他移动，尤其是在驱动方向D1上的移动。支架15通过弹性连接元件20耦合到换能质量块8，弹性连接元件20被配置为防止在换能方向D2上换能质量块8与支架15之间的相对移动。相反，弹性连接元件20使得换能质量块8与支架15之间能够进行其他相对移动。特别地，允许在驱动方向D1上的平移振动以及旋转振动。因此，换能质量块8在换能方向D2上的移动基本上上以刚性的方式传递，而在驱动方向上的平移运动和换能质量块的旋转运动至少部分地由弹性连接元件20所补偿。由于弹性连接元件20允许支架15与换能质量块8之间在驱动方向D1上的位移，如已经描
述的，支架15可以被约束到衬底2，由于作用于换能质量块8的科里奥利力因而不用抵消有用的平移分量。如果仅有换能质量块8与可动感测结构10之间的刚性连接，这将是不可能实现的。可动感测结构10电容耦合到定子感测结构30，定子感测结构30包括固定到衬底2并且在驱动方向D1上延伸的定子感测电极16b。特别地，可动感测电极16a和定子感测电极16b根据“平行板”机制耦合并且根据在换能方向D本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微机电陀螺仪，包括：衬底；固定到所述衬底的定子感测结构；第一质量块，其被弹性地耦合到所述衬底并且能够相对于所述衬底在第一方向上移动；第二质量块，其被弹性地耦合到所述第一质量块并且能够相对于所述第一质量块在第二方向上移动；以及第三质量块，所述第三质量块按照使得所述第三质量块能够相对于所述第二质量块在所述第一方向上移动的方式而被弹性地耦合到所述第二质量块，并且所述第三质量块按照使得所述第三质量块能够相对于所述衬底在所述第二方向上移动的方式而被弹性耦合到所述衬底；所述第三质量块被电容耦合到所述定子感测结构。

【技术特征摘要】
2015.04.24 IT 1020150000130111.一种微机电陀螺仪，包括：衬底；固定到所述衬底的定子感测结构；第一质量块，其被弹性地耦合到所述衬底并且能够相对于所述衬底在第一方向上移动；第二质量块，其被弹性地耦合到所述第一质量块并且能够相对于所述第一质量块在第二方向上移动；以及第三质量块，所述第三质量块按照使得所述第三质量块能够相对于所述第二质量块在所述第一方向上移动的方式而被弹性地耦合到所述第二质量块，并且所述第三质量块按照使得所述第三质量块能够相对于所述衬底在所述第二方向上移动的方式而被弹性耦合到所述衬底；所述第三质量块被电容耦合到所述定子感测结构。2.根据权利要求1所述的陀螺仪，包括所在述衬底与所述第三质量块之间的第一弹性元件，所述第一弹性元件被配置为使得所述第三质量块能够相对于所述衬底在所述第二方向上移动并且防止所述第三质量块相对于所述衬底在所述第一方向上的移动。3.根据权利要求2所述的陀螺仪，包括在所述第三质量块与所述第二质量块之间的第二弹性元件，所述第二弹性元件被配置为使得所述第三质量块能够相对于所述第二质量块在所述第一方向上移动并且防止所述第三质量块相对于所述第二质量块在所述第二方向上的移动。4.根据权利要求3所述的陀螺仪，包括在所述衬底与所述第一质量块之间的第三弹性元件，所述第三弹性元件被配置为使得所述第一质量块能够相对于所述衬底在所述第一方向上移动并且防止所述第一质量块相对于所述衬底在所述第二方向上的移动。5.根据权利要求4所述的陀螺仪，包括在所述第一质量块与所述第二质量块之间的第四弹性元件，所述第四弹性元件被配置为使得所
\t述第二质量块能够相对于所述第一质量块在所述第二方向上移动并且防止所述第二质量块相对于所述第一质量块在所述第一方向上的移动。6.根据权利要求1所述的陀螺仪，其中所述第三质量块被耦合到所述定子感测结构，使得所述第三质量块与所述定子感测结构之间的电容由所述第三质量块相对于所述衬底的位置来确定。7.根据权利要求1所述的陀螺仪，其中：所述第三质量块包括被弹性地耦合到所述第二质量块和可动感测电极的集合的支撑元件；并且所述定子感测结构包括固定到所述衬底并且被电容耦合到相应的可动感测电极的定子感测电极的集合。8.根据权利要求1所述的陀螺仪，包括：固定到所述第一质量块的可动驱动电极；以及固定到所述衬底并且被电容耦合到相应的可动驱动电极的定子驱动电极。9.根据权利要求1所述的陀螺仪，其中所述第一质量块是多个第一质量块的一个，每个第一质量块被弹性地耦合到所述衬底，所述第一质量块相对于中心锚固对称地被布置并且在所述第一方向上对齐。10.根据权利要求9所述的陀螺仪，包括多个第四质量块，每个第四质量块被弹性地耦合到所述衬底，其中：所述多个第四质量块相对于所述中心锚固对称地被布置并且在垂直于所述第一方向的致动方向上对齐；每个第一质量块通过相应的另外的弹性悬置元件被耦合至每个所述第四质量块，每个第一质量块被配置为将所...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·普拉蒂，C·瓦尔扎希纳，L·G·法罗尼，M·F·布鲁内托，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利;IT