利用静电耦合的微加工振动陀螺仪制造技术

一种微加工振动陀螺仪，其具有两个或多个被悬置在平面基板上的共面的可移动块。将两个垂直的轴（ｘ和ｙ）限定在基板平面内，而将第三轴，即ｚ轴或输入轴，限定为垂直于基板平面。所述两个块沿ｘ轴的移动通过静电耦合装置耦合，使得沿ｘ轴的同相模式和反相模式的谐振的固有谐振频率互相分离。当驱动所述两个块以反相模式沿ｘ轴振动、并且上述装置绕ｚ轴旋转时，科里奥利力在Ｙ方向上差动地作用于所述块，导致所述两个块以反相模式沿ｙ轴振动。可以通过速度传感器直接检测沿ｙ轴的反相振动，以测量绕ｚ轴的旋转的转速。可选的是，可以将所述第一和第二体沿ｙ轴的反相振动传递到其它可移动体（即速度检测块），然后检测所述可移动体的移动以测量绕ｚ轴的旋转的转速。优选以这种方式悬置所述检测体，使得在没有科里奥利力时，振动块沿ｘ轴的移动不影响检测体。这阻止了所述检测体响应基板平面内的线性加速度而移动，但允许这些体易于响应由科里奥利力引起的绕垂直于基板平面的轴的移动。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体属于惯性传感器及其类似物，尤其涉及微加工振动陀螺仪。
技术介绍
振动陀螺仪通过检测由陀螺仪绕灵敏轴的旋转引起的科里奥利移动(Coriolis-induced motion)而工作。当驱动块沿给定轴振动、并绕垂直于振动轴的轴旋转时，沿垂直于振动轴和旋转轴的响应轴在所述块上产生并施加科里奥利力。通过检测由科里奥利力引起的所述块沿响应轴的移动变化，可以测量旋转速度。由于科里奥利力与速度成比例，振动块上的科里奥利力与所述块的速度同相。任何沿振动的主轴或驱动轴的移动与响应轴的不希望的耦合会引起所述块沿响应轴的寄生移动。这种不希望的耦合通常与所述块的位移而不是速度同相，通常将其称为正交误差。检测由科里奥利力引起的块的移动变化的一种方法是电容性检测，其通常包括固定电极和可移动电极。在这种装置中，重要的是在不施加旋转的情况下最小化可移动电极的移动，即任何不是由科里奥利力引起的沿响应轴的块移动。另外，会出现不希望的正交信号，其与速度信号的频率相同，但是相位移动了90度。该正交信号被叠加到希望的输出信号中。尽管可以例如利用相位灵敏解调电子地排除部分正交信号，但仍然容易降低陀螺仪的性能。振动陀螺仪的另一个误差源对线性加速度灵敏，会移动所述块并产生不希望的输出。当在特定应用中将陀螺仪安装在支撑上时，振动块的任何不平衡动量会导致将部分驱动能量注入所述支撑，并且可能然后将所述能量耦合回装置。这种方式的能量回馈可能导致偏移误差，并使装置的性能对安装条件灵敏。在现有技术的微加工振动陀螺仪中，通常以机械方法将振动块耦合在一起。这种耦合对于确保所述块以相同的谐振频率振动是重要的。未耦合的块容易产生不同的谐振频率，不益于传感器的实用性。尽管机械耦合确实能确保所述块以单一的谐振频率振动，但是这种耦合仍具有一定的限制和缺陷。例如，它们的尺寸容易随制造公差变化，从而将导致耦合程度的变化。另外，其中的多种机械耦合采用折叠梁设计，这增加了需要的基板面积和装置尺寸。此外，耦合程度由耦合结构的固定的机械性能确定，因而是不可调的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新的改良的微加工振动陀螺仪。本专利技术的另一个目的是提供一种具有上述特征的陀螺仪，其在振动块之间不需要机械耦合。本专利技术的另一个目的是提供一种具有上述特征的陀螺仪，其中静电耦合振动块。根据本专利技术，通过提供这样的微加工振动陀螺仪实现了这些和其它目的，在所述陀螺仪中例如通过平行板电容器静电耦合振动块。这种耦合可用于块自身之间，也可用于块与其它用于检测对旋转的响应的体之间。这种类型的耦合相比机械耦合不易于改变，并可以在需要时通过改变偏压进行调节。附图说明图1-6是粗略示意性地示出引入本专利技术的微加工振动陀螺仪的不同实施例的俯视平面图。具体实施例方式在图1所示实施例中，两个块利用静电力直接耦合在一起，该静电力随所述两个块的相对位置而变化。耦合电容器是不对称的，其电容量在所述块相互靠拢时增加，在它们相互远离时减少。在本实施例中，通过梁105-108和109-112分别悬置块101、102，其中将每个梁的一端固定在基板上。每个梁呈L形，其臂在x和y方向上延伸。这种悬置结构允许块101、102可以在x轴和y轴方向移动。块101优选与块102相匹配，梁105-108优选与梁109-112相匹配。板103、104平行相间地连接块101、102，并构成电容器的电极或极板。当施加电压时，所述极板之间的静电力随所述块101、102沿x轴方向的相对位置而变化。可以将该力近似为两个块之间的具有负弹簧常数的弹簧。当驱动块101、102沿x轴同相振动时，其谐振频率由梁105-108和109-112的弹簧常数确定。当驱动块101、102沿x轴以反相模式振动时，两个块交替地彼此靠近和远离，从而改变它们的相对位置。在这种情况下，谐振频率不仅仅由梁的弹簧常数确定，还由施加在两个块之间的静电力导致的负弹簧常数确定。这样，通过在两个块之间施加电压差，可以调整x方向上的反相模式的谐振频率，并可以将其与x方向上的同相模式的谐振频率分开。图1a所示的实施例与图1的实施例类似，区别在于耦合电容器是对称的，其中对于块的相互靠近和远离的相等的移动，电容量的变化也近似相等。如同在图1所示的实施例中，电容器两极板之间的吸引力在块相互靠近时增大，并且除了在任一移动方向提供相等的电容量变化之外，对称电容器还产生电容量与块的位移之间的更加线性的关系。可选地是，还可以将图1和1a所示实施例中的梁调整为允许沿z轴方向移动，而不沿y轴方向移动。科里奥利移动也将被取向为沿z轴方向，而y轴将成为被检测绕其的旋转的输入轴(input axis)。这样，输入轴位于装置所在的平面内，而不是垂直于该平面。图1b所示的实施例同样类似于图1的实施例，但是增加了用于将所述两个块耦合在一起以沿y轴及x轴移动的装置。该装置包括沿x方向从所述块延伸的极板103by、104by，其沿y轴方向隔开以形成静电耦合电容器的极板，所述静电耦合电容器将所述块耦合在一起以沿y轴移动。如同图1所示的实施例，极板103bx、104bx将两个块耦合在一起以沿x轴移动。在图2所示的实施例中，块201、202通过置于其间的第三个块203被静电耦合。块201通过固定在两个块上的极板204、205与块203耦合，其中极板204、205以隔开的、相对的方式设置，并且块202通过极板206、207以类似的方式与块203耦合。通过梁208-211、212-215和216-217分别悬置块201、202和203，其中每个梁的一端被固定在基板上。梁208-211和212-215呈L形，其臂在x和y方向延伸，从而允许块201、202可以沿x方向和y方向移动。梁216、217只沿y方向延伸，并只允许块203沿x方向移动。优选的是，整个设计同时相对于关于结构中心的x轴和y轴对称。在块201、203之间和块202、203之间施加电压。对于块201、202在x方向上的反相谐振模式，谐振的总弹簧常数由梁208-211和212-215的弹簧常数、以及由电容器极板204、205和206、207施加的力的等效负弹簧常数确定。对于块201、202在x方向上的同相谐振模式，梁216、217的弹簧常数也是总弹簧常数和谐振频率的影响因素。从而，可以将反相模式谐振频率与同相模式谐振频率分开。为了检测围绕位于装置平面内的、而不是垂直于装置平面的轴的旋转，可以将梁208-215调整为允许沿z方向移动，并同时保持块之间沿x轴的静电耦合。从而，将科里奥利移动取向为沿z轴方向，而y轴成为被检测绕其的旋转的输入轴。在该修改的实施例中，将用于检测科里奥利移动的电极沿z轴设置在块的上方和/或下方。图3所示的实施例类似于图1所示的实施例，其中具有用于检测对沿y轴的科里奥利移动的响应的电极313-316。如同图1所示的实施例，将块301和302、梁305-308和309-312、以及电容器极板303和304悬置在基板300上。将电极313-316安装在基板上的固定位置，并将其在y方向上分布在块的上方和下方。当驱动块301、302以反相模式在x方向上振动、并且装置绕z轴旋转时，在块301、302上差动地产生科里奥利力，从而导致块302在y方向差动地振动。通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微加工振动陀螺仪，包括：第一和第二块，其被以这样的方式安装，使得允许沿第一轴的反相振动移动、和响应由绕第三轴的旋转产生的科里奥利力的沿第二轴的差动移动；以及用于通过静电力将所述块耦合在一起的装置，所述静电力随所述块的相对位置而变化。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：严海，R布格哈特，B哈特曼，K卡普塞尔，M罗斯，
申请(专利权)人：BEI科技公司，康蒂特米克微电子有限公司，大陆特韦斯贸易合伙股份公司及两合公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]