具有音叉陀螺仪结构的双轴偏航率感测单元制造技术

技术编号:5442211 阅读:269 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
一种双轴音叉陀螺仪包括四个可扩展音叉,将所述四个可扩展音叉共 面地设置为两个相对的对,将可扩展音叉的第一对设置为沿着第一轴而彼 此相对,将可扩展音叉的第二对设置为沿着第二轴而彼此相对,所述第一 轴和第二轴相互垂直。四个可扩展音叉机械地耦合到一起,以使得所有四 个音叉在频率和相位上以相同的方式振动。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具有单个机械谐振结构的双轴偏航率感测单元。
技术介绍
图1表示针对移动物体100的振动偏航率传感器的工作原理以及科里奥利力,该力通过下列公式表示 F=2Ω×V 其中,Ω是旋转坐标系XYZ的角速度矢量,并且V是移动物体100在旋转坐标系XYZ中的速度矢量。在这点上,如图1所示,移动物体100对于相对于旋转坐标系固定的观察者来说,沿与速度矢量V和角速度矢量Ω垂直的方向加速。 在根据上述原理工作的微机电系统(MEMS)陀螺仪中,科里奥利力可以改变作用于包含在该MEMS陀螺仪中的微机械梁上的应力。例如,可以使用压电电子装置或压电电阻的原理测量该应力的改变。 可以在大量应用中使用MEMS陀螺仪,包括诸如汽车类和消费类电子的应用。例如,MEMS陀螺仪可以用于电子稳定性计划、侧翻传感器、导航系统、计算机游戏输入装置、便携式摄像机稳定性、电子玩具等等。在这点上,使用集成电路(IC)制造技术和MEMS批处理可以提供低成本、高密度和高集成度的陀螺仪,所述陀螺仪比常规的大型、高成本应用中的机械式陀螺仪或光学陀螺仪更节约成本并且更方便。 可以按照振动陀螺仪的方式操作MEMS陀螺仪。例如,Putty和Njan在1994年6月于Hilton Head Island,South Carolina出版的“Tech.Dig.Solid-State Sensor and Actuator Workshop(固态传感器和致动器研讨会技术文摘)第213页至220页中提到振动环形陀螺仪;Bernstein等人在1993年2月于Fort Lauderdale,Florida出版的“MEMS‘93”第143页至148页中提到音叉陀螺仪;以及Juneau等人在1997年6月于Chicago,Illinois出版的“Tech.Dig.9th International Conference on Solid State Sensors and Actuators(transducers‘97)(第9届固态传感器和致动器国际会议(换能器‘97)第883页至886页中提到扭矩-振动陀螺仪。为了减小扭矩-振动MEMS陀螺仪的尺寸,希望使用最小数量的谐振结构来在多于一个方向上感测偏航率。然而,由于很难在两个正交方向上耦合振动模式,除了在Juneau等人的参考文献中提到的扭矩-振动磁盘陀螺仪之外,还没有使用单个音叉谐振器结构来感测多于一个轴偏航率的MEMS陀螺仪。 为了在多于一个轴向上感测偏航率,可以在相同的芯片上放置两个单独的振动陀螺仪,设置每个陀螺仪以在两个正交方向的其中之一上感测偏航率。在这种情况下,由于制造工艺中固有的振动,即使两个相同制造的振动陀螺仪也不会具有完全相同的谐振频率。因此,这样的系统需要两个单独的检测和控制电路。 图8表示单轴系统800,其包括MEMS部分810和评估电子装置820。MEMS部分810包括驱动MEMS 811和科里奥利MEMS 812。评估电子装置820包括驱动电子装置821、科里奥利检测电子装置822和解调控制电路823。 为了利用科里奥利效应,驱动电子装置821驱动MEMS部分810以在其谐振频率处以预定幅度进行谐振,其与移动物质的速度成比例并且产生将由科里奥利检测电子装置822进行测量的力。在这种情况下,驱动电子装置821设置有自动增益控制(AGC)。正如用于连接驱动MEMS 811和驱动电子装置821的虚线所指示的,该电路可以可选地在闭环中工作。 科里奥利检测电子装置822测量由于科里奥利效应而产生的力。由于驱动MEMS 811以驱动谐振频率振荡,该科里奥利信号是正好具有驱动谐振频率的AC信号。如果科里奥利谐振频率与驱动谐振频率完全相同,并且科里奥利MEMS的品质因数Q为高,则科里奥利信号应当具有高的信噪比。科里奥利检测电子装置822包括前端824、解调器825和LP 826。正如用于将科里奥利检测电子装置822连接到科里奥利MEMS 812的虚线所指示的,科里奥利检测电子装置822可以可选地在闭环中工作。 解调控制电路823提供控制信号以使用具有驱动谐振频率的信号和适当的相位信息来解调科里奥利前端824的输出,以在科里奥利回路中过滤出科里奥利信号。在这种情况下,可以使用锁相环(PLL)产生用于解调的控制信号。然而,这种锁相环会消耗相当大量的芯片面积和功率。尽管锁相环(PLL)的使用不是强制的,但是锁相环(PLL)可以取代额外的时钟单元。 图9表示双轴系统900,其复制图8中单轴系统800的电子装置。通过这种复制,双轴系统900需要两个单独的驱动谐振频率,但是不能保证所述两个单独的驱动谐振频率相等。
技术实现思路
本专利技术的示例性实施例提供一种示例性的双轴偏航率感测单元,该双轴偏航率感测单元基于单个机械谐振结构。即,与需要至少两个谐振结构以同时在两个轴向上感测偏航率的其它现有的振荡陀螺仪不同,本专利技术的示例性双轴偏航率感测单元可以仅使用单个谐振结构来同时在两个轴向上感测偏航率。 可以仅使用一个掩模来制造本专利技术的示例性双轴偏航率感测单元。换句话说,一个掩模足以限定锚(anchor)、单个音叉及其耦合部件。该示例性双轴偏航率感测单元可以包括具有容性和/或压电元件的驱动结构以及具有容性、压电和/或压阻元件的感测结构。 本专利技术的示例性实施例涉及一种双轴偏航率传感器,其包括四个可扩展音叉,将所述可扩展音叉共面地设置为两个相对的对,可扩展音叉的第一对设置为沿着第一轴而彼此相对,可扩展音叉的第二对设置为沿着第二轴而彼此相对,该第一轴和第二轴相互垂直,其中四个可扩展音叉机械地耦合到一起,以使得所有四个音叉在频率和相位上以相同的方式振动。 本专利技术的另一示例性实施例涉及一种双轴偏航率传感器,其还包括锚定音叉并且用作公共点的锚,所述音叉在所述公共点处机械地耦合到一起。 本专利技术的另一示例性实施例涉及一种双轴偏航率传感器,其还包括至少一对驱动电极,设置所述至少一对驱动电极以振动所述音叉中的至少一个。 本专利技术的另一示例性实施例涉及一种双轴偏航率传感器,其还包括驱动单元,所述驱动单元以公共频率驱动所述至少一对驱动电极。 本专利技术的另一示例性实施例涉及一种双轴偏航率传感器,其中所述至少一对驱动电极工作以产生静电力。 本专利技术的另一示例性实施例涉及一种双轴偏航率传感器,其中所述至少一对驱动电极工作以产生压电力。 本专利技术的另一示例性实施例涉及一种双轴偏航率传感器其还包括至少一对感测电极,所述至少一对感测电极工作以感测所述音叉的至少一个的振动。 本专利技术的另一示例性实施例涉及一种双轴偏航率传感器,其包括公共感测单元,所述公共感测单元以公共频率处理来自所述至少一对感测电极的检测信号,所述检测信号表示两个轴向上的偏航率。 本专利技术的另一示例性实施例涉及一种双轴偏航率传感器,其中所述至少一对感测电极作为容性电极工作。 本专利技术的另一示例性实施例涉及一种双轴偏航率传感器,其中所述至少一对感测电极作为压电电极工作。 本专利技术的另一示例性实施例涉及一种双轴偏航率传感器,其中所述至少一对感测电极作为压阻电极工作。 本专利技术的另一示例性实施例涉及一种偏航率传感器,其包括单个谐振结构,所述单个谐振结构用于同时感测两个轴向上的偏航率,所述单个谐振本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种双轴偏航率传感器,包括: 四个可扩展音叉,将所述可扩展音叉共面地设置为两个相对的可扩展音叉对,将第一对可扩展音叉设置为沿着第一轴而彼此相对,将第二对可扩展音叉设置为沿着第二轴而彼此相对,所述第一轴和所述第二轴相互垂直, 其中,所述四个可扩展音叉机械地耦合到一起,以使得所有四个音叉在频率和相位上以相同的方式振动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2006.8.18 US 11/506,7121、一种双轴偏航率传感器,包括四个可扩展音叉,将所述可扩展音叉共面地设置为两个相对的可扩展音叉对,将第一对可扩展音叉设置为沿着第一轴而彼此相对,将第二对可扩展音叉设置为沿着第二轴而彼此相对,所述第一轴和所述第二轴相互垂直,其中,所述四个可扩展音叉机械地耦合到一起,以使得所有四个音叉在频率和相位上以相同的方式振动。2、根据权利要求1所述的双轴偏航率传感器,还包括锚,所述锚用于锚定所述音叉并且用作公共点,所述音叉在所述公共点处机械地耦合到一起。3、根据权利要求2所述的双轴偏航率传感器,还包括至少一对驱动电极,将所述至少一对驱动电极设置为振动所述音叉中的至少一个。4、根据权利要求3所述的双轴偏航率传感器,还包括驱动单元,所述驱动单元以公共频率驱动所述至少一对驱动电极。6、根据权利要求4所述的双轴偏航率传感器,其中,所述至少一对驱动电极工作以产生静电力。7、根据权利要求4所述的双轴偏航率传感器,其中,所述至少一对驱动电极工作以产生压电力。8、根据权利要求4所述的双轴偏航率传感器,还包括至少一对感测电极,所述至少一对感测电极工作以感测所述音叉中的至少一个的振动。9、根据权利要求8所述的双轴偏航率传感器,还包括公共感测单元,所述公共感测单元以所述公共频率处理来自所述至少一对感测电极的检测信号,所述检测信号表示两个轴向上的偏航率。10、根据权利要求9所述的双轴偏航率传感器,其中,所述至少一对感测电极作为容性电极来工作。11、根据权利要求9所述的双轴偏航率传感器,其中,所述至少一对感测电极作为压电电极来工作。12、根据权利要求9所述的双轴偏航率传感器,其中,所述至少一对感测电极作为压阻电极来工作。13、一种偏航率传感器,包括用于同时感测至少两个轴向上的所述偏航率的单个谐振结构,所述单个谐振结构包括至少四个...

【专利技术属性】
技术研发人员:潘志宇C·朗G·亚马
申请(专利权)人:罗伯特·博世有限公司
类型:发明
国别省市:DE

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