用于测定绕x轴、y轴和/或z轴的旋转运动的MEMS陀螺仪

摘要

一种用于测定绕一x轴、y轴和/或z轴的旋转运动的MEMS陀螺仪，所述MEMS陀螺仪尤其实施为三维传感器，包括一衬底、多个（至少两个，优选四个）可沿径向朝一中心运动的驱动质量块（2）和多个用于使所述驱动质量块（2）发生振摆的驱动元件（7），以便在所述衬底绕所述x轴、y轴和/或z轴旋转时产生作用于所述驱动质量块（2）的科氏力。所述振荡驱动质量块（2）与至少一个其他的感测质量块（3）相连，所述感测质量块不振荡，但可与所述振荡驱动质量块（2）一起在所述衬底上绕所述x轴、y轴和/或z轴旋转。多个感测元件（9，10）用于检测所述感测质量块（3）和/或所述驱动质量块（2）被所产生的科氏力引发的相对于所述衬底的偏斜。至少两个（优选四个）锚件（5）用于借助弹簧（4）将所述感测质量块（3）可旋转地固定在所述衬底上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测定绕x轴、y轴和/或z轴的旋转运动的MEMS陀螺仪，所述MEMS陀螺仪尤其实施为三维传感器，包括衬底和多个做振摆运动的驱动质量块，以便在所述衬底绕所述x轴、y轴和/或z轴旋转时产生作用于所述驱动质量块的科氏力。

背景技术

TW 286201 BB揭露一种三维微机电MEMS陀螺仪。其中，多个布置在中央锚件上的质量块发生振荡旋转运动。这些质量块布置在衬底上，并且在围绕x轴或y轴的转矩以及由此而产生的科氏力作用下绕y轴或x轴倾斜。通过用相应的悬架将这些驱动质量块安装在衬底上，可以实现这一点。如果再用相应的悬架将子质量块安装在采用可旋转安装方式的质量块上，这些子质量块就会在绕z轴的转矩的作用下进行平移偏斜。上述倾斜运动和平移运动都可用传感器检测，而且由于与衬底的旋转运动成比例，因而可以用来推断围绕x轴、y轴或z轴的相应旋转。但是，偏斜就很难测定。

为创造出一种三维传感器形式的、能测定三个轴线上的旋转运动的三维陀螺，D. Wood等人在1996年的论文“能同时感测三轴的单周期硅微陀螺（A monocyclic silicon gyroscope capital of sensing about three axes simultaneously）”中提出了一种陀螺，这种陀螺具有多个呈环形围绕中央锚件布置的振荡质量块。这些质量块能够在所产生的科氏力的作用下做倾斜运动与旋转运动。缺点是，这种传感器的制造以及对受驱质量块的驱动都很难。传感器各部件的运动会相互影响，因而无法足够精确地测量陀螺在x向、y向或z向上的运动。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于测定绕x轴、y轴和/或z轴的旋转运动的MEMS陀螺仪，该MEMS陀螺仪尤其实施为三维传感器且具有较高检测精度。

本发明用来达成上述目的的解决方案为一种具有如权利要求1所述特征的MEMS陀螺仪。

根据本发明，所述用于测定绕x轴、y轴和/或z轴的旋转运动的MEMS陀螺仪具有衬底和多个（至少两个，优选四个）可沿径向朝中心运动的驱动质量块。驱动元件使这些驱动质量块发生振摆形式的初级振荡，以便在衬底绕x轴、y轴和/或z轴旋转时产生作用于驱动质量块的科氏力。这些振荡驱动质量块与至少一个其他的感测质量块相连，该感测质量块不振荡，但可与振荡驱动质量块一起在衬底上绕x轴、y轴和/或z轴旋转。MEMS陀螺仪上设有多个感测元件，用于检测感测质量块和/或驱动质量块被所产生的科氏力引发的相对于衬底的偏斜（次级振荡）。感测质量块借助至少两个（优选四个）锚件和多个弹簧布置在衬底上，以便实现可旋转式固定。

根据本发明，振荡驱动质量块固定在感测质量块上，并且可以不受感测质量块影响地发生振荡。感测质量块本身则借助至少两个锚件固定在衬底上。借助弹簧来实现在锚件上的固定，这些弹簧允许感测质量块与驱动质量块一起相对于衬底运动。这种运动是围绕突出在绘图平面之外的z轴的旋转运动以及围绕绘图平面内的x轴和y轴的倾斜运动。这样就可以借助布置在相应位置上的感测元件分别测定衬底或陀螺仪绕x轴、y轴和/或z轴的旋转运动。如果用四个锚件来将感测质量块安装在衬底上，就可以使质量块在衬底上的安装特别平衡。衬底旋转时所产生的科氏力将使质量块在所有方向上均匀偏斜，因此，所有方向上的偏斜运动都是相同的。特别优选地，四个锚件布置在x轴和y轴上，其中，每轴各布置两个锚件。这样一来，绕x轴的倾斜运动与绕y轴的倾斜运动是相同的。

用于将感测质量块固定在锚件上的弹簧既允许上文所述的围绕x轴或y轴的倾斜运动，也允许围绕z轴的旋转运动。但相对于x向或y向平移运动，这些弹簧在其共同作用下是刚性的。由此形成一个稳定的系统，该系统对平移运动为刚性，但是对感测质量块的旋转运动为柔性。

根据本发明的优选实施方案，感测质量块以框架形式包围驱动质量块。这样可将驱动质量块很好地容置在感测质量块中，从而确保传感器的工作不受干扰。框架还能使驱动质量块得到均匀的驱动与安装，从而达到将所产生的科氏力和相应的倾斜运动从驱动质量块均匀传递到感测质量块上的目的。

如果驱动质量块成对地以及点对称地围绕传感器中心布置，就可通过简单的方式平衡驱动振荡，从而使静止状态下的传感器具有基本不动的感测质量块。这样一来，感测质量块就不会在无科氏力产生的情况下，受到受驱驱动质量块的不利影响，更不会与之一起振荡。

用于检测质量块绕x轴或y轴的偏斜的感测元件如果是水平的平板电容，则优选布置在感测质量块下方和/或驱动质量块下方，如果是竖向电容，则优选布置在感测质量块中。无论采用上述哪种布置方式，都可通过电容变化或电压变化检测到质量块做次级振荡时围绕x轴或y轴的偏斜。根据相应振幅可以推断出作用在转速传感器上的转速。

为检测质量块绕z轴的偏斜，优选在感测质量块内部或外部设置竖向电容或梳状电极形式的感测元件。这样也能根据电变量的变化推断出绕z轴的转速。

优选用柔性弹簧将感测质量块固定在衬底上。柔性弹簧可以确保感测质量块通过相应锚件稳定地布置在衬底上。理想情况下，当感测质量块和驱动质量块因科氏力所引起的振荡发生偏斜时，各柔性弹簧的共同作用可以防止这些质量块与衬底发生接触。

上述柔性弹簧优选采用能让感测质量块绕x轴、y轴和z轴旋转的实施方式。借此可将衬底被所产生的科氏力引发的旋转运动形式的次级运动转化为感测质量块绕x轴、y轴和/或z轴的振荡旋转。

上述柔性弹簧优选采用能阻止感测质量块沿x向、y向和/或z向移动的实施方式。相对于感测质量块在衬底上的平移移动，柔性弹簧在其共同作用下为刚性，从而避免感测质量块在衬底上沿线性方向移动。

锚件布置在传感器的中心区域内，以便感测质量块能够良好而灵敏地偏斜。这样一来，柔性弹簧可以采用相应长度，在期望方向上具有较小的弹簧常数，从而具有较大柔性。这样就能在受到相应程度的力作用时，方便地实现变形。在此情况下，较小的科氏力就能使悬挂安装在柔性弹簧上的感测质量块以较高重复精度发生倾斜。

锚件优选布置在驱动质量块之间。由此可产生分布均匀的锚点和受驱质量块。感测质量块则可均匀而明确地朝各个方向偏斜。

根据本发明特别优选的实施方案，驱动质量块借助在驱动方向上具有弹性的柔性弹簧固定在感测质量块上。这样一来，驱动质量块可以受驱沿驱动方向振荡，而不会对感测质量块产生显著影响。因此，尽管驱动质量块和感测质量块通过柔性弹簧彼此相连，但驱动质量块的驱动运动并不会直接引起感测质量块的运动。这些柔性弹簧在不同于驱动方向的方向上与感测质量块刚性相连，借此可将作用在驱动质量块上的科氏力转化为感测质量块与驱动质量块共同进行的倾斜运动或旋转运动。

根据本发明特别优选的实施方案，驱动质量块借助同步弹簧彼此相连。其优点是可以让驱动质量块同步运动，从而避免驱动质量块运动不一致，以及由此产生的反作用力对感测质量块产生影响。否则，感测质量块将会发生不是由科氏力引起的偏斜。这样就会产生不想要的测量误差。而同步弹簧将各驱动质量块连接起来，使各驱动质量块做相同的驱动运动，并且相互间对所产生的力进行补偿。

特别优选地，同步弹簧极其靠近中心布置。如果同步弹簧比感测质量块的锚件更靠近中心，就能避免同步弹簧与感测质量块的柔性弹簧之间发生冲突。另外，柔性弹簧可以像同步弹簧那样实施得足够长，在相应方向上具有足够大的弹性，从而既确保感测质量块的可动性，又能确保驱动质量块的同步化和可动性。

如果驱动质量块的各驱动方向之间相互成角度，四个驱动质量块时优选成90°角，三个驱动质量块时优选成120°角，就可确保驱动质量块受到均匀驱动，而不会有不是由科氏力引起的力作用在感测质量块上。

根据本发明的优选实施方案，如果驱动元件的驱动方向与x轴/y轴成45°角，就能形成特别稳定的系统。这样一来，该系统将极其灵敏地对科氏力产生反应，围绕相应轴线的较小转速就能使该系统反映出科氏力对其的作用。

驱动质量块的驱动元件优选为电极，特别是叉形电极或梳状电极。其中，一部分电极固定在衬底上，另一部分电极布置在驱动元件上。施加交流电压后，这些电极会受到引力和斥力的作用，从而使驱动质量块发生振荡运动。

附图说明

下面借助实施例对本发明的其他优点进行说明。其中：

图1为本发明MEMS陀螺仪的俯视图；

图2为另一MEMS陀螺仪的俯视图；

图3为另一MEMS陀螺仪的俯视图。

具体实施方式

图1为三维MEMS陀螺仪1的俯视图。图中尤其展示了陀螺仪1的受驱部件，即四个驱动质量块2和一个感测质量块3。感测质量块3如框架般包围四个驱动质量块2。驱动质量块2位于感测质量块3内部。

感测质量块3借助柔性弹簧4和锚件5布置在图中未展示的衬底上。柔性弹簧4在横向于其纵向延伸方向的方向上是柔性的。在其纵向延伸方向上为刚性。其效果是，感测质量块3既可围绕绘图平面内的x轴和y轴旋转，又可围绕绘图平面以外的z轴旋转。附图用相应箭头表示这些振荡旋转运动。

驱动质量块2被感测质量块3包围。驱动质量块2借助柔性弹簧6固定在感测质量块3上。每个驱动质量块2各具有四个这样的柔性弹簧6。驱动质量块2在驱动元件7的驱动下沿双向箭头所示的方向振荡。驱动元件7例如由多个梳状电极构成，这些梳状电极中的一部分固定在衬底上，另一部分固定在驱动质量块2上，因此在被施加交流电压后，可让驱动质量块2做振摆运动。

柔性弹簧6在驱动质量块2的驱动方向上为柔性，在所有其他方向上则为刚性。其效果是，驱动质量块2在其驱动方向上基本上可自由振荡，在其他方向上则与感测质量块3的运动耦合。因此，当衬底绕x轴、y轴和/或z轴中的一个或多个轴线旋转而产生科氏力时，感测质量块3将在该科氏力作用下与驱动质量块2一起沿相应方向旋转，此为次级运动。

四个驱动质量块2在感测质量块3内的布置方式使其可以成对地相对振荡，并且点对称地围绕z轴布置。这样一来，驱动质量块2运动时所产生的力和转矩会相互抵消，仅驱动质量块2的驱动运动并不会让感测质量块3发生运动。

为确保这种平衡，进而确保感测质量块3的静止，驱动质量块2借助同步弹簧8彼此相连。同步弹簧8布置在锚件5与陀螺仪1位于z轴上的中心之间。这样可避免这些同步弹簧与柔性弹簧4的运动或与锚件5发生冲突。同步弹簧8呈u形。当通过同步弹簧8彼此相连的两个驱动质量块2做周期性的分离运动及相向运动时，这两个驱动质量块2之间的距离会发生变化。在此过程中，同步弹簧8可以通过变形来叉开相应程度。同步弹簧8对驱动质量块2施力以补偿速度差，从而使四个驱动质量块2的驱动运动同步进行。

在感测质量块3下方的x轴和y轴区域内设有平板电容9。一旦感测质量块3绕x轴或y轴旋转，这些平板电容9就会产生电信号。这个信号与衬底绕x轴或y轴旋转时所产生的科氏力成比例。为检测感测质量块3绕z轴的旋转运动，例如设有梳状电极，这些梳状电极特定而言布置在感测质量块3的周边或外侧区域，它们同样以电信号的形式检测感测质量块3绕z轴的旋转运动，据此可推断出衬底相应的旋转运动。

通过用柔性弹簧4将感测质量块3固定在衬底的锚件5上，以及通过用柔性弹簧6将驱动质量块2固定在感测质量块3上，将产生一个系统，在这个系统中，驱动质量块2的初级运动将在最大程度上与驱动质量块2及其与感测质量块3的耦合所引发的次级运动去耦合。陀螺仪1或衬底的旋转运动引起固定在其上面的驱动质量块2和感测质量块3的旋转运动，这一旋转运动可以在不受驱动质量块2的驱动运动干扰的情况下被感测到。

既然次级运动是因驱动质量块2与感测质量块3耦合而产生，则作为上述实施例的替代方案，也可以不仅在感测质量块3下方，也在驱动质量块2下方布置感测元件（在此指平板电容9）。当然，用于检测绕z轴的旋转运动的感测元件也是如此。此处的运动也是由驱动质量块2和感测质量块3共同进行，因此，这种运动也可在驱动质量块和/或感测质量块3区域内进行。

图2为图1所示的MEMS陀螺仪1的替代实施例。相似部件用与图1中相同的元件符号表示。与图1所示一样，MEMS陀螺仪11同样具有四个驱动质量块2，这些驱动质量块各借助四个柔性弹簧6与感测质量块3相连。感测质量块3如框架般包围四个驱动质量块2。驱动质量块2在一个穿过陀螺仪1位于z轴区域内的中心的方向上，与x轴和y轴成45°角地朝该中心以及远离该中心运动。相对布置的驱动质量块2逆向振荡，以免振荡传递到感测质量块3上。

感测质量块3每边各借助一个柔性弹簧4，以可绕x轴、y轴和z轴旋转及倾斜的方式各固定在一个锚件5上，总共固定在四个锚件5上。在锚件5和陀螺仪1的中心之间设有同步弹簧8，其任务是保证驱动质量块2同步振荡。用来连接驱动质量块2和感测质量块3的柔性弹簧6能让驱动质量块2沿驱动方向做振荡运动，但在所有其他方向上为刚性，这样就能将所产生的科氏力从驱动质量块2传递到感测质量块3上。

图3为本发明三维MEMS陀螺仪1的另一实施方式的示意图。驱动质量块2与感测质量块3的连接方式以及感测质量块3通过柔性弹簧4及锚件5与衬底之间的连接方式与图1和图2所示的实施例相似。在该实施方式中，同步弹簧8实施为箭头状，但同样是朝陀螺仪1的中心定向。本发明的这种实施方式用布置在感测质量块3的框架中的多个感测元件10检测感测质量块3和驱动质量块2围绕x轴、y轴或z轴的旋转运动。这些感测元件10例如是竖向电容，会在感测质量块3绕z轴旋转时产生可变电信号。如果采用相应设计，则可借助这些感测元件10或类似的感测元件或如图1所示的平板电容，检测感测质量块3围绕x轴或y轴的旋转运动。

本发明不限于上述实施例。举例而言，驱动质量块的数量可不同于上述数量。感测质量块3的旋转运动的检测方式也可不同于以上所述。此外，根据本发明的另一实施方式，驱动质量块2和感测质量块3也可以是倒圆或圆形的形状，而不一定必须带角。最后，本发明包括所有与有效权利要求书相符的实施方案。