專(zhuān)利名稱(chēng)：可調(diào)整克服平動(dòng)加速度的微陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量角速度的微陀螺儀。更具體來(lái)講，本發(fā)明涉及一種不易受外界干擾的微陀螺儀，其可使感測(cè)電極與對(duì)應(yīng)的感測(cè)平衡架(gimbal)在相同的方向和/或在測(cè)量方向上以相同的諧振頻率實(shí)現(xiàn)同步，由此消除了由于存在外界平動(dòng)加速度而出現(xiàn)的多余信號(hào)輸出，其中的平動(dòng)加速度例如是由噪音、振動(dòng)等干擾造成的。
背景技術(shù)：
陀螺儀是一種可檢測(cè)角速度的測(cè)量裝置，在目前，其被用作對(duì)輪船和飛行器進(jìn)行精確導(dǎo)航的核心部件。近來(lái)，微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域中的發(fā)展使得在汽車(chē)導(dǎo)航裝置中應(yīng)用陀螺儀、以及將陀螺儀用作高性能攝像機(jī)中的手晃補(bǔ)償(hand-oscillation compensating)裝置成為了可能。
陀螺儀基于科氏力(Coriolis force)工作，當(dāng)在第一軸方向上擺動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的質(zhì)量受到從與第一軸方向垂直的第二軸方向上施加的作用力而以恒定的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，科氏力便從第三軸方向作用在該質(zhì)量上。通過(guò)測(cè)量感測(cè)平衡架的位移改變以及電容的改變而檢測(cè)出角速度。
參見(jiàn)圖1，圖中表示了一種常規(guī)的、利用MEMS技術(shù)的微陀螺儀10，該陀螺儀設(shè)置有振蕩平衡架12，其限定出振蕩質(zhì)量Ma，利用具有預(yù)定阻尼力或設(shè)置有阻尼器15并且在水平方向、即X軸方向上振蕩的振蕩方向且彈性體13使振蕩質(zhì)量Ma以諧振頻率fa移動(dòng)；驅(qū)動(dòng)電極16，其具有驅(qū)動(dòng)梳齒17，該梳齒以預(yù)定的間隔設(shè)置在振蕩平衡架12的振蕩梳齒14之間并被固定到晶片11上；感測(cè)平衡架18，其限定出感測(cè)質(zhì)量Ms，利用具有預(yù)定阻尼力或設(shè)置有阻尼器23的感測(cè)方向彈性體19使感測(cè)質(zhì)量Ms與振蕩平衡架12一起振蕩，然后，通過(guò)以恒定的角速度施加轉(zhuǎn)動(dòng)力，使感測(cè)質(zhì)量在垂直方向、即Y軸方向上以諧振頻率fs振蕩；感測(cè)電極22，其具有電極梳齒21，該梳齒以預(yù)定的間隔設(shè)置在感測(cè)平衡架18的感測(cè)梳齒20之間并被固定到晶片11上。
下面介紹具有上述結(jié)構(gòu)的微陀螺儀10的工作原理。首先，由于在驅(qū)動(dòng)電極16上施加了交流電壓，通過(guò)振蕩梳齒14和驅(qū)動(dòng)梳齒17使振蕩平衡架12和感測(cè)平衡架18以諧振頻率fa在X軸方向上振蕩。
由于微陀螺儀10在外力的作用下以角速度Ω進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，所以振蕩平衡架12和感測(cè)平衡架18在Y軸方向上受到科氏力的作用。
科氏加速度的大小由下式確定y··coriolis=2Ω(t)×x·(t)·······(1)]]>式中， 是時(shí)間相對(duì)振蕩平衡架12在X軸方向上的位移的微分，t為時(shí)間。
利用科氏加速度，感測(cè)平衡架18借助于感測(cè)方向的彈性體19在Y軸方向上發(fā)生振蕩。即使感測(cè)平衡架18在Y軸方向上只移動(dòng)了很微小的距離，例如從幾十納米到幾個(gè)納米，感測(cè)平衡架18的感測(cè)梳齒20與感測(cè)電極22的電極梳齒21之間的電容就會(huì)發(fā)生變化。因而，就可將檢測(cè)出的電壓變化作為角速度的測(cè)量值。
但是，除了角速度Ω之外，微陀螺儀10也同樣暴露在外界干擾、如噪音或沖擊的作用下。如果微陀螺儀受到這樣的干擾，則感測(cè)平衡架18就會(huì)由于平動(dòng)加速度而移動(dòng)。平動(dòng)加速度、尤其是Y軸方向上的，會(huì)造成感測(cè)平衡架18移動(dòng)，并因此而感測(cè)到無(wú)用信號(hào)。
更具體來(lái)講，在輸入角速度Ω不存在的情況下，感測(cè)平衡架18由于受到干擾而振動(dòng)的過(guò)程中，信號(hào)的特性可被表達(dá)為Acosωat·cosωst ......(2)式中，ωa是振蕩平衡架12的諧振頻率，ωs是感測(cè)平衡架18的諧振頻率，A為振幅。
基于上面的公式(2)，按照如下的公式分別表達(dá)兩個(gè)獨(dú)立的頻率分量1/2A[cos(ωa-ωs)t+cos(ωa+ωs)t] ......(3)兩頻率分量中的一個(gè)在通過(guò)信號(hào)檢測(cè)電路中的低通濾波器時(shí)被去除。另一頻率分量、即1/2A[cos(ωa-ωs)t]卻未被去除掉，因而，即使通過(guò)了低通濾波器，該信號(hào)仍然存在。原因在于在設(shè)計(jì)過(guò)程中，感測(cè)平衡架18的諧振頻率ωs被設(shè)定為高于振蕩平衡架12的諧振頻率ωa，以提高靈敏度，由此導(dǎo)致兩頻率之間的差值ωa-ωs相對(duì)較小。
因此，如圖2所示，當(dāng)微陀螺儀1O受到外界沖擊時(shí)就會(huì)檢測(cè)到多余的信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實(shí)施例的特征是提供一種微陀螺儀，其不易于受外界干擾的影響，其可使感測(cè)電極與對(duì)應(yīng)的感測(cè)平衡架在相同的方向上和/或以相同的諧振頻率實(shí)現(xiàn)同步，從而可消除由于存在外界平動(dòng)加速度而產(chǎn)生的多余信號(hào)輸出，其中的平動(dòng)加速度例如是由噪音、振動(dòng)等干擾造成的。
為了實(shí)現(xiàn)上述的特征，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種可調(diào)整克服外界平動(dòng)加速度的微陀螺儀，其包括振蕩質(zhì)量，其懸浮在晶片上方，以便在第一方向振蕩；驅(qū)動(dòng)電極，用于使振蕩質(zhì)量發(fā)生振蕩；感測(cè)質(zhì)量，其與振蕩質(zhì)量一起進(jìn)行振蕩，并同時(shí)在第二方向上運(yùn)動(dòng)，其中，第二方向與第一方向垂直；感測(cè)電極，用于檢測(cè)所述感測(cè)質(zhì)量的的運(yùn)動(dòng)；以及，感測(cè)電極支承部分，用于可動(dòng)地固定感測(cè)電極，從而使感測(cè)電極隨感測(cè)質(zhì)量在第二方向上移動(dòng)。
感測(cè)電極支承部分可被制為感測(cè)電極彈性體，其被彈性地布置在感測(cè)電極與晶片之間，用于使感測(cè)電極在第二方向上運(yùn)動(dòng)。
感測(cè)電極在第二方向上的諧振頻率或者與感測(cè)質(zhì)量在感測(cè)方向上的諧振頻率相等或近似。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，一種可調(diào)整克服外來(lái)平動(dòng)加速度的微陀螺儀包括外平衡架，其懸浮在晶片的上方，以便在第一方向上振蕩；多個(gè)第一梳齒單元，它們?cè)O(shè)置在外平衡架的外側(cè)上；至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極單元，其具有多個(gè)第二梳齒單元，這些單元以預(yù)定的間隔設(shè)置在各個(gè)第一梳齒單元之間，以便振蕩外平衡架；內(nèi)平衡架，其被可動(dòng)地設(shè)置在外平衡架中，以便能隨外平衡架一起振蕩，并同時(shí)在第二方向上運(yùn)動(dòng)，其中，第二方向與第一方向垂直；多個(gè)第三梳齒單元，其在第二方向上被設(shè)置在內(nèi)平衡架內(nèi)部形成的一個(gè)或多個(gè)部分中；至少一個(gè)感測(cè)電極單元，其被設(shè)置在內(nèi)平衡架的部分中并具有多個(gè)電極梳齒單元，這些單元以預(yù)定的間隔設(shè)置在部分的第三梳齒單元之間；以及，感測(cè)電極支承部分，用于可動(dòng)地固定感測(cè)電極，并使感測(cè)電極可隨內(nèi)平衡架在第二方向上移動(dòng)。
感測(cè)電極支承部分可被制為感測(cè)電極彈性梁體，其被彈性地布置在感測(cè)電極單元與晶片之間，用于使感測(cè)電極單元在第二方向上運(yùn)動(dòng)。感測(cè)電極彈性梁體可包括錨固件，其被固定到晶片上并向上延伸；彈性水平梁，其被彈性地設(shè)置，用于將錨固件的兩側(cè)與感測(cè)電極單元相連。
感測(cè)電極在感測(cè)方向上的諧振頻率與內(nèi)平衡架在第二方向上的諧振頻率相等或者近似。
第一、第二以及第三梳齒單元都包括多個(gè)梳齒。
內(nèi)平衡架的內(nèi)部可被形成單個(gè)或多個(gè)部分，多個(gè)第三梳齒單元分別被設(shè)置在這些部分的兩側(cè)，感測(cè)電極單元可包括一個(gè)或多個(gè)感測(cè)電極，它們分別被設(shè)置到內(nèi)平衡架內(nèi)部的單個(gè)或多個(gè)部分中，感測(cè)電極單元還具有多個(gè)電極梳齒單元，它們以預(yù)定的間隔設(shè)置在各個(gè)第三梳齒單元之間。


本領(lǐng)域技術(shù)人員通過(guò)閱讀下文參照附圖對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，可對(duì)本發(fā)明上述的、以及其它的特征和優(yōu)點(diǎn)有清楚的認(rèn)識(shí)，在附圖中圖1是普通微陀螺儀的原理簡(jiǎn)圖；圖2中的圖表示出當(dāng)向圖1所示微陀螺儀施加外部沖擊時(shí)所檢測(cè)到的信號(hào)；圖3是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的微陀螺儀的原理簡(jiǎn)圖；圖4A是單自由度系統(tǒng)的示意圖，用于解釋根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的微陀螺儀的原理，圖4B和圖4C中的圖線(xiàn)表示了所述單自由度系統(tǒng)的單位沖擊以及該沖擊的響應(yīng)特性；圖5是根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的微陀螺儀的俯視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例的微陀螺儀的俯視圖；以及圖7A-E中的圖形表示了當(dāng)在0.01秒內(nèi)作用1G的加速度脈沖時(shí)，在圖6所示的微陀螺儀中，根據(jù)感測(cè)平衡架的諧振頻率f，時(shí)間與第一、第二感測(cè)電極相對(duì)感測(cè)平衡架的相對(duì)位移之間關(guān)系的計(jì)算結(jié)果；以及，在普通的微陀螺儀中，根據(jù)感測(cè)平衡架的諧振頻率f，時(shí)間與第一、第二靜止電極相對(duì)感測(cè)平衡架的相對(duì)位移之間關(guān)系的計(jì)算結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
2002年10月12日提交的、題為“可調(diào)整克服平動(dòng)加速度的微陀螺儀”，的韓國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)2002-62301中所公開(kāi)的全部?jī)?nèi)容都被本申請(qǐng)所引用。
下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明作更為全面的描述，在附圖中表示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。但本發(fā)明也可通過(guò)其它不同的方式進(jìn)行實(shí)施，而不應(yīng)當(dāng)被限定為僅按照本文所列出的實(shí)施例進(jìn)行制造。盡管如此，通過(guò)提供這些實(shí)施例使本文的公開(kāi)是充分而完整的，并將向本領(lǐng)域技術(shù)人員完全地表達(dá)本發(fā)明的范圍。圖中，所有相同的元件都用同樣的附圖標(biāo)記指代。
圖3示意性地表示了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式的微陀螺儀100。
根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的微陀螺儀100設(shè)置有振蕩平衡架112，其形成振蕩質(zhì)量Ma，懸浮在晶片111的上方，以便在水平方向、即X軸方向上以諧振頻率fa振蕩；驅(qū)動(dòng)電極116，其被固定到晶片111上，并具有驅(qū)動(dòng)梳齒117，這些梳齒以預(yù)定的間隔設(shè)置在振蕩平衡架112的振蕩梳齒114之間；感測(cè)平衡架118，其形成感測(cè)質(zhì)量Ms，該感測(cè)質(zhì)量被設(shè)置成在與振蕩平衡架112一道振蕩的過(guò)程中，當(dāng)受到一個(gè)角速度Ω時(shí)，以諧振頻率fs在垂直方向、即Y軸方向上振蕩；感測(cè)電極122，其被可動(dòng)地固定到晶片111上，并具有電極梳齒121，這些梳齒121以預(yù)定的間隔設(shè)置在感測(cè)平衡架118的感測(cè)梳齒120之間；以及，感測(cè)電極支承部分128，用于相對(duì)于晶片111可動(dòng)地固定感測(cè)電極122，這樣，在受到外界沖擊作用時(shí)，感測(cè)電極122可在與感測(cè)平衡架118的感測(cè)方向相同的方向上移動(dòng)、即可在Y軸方向上移動(dòng)。
利用被彈性地設(shè)置在振蕩平衡架112與晶片111之間的振蕩方向彈性體113，振蕩平衡架112在X軸方向振蕩。彈性體113設(shè)置有預(yù)定的阻尼力或阻尼器115。感測(cè)平衡架118與振蕩平衡架112一道在感測(cè)方向、即X軸方向上振蕩，并由于受到以預(yù)定角速度Ω施加的轉(zhuǎn)動(dòng)力作用，而在感測(cè)方向、即Y軸方向振蕩。
盡管在圖3所示的示例中，振蕩平衡架112的一側(cè)處形成有驅(qū)動(dòng)梳齒117，且單個(gè)的驅(qū)動(dòng)電極116被制成與振蕩梳齒114相對(duì)應(yīng)，但可以理解還可在振蕩平衡架112的另一側(cè)另外制有振蕩梳齒114，且驅(qū)動(dòng)電極116可具有正極驅(qū)動(dòng)梳齒117和負(fù)極驅(qū)動(dòng)梳齒117，它們是對(duì)稱(chēng)布置的，并與振蕩梳齒114相對(duì)應(yīng)。
另外，盡管圖3中所示的感測(cè)電極122只具有一種極性，但為了降低檢測(cè)噪聲、提高檢測(cè)精度，也可平行于Y軸方向設(shè)置一對(duì)正、負(fù)電極。在此情況下，由于正、負(fù)感測(cè)電極的電極梳齒121與感測(cè)梳齒120之間的電容是相反的，因而，如果施加外界沖擊，通過(guò)計(jì)算出正感測(cè)電極122所產(chǎn)生電容與負(fù)感測(cè)電極122所產(chǎn)生電容之間的差值，就可測(cè)量出感測(cè)平衡架118在Y軸方向上的位移。
可動(dòng)地固定感測(cè)電極122、使其可在Y軸方向上移動(dòng)的感測(cè)電極支承部分128設(shè)置有感測(cè)電極彈性體124，該彈性體被彈性地設(shè)置在感測(cè)電極122與晶片111之間。感測(cè)電極彈性體124設(shè)置有預(yù)定的阻尼力或者阻尼器125。
感測(cè)電極122在感測(cè)方向上的諧振頻率等于或類(lèi)似于振動(dòng)平衡架118、即感測(cè)質(zhì)量的諧振頻率。優(yōu)選地，感測(cè)電極122在感測(cè)方向上的諧振頻率等于振動(dòng)平衡架118在感測(cè)方向上的諧振頻率。
下面將對(duì)設(shè)定該優(yōu)選條件的原因進(jìn)行解釋。假定不從外界向圖3所示的微陀螺儀100輸入任何的角速度Ω，但只輸入脈沖沖擊，由于振蕩平衡架112在Y軸方向上的剛性非常大，所以該脈沖的Y軸方向特性將會(huì)導(dǎo)致可動(dòng)的振蕩電極122和感測(cè)平衡架118受感測(cè)電極彈性體124和感測(cè)方向彈性體119的作用而在Y軸方向上移動(dòng)，其中的感測(cè)方向彈性體119被彈性地設(shè)置在感測(cè)平衡架118和振蕩平衡架112中。感測(cè)方向彈性體119設(shè)置有預(yù)定的阻尼力或者阻尼器123。
感測(cè)電極122和感測(cè)平衡架118對(duì)Y軸方向上脈沖輸入的響應(yīng)特性與圖4A中所示的單自由度系統(tǒng)的響應(yīng)特性類(lèi)似，該單自由度系統(tǒng)具有質(zhì)量M、彈性系數(shù)k、以及阻尼系數(shù)c。
單自由度系統(tǒng)對(duì)圖4B所示單位脈沖輸入的響應(yīng)特性如下式所示y(t)=e-ξωntmωdsin(ωdt)········(4)]]>式中，ξ=c2mωn,ωd=ωn1-ξ2,ωn=km.]]>從公式(4)可看出，在施加脈沖的情況下，單自由度系統(tǒng)的響應(yīng)特性被表達(dá)為圖4C所示的質(zhì)量M的諧振頻率。
由于感測(cè)電極122和感測(cè)平衡架188的響應(yīng)特性由于Y軸方向脈沖而被表達(dá)為諧振頻率的形式，所以，如果感測(cè)電極122在感測(cè)方向上的諧振頻率等于感測(cè)平衡架118在感測(cè)方向上的諧振頻率，則感測(cè)電極122與感測(cè)平衡架118之間的相對(duì)位置就能保持恒定，即使在受到Y(jié)軸方向脈沖作用的情況下。
更具體地，假定質(zhì)量為M1、彈性系數(shù)為k1的不受阻尼作用的第一單自由度系統(tǒng)以及質(zhì)量為M2、彈性系數(shù)為K2的不受阻尼作用的第二單自由度系統(tǒng)分別具有相同的諧振頻率W1和W2，則滿(mǎn)足k1/M1＝k2/M2，且初始位移為零(0)。因而，第一、第二系統(tǒng)的位移隨時(shí)間(t)的變化以下式表達(dá)x(t)=υ0ωnsinωnt·······(5)]]>式中，υ0為初始速度。
因此，如果初始速度υ0由于施加給第一、第二系統(tǒng)的外界脈沖而在各個(gè)系統(tǒng)中相同，則第一、第二系統(tǒng)的響應(yīng)特性也將完全相同。
例如，假定第一系統(tǒng)的質(zhì)量M1受到脈沖G的作用，且其速度v在t＝0-時(shí)為零，且施加脈沖之后的瞬間時(shí)刻為t＝0，則可獲得如下的公式G＝M1v1(t＝0)-M1v1(t＝0-)＝M1v1(t＝0) ......(6)因而，質(zhì)量M1的初始速度(v1(t＝0))為 假定第二系統(tǒng)的質(zhì)量M2受到與質(zhì)量M1不同的脈沖，但卻產(chǎn)生了相同的加速度，質(zhì)量M1的加速度a、即質(zhì)量M2的加速度a，滿(mǎn)足關(guān)系式M1a=GΔt·GM1Δt.]]>因此，對(duì)于質(zhì)量M2，可獲得如下的公式M2a=M2[υ2(t=0)-υ2(t=0-)Δt=M2υ2(t=0)Δt······(7)]]>相應(yīng)地，質(zhì)量M2的初始速度υ2(t＝0)為v2(t=0)=aΔt=GM1ΔtΔt=GM1]]>由于第一、第二系統(tǒng)的質(zhì)量M1、M2具有相同的初始速度并具有相同的諧振頻率，因而對(duì)外界脈沖具有相同的響應(yīng)特性。
在微陀螺儀100的情況下，具有不同形狀和體積的感測(cè)平衡架118和感測(cè)電極112在大氣環(huán)境中將具有不同的阻尼系數(shù)c。一旦被封裝在真空中，則感測(cè)平衡架118和感測(cè)電極122的阻尼系數(shù)c將只受形成這些部件的材質(zhì)的阻尼特性的影響。結(jié)果，感測(cè)平衡架118和感測(cè)電極122的阻尼系數(shù)c幾乎相等。
如上所述，通過(guò)采用被可動(dòng)地固定到晶片11中的可動(dòng)感測(cè)電極122，并且鑒于感測(cè)平衡架118和感測(cè)電極122相對(duì)外界脈沖具有相同位移的事實(shí)，可防止檢測(cè)到由外界脈沖帶來(lái)的信號(hào)。
下面將對(duì)根據(jù)本發(fā)明的具有上述構(gòu)造的微陀螺儀100的工作過(guò)程進(jìn)行描述。
首先，向驅(qū)動(dòng)電極116施加交流電，由于振蕩梳齒114、驅(qū)動(dòng)梳齒117和彈性體113之間分別產(chǎn)生靜電作用力，所以振蕩平衡架112和感測(cè)平衡架118在X軸方向上以諧振頻率fa振蕩。
此時(shí)，隨著微陀螺儀100在外力作用下以角速度Ω轉(zhuǎn)動(dòng)，振蕩平衡架112和感測(cè)平衡架118在Y軸方向上受到科氏力的作用，因而，感測(cè)平衡架118受感測(cè)方向彈性體119的作用而在Y軸方向上振蕩。
由于感測(cè)平衡架118在Y軸方向上產(chǎn)生了幾十納米到幾納米的位移，感測(cè)平衡架118的感測(cè)梳齒120相對(duì)感測(cè)電極122的電極梳齒121發(fā)生移動(dòng)。結(jié)果，感測(cè)梳齒120與電極梳齒121之間的電容發(fā)生改變。因而，就可利用電路(圖中未示出)將電壓信號(hào)的變化以角速度的形式檢測(cè)出。
假定受到了外界脈沖的作用，由于振蕩平衡架112在Y軸方向上的剛性較大，所以脈沖的Y軸方向分量將只能使感測(cè)電極122和感測(cè)平衡架118發(fā)生位移。
但是，感測(cè)電極122和感測(cè)平衡架118對(duì)脈沖Y軸方向分量的響應(yīng)特性由于感測(cè)電極彈性體124而可以被表達(dá)為相同的諧振頻率，所以，即使受到脈沖Y軸分量的作用，感測(cè)電極122和感測(cè)平衡架118的位移也相同。因而，分別屬于感測(cè)電極122和感測(cè)平衡架118的感測(cè)梳齒120、電極梳齒121之間的電容就不會(huì)受到脈沖Y軸方向分量的影響。這樣，就可避免檢測(cè)到由脈沖Y軸方向引發(fā)的信號(hào)。
參見(jiàn)圖5，圖中表示了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的微陀螺儀100′。
根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例的微陀螺儀100′設(shè)置有縱長(zhǎng)的振蕩平衡架112′，其被制成為在晶片111′上方懸浮，以便于在水平方向、即X軸方向上振蕩；第一梳狀體114′，其包括多個(gè)第一梳齒114a、114b，它們分別以預(yù)定的間隔設(shè)置在振蕩平衡架112′的上、下兩側(cè)(圖5中的上下兩側(cè))；驅(qū)動(dòng)電極單元116′，其包括四個(gè)驅(qū)動(dòng)電極器件116a、116b、116c以及116d，這些驅(qū)動(dòng)電極器件具有多個(gè)第二梳齒117a、117b、117c以及117d，這些梳齒以預(yù)定的間隔設(shè)置在第一梳齒114a、114b之間，從而通過(guò)電源而使振蕩平衡架112′振蕩；感測(cè)平衡架118′，其被設(shè)置在振蕩平衡架112′中，以便與振蕩平衡架112′一道在感測(cè)方向、即垂直方向或Y軸方向上振蕩；多個(gè)第三梳齒120、120b，設(shè)置在感測(cè)平衡架118′內(nèi)的上下兩側(cè)(圖5)；感測(cè)電極單元122′，其具有多個(gè)電極梳齒單元121a、121b，它們以預(yù)定的間隔設(shè)置在第三梳齒120a、120b之間；以及，感測(cè)電極支承部分128′，其相對(duì)晶片111′可動(dòng)地固定感測(cè)電極單元122′，從而使感測(cè)電極單元122′在與感測(cè)平衡架118′的感測(cè)方向相同的方向上、即Y軸方向發(fā)生振蕩。
通過(guò)彈性地設(shè)置在振蕩平衡架112′與晶片111′之間的、且?guī)в蓄A(yù)定阻尼力的振蕩方向彈性固定部分113′，使振蕩平衡架112′在X軸方向上振蕩。振蕩方向彈性固定部分113′包括四個(gè)處于振蕩方向彈性梁體113a、113b、113c和113d，這些彈性梁體被設(shè)置在振蕩平衡架112′拐角的附近。
在振蕩平衡架112′左外側(cè)和右外側(cè)(圖5)上制有梳齒傳感器126，其檢測(cè)感測(cè)平衡架118′在X軸方向上的振動(dòng)。梳齒傳感器126包括兩個(gè)梳齒傳感器單元126a、126b，這兩個(gè)單元具有細(xì)長(zhǎng)的第五梳齒126a′和126b′，它們被制成分別與制在振蕩平衡架112′左、右外側(cè)上的第四梳齒114c、114d相對(duì)，從而在利用驅(qū)動(dòng)電極單元116a、116b、116c、116d使振蕩平衡架112′的第一梳齒114a、114b振蕩的過(guò)程中防止振蕩電壓沿例如底面的某條路徑傳遞到振蕩平衡架112′等部件上，進(jìn)而對(duì)梳齒傳感器126造成干擾。
驅(qū)動(dòng)電極單元116a、116b、116c以及116d被設(shè)計(jì)成相互對(duì)稱(chēng)地受到正電壓和負(fù)電壓的作用，這樣，當(dāng)由于在各個(gè)梳齒感測(cè)單元126a、126b的兩端上施加振蕩電壓而產(chǎn)生交流干擾電壓時(shí)，可使正電壓與負(fù)電壓相互抵消。例如可這樣來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)在驅(qū)動(dòng)電極單元116a、116c上施加正電壓，而在驅(qū)動(dòng)電極單元116b、116d上施加負(fù)電壓。由于振蕩平衡架112′幾乎不受到振蕩電壓電位的影響，所以其能穩(wěn)定諧振。
利用彈性地設(shè)置在感測(cè)平衡架118′與振蕩平衡架112′之間的感測(cè)方向彈性固定部分119′，使感測(cè)平衡架118′在Y軸方向上振蕩。感測(cè)方向彈性固定部分119′包括兩個(gè)感測(cè)方向彈性梁體119a、119b，它們被設(shè)置在感測(cè)平衡架118′的兩側(cè)，并具有預(yù)定的阻尼力。
感測(cè)電極單元122′被制成正感測(cè)電極或負(fù)感測(cè)電極，并分別與正、負(fù)電極支承部分(圖中未示出)相連，當(dāng)承受外部脈沖時(shí)，感測(cè)電極單元122′通過(guò)計(jì)算出正或負(fù)極感測(cè)電極122′的電極梳齒121a、121b與感測(cè)平衡架118′上第三梳齒120a、120b之間的電容差來(lái)檢測(cè)感測(cè)平衡架118′在Y軸方向上的位移。在采用檢測(cè)電容變化的普通電路的情況下，通過(guò)檢測(cè)電壓信號(hào)就能測(cè)量出角速度信號(hào)，其中的電壓信號(hào)與電容的變化成比例。
感測(cè)電極支承部分128′被制成感測(cè)電極彈性梁體的形式，該彈性梁體具有錨固件或垂直銷(xiāo)柱127′，其被固定到晶片111′的上表面上并向上延伸；彈性設(shè)置的彈性水平梁124′，其用于將錨固件127′的上側(cè)與感測(cè)電極單元122′的上側(cè)相連。
如此設(shè)計(jì)使被感測(cè)電極彈性梁體128′支承的感測(cè)電極單元122′在感測(cè)方向上的諧振頻率與被感測(cè)方向彈性梁體119a、119b支承的感測(cè)平衡架118′在感測(cè)方向上的諧振頻率相同。
因而，當(dāng)受到Y(jié)軸方向脈沖作用時(shí)，感測(cè)電極單元122′與感測(cè)平衡架118′的位移是相同的，結(jié)果感測(cè)電極單元122′上電極梳齒單元121a、121b與感測(cè)平衡架118′的第三梳齒120a、120b之間的電容不會(huì)受到脈沖Y軸方向分量的影響。這樣就可防止檢測(cè)到由脈沖Y軸分量帶來(lái)的信號(hào)。
具有上述構(gòu)造的微陀螺儀100′的工作過(guò)程與圖3的原理圖所示的微陀螺儀100幾乎完全相同。因而，略去對(duì)其工作過(guò)程的描述。
參見(jiàn)圖6，圖中表示了根據(jù)本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例的微陀螺儀100′。
根據(jù)該實(shí)施例的微陀螺儀100″與圖5所示的本發(fā)明第一實(shí)施例類(lèi)似，區(qū)別僅在于感測(cè)平衡架118″被分成了兩個(gè)部分118a、118b，且感測(cè)電極單元122″被布置在兩部分118a、118b之間。
感測(cè)平衡架118″設(shè)置有多個(gè)第三梳齒120a′、120b′、120c、120d，在感測(cè)方向上，這些梳齒分別位于對(duì)應(yīng)部分118a、118b的上、下兩側(cè)(圖6)。
感測(cè)電極單元122″包括第一、第二感測(cè)電極122a和122b，它們分別設(shè)置在兩部分118a、118b中。
第一、第二感測(cè)電極122a、122b設(shè)置有多個(gè)電極梳齒單元121a′、121b′、121c、121d，它們被設(shè)置在部分118a、118b上各個(gè)第三梳齒120a′、120b′、120c、和120d之間，并以預(yù)定的間隔與第三梳齒120a′、120b′、120c、120d相對(duì)置。
另外，第一、第二感測(cè)電極122a、122b被第一、第二感測(cè)電極支承部分128″、128可動(dòng)地支承在晶片111″上，每個(gè)感測(cè)電極組成部分128″都被設(shè)計(jì)成感測(cè)電極彈性梁體的形式，它們分別具有垂直柱127″和127、以及彈性水平梁124″和124，從而可在Y軸方向上運(yùn)動(dòng)。
另外，為了降低測(cè)量噪聲、從而提高靈敏度，第一、第二感測(cè)電極122a、122b被設(shè)計(jì)成與帶有正極或負(fù)極的正電極支承部分和負(fù)電極支承部分(圖中未示出)相連。因而，在受到外界脈沖的作用時(shí)，正感測(cè)電極的電容變化與負(fù)感測(cè)電極的電容變化是相反的，利用正感測(cè)電極與負(fù)感測(cè)電極的電容差值，就可確定出平衡架118″在Y軸方向上的位移。
圖7B、7C和7D所表示的計(jì)算結(jié)果為當(dāng)用圖7A中所示的1G脈沖加速度作用0.01秒時(shí)，第一、第二感測(cè)電極122a、122b根據(jù)感測(cè)平衡架的諧振頻率f相對(duì)感測(cè)平衡架118″的位移的相對(duì)距離與時(shí)間之間的關(guān)系，此時(shí)，第一感測(cè)電極122a具有電極梳齒單元121a′、121b′，第二感測(cè)電極122b具有電極梳齒單元121c和121d。
計(jì)算結(jié)果基于這樣的條件感測(cè)平衡架118″的重量為3.4E-8kg、剛度為14.50N/m、阻尼系數(shù)為6.4E-6N-sec/m、第一感測(cè)電極122a和第二感測(cè)電極122b的重量為1.7E-8kg、剛度為72.50N/m、以及阻尼系數(shù)為1.6E-6N-sec/m，且驅(qū)動(dòng)頻率為10.4kHz、調(diào)整電壓為3V、輸入的角速度Ω為w＝15rad/s和R0＝30rad/s。
圖7B表示當(dāng)感測(cè)平衡架118″的諧振頻率f、第一感測(cè)電極122a的電極梳齒單元121a′和121b′的諧振頻率f、以及第二感測(cè)電極122b的電極梳齒單元121c和121d的諧振頻率f均等于10.32kHz時(shí)，感測(cè)平衡架118與第一感測(cè)電極122a之間的相對(duì)距離，從圖可看出，未對(duì)1G的外界加速度作出響應(yīng)。
圖7C和圖7D表示了由于制造誤差而使感測(cè)平衡架118″的諧振頻率f、第一感測(cè)電極122a的電極梳齒單元121a′和121b′的諧振頻率、以及第二感測(cè)電極122b的電極梳齒單元121c和121d的諧振頻率分別等于10.32kHz、10.53kHz、10.37kHz、10.32kHz、10.59kHz、10.59kHz時(shí)的測(cè)量結(jié)果。如圖7C和圖7D所示，盡管檢測(cè)到了異常信號(hào)，但相比于圖7E所示的異常信號(hào)，這些異常情況可被忽略，在圖7E的情況中，如現(xiàn)有技術(shù)那樣，第一、第二感測(cè)電極122a、122b被固定到晶片111″上，且用1G的脈沖作用0.01秒。
由于根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實(shí)施例的微陀螺儀100″的工作過(guò)程與圖3的原理圖所示的微陀螺儀100幾乎完全相同。因而，略去對(duì)其工作過(guò)程的描述。
如上所述，通過(guò)將感測(cè)平衡架與和該感測(cè)平衡架相對(duì)的感測(cè)電極設(shè)置成可在相同的方向上運(yùn)動(dòng)和/或在感測(cè)方向上具有相同的諧振頻率，根據(jù)本發(fā)明的微陀螺儀將不會(huì)檢測(cè)到那些由外界平動(dòng)加速度帶來(lái)的無(wú)用信號(hào)，其中的平動(dòng)加速度是由噪音、沖擊等外部干擾造成的。
上文公開(kāi)了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，盡管采用了一些特定的術(shù)語(yǔ)，但應(yīng)當(dāng)在概括和描述性的含義上來(lái)理解這些描述，而并非用于限定。因而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解在不偏離本發(fā)明設(shè)計(jì)思想和保護(hù)范圍的前提下，可對(duì)實(shí)施例的形式和細(xì)節(jié)特征作多種改動(dòng)，本發(fā)明的范圍被設(shè)定在后附的權(quán)利要求書(shū)中。
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)整克服外界平動(dòng)加速度的微陀螺儀，包括振蕩質(zhì)量，其懸浮在晶片上方以便在第一方向振蕩；驅(qū)動(dòng)電極，用于使振蕩質(zhì)量振蕩；感測(cè)質(zhì)量，與振蕩質(zhì)量一道發(fā)生振蕩，并同時(shí)在第二方向上運(yùn)動(dòng)，所述第二方向與第一方向垂直；感測(cè)電極，用于檢測(cè)所述感測(cè)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)；以及感測(cè)電極支承部分，用于可動(dòng)地固定感測(cè)電極，使得感測(cè)電極可隨感測(cè)質(zhì)量在第二方向上移動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微陀螺儀，其特征在于感測(cè)電極支承部分包括感測(cè)電極彈性體，其被彈性地布置在感測(cè)電極與晶片之間，用于使感測(cè)電極在第二方向上運(yùn)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微陀螺儀，其特征在于感測(cè)電極在第二方向上的諧振頻率與感測(cè)質(zhì)量在第二方向上的諧振頻率相等或者近似。
4.一種可調(diào)整克服外界平動(dòng)加速度的微陀螺儀，包括外平衡架，其懸浮在晶片的上方以便在第一方向上振蕩；多個(gè)第一梳齒單元，設(shè)置在外平衡架的外側(cè)上；至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極單元，其具有多個(gè)第二梳齒單元，這些梳齒單元以預(yù)定的間隔設(shè)置在第一梳齒單元之間，以便使外平衡架振蕩；內(nèi)平衡架，可動(dòng)地設(shè)置在外平衡架中以便能隨外平衡架一起振蕩，同時(shí)，其還在第二方向上運(yùn)動(dòng)，所述第二方向與第一方向垂直；多個(gè)第三梳齒單元，這些單元在第二方向上被設(shè)置在內(nèi)平衡架內(nèi)部形成的一個(gè)或多個(gè)部分中；至少一個(gè)感測(cè)電極單元，設(shè)置在內(nèi)平衡架的部分中，并具有多個(gè)電極梳齒單元，這些梳齒單元以預(yù)定的間隔設(shè)置在所述部分的第三梳齒單元之間；以及感測(cè)電極支承部分，用于可動(dòng)地固定感測(cè)電極，使得感測(cè)電極可隨內(nèi)平衡架在第二方向上移動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微陀螺儀，其特征在于感測(cè)電極支承部分包括感測(cè)電極彈性梁體，其被彈性地布置在感測(cè)電極單元與晶片之間，用于使感測(cè)電極單元在第二方向上運(yùn)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微陀螺儀，其特征在于感測(cè)電極彈性梁體包括錨固件，其被固定到晶片上并向上延伸；以及彈性水平梁，其被彈性地設(shè)置，用于將錨固件的兩側(cè)與感測(cè)電極單元相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的微陀螺儀，其特征在于感測(cè)電極在感測(cè)方向上的諧振頻率與內(nèi)平衡架在第二方向上的諧振頻率相等或者近似。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的微陀螺儀，其特征在于第一、第二以及第三梳齒單元都包括多個(gè)梳齒。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的微陀螺儀，其特征在于內(nèi)平衡架的內(nèi)部被形成單個(gè)部分，多個(gè)第三梳齒單元被分別設(shè)置在該部分的兩側(cè)；以及感測(cè)電極單元包括感測(cè)電極，其被設(shè)置到內(nèi)平衡架內(nèi)部的單個(gè)部分中，感測(cè)電極單元還具有多個(gè)電極梳齒單元，它們以預(yù)定的間隔設(shè)置在第三梳齒單元之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的微陀螺儀，其特征在于內(nèi)平衡架的內(nèi)部形成有多于兩個(gè)的部分，多個(gè)第三梳齒單元被分別設(shè)置在這些部分的兩側(cè)；以及感測(cè)電極單元包括多個(gè)感測(cè)電極，它們被分別設(shè)置到內(nèi)平衡架內(nèi)部的各個(gè)部分中，感測(cè)電極單元還具有多個(gè)電極梳齒單元，它們以預(yù)定的間隔設(shè)置在第三梳齒單元之間。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種可調(diào)整克服外界平動(dòng)加速度的微陀螺儀，其包括振蕩質(zhì)量，其懸浮在晶片上方以便在第一方向振蕩；驅(qū)動(dòng)電極，用于使振蕩質(zhì)量振蕩；感測(cè)質(zhì)量，其與振蕩質(zhì)量一道發(fā)生振蕩并同時(shí)在第二方向上運(yùn)動(dòng)，該第二方向與第一方向垂直；感測(cè)電極，用于檢測(cè)所述感測(cè)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)；以及，感測(cè)電極支承部分，用于可動(dòng)地固定感測(cè)電極，使得感測(cè)電極可隨感測(cè)質(zhì)量在第二方向上移動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的微陀螺儀可防止由噪音、沖擊脈沖等外界干擾造成的信號(hào)被檢測(cè)到。
文檔編號(hào)G01C19/56GK1497240SQ20031010101
公開(kāi)日2004年5月19日 申請(qǐng)日期2003年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月12日
發(fā)明者趙鎮(zhèn)佑 申請(qǐng)人:三星電機(jī)株式會(huì)社