專利名稱：振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀的或者涉及振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀的改進(jìn)的制作方法
振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀的或者涉及振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀的改進(jìn)本發(fā)明涉及振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀，其特別地但是非排他性地適用于用作利用微機(jī)電系 統(tǒng)技術(shù)構(gòu)造的科里奧利(Coriolis)型陀螺儀。利用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制造的科里奧利型陀螺儀現(xiàn)在廣泛地用于大范圍的 大量生產(chǎn)應(yīng)用。例如，在汽車行業(yè)中，這些陀螺儀可以被采用在先進(jìn)制動(dòng)系統(tǒng)、主動(dòng)式懸掛、 傾側(cè)(rollover)檢測(cè)和防止應(yīng)用、以及導(dǎo)航應(yīng)用中。在陀螺儀用于引導(dǎo)和控制的情況下， 對(duì)用于這些應(yīng)用的陀螺儀的性能要求相對(duì)而言是不嚴(yán)格的，特別在與航空航天和軍事應(yīng)用 相比時(shí)。用于這些應(yīng)用的MEMS陀螺儀的適合性在很大程度上基于其低的每單位成本，這 主要是通過(guò)MEMS工藝的晶片級(jí)制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，其使得能夠大量地經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)MEMS陀螺 儀。MEMS陀螺儀的性能等級(jí)與其它類別的陀螺儀(諸如，轉(zhuǎn)輪(spinning-wheel)陀螺儀或 光纖(fibre optic)陀螺儀)相比是相對(duì)適中的。然而，較高規(guī)格陀螺儀的使用典型地限 制于航空和軍事應(yīng)用，這是因?yàn)檫@些陀螺儀的單位成本過(guò)高以至于不被考慮用于大量生產(chǎn) 的汽車和商業(yè)應(yīng)用。相反，MEMS陀螺儀的較低性能能力阻礙了其在主要的航空航天和軍事 應(yīng)用中的使用。英國(guó)專利GB2322196描述了一種用于汽車和商業(yè)應(yīng)用的MEMS陀螺儀。該MEMS 陀螺儀較低的成本和耐震(rugged)的性質(zhì)使其對(duì)于用在引導(dǎo)和控制、導(dǎo)航、以及平臺(tái) 穩(wěn)定化應(yīng)用中是有吸引力的。然而，該性能能力，特別是就速率偏移穩(wěn)定性(rate bias stability)以及信噪比而言，典型地是不足以滿足這些要求的。因此增強(qiáng)該現(xiàn)有技術(shù)裝置 的性能將是有利的。參考

圖1，一種與英國(guó)專利GB2322196中所描述的類似的已知MEMS陀螺儀10包括 感測(cè)元件，其包括平的硅環(huán)狀結(jié)構(gòu)12，該硅環(huán)狀結(jié)構(gòu)12由八個(gè)順從性的腿14a至14h外部 地支撐。這些腿Ha至14h又附接到剛性的外部框架16。陀螺儀10被布置用于利用cos2 θ 振動(dòng)模式對(duì)操作，如參考圖加和2b所示出的。該振動(dòng)模式對(duì)中的一個(gè)被激發(fā)作為主載波 (carrier)模式P，圖加中虛線指示該主載波模式P中環(huán)狀結(jié)構(gòu)12的運(yùn)動(dòng)的極端情況。在 環(huán)狀結(jié)構(gòu)12時(shí)圍繞與環(huán)狀結(jié)構(gòu)12的平面正交的軸18旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生科里奧利力，其將能量 耦合到次級(jí)響應(yīng)模式S中，圖2b中虛線指示在該次級(jí)響應(yīng)模式S中環(huán)狀結(jié)構(gòu)12的運(yùn)動(dòng)的 極端情況。所引起的運(yùn)動(dòng)的幅度與所應(yīng)用的繞與環(huán)狀結(jié)構(gòu)12的平面正交的軸的旋轉(zhuǎn)速率 成正比。利用至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生所述主載波模式P，并利用至少一個(gè)截取 (pick-Off)換能器檢測(cè)所述次級(jí)響應(yīng)模式S。所述驅(qū)動(dòng)換能器和截取換能器圍繞所述環(huán)狀 結(jié)構(gòu)12布置。參考圖3，為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)換能器和截取換能器兩者，金屬軌跡被設(shè)置在外部框架 22和環(huán)狀結(jié)構(gòu)20的上表面上，在絕緣表面氧化物層之上。參考圖4，其中相同的附圖標(biāo)記 用于指示與參考圖3描述的那些類似的部件，對(duì)于八個(gè)電路(每一驅(qū)動(dòng)和截取換能器一個(gè) 電路)重復(fù)金屬軌跡對(duì)。金屬軌跡M的每一電路在第一焊盤26處開(kāi)始，沿著第一順從性 的腿28行進(jìn)，跨環(huán)狀結(jié)構(gòu)20的八分之一段30，并沿著相鄰順從性的腿32行進(jìn)回到第二焊盤34。該電路布置對(duì)于所述環(huán)狀結(jié)構(gòu)20的每一八分之一段30重復(fù)，以使得每一順從性的 腿觀承載用于兩個(gè)相鄰換能器的金屬軌跡對(duì)。沿著每一順從性的腿觀、32的中央，在與相鄰換能器相關(guān)聯(lián)的金屬軌跡M之間， 設(shè)置第三金屬軌跡36，以降低與相鄰換能器相關(guān)聯(lián)的電路間的交叉耦合效應(yīng)。圍繞環(huán)狀結(jié)構(gòu)20的周界施加磁場(chǎng)B，并且磁場(chǎng)B被布置為垂直于環(huán)狀結(jié)構(gòu)20的平 面。通過(guò)設(shè)置在環(huán)狀結(jié)構(gòu)20周界內(nèi)側(cè)的永磁體38和在所述環(huán)狀結(jié)構(gòu)20的周界附近的上 極片40和下極片42，來(lái)施加該磁場(chǎng)，所述上極片40和下極片42被布置來(lái)將所述磁場(chǎng)集中 在所述極片40、42間的縫隙中。所述環(huán)狀結(jié)構(gòu)20、順從性的腿觀和32、以及外部框架22被接合到支撐玻璃基板 44上。該組件又被與永磁體38以及極片40、42 —起接合到玻璃支撐結(jié)構(gòu)46上，其被組裝 為所述環(huán)狀結(jié)構(gòu)20被設(shè)置在所述上和下極片40、42間的縫隙中。在操作中，在金屬軌跡M通過(guò)磁場(chǎng)的情況下，交變電流通過(guò)金屬軌跡M將產(chǎn)生洛 倫茲(Lorentz)力。該力F1的幅度將由下式給出F1 = BIL 式(1)其中B是磁場(chǎng)，I是電流，而L是金屬軌跡M在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度。如果該交變電流 的頻率處在主載波模式的諧振頻率，則環(huán)狀結(jié)構(gòu)20將被激發(fā)到諧振振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。以該方式布 置的金屬軌跡M將限定驅(qū)動(dòng)換能器。在金屬軌跡M在磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)的情況下，將跨該金屬軌跡M產(chǎn)生電壓V，其由下式 給出V = vBL 式 O)其中，ν是金屬軌跡M在磁場(chǎng)中的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的峰值速度，B是磁場(chǎng)，而L是金屬軌 跡M在磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度。以該方式布置的金屬軌跡M將限定截取換能器。典型地，這樣的MEMS陀螺儀10將以閉環(huán)操作模式操作。在該模式中，利用由鎖相 環(huán)控制的主驅(qū)動(dòng)換能器將主載波模式P驅(qū)動(dòng)在諧振最大處。通過(guò)自動(dòng)增益控制環(huán)路將環(huán) 狀結(jié)構(gòu)12的運(yùn)動(dòng)的幅度維持在恒定值，該自動(dòng)增益控制環(huán)路被布置來(lái)將如在主截取換能 器處測(cè)量的環(huán)狀結(jié)構(gòu)12的運(yùn)動(dòng)的幅度與固定的基準(zhǔn)層級(jí)進(jìn)行比較，以及動(dòng)態(tài)地調(diào)整到主 驅(qū)動(dòng)換能器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)以維持恒定的信號(hào)水平并因此維持環(huán)狀結(jié)構(gòu)12的運(yùn)動(dòng)的恒定的幅 度。在環(huán)狀結(jié)構(gòu)12繞與環(huán)狀結(jié)構(gòu)12的平面正交的軸18旋轉(zhuǎn)時(shí)所感生的科里奧利力的幅 度，并因此MEMS陀螺儀10的比例因子(scalefactor)，與主載波模式P運(yùn)動(dòng)的幅度成正比。 該科里奧利力將引起以次級(jí)響應(yīng)模式S的運(yùn)動(dòng)，其由次級(jí)截取換能器檢測(cè)。在該閉環(huán)操作 模式中，通過(guò)適當(dāng)控制的次級(jí)驅(qū)動(dòng)換能器使次級(jí)響應(yīng)模式S運(yùn)動(dòng)無(wú)效(null)。維持次級(jí)響 應(yīng)模式S的無(wú)效情形所需的驅(qū)動(dòng)力提供了繞軸18施加的旋轉(zhuǎn)速率的直接表示。通常，對(duì)于MEMS陀螺儀10存在許多可能的速率偏移誤差源。已知對(duì)于MEMS陀螺 儀10最重大的兩個(gè)誤差是正交偏移誤差(quadrature bias error)，其由于環(huán)狀結(jié)構(gòu)12 的幾何條件中的不完美而導(dǎo)致；以及交叉耦合誤差，其由于主驅(qū)動(dòng)信號(hào)到速率信道(rate channel)中檢測(cè)的次級(jí)截取信號(hào)中的直接耦合而導(dǎo)致。在其中電子電路被適當(dāng)?shù)囟ㄏ辔徊⑶覍?duì)于環(huán)狀結(jié)構(gòu)12存在一致的載波和響應(yīng)模 式頻率的理想情況下，在MEMS陀螺儀12未經(jīng)受繞軸18的旋轉(zhuǎn)時(shí)在次級(jí)截取換能器處將 檢測(cè)不到運(yùn)動(dòng)。然而，在現(xiàn)實(shí)中，制造工藝期間導(dǎo)致的環(huán)狀結(jié)構(gòu)12的小的幾何條件不完美將引起主載波P頻率和次級(jí)響應(yīng)S模式頻率的小的分裂。該頻率分裂還趨于將主載波P模 式和次級(jí)響應(yīng)S模式的角位置相對(duì)于布置在< =0°處的主驅(qū)動(dòng)換能器固定在任意角度<。 因此，如果該任意角度不是零，<^0°，則通過(guò)主驅(qū)動(dòng)換能器施加的主驅(qū)動(dòng)力將在某種程 度上激發(fā)主載波P模式和次級(jí)響應(yīng)S模式兩者。與主驅(qū)動(dòng)換能器相關(guān)聯(lián)的鎖相環(huán)電路將調(diào) 整驅(qū)動(dòng)頻率以在主載波P模式和次級(jí)響應(yīng)S模式之間實(shí)現(xiàn)90°的相移。然而，運(yùn)動(dòng)將沿著 次級(jí)響應(yīng)模式S的軸存在，而該次級(jí)響應(yīng)模式S相對(duì)于主載波模式P將主要在正交相位中。 在閉環(huán)系統(tǒng)中，將通過(guò)次級(jí)驅(qū)動(dòng)換能器施加的正交力分量使該運(yùn)動(dòng)無(wú)效。使沿著次級(jí)響應(yīng)模式S的軸的運(yùn)動(dòng)無(wú)效所需的正交驅(qū)動(dòng)級(jí)(level)被稱作正交偏 移八QUAD，并被定義如下^quad = KX AFXsin4a式(3)其中，是模式頻率分裂，(是相對(duì)于主驅(qū)動(dòng)軸的模式角，而K是包括用于模態(tài) (modal)耦合系數(shù)以及次級(jí)驅(qū)動(dòng)增益和主截取增益的項(xiàng)的常數(shù)。正交偏移八^皿與需要MEMS陀螺儀來(lái)測(cè)量的速率信號(hào)相比可以是大的。對(duì)于汽車 應(yīng)用中所使用的MEMS陀螺儀10，典型的速率測(cè)量范圍是士 100° /sec。與該速率信號(hào)相 比，正交偏移Aquad(如果以度每秒來(lái)度量的話)可以是大的，例如，大于士 100° /sec，并且 可以在MEMS陀螺儀10的操作溫度范圍上顯著地變化。在存在相位誤差、的情況下，該誤 差信號(hào)的一小部分將出現(xiàn)在速率信道上。這將引起速率偏移誤差Λ E ，其由下式給出ΩΕγγ = KX AFXsin4a Χ8 ηΦΕ式即使是相對(duì)小的相位誤差>ε也能夠?qū)е嘛@著的速率偏移誤差Λ Err。相位誤差、或 正交信號(hào)隨溫度的任何變化將導(dǎo)致正交偏移Λ ^/變化，這將嚴(yán)重地限制MEMS陀螺儀10的 準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。典型地，相位誤差、在MEMS陀螺儀10的操作溫度范圍上將是相對(duì)穩(wěn)定 的。然而，正交偏移Aquad典型地將變化一顯著的量。該大的變化導(dǎo)致正交偏移誤差的相應(yīng) 大的變化以及因此導(dǎo)致速率偏移性能的不穩(wěn)定。由于與相鄰的換能器相關(guān)聯(lián)的金屬軌跡M (其沿著單個(gè)順從性的腿觀、32彼此平 行行進(jìn))的緊密臨近，導(dǎo)致了對(duì)主驅(qū)動(dòng)信號(hào)交叉耦合到次級(jí)截取中并因此交叉耦合到速率 信道中的主要貢獻(xiàn)。在金屬軌跡M之間布置連接到地的第三金屬軌跡36，以使金屬軌跡 M之間的直接電容性耦合最小化。然而，在兩個(gè)金屬軌跡對(duì)之間仍存在顯著的電耦合。由
該耦合導(dǎo)致的交叉耦合偏移誤差Λ c的幅度由下式限定
^ KxFxSr ,Qc=^式⑶其中V是耦合系數(shù)，F(xiàn)是諧振頻率，而Q是諧振模式的品質(zhì)因子。已知該機(jī)制在環(huán) 境溫度下對(duì)速率偏移起貢獻(xiàn)，例如在每秒1至2度之間的速率偏移。在MEMS陀螺儀10的 操作溫度范圍上，該值將按1/Q2比例縮放，并且品質(zhì)因子Q將變化一顯著的量，即，士50%。 因此，該機(jī)制對(duì)速率偏移隨溫度的變化起著顯著的貢獻(xiàn)，所述速率偏移隨溫度的變化由于 其非線性特性而導(dǎo)致難以補(bǔ)償。GB 2322196Α公開(kāi)了一種振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀，其具有八個(gè)順從性的腿支撐振蕩器并 承載電磁驅(qū)動(dòng)裝置和傳感器。致動(dòng)器和傳感器軌跡在共同的腿上，并由中間軌跡將其彼此 隔離開(kāi)。該特征趨向于增加腿的寬度。WO 0120257Α公開(kāi)了一種振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀，其具有八個(gè)順從性的腿支撐振蕩器和壓電致動(dòng)器和傳感器。然而，在一個(gè)實(shí)施例中，采用磁性換能器，利用腿的對(duì)來(lái)承載換能器 導(dǎo)體并跨振蕩器的節(jié)點(diǎn)。然而，腿不是對(duì)稱的。GB 2276976A公開(kāi)了一種振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀，包括基本平的環(huán)形諧振器；基板；至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)換能器，其被布置為使環(huán)形諧振器在主面內(nèi)模式中以該主模式的諧 振頻率振蕩，并且其具有關(guān)聯(lián)的柔性支撐件，所述柔性支撐件包括第一和第二腿部件，所述 第一和第二腿部件具有在它們之間徑向延伸的對(duì)稱線(LS)；支撐裝置，其包括多個(gè)柔性支撐件，所述多個(gè)柔性支撐件被布置用于從基板支撐 所述環(huán)形諧振器，以及允許所述環(huán)形諧振器在所述主面內(nèi)模式中振蕩和響應(yīng)于繞基本上垂 直于所述環(huán)形諧振器的平面的軸施加的角速度在次級(jí)面內(nèi)模式中振蕩；和至少一個(gè)截取換能器，其被布置用于檢測(cè)所述環(huán)形諧振器的在所述次級(jí)面內(nèi)模式 中的振蕩，并且其具有關(guān)聯(lián)的柔性支撐件，所述關(guān)聯(lián)的柔性支撐件包括第一和第二腿部件， 所述第一和第二腿部件具有在它們之間徑向延伸的對(duì)稱線；其中，磁場(chǎng)被布置為垂直于所述環(huán)形諧振器的平面以使得所述驅(qū)動(dòng)換能器被設(shè)置 在所述磁場(chǎng)內(nèi)；其中所述至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)換能器包括在所述環(huán)形諧振器上的和在所述柔性支撐件 上的金屬軌跡，并且具有連續(xù)的金屬軌跡，所述連續(xù)的金屬軌跡包括從所述基板開(kāi)始，沿著 所述第一腿部件、沿著所述環(huán)形諧振器的一部分、以及沿著所述第二腿部件行進(jìn)回到所述 基板的第一軌跡部分，所述第一和第二腿部件僅承載與單個(gè)驅(qū)動(dòng)換能器相關(guān)聯(lián)的金屬軌 跡。本發(fā)明提供了一種如GB 2276976A的上述摘要說(shuō)明中那樣的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀，其 特征在于，所述至少一個(gè)截取換能器設(shè)置在所述磁場(chǎng)中，并具有連續(xù)的金屬軌跡，所述連續(xù) 的金屬軌跡包括從所述基板開(kāi)始，沿著所述第一腿部件、沿著所述環(huán)形諧振器的一部分、并 沿著所述第二腿部件行進(jìn)回到所述基板的第一軌跡部分，所述第一和第二腿部件僅承載與 單個(gè)截取換能器相關(guān)聯(lián)的金屬軌跡。上面的磁性截取換能器相比GB 2276976A中利用的電容性換能器具有如下優(yōu)點(diǎn) 可以改善腿的對(duì)稱性，這是因?yàn)槊恳粋€(gè)腿可以承載一導(dǎo)體軌跡，而在GB ‘976A中在形成電 容性截取換能器的成對(duì)的腿中，僅一個(gè)承載導(dǎo)體軌跡。優(yōu)選地，所述連續(xù)的金屬軌跡進(jìn)一步至少包括第二軌跡部分，其從所述基板開(kāi)始， 沿著所述第一腿部件、沿著所述環(huán)形諧振器的一部分、和沿著所述第二腿部件延伸回到所 述基板，所述軌跡部分串行連接，并且彼此橫向地間隔開(kāi)。該特征增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)振蕩和截取靈敏度，并因此增加了信噪比。優(yōu)選地，每一個(gè)腿部件包括從所述基板向內(nèi)延伸的徑向部分，周向部分，以及第 二徑向部分，該第二徑向部分被布置為使得所述第一徑向部分和第二徑向部分經(jīng)由所述周 向部分彼此連接，并且所述第二徑向部分被連接到所述環(huán)形諧振器的外周界，而所述周向 部分位于所述磁場(chǎng)外部。該腿配置是高度順從性的，并且確保了流過(guò)所述周向部分的電流不干擾流過(guò)沿著 所述環(huán)形諧振器的所述部分行進(jìn)的軌跡的電流的馬達(dá)或發(fā)電機(jī)動(dòng)作。此外，類似地，位于所述磁場(chǎng)外部的所述第一徑向部分不導(dǎo)致任何對(duì)所述環(huán)形諧振器的面內(nèi)徑向振蕩的干擾，并 且在所述第一和第二徑向部分兩者中流動(dòng)的反平行的電流的影響趨于彼此抵消。優(yōu)選地，各腿部件的所述第二徑向部分以比第二徑向部分的長(zhǎng)度大的間隔分隔 開(kāi)。該特征趨于使沿著所述環(huán)形諧振器的所述部分行進(jìn)的并且產(chǎn)生期望的馬達(dá)動(dòng)作 (在驅(qū)動(dòng)換能器中)或信號(hào)(在截取換能器中)的軌跡部分的長(zhǎng)度與不產(chǎn)生期望的馬達(dá)動(dòng) 作或信號(hào)的所述徑向部分及其關(guān)聯(lián)的導(dǎo)體軌跡的長(zhǎng)度相比最大化。優(yōu)選地，所述各腿部件的所述第一徑向部分以比所述第一徑向部分的長(zhǎng)度小的間 隔分隔開(kāi)。該特征趨于使對(duì)沿著所述第一徑向部分行進(jìn)的電流的電感應(yīng)的抵消最大化。所述柔性支撐件優(yōu)選繞所述環(huán)形諧振器等角地間隔。在一優(yōu)選實(shí)施例中，至少一個(gè)主驅(qū)動(dòng)換能器被布置用于使所述環(huán)形諧振器在主模 式中以所述主模式的諧振頻率振蕩，至少一個(gè)主截取換能器被布置用于檢測(cè)所述環(huán)形諧振 器的在主模式中的振蕩，以及用于將所述環(huán)形諧振器維持在所述主模式的所述諧振頻率， 至少一個(gè)次級(jí)截取換能器被布置用于檢測(cè)在繞基本上與所述環(huán)形諧振器垂直的軸施加角 速度時(shí)引起的次級(jí)模式的振蕩，以及至少一個(gè)次級(jí)驅(qū)動(dòng)換能器被布置用于使所引起的次級(jí) 模式振蕩無(wú)效。所述環(huán)形諧振器、基板以及支撐裝置可以被布置為基本上在彼此相同的平面中。 所述驅(qū)動(dòng)換能器和截取換能器可以被布置為基本上彼此共面并與所述基板共面?？蛇x地，所述腿部件可以在一端被從位于所述環(huán)形諧振器內(nèi)部的所述基板的中心 轂(central hub)支撐，并且在另一端每一個(gè)腿部件連接到所述環(huán)形諧振器的內(nèi)周界。替 代地，每一個(gè)腿部件在一端可以被在所述環(huán)形諧振器外部從所述基板支撐，并且在另一端 每一個(gè)腿部件連接到所述環(huán)形諧振器的外周界。可以將所述基板密封以形成包封所述環(huán)形諧振器、所述支撐裝置以及所述驅(qū)動(dòng)換 能器和截取換能器的密封的腔。所述支撐裝置、環(huán)形諧振器以及基板可以由硅形成，并且可以在金屬軌跡與所述 支撐裝置、環(huán)形諧振器及基板之間布置絕緣層?，F(xiàn)在將參考附圖僅以示例的方式描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在附圖中圖1以示意性的平面圖示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的MEMS陀螺儀；圖加示意性地示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)以及主載波模式P的徑向位移的 動(dòng)作；圖2b示意性地示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)以及次級(jí)響應(yīng)模式S的徑向位移 的動(dòng)作；圖3以正截面圖示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的MEMS陀螺儀；圖4以部分平面圖示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的金屬軌跡布置；圖5以平面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀；圖6以曲線圖形式示出了作為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的MEMS陀螺儀的和根據(jù)本發(fā)明的振 動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀的操作溫度的函數(shù)的正交偏移的比較；圖7以部分平面圖示出了根據(jù)本發(fā)明的金屬軌跡布置；
圖8以部分平面圖示出了根據(jù)本發(fā)明替代性的金屬軌跡布置；圖9以曲線圖形式示出了本發(fā)明的一實(shí)施例中的磁場(chǎng)的垂直分量的徑向變化，以 及圖10是示出了圖5、7和8的實(shí)施例的電子信號(hào)處理裝置的框圖。發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，參考圖1至4描述的現(xiàn)有技術(shù)的MEMS陀螺儀10的正交偏移 的變化是由主載波P模式頻率和次級(jí)響應(yīng)S模式頻率的頻率分裂以及次級(jí)響應(yīng)模式S的位 置隨溫度的變化而導(dǎo)致的。外部框架22的硅和玻璃支撐結(jié)構(gòu)46間的不同的膨脹趨于使外 部框架22變形。這又以如下的方式使順從性的腿1 至14h變形主載波P模式和次級(jí)響 應(yīng)S模式被不同地?cái)_動(dòng)，因此影響其頻率和模式相對(duì)于環(huán)狀結(jié)構(gòu)或環(huán)形諧振器12的對(duì)準(zhǔn)。參考圖5，振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀50包括平的硅環(huán)狀結(jié)構(gòu)52，其由支撐裝置M外部地支 撐，所述支撐裝置M具有八個(gè)柔性支撐件56a至56h，其被布置用于將所述環(huán)狀結(jié)構(gòu)保持在 限定剛性的外部框架58的基板內(nèi)。每一個(gè)柔性支撐件56a至5 包括一對(duì)順從性的腿60a 和60b，其在一端附接到環(huán)狀結(jié)構(gòu)52的外周界并在另一端附接到外部框架58的內(nèi)周界。在 該示例中，所述順從性的腿60a和60b是彼此對(duì)稱的，并且每一個(gè)順從性的腿60a、60b包括 第一徑向部分62、弧形(arcuate)部分64、以及第二徑向部分66，其被布置為使得第一徑向 部分62和第二徑向部分66經(jīng)由所述拱形部分64彼此連接，第一徑向部分62連接到外部 框架58的內(nèi)周界，而第二徑向部分66連接到環(huán)狀結(jié)構(gòu)52的外周界。所述第一和第二徑向部分在切線方向(以確保對(duì)繞軸68的旋轉(zhuǎn)的靈敏度)提供 順從性，而拱形部分64在徑向方向提供順從性。第一徑向部分62緊密的間隔(優(yōu)選小于 其長(zhǎng)度的一半)確保了通過(guò)其關(guān)聯(lián)的金屬軌跡部分(在圖7中示出)的電流的感應(yīng)效應(yīng)被 抵消。將理解，環(huán)狀結(jié)構(gòu)52、外部框架58、和支撐裝置M可以利用MEMS制造技術(shù)全部由 硅的單個(gè)基板形式。以這樣的方式，由于順從性的腿60a和60b的面內(nèi)剛度(stiffness)被降低，因此 順從性的腿60a和60b的變形的影響及其導(dǎo)致的對(duì)主載波模式和次級(jí)響應(yīng)模式的頻率相對(duì) 于環(huán)狀結(jié)構(gòu)52的對(duì)準(zhǔn)的影響減小，因此在更大程度上將環(huán)狀結(jié)構(gòu)52與外部應(yīng)力和應(yīng)變隔 離開(kāi)。這是通過(guò)減小順從性的腿60a和60b的寬度實(shí)現(xiàn)的。然而，使用一對(duì)順從性的腿60a 和60b將維持所述順從性的腿60a和60b提供的面外(out of plane)剛度。維持高的面 外剛度是有利的，因?yàn)檫@限制了環(huán)狀結(jié)構(gòu)52響應(yīng)于沿著與環(huán)狀結(jié)構(gòu)52的平面正交的軸68 施加的沖擊和振動(dòng)輸入的運(yùn)動(dòng)。這是有益的，因?yàn)槠錅p小了振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀50對(duì)外部施加 的機(jī)械擾動(dòng)的靈敏度。因此，圖5中示出的支撐裝置M具有繞環(huán)狀結(jié)構(gòu)52等角地間隔開(kāi)的八個(gè)柔性支 撐件56a至56h，每一個(gè)柔性支撐件56a、5Mi具有兩個(gè)順從性的腿60a、60b，其被布置為具 有與參考圖1至4描述的相比顯著減小的復(fù)合的面內(nèi)剛度的對(duì)稱的對(duì)。這提供了增強(qiáng)的對(duì) 熱引起的應(yīng)力和應(yīng)變的隔離，并維持使對(duì)沖擊和振動(dòng)的靈敏度最小化所需的面外剛度。單 獨(dú)的順從性的腿60a、60b的面內(nèi)剛度將近似與順從性的腿60a、60b的寬度的立方成比例地 變化。相反地，面外剛度隨順從性的腿60a、60b的寬度線性地變化。因此，減小順從性的腿 60a、60b的寬度降低了面內(nèi)剛度。例如，與對(duì)于圖5布置的順從性的腿60a、60b的20微米 的寬度相比，對(duì)于UK專利GB2322196中所述的裝置的順從性的腿14a至14h的寬度標(biāo)稱為60微米。與M專利GB2322196中所述的裝置相比，支撐裝置M響應(yīng)于面內(nèi)位移的復(fù)合剛 度已經(jīng)降低近似四倍。與之對(duì)比的是，與M專利GB2322196的裝置相比，根據(jù)本布置的支 撐裝置M的響應(yīng)于面外位移的相對(duì)剛度僅稍微降低了近似25%。參考圖10，主環(huán)路包括分別在腿56b和56f上的一對(duì)感應(yīng)截取換能器(由圖7或 圖8中示出金屬軌跡部分構(gòu)成)。這些經(jīng)由放大器118連接到解調(diào)器144以用于自動(dòng)增益 控制，并連接相位檢測(cè)器PD (130)以用于通過(guò)在環(huán)路濾波器F(S) (132)之后的VC0(壓控振 蕩器)134設(shè)置環(huán)的振蕩頻率。將90度相移用于相位檢測(cè)器130的基準(zhǔn)。在通過(guò)增益控制 148和增益級(jí)166之后，施加到主驅(qū)動(dòng)換能器(由分別在腿56d和5 上的圖7或圖8中示 出的金屬軌跡部分構(gòu)成)將環(huán)52設(shè)置為主運(yùn)動(dòng)。P相位為相對(duì)于主驅(qū)動(dòng)在90度，并且與主截取同相位。Q相位與主驅(qū)動(dòng)同相位，并 且與主截取信號(hào)相差90度。來(lái)自次級(jí)感應(yīng)截取換能器(分別由腿56c和56g上的金屬軌跡構(gòu)成)，相對(duì)于所 述主的在45度，在放大器120中被放大，并且經(jīng)由兩個(gè)解調(diào)器154(同相位P)和156(正交 相位Q)進(jìn)行到環(huán)路濾波器G(S) 158和160，之后分別到同相位和正交再調(diào)制器162和164。 這兩個(gè)信號(hào)然后結(jié)合形成到分別由腿56a和56e上的金屬軌跡構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)換能器的次級(jí)驅(qū)動(dòng)。來(lái)自解調(diào)器126的輸出速率信號(hào)利用所述次級(jí)驅(qū)動(dòng)的同相位信號(hào)P分量。在使用中，次級(jí)驅(qū)動(dòng)換能器被布置用于使在繞敏感軸68施加角速度時(shí)引起的次 級(jí)模式振蕩(S)無(wú)效。參考圖6，從UK專利GB 2322196的裝置的(表示為線74)和根據(jù)本發(fā)明的振動(dòng)結(jié) 構(gòu)陀螺儀50的(表示為線76)沿縱坐標(biāo)70表示的以每秒度計(jì)的正交偏移對(duì)沿橫坐標(biāo)72 表示的以攝氏度計(jì)的溫度的關(guān)系的比較，可以理解環(huán)狀結(jié)構(gòu)52對(duì)熱引起的應(yīng)變的增強(qiáng)的 面內(nèi)機(jī)械隔離的有益效果。與線76相比線74示出了更大的隨溫度的變化。例如，本發(fā)明 的正交偏移溫度穩(wěn)定性能夠呈現(xiàn)出超出UK專利GB2322196的現(xiàn)有技術(shù)裝置的八倍改進(jìn)。在圖5的裝置中，利用至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生主載波模式，并利用至少一個(gè)截 取換能器檢測(cè)次級(jí)響應(yīng)模式。所述驅(qū)動(dòng)換能器和截取換能器繞環(huán)狀結(jié)構(gòu)52布置，在這種情 況下，存在八個(gè)繞環(huán)狀結(jié)構(gòu)52等角地間隔開(kāi)的換能器。四個(gè)驅(qū)動(dòng)換能器，一對(duì)換能器被布 置用于向環(huán)狀結(jié)構(gòu)52提供主驅(qū)動(dòng)，一對(duì)換能器被布置用于向環(huán)狀結(jié)構(gòu)提供次級(jí)驅(qū)動(dòng)；四個(gè) 截取換能器，一對(duì)換能器被布置用于提供主截取信號(hào)，一對(duì)換能器被布置用于提供次級(jí)截 取信號(hào)。參考圖7，其中相同的附圖標(biāo)記用于表示與參考圖5所述的類似的部件，為了實(shí)現(xiàn) 驅(qū)動(dòng)換能器和截取換能器兩者，金屬軌跡80被設(shè)置在每一個(gè)順從性的腿60a、60b、外部框 架58、和環(huán)狀結(jié)構(gòu)52的上表面上，在絕緣表面氧化物層(未示出)之上。對(duì)八個(gè)電路(每 一個(gè)驅(qū)動(dòng)和截取換能器一個(gè)電路)重復(fù)金屬軌跡80。圖7示出了與圖5的柔性支撐件56e 相關(guān)聯(lián)的金屬軌跡80。金屬軌跡80的每一個(gè)電路在外部框架58上的第一焊盤82處開(kāi)始， 沿第一順從性的腿60a行進(jìn)，跨環(huán)狀結(jié)構(gòu)52的八分之一段84，并沿另一順從性的腿60b行 進(jìn)回到外部框架58上的第二焊盤86。對(duì)環(huán)狀結(jié)構(gòu)52的每一個(gè)八分之一段84重復(fù)該電路 布置，使得每一個(gè)對(duì)順從性的腿60a和60b僅承載與單個(gè)換能器相關(guān)聯(lián)的金屬軌跡80。因此，不需要如現(xiàn)有技術(shù)中的情況那樣的連接到地的分開(kāi)的第三金屬軌跡36來(lái)使彼此平行行進(jìn)的金屬軌跡M之間的交叉耦合最小化，其中每一個(gè)金屬軌跡M與不同的 驅(qū)動(dòng)或截取換能器相關(guān)聯(lián)。這在與主驅(qū)動(dòng)換能器相關(guān)聯(lián)的金屬軌跡M沿相同順從性的腿 28或32平行于與次級(jí)截取換能器相關(guān)聯(lián)的金屬軌跡M行進(jìn)的情況下是特別重要的。將與不同換能器相關(guān)聯(lián)的金屬軌跡80沿分立的順從性的腿60a、60b路由降低了 交叉耦合1，并因此降低了交叉耦合偏移誤差Λ c因而提高了振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀50的總體速 率偏移溫度穩(wěn)定性。順從性的腿繞對(duì)稱線LS對(duì)稱地設(shè)置，并且金屬軌跡的從各順從性的腿行進(jìn)到環(huán) 狀結(jié)構(gòu)52上的部分從所述對(duì)稱線發(fā)散以形成基本上也繞所述對(duì)稱線對(duì)稱地設(shè)置的環(huán)路。 這特征使作用在順從性的腿上的擾動(dòng)馬達(dá)力最小化，并使換能器的增益最大化。如與現(xiàn)有技術(shù)一樣，繞環(huán)狀結(jié)構(gòu)52的周界施加磁場(chǎng)，其被取向?yàn)榕c環(huán)狀結(jié)構(gòu)52的 平面垂直。通過(guò)位于環(huán)狀結(jié)構(gòu)52的周界內(nèi)側(cè)的永磁體以及上極片和下極片施加所述磁場(chǎng)， 其被布置用于將磁場(chǎng)匯集在環(huán)狀結(jié)構(gòu)52的周界附近在所述極片間的縫隙中。環(huán)狀結(jié)構(gòu)52、順從性的腿60a、60b和外部框架58被接合到支撐玻璃基板上。該組 件又與所述永磁體和極片一起接合到玻璃支撐結(jié)構(gòu)上，它們被組裝為所述環(huán)狀結(jié)構(gòu)52位 于所述上和下極片間的縫隙中。如先前所述的，在金屬軌跡80通過(guò)磁場(chǎng)的情況下使交變電流通過(guò)金屬軌跡80將 產(chǎn)生洛倫茲力。如果該交變電流的頻率處在主載波模式的諧振頻率，則環(huán)狀結(jié)構(gòu)52將被激 發(fā)到諧振振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。以這樣的方式布置得金屬軌跡80將限定驅(qū)動(dòng)換能器。在金屬軌跡80在磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)的情況下，將跨金屬軌跡80產(chǎn)生電壓。以這樣的方 式布置的金屬軌跡80將限定截取換能器。這樣的MEMS陀螺儀52典型地將在閉環(huán)操作模式中操作。在該模式中，利用由鎖 相環(huán)控制的主驅(qū)動(dòng)換能器將主載波模式驅(qū)動(dòng)在諧振最大處。通過(guò)自動(dòng)增益控制環(huán)路將環(huán)狀 結(jié)構(gòu)52的運(yùn)動(dòng)幅度維持在恒定的值，所述自動(dòng)增益控制環(huán)路被布置用于將如主截取換能 器處測(cè)量的環(huán)狀結(jié)構(gòu)52的運(yùn)動(dòng)幅度與固定的基準(zhǔn)層級(jí)比較，并動(dòng)態(tài)地調(diào)整去往主驅(qū)動(dòng)換 能器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)以維持恒定的信號(hào)水平，并因此維持環(huán)狀結(jié)構(gòu)52的恒定的幅度的運(yùn)動(dòng)。在 環(huán)狀結(jié)構(gòu)52繞與環(huán)狀結(jié)構(gòu)52的平面正交的軸68旋轉(zhuǎn)時(shí)引起的科里奧利力的幅度以及因 此的MEMS陀螺儀50的比例因子與主載波模式運(yùn)動(dòng)的幅度成正比。科里奧利力將引起在次 級(jí)響應(yīng)模式S中的運(yùn)動(dòng)，其由次截取換能器檢測(cè)。在該閉環(huán)操作模式中，通過(guò)適當(dāng)控制的次 級(jí)驅(qū)動(dòng)換能器使次級(jí)響應(yīng)模式運(yùn)動(dòng)無(wú)效。維持次級(jí)響應(yīng)模式的無(wú)效情形所需的驅(qū)動(dòng)力提供 了繞軸68施加的旋轉(zhuǎn)速率的直接表示。參考圖8，其中已經(jīng)使用相同的附圖標(biāo)記來(lái)表示與參考圖5和7描述的類似的部 件，本發(fā)明的支撐裝置M的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)是，在每一個(gè)順從性的腿60a、60b上存在足夠的區(qū) 域用于制造繞柔性支撐件56a至56h中的一個(gè)或更多個(gè)柔性支撐件的兩匝金屬軌跡80電 路，其是一對(duì)橫向地間隔開(kāi)的平行金屬軌跡80。為了實(shí)現(xiàn)該驅(qū)動(dòng)或截取換能器，金屬軌跡 80被設(shè)置在每一個(gè)順從性的腿60a、60b、外部框架58和環(huán)狀結(jié)構(gòu)52的上表面上，在絕緣表 面氧化物層之上。圖8示出了與圖5的柔性支撐件56e相關(guān)聯(lián)的金屬軌跡80。每一個(gè)電路 在外部框架58上的第一焊盤82開(kāi)始，沿第一順從性的腿60a行進(jìn)，跨環(huán)狀結(jié)構(gòu)52的八分 之一段84，并往回沿另一順從性的腿60b、繞外部框架58上的第二焊盤86、往回沿第一順 從性的腿60a、跨環(huán)狀結(jié)構(gòu)52的八分之一段84、沿另一順從性的腿60b行進(jìn)至外部框架58上的第二焊盤86。注意，對(duì)于每一個(gè)繞順從性的腿60a、60b以及環(huán)狀結(jié)構(gòu)52的八分之一段 84的路線，金屬軌跡80以橫向間隔開(kāi)且平行的關(guān)系布置?？梢詫?duì)環(huán)狀結(jié)構(gòu)52的每一個(gè)八 分之一段84重復(fù)該電路布置，使得每一對(duì)順從性的腿60a和60b僅承載與單個(gè)換能器相關(guān) 聯(lián)的金屬軌跡80。 這有效地使施加到環(huán)狀結(jié)構(gòu)52的磁場(chǎng)內(nèi)的金屬軌跡80的長(zhǎng)度雙倍。因此，每一 個(gè)驅(qū)動(dòng)和截取換能器的增益由此也被雙倍。由于制造工藝所施加的對(duì)金屬軌跡M的幾何 條件的限制，該布置對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的裝置將不是可行的。這些限制要求相鄰金屬軌跡M之 間的大于五微米的最小分離，并在金屬軌跡M的邊緣和順從性的腿觀的邊緣之間要求類 似的分離，以確保相鄰金屬軌跡M的可靠的電隔離。 使磁場(chǎng)中金屬軌跡80的長(zhǎng)度雙倍，即，增加上面的式1中的長(zhǎng)度L分量，將使驅(qū)動(dòng) 換能器施加的驅(qū)動(dòng)增益增加為兩倍。這使得能夠降低實(shí)現(xiàn)給定的主載波模式幅度所需的驅(qū) 動(dòng)電流。耦合到速率信道中的驅(qū)動(dòng)的量，以及因此的交叉耦合偏移Λ c將也被進(jìn)一步降低， 這將有益于速率偏移溫度穩(wěn)定性。此外，使磁場(chǎng)中的金屬軌跡80的長(zhǎng)度雙倍，即，增加式2中的L分量，也將對(duì)于運(yùn) 動(dòng)的給定的幅度使得截取換能器處提供的信號(hào)增加為兩倍。對(duì)于這樣的在閉環(huán)模式中操作 的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀50，噪聲水平由次級(jí)截取放大器的電壓噪聲主導(dǎo)。因此，使截取換能器信 號(hào)水平雙倍將在振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀50的等速率信噪比中提供兩倍的改進(jìn)。再次地，這為振動(dòng) 結(jié)構(gòu)陀螺儀50提供了另外的性能增強(qiáng)。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的MEMS陀螺儀10具有另外的優(yōu)點(diǎn)。在UK 專利GB 2322196中描述的MEMS陀螺儀10中，每一個(gè)順從性的腿Ha至14h中相當(dāng)大的比 例緊鄰環(huán)狀結(jié)構(gòu)12，并因此緊鄰其中磁場(chǎng)強(qiáng)度處在最大值的區(qū)域。參考圖9，通過(guò)環(huán)狀結(jié)構(gòu) 12的中心和順從性的腿1 至14h的磁場(chǎng)的垂直分量的徑向變化被表示為線88。以毫米 (mm)計(jì)的該磁場(chǎng)的半徑沿橫坐標(biāo)表示，而以毫特拉斯(mT)計(jì)的磁場(chǎng)的垂直分量沿縱坐標(biāo) 表示。如將觀察到的，磁場(chǎng)從磁體的邊緣Omm半徑)增加，并在縫隙的區(qū)域(3mm半徑)中 處在最大值。磁場(chǎng)隨著半徑增加(大于3mm)而降低，但是在4mm的半徑處仍大約為峰值的 百分之十。因此，對(duì)于UK專利GB 2322196的MEMS陀螺儀，每一個(gè)順從性的腿14al4h的相 當(dāng)大的部分位于高磁場(chǎng)區(qū)域中。在電流通過(guò)順從性的腿1 至14h時(shí)，將在環(huán)狀結(jié)構(gòu)12的 平面中產(chǎn)生相當(dāng)大的力，與電流的路徑垂直。這些力是不期望的，因?yàn)樗鼈儗⑼ㄟ^(guò)在順從性 的腿14a至14h的附接點(diǎn)處施加力而激發(fā)環(huán)狀結(jié)構(gòu)12的運(yùn)動(dòng)。這些力與環(huán)狀結(jié)構(gòu)12上的 產(chǎn)生的力不對(duì)準(zhǔn)，并趨于使驅(qū)動(dòng)換能器施加的凈合成驅(qū)動(dòng)力旋轉(zhuǎn)偏離期望的對(duì)準(zhǔn)。這些力 也趨于與驅(qū)動(dòng)換能器施加至環(huán)狀結(jié)構(gòu)12的驅(qū)動(dòng)力相反，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)效率降低。支撐與截取換 能器相關(guān)聯(lián)的金屬軌跡M的順從性的腿14a至14h的運(yùn)動(dòng)也是有問(wèn)題的，由于這將引起干 擾環(huán)狀結(jié)構(gòu)12的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的期望信號(hào)的信號(hào)，并因此使MEMS陀螺儀10的準(zhǔn)確性劣化。在本發(fā)明中，對(duì)稱的順從性的腿60a、60b的對(duì)被布置為使得第二徑向部分66為第 一徑向部分62和拱形部分64提供與磁場(chǎng)的縫隙更大的分離。因此，磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的順從性 的腿60a、60b的量降低，因此降低了與截取換能器相關(guān)聯(lián)的金屬軌跡80中產(chǎn)生的力的幅度 和引起的假(spurious)信號(hào)的水平。順從性腿60a、60b的對(duì)稱結(jié)構(gòu)也確保了給定的柔性 支撐件56a至56h的每一個(gè)順從性的腿60a、60b上產(chǎn)生的力和信號(hào)將基本上相等并相反。 因此，不期望的力和信號(hào)將基本上抵消。
因此，改進(jìn)的支撐裝置M促進(jìn)了對(duì)正交偏移溫度穩(wěn)定性的改進(jìn)，并因此促進(jìn)了對(duì) 振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀50的總體的速率偏移性能的改進(jìn)。改進(jìn)的支撐裝置M進(jìn)一步使得能夠?qū)?現(xiàn)降低與驅(qū)動(dòng)換能器和截取換能器相關(guān)聯(lián)的金屬軌跡80之間的交叉耦合的金屬軌跡80電 路布局，因而使得能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀50的速率偏移溫度穩(wěn)定性的進(jìn)一步改進(jìn)?？?以利用相同永磁體、上和下極片實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的支撐裝置54，而在振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀50的制造或 組裝工藝中沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的改變。所得到的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀50也可以并入同樣的控制電子 電路，因此使得能夠?qū)崿F(xiàn)改進(jìn)的正交偏移溫度穩(wěn)定性而沒(méi)有增加振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀50的單 位成本。將理解，柔性支撐件的其它配置是可能的。例如，可以在環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)內(nèi)部地布置八 個(gè)柔性支撐件，使得順從性的腿一端附接到環(huán)狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)周界，在另一端附接自位于環(huán)狀 結(jié)構(gòu)內(nèi)部的基板的中心轂。在該實(shí)施例中，在該轂上將設(shè)置接合(bond-on)焊盤，并且金屬 軌跡位于該轂、順從性的腿和環(huán)狀結(jié)構(gòu)上。另外的順從性的腿和軌跡的布置類似于參考圖 5到9所描述的。此外，可以將限定外部框架的基板密封以形成包封環(huán)狀結(jié)構(gòu)52、柔性支撐件56a 到56h、以及關(guān)聯(lián)的金屬軌跡80的密封腔，從而阻止不希望的材料進(jìn)入密封腔內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀(50)，包括基本上平的環(huán)形諧振器(52)；基板(58)；至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)換能器，其被布置為使所述環(huán)形諧振器在主面內(nèi)模式中以該主模式的諧 振頻率振蕩，并且其具有關(guān)聯(lián)的柔性支撐件，所述柔性支撐件包括第一和第二腿部件(60a、 60b)，所述第一和第二腿部件具有在它們之間徑向延伸的對(duì)稱線(LS)；支撐裝置(M)，其包括多個(gè)柔性支撐件(56a-5^!)，所述多個(gè)柔性支撐件被布置用于 從所述基板支撐所述環(huán)形諧振器，并允許所述環(huán)形諧振器在主面內(nèi)模式(P)中振蕩以及響 應(yīng)于繞基本上垂直于所述環(huán)形諧振器的平面的軸(68)施加的角速度在次級(jí)面內(nèi)模式(S) 中振蕩；以及至少一個(gè)截取換能器，其被布置用于檢測(cè)所述環(huán)形諧振器在所述次級(jí)面內(nèi)模式中的 振蕩，并且具有關(guān)聯(lián)的柔性支撐件，所述關(guān)聯(lián)的柔性支撐件包括第一和第二腿部件(60a、 60b)，所述第一和第二腿部件具有在它們之間徑向延伸的對(duì)稱線(LS)；其中磁場(chǎng)(B)被布置為垂直于所述環(huán)形諧振器(5 的平面，以使得所述驅(qū)動(dòng)換能器位 于所述磁場(chǎng)內(nèi)；其中，所述至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)換能器包括在所述環(huán)形諧振器上和在所述柔性支撐件上的金 屬軌跡(80)，并且具有連續(xù)的金屬軌跡，所述連續(xù)的金屬軌跡包括從所述基板開(kāi)始、沿所述 第一腿部件(60a)、沿所述環(huán)形諧振器(5 的一部分、并沿第二腿部件(60b)行進(jìn)回到所 述基板的第一軌跡部分，所述第一和第二腿部件僅承載與單個(gè)驅(qū)動(dòng)換能器關(guān)聯(lián)的金屬軌跡 (80)，其特征在于，所述至少一個(gè)截取換能器位于所述磁場(chǎng)中，并具有連續(xù)的金屬軌跡，所述 連續(xù)的金屬軌跡包括從所述基板開(kāi)始，沿所述第一腿部件(84)、沿所述環(huán)形諧振器(52)的 一部分(84)、并沿所述第二腿部件(60b)行進(jìn)回到所述基板(58)的第一軌跡部分，所述第 一和第二腿部件(60a、60b)僅承載與單個(gè)截取換能器關(guān)聯(lián)的金屬軌跡(80)。
2.如權(quán)利要求1所述的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀(50)，其中所述連續(xù)的金屬軌跡(80)進(jìn)一 步至少包括第二軌跡部分，所述第二軌跡部分從所述基板(58)開(kāi)始、沿所述第一腿部件 (60a)、沿所述環(huán)形諧振器(5 的一部分、并沿所述第二腿部件(60b)延伸回到所述基板， 所述軌跡部分串行地并且彼此橫向間隔開(kāi)地連接。
3.如權(quán)利要求1或2所述的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀(50)，其中每一個(gè)腿部件(60a、60b)包括 從所述基板(58)向內(nèi)延伸的第一徑向部分(62)、周向部分(64)、以及第二徑向部分(66)， 其被布置為使得所述第一徑向部分(6 和第二徑向部分(66)經(jīng)由所述周向部分(64)彼 此連接，并且所述第二徑向部分(66)連接到所述環(huán)形諧振器(5 的外周界，所述周向部分 (64)位于所述磁場(chǎng)(B)外部。
4.如權(quán)利要求3所述的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀(50)，其中各腿部件(60a、60b)的所述第二徑 向部分(66)以大于所述第二徑向部分的長(zhǎng)度的間隔分隔開(kāi)。
5.如權(quán)利要求3或4所述的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀(50)，其中所述各腿部件(60a、60b)的所 述第一徑向部分(62)以比所述第一徑向部分的長(zhǎng)度小的間隔分隔開(kāi)。
6.如前面的任一權(quán)利要求所述的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀(50)，其中布置環(huán)狀極磁性裝置 (20)以將所述磁場(chǎng)(B)匯集在所述環(huán)形諧振器(5 上。
7.如前面的任一權(quán)利要求所述的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀(50)，其中所述柔性支撐件 (56a-56h)繞所述環(huán)形諧振器(52)等角地間隔開(kāi)。
8.如前面的任一權(quán)利要求所述的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀(50)，其中布置至少一個(gè)次級(jí)驅(qū)動(dòng) 換能器以使在繞所述軸(68)施加角速度時(shí)引起的次級(jí)模式振蕩( 無(wú)效。
9.如前面的任一權(quán)利要求所述的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀(50)，其中所述環(huán)形諧振器(52)、基 板(58)和支撐裝置(54)基本上共面。
10.如前面的任一權(quán)利要求所述的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀(50)，其中所述驅(qū)動(dòng)換能器和截取 換能器基本上彼此共面，并且基本上與所述基板(58)共面。
11.如權(quán)利要求1至10中的任一個(gè)權(quán)利要求所述的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀(50)，其中所述腿 部件(60a、60b)是徑向順從性的腿，每一個(gè)腿部件在一端連接到所述基板(58)并在另一端 支撐所述環(huán)形諧振器(52)。
12.如權(quán)利要求11所述的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀(50)，其中所述環(huán)形諧振器(52)設(shè)置在所 述基板(58)內(nèi)，并且每一個(gè)腿部件(60a、60b)從所述的一端到所述的另一端徑向地向內(nèi)延 伸到所述環(huán)形諧振器的所述外周界。
13.如前面的任一權(quán)利要求所述的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀(50)，其中所述基板(58)被密封以 形成包封所述環(huán)形諧振器(52)、所述支撐裝置(54)以及所述驅(qū)動(dòng)換能器和截取換能器的 密封腔。
14.如前面的任一權(quán)利要求所述的振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀(50)，其中所述支撐裝置(M)、環(huán) 形諧振器(52)和基板(58)由硅形成。
全文摘要
一種振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀，包括環(huán)狀結(jié)構(gòu)(52)、外部框架(58)和柔性支撐件(56e)，該柔性支撐件包括一對(duì)對(duì)稱的順從性的腿(60a、60b)，其被布置用于將環(huán)狀結(jié)構(gòu)(52)保持在外部框架(58)內(nèi)。金屬軌跡(80)被設(shè)置在外部框架(58)、順從性的腿(60a、60b)和環(huán)狀結(jié)構(gòu)(52)的上表面上，在絕緣表面氧化物層(未示出)之上。每一個(gè)柔性支撐件(56e)被布置用于承載與單個(gè)驅(qū)動(dòng)或截取換能器關(guān)聯(lián)的金屬軌跡(80)。對(duì)八個(gè)電路(每一個(gè)換能器一個(gè)電路)重復(fù)金屬軌跡80。與換能器關(guān)聯(lián)的金屬軌跡(80)的每一個(gè)電路在外部框架(58)上的第一焊盤(82)開(kāi)始，沿第一順從性的腿(60a)行進(jìn)、跨環(huán)狀結(jié)構(gòu)(52)的八分之一段(84)，并沿另一順從性的腿(60b)行進(jìn)回到外部框架(58)上的第二焊盤(86)。
文檔編號(hào)G01C19/5684GK102089620SQ200980127065
公開(kāi)日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2009年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月12日
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