專利名稱：具有校正單元的科里奧利陀螺儀及減小90°相位差偏離的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種具有用于減小90°相位差偏離的校正單元的科里奧利陀螺儀、包括用于減小90°相位差偏離的校正單元的互相耦聯(lián)的科里奧利陀螺儀的系統(tǒng)、以及用于減小90°相位差偏離的方法。
背景技術：
科里奧利陀螺儀(振蕩陀螺儀、旋轉(zhuǎn)速度傳感器)包括被用來振蕩的單部件式但通常是多部件式的質(zhì)量系統(tǒng)。為此，為了操作科里奧利陀螺儀，激發(fā)質(zhì)量系統(tǒng)的第一振蕩模式(激發(fā)振蕩)。如果科里奧利陀螺儀在其敏感軸上遭受旋轉(zhuǎn)運動，則產(chǎn)生的科里奧利力激發(fā)可直接或間接測得的質(zhì)量系統(tǒng)的第二振蕩模式，從而得到反映該第二振蕩模式的讀取信號。對讀取信號進行分析來獲取幅度的變化，幅度的變化是施加于科里奧利陀螺儀的旋轉(zhuǎn) 速度的度量。在根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)的科里奧利陀螺儀中，控制電路用于連續(xù)地將讀取振蕩的幅度復位到一個固定值，例如0，因此從為此所需的恢復力來推導出施加的旋轉(zhuǎn)速度?？评飱W利陀螺儀的質(zhì)量系統(tǒng)可構(gòu)造為單部件或多部件質(zhì)量系統(tǒng)。例如該質(zhì)量系統(tǒng)具有兩個質(zhì)量部分(諧振器)，其通過彈性系統(tǒng)互相耦聯(lián)且能夠相對于彼此從事相對運動。在多部件質(zhì)量系統(tǒng)中，制造公差可導致質(zhì)量系統(tǒng)的互相耦聯(lián)的質(zhì)量部分，例如兩部件單諧振器的兩個諧振器，相對于彼此的不對準。不對準在科里奧利陀螺儀的讀取信號中產(chǎn)生一個信號部分，該信號部分以90°相位差(90°相移)重疊于源自施加的旋轉(zhuǎn)速度的實際信號部分。通常，90°相位差信號部分(90°相位差偏離、90°相位差信號、90°相位差誤差)遠大于來自期望的旋轉(zhuǎn)速度解析的信號部分，使得兩個信號部分難以分離。通過各信號部分之間大的差別，即使小的相移也會導致旋轉(zhuǎn)速度信號中的清晰、顯著的誤差(O點誤差，偏離)。從DE 103 60 962 B4和DE 102 37 410 Al中得知一些方法，其中科里奧利質(zhì)量部分由施加于特殊控制電極的電壓旋轉(zhuǎn)和/或偏移，以便減小90°相位差。US 6，067，858描述了一種用于減小90°相位差偏離的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由各個校正電極組成，其中各個電極之間必須具有對稱的距離。此外，這些結(jié)構(gòu)僅能用埋置氧化物的制造技術來實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，減小不對準對科里奧利陀螺儀中以及在由互相耦聯(lián)的科里奧利陀螺儀組成的系統(tǒng)中的90°相位差偏離的影響，而不必旋轉(zhuǎn)和/或偏移科里奧利質(zhì)量且同時能夠在制造工藝中免除埋置氧化物。根據(jù)本發(fā)明，通過權(quán)利要求I所述的科里奧利陀螺儀、通過權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)、以及通過權(quán)利要求17和21所述的方法來實現(xiàn)所述目的。從屬權(quán)利要求分別給出優(yōu)選的改進方案。
因此，科里奧利陀螺儀包括質(zhì)量系統(tǒng)，其可被激發(fā)來平行于第一軸從事振蕩。該質(zhì)量系統(tǒng)可設置成一件式或板塊至少兩個質(zhì)量部分。在多個質(zhì)量部分系統(tǒng)的情況下，質(zhì)量部分中的至少一個(科里奧利元件)這樣來固定，使得通過圍繞垂直于第一軸的敏感軸的旋轉(zhuǎn)運動導致的所述質(zhì)量部分的偏移可沿垂直于第一軸和敏感軸的第二軸進行檢測。在閉環(huán)系統(tǒng)中質(zhì)量部分的偏移可例如通過用于補償該偏移的恢復力的產(chǎn)生來檢測。根據(jù)本發(fā)明的科里奧利陀螺儀還包括至少一個第一校正單元以及至少一個第二校正單元，它們各自包括多個固定校正電極和多個運動校正電極。固定校正電極在第一軸的方向上延伸且通過相應的錨固結(jié)構(gòu)穩(wěn)固地連接到基底，質(zhì)量系統(tǒng)相對該基底懸掛以便是可動的。運動校正電極是質(zhì)量系統(tǒng)的集成組成部分且可相對于基底運動。該科里奧利陀螺儀例如包括被激發(fā)以沿著第一軸線從事線性振蕩的第一質(zhì)量部分(驅(qū)動框架)，以及與第一質(zhì)量部分以可動方式連接的第二質(zhì)量部分(科里奧利框架，科里奧利質(zhì)量，檢測框架)，該第二質(zhì)量部分相對于第一質(zhì)量部分這樣連接，使得其可垂直于激發(fā)反向運動，從而可檢測沿著科里奧利力的方向的可能的偏移運動，該科里奧利力由于施加旋轉(zhuǎn)速度和激發(fā)運動而產(chǎn)生。在此，第二質(zhì)量部分包括運動校正電極以及用于檢測第 二質(zhì)量部分的偏移的一組檢測電極，以及可選地用于恢復偏移的一組電極。根據(jù)另一個實施方案，科里奧利陀螺儀包括被激發(fā)以沿著第一軸從事線性振蕩的第一質(zhì)量部分(驅(qū)動框架)，固定成可因科里奧利力而偏移第二質(zhì)量部分(科里奧利框架，科里奧利質(zhì)量)，以及第三質(zhì)量部分(檢測框架)，第三質(zhì)量部分與第二質(zhì)量部分以這樣一種可動方式連接、使得其不能從事激發(fā)運動但被迫使在第二方向沿著科里奧利框架的偏移運動移動，由此科里奧利框架的偏移得以檢測。換句話說，檢測框架和科里奧利框架的功能單元被分離。校正單元的運動校正電極在此是科里奧利框架的固定組件。用于檢測和/或恢復的電極組通常指派給第三質(zhì)量部分，如果分離的電極組用于檢測和恢復，相關聯(lián)的可能是將電極組分離地布置在第三和第二質(zhì)量部分上。根據(jù)本發(fā)明的校正單元例如各自包括相同數(shù)量的第一固定校正電極和第二固定校正電極。第一固定校正電極從相應的錨固結(jié)構(gòu)沿著第一軸在第一方向延伸。第二固定校正電極從相應的錨固結(jié)構(gòu)沿與第一方向相反的第二方向延伸。同樣，校正單元可包括數(shù)量相同的第一和第二運動校正電極。第一運動校正電極在其作為集成部件所屬的那個質(zhì)量部分的周邊內(nèi)的參考點在第二方向延伸，而第二運動校正電極在第一方向延伸。固定校正電極和與其相鄰的運動校正電極的每一個之間的間距是不同的。因此，兩個距離之比必須選擇為不等于I。為了獲得有效的力作用，該比應選擇為盡可能大或盡可能小，雖然這增加空間需求。考慮到空間需求作為距離之比的函數(shù)增加，為了使力作用盡可能有效，產(chǎn)生的最優(yōu)距離比為V 2。與固定校正電極具有較小距離的運動校正電極在下文將稱為指派給固定校正電極的運動校正電極。第一固定校正電極沿著第二軸設置，每一個位于指派給它們的第一運動校正電極上方，而第二固定校正電極各自設置在指派給它們的第二運動校正電極下方。在此，術語“上方”和“下方”將指沿著第二軸的方向。包括運動校正電極的質(zhì)量部分這樣設置，使得其用作各自相關于第一和第二固定校正電極的第一和第二移動校正電極。固定校正電極沿第二軸相對于指派給它們的運動校正電極的布置結(jié)構(gòu)同樣可以顛倒。在一個實施方案中，科里奧利陀螺儀包括相當于彼此設置成倒置的第一和第二校正單元。可選地，科里奧利陀螺儀可包括相同構(gòu)成的多個第一校正單元和/或多個第二校正單元，或相當于彼此設置成倒置的多對第一和第二校正單元。固定校正電極和/或運動校正電極可各自具有寬度最大為10 μ m的鰭。在一個實施方案中，科里奧利陀螺儀具有至少一個產(chǎn)生校正電壓的控制單元。固定校正電極和運動校正電極連接到該至少一個控制單元，其中不同的校正單元可以用不同的校正電壓來分開地觸發(fā)和/或控制。校正電壓至少暫時性地是恒定的，且在最簡單的情況下為直流電壓，該直流電壓量值可這樣調(diào)節(jié)使得90°相位差偏離最小化。不過，也可行的是，作為垂直于激發(fā)運動(y方向)的偏移的函數(shù)來控制校正電壓。校正單元的電極這樣設置，使得電壓被施加時當運動電極在激發(fā)方向運動時，產(chǎn)生作為在激發(fā)方向的偏移的函數(shù)的沿檢測方向的力。此外，本發(fā)明提供了一種具有至少兩個互相耦聯(lián)的科里奧利陀螺儀的系統(tǒng)，其中每個科里奧利陀螺儀包括可被激發(fā)來平行于第一軸從事振蕩的質(zhì)量系統(tǒng)，其中可以檢測質(zhì)量系統(tǒng)由于科里奧利力沿垂直于第一軸延伸的第二軸的而的偏移。在此，系統(tǒng)包括在各個 科里奧利陀螺儀行文中描述的類型的至少第一校正單元和至少第二校正單元。系統(tǒng)例如包括兩個科里奧利陀螺儀，它們一起設置為線性雙諧振器，其中兩個單諧振器被激發(fā)來沿著第一軸從事彼此相反的振蕩。在一個實施方案中，其中科里奧利陀螺儀僅相關于激發(fā)耦聯(lián)，在每個科里奧利陀螺儀中的校正單元成對地設置以便相對于彼此顛倒。如果如例如從DE 10 2007 030 120 Al中已知，各個科里奧利陀螺儀也相關于檢測耦聯(lián)，則至少兩個相對于彼此顛倒設置的分開的校正單元可隨意地設置在各個科里奧利陀螺儀上。根據(jù)本發(fā)明的、用于減小根據(jù)本發(fā)明的科里奧利陀螺儀或根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的90°相位差偏離的方法包括在校正單元的固定校正電極和運動校正電極之間設置校正電壓。校正電壓為直流電壓，其量值作為有待減小的90°相位差偏尚的去向和大小的函數(shù)進行調(diào)整。對存在且相對于彼此顛倒設置的至少兩個校正單元中的哪個施加電壓取決于有待補償?shù)?0°相位差偏離的代數(shù)符號?？蛇x地或附加地，直流電壓值可以作為質(zhì)量系統(tǒng)沿第二軸的諧振頻率的給定變化的函數(shù)來勁小調(diào)整。在這種情況下，成對且相對于彼此顛倒設置的現(xiàn)有兩個校正單元兩者施以相同值的電壓。用于90°相位差偏離補償?shù)闹绷麟妷翰糠忠哉_的代數(shù)符號疊加于用于頻率調(diào)整的電壓。如果科里奧利陀螺儀包括多于兩個的校正單元，優(yōu)選為2的倍數(shù)，則各校正單元優(yōu)選地以這樣一種方式施加以不同的電壓，使得電壓的總和抵消。例如，相同構(gòu)成的校正單元即不是設置成彼此顛倒的校正單元可以施加以相同值但不同極性的電壓。


以下將參考實施方案的附圖詳細說明本發(fā)明。圖I示出根據(jù)本發(fā)明實施方案的、作為兩部分單諧振器設置的科里奧利陀螺儀的示意頂視圖。
圖2示出了圖I的包括校正單元的細節(jié)的示意俯視圖。圖3示出了科里奧利陀螺儀的細節(jié)的示意俯視圖，其中設置有相同類型的多個校正單元。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的、兩個耦聯(lián)的科里奧利陀螺儀的系統(tǒng)的不意俯視圖。
具體實施例方式圖I示出了根據(jù)一個實施方案的科里奧利陀螺儀I的示意結(jié)構(gòu)，根據(jù)該實施方案，科里奧利陀螺儀I實施為線性單諧振器。該線性單諧振器優(yōu)選借助于蝕刻工藝由硅片制造且包括第一質(zhì)量部分10 (驅(qū)動框架)、第二質(zhì)量部分20 (科里奧利質(zhì)量)、第一彈性元件11和第二彈性元件21。該驅(qū)動器框架10通過第一彈性元件11與位于質(zhì)量部分10、20下方的基底連接。第一彈性元件11這樣設置，使得第一質(zhì)量部分10與第二質(zhì)量部分20能夠一起沿著第一軸(X方向)振蕩。科里奧利質(zhì)量20通過第二彈性元件21與第一質(zhì)量部分10 連接且這樣懸掛，使得其能夠相對于第一質(zhì)量部分10沿著垂直于第一軸的第二軸(y方向)振蕩。彈性元件21的設計不限于具體實施方案。第一和第二質(zhì)量部分10、20構(gòu)成科里奧利陀螺儀I的質(zhì)量系統(tǒng)。科里奧利陀螺儀還包括與基底機械連接但與基底電絕緣的固定檢測電極23和固定激發(fā)電極12。術語“基底”應理解為機械的、不振蕩的結(jié)構(gòu)，質(zhì)量部分10和20 “嵌入”在其中，例如硅片的非振蕩部分或娃片的一部分的非振蕩部分?？评飱W利陀螺儀還包括作為第一質(zhì)量部分10的集成組成元件的運動激發(fā)電極13、以及在該實施方案中作為第二質(zhì)量部分20的集成組成元件的運動檢測電極22。激發(fā)電極12和13在該實施方案中實現(xiàn)兩個功能，第一個為激發(fā)功能，而第二個功能為檢測第一質(zhì)量部分在第一方向(圖中坐標系統(tǒng)的X軸)的運動，從而激發(fā)電極為此目的以適當方式進行電觸發(fā)。在另一個實施例中，激發(fā)電極的功能也可通過提供雙激發(fā)電極來予以分離。通常施加交流電壓于固定激發(fā)電極12，而與驅(qū)動框架10固定連接且與其一起運動的運動激發(fā)電極13形成相對電極。所產(chǎn)生的靜電力激發(fā)驅(qū)動框架10以沿著X方向進行振蕩。第二彈性元件21將該運動傳遞到科里奧利質(zhì)量20。由于第一彈性元件11的鉛直取向，驅(qū)動框架10被防止沿著垂直于第一軸延伸的第二軸(y方向)從事運動。但是，由于第二彈性元件21的基本水平取向，可通過科里奧利質(zhì)量20從事沿y方向的鉛直振蕩。如果由于圍繞垂直于圖示平面取向的量測軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生相應的科里奧利力，則科里奧利質(zhì)量20被激發(fā)而在y方向從事振蕩。由科里奧利力產(chǎn)生的沿y方向的運動通過與科里奧利質(zhì)量20固定連接且與其一起運動的運動檢測電極22以及固定檢測電極23監(jiān)測和讀取，而所述運動為對應于所施加的旋轉(zhuǎn)速度的度量。作為上面已描述的開環(huán)方法的替代方案，第二諧振器20在y方向的運動可通過控制電路和適當?shù)淖枘犭姌O來加以防止，從而這種類型的閉環(huán)方法中所需要的力通過防止該y運動所需的電壓來測量且是所施加的旋轉(zhuǎn)速度的度量。在此所選的例示性實施例中，檢測電極22和23相應于閉環(huán)方法包含兩個功能，即作為這樣的檢測功能和阻尼功能，為此，這些電極通過電子裝置適當?shù)赜枰杂|發(fā)。然而，檢測電極同樣也可再分為兩個相同設計的子單元，且每個子單元具有被賦予它的兩個功能之一。除了在圖I中示出的實施方案，其他的科里奧利陀螺儀的實施方案也是可能的。例如，科里奧利質(zhì)量的I運動的檢測可以在分離的物體上進行，該分離的物體自身不從事X運動，但通過適當?shù)膹椥詥卧橂S科里奧利質(zhì)量的y運動而運動且因此僅承擔檢測的功能且由此也可稱為檢測框架。在閉環(huán)方法中陀螺儀的情況下，檢測和復原功能通常發(fā)生在分離的物體(檢測框架)上，但兩個功能同樣也可分配給科里奧利質(zhì)量和分離的物體。在另一個實施方案中，科里奧利陀螺儀可包括僅只一個振動質(zhì)量，以下也將在“科里奧利質(zhì)量”的術語下予以理解。在閉環(huán)方法中驅(qū)動框架、科里奧利質(zhì)量和檢測的功能以及阻尼功能于是設置在單獨的結(jié)構(gòu)中。此外，若干個圖I中示出的科里奧利陀螺儀I，如在圖4中表示的，可組合為單一傳感器。在此，例如，可以使兩個科里奧利陀螺儀以推拉方式沿著共同的振動軸振動。這使得耦聯(lián)系統(tǒng)對外部干擾以及/或者對耦聯(lián)系統(tǒng)傳播至各單個諧振器設置其中的基底的干擾 的敏度性得以降低。顯然，兩個科里奧利陀螺儀的耦聯(lián)可超越圖4所示的程度，使得根據(jù)具體實施方案，不僅驅(qū)動質(zhì)量彼此耦聯(lián)，而且科里奧利質(zhì)量或檢測框架也彼此耦聯(lián)。在激發(fā)運動不是取向為精確地垂直于檢測運動的情況下，源于激發(fā)運動的加速力的一部分，其例如可以比科里奧利加速度大9個數(shù)量級，關聯(lián)于檢測方向，這意味著通過旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的科里奧利力非?？斓爻蔀橐l(fā)檢測運動的力的一小部分，這會導致旋轉(zhuǎn)速度測量的誤差。特別在旋轉(zhuǎn)速度非常小的情況下，兩個質(zhì)量部分相對于彼此的取向誤差或相對于由激發(fā)電極和固定檢測電極確定的坐標系統(tǒng)的科里奧利質(zhì)量的運動方向的偏差，會導致對科里奧利陀螺儀的功具有不良影響的測量誤差。圖I和4示出誤差機制可能的例子，呈現(xiàn)的形式為第二彈性元件21由于制造公差而相對于沿著X軸的激發(fā)運動略微傾斜地取向。由于科里奧利力是激發(fā)運動的速度的正函數(shù)，因此科里奧利力相對于源于激發(fā)運動的加速力呈現(xiàn)90°相位偏離(呈90°相位差)，所述加速力直接關聯(lián)于激發(fā)運動的幅度以及/或者其相對于時間的二次導數(shù)。為了減小或補償也稱為90°相位差偏離的該誤差，在圖I中所示的科里奧利陀螺儀分別具有第一和第二校正單元30或40，它們至少一次總是成對地位于科里奧利質(zhì)量上，且各自包括與基底機械連接但與基底電絕緣的固定校正電極和以剛性方式機械連接的運動校正電極。在圖I中示出的實施方案中，第一校正單元30的固定校正電極與第一控制單元50電連接，而第二校正單元40的固定校正電極與第二控制單元60電連接，從而校正單元30和40的固定校正電極被保持或控制于每一情況下被限定的電位下。第一控制單元50施加第一校正電壓于第一校正單元30，同時第二控制單元60施加第二校正電壓于第二校正單元40。校正單元30和40分別通過電連接線路51和61分別連接到相應的控制單元50和60，從而電連接線路51和61分別與科里奧利陀螺儀的其他組件電絕緣。電連接線路51、61可以例如作為基底中的導電區(qū)域或作為由導電材料制成的印刷導體設置在基底上。在圖I中示出的科里奧利陀螺儀的實施方案的校正單元30和40相對于科里奧利質(zhì)量20的中線28鏡像地設置。不過，兩個校正單元30和40兩者同樣可以設置在中線28上方或下方和/或與中線28具有相同或不同的間距。同樣，校正單元30和40相對于檢測電極22、23的位置可以關聯(lián)于科里奧利陀螺儀的設計自由地調(diào)整。相應地，例如一個或兩個校正單元可設置在檢測電極22、23的右方或其上方或下方。檢測電極22、23的局部區(qū)域之間的布置形式，如圖I中所示，同樣是可行的。在圖2中詳細示出線性單諧振器I的校正單元30和40。每個校正單元30、40由多個第一固定校正電極31和/或41以及多個第二固定校正電極32和/或42組成，它們與基底剛性連接。此外，每個校正單元30和/或40具有多個第一運動校正電極24和/或26以及多個第二運動校正電極25和/或27，它們與科里奧利質(zhì)量20作為單一部件一體地設置。因此，在使科里奧利質(zhì)量20運動時，則運動校正電極24、25、26、27相對于固定校正電極31、32和/或41、42運動。如果然后將恒定電壓施加到固定校正電極31、32和/或41、42，則激發(fā)運動產(chǎn)生靜電力，該靜電力與激發(fā)運動的幅度和其相對于時間的二次導數(shù)成正比且導致90°相位差偏離的減小。為此，對恒定電壓的大小進行選擇以匹配有待減小或補償?shù)?0°相位差信號的大小和取向。此外，所施加的恒定電壓也可以用于影響科里奧利質(zhì)量20在y方向的諧振頻率，這可額外地用于調(diào)整或針對性地調(diào)整激發(fā)的諧振頻率和讀取。在一階中，如此產(chǎn)生的力僅具有依賴于X或依賴于y的力分量。依賴于y的力分量引起負彈簧剛度，該負彈簧剛度反作用于第二彈性元件21的彈簧剛度且因此導致科里 奧利質(zhì)量20在檢測方向(y方向)的減小的諧振頻率?？赏ㄟ^適當?shù)剡x擇在靜置狀態(tài)下固定校正電極31、32和/或41、42相對于運動校正電極24、25和/或26、27的重疊的長度來使該力作用最小化。另外，依賴于y的力分量同樣可用于科里奧利質(zhì)量在檢測方向諧振頻率和激發(fā)頻率的預期頻率調(diào)整。所述力作用與科里奧利質(zhì)量在X方向的偏移運動成正比，導致其相對于激發(fā)的速度具有90°的固定相位。因此，源于校正電極的力作用不發(fā)生相位旋轉(zhuǎn)，防止對偏離產(chǎn)生促進作用。這也意味著，在激發(fā)到讀取運動的傳輸功能中相位臨時改變時，其理想地應為但非必須是90°，校正力同相位地隨同用于90°相位差的力旋轉(zhuǎn)且補償作用如此得以維持。另一個方面是，例如在類似于圖4中示出的結(jié)構(gòu)配置中，但另外耦聯(lián)有科里奧利質(zhì)量或檢測框架，制造公差可導致出現(xiàn)一種情況，其中通過科里奧利質(zhì)量在y方向的偏移來補償90°相位差偏離是不可行的。然而，采用在此描述的校正電極形式總能對90°相位差偏離進行補償。用于減小或補償90°相位差偏離的力分量不取決于固定校正電極31、32和/或41、42與運動校正電極24、25和/或26、27的重疊。校正單元30和40可因此設計得非常小。相應地，所需的最小重疊長度大約為激發(fā)振動的振幅的兩倍加上某一長度以達到線性的、依賴于振幅的力作用。例如，對于大約10 μ m的激發(fā)振幅來說，大約15μπι的重疊長度而校正電極的總長度為30至35 μ m是可以構(gòu)想出的。這通常是驅(qū)動頻率和檢測諧振頻率的頻率調(diào)整所需的尺寸的大約1/10。如在圖2中詳細地示出，成對存在的校正單元30、40包括多個固定校正電極31、32和/或41、42以及多個運動校正電極24、25和/或26、27。固定校正電極31、32和/或41、42各自借助于共同的錨固結(jié)構(gòu)33和/或43以機械剛性方式連接于基底，但與其電絕緣。錨固結(jié)構(gòu)的尺寸可進行調(diào)整以適應科里奧利陀螺儀的制造方法。錨固結(jié)構(gòu)的基底面積在2500 μ m2和O. 04mm2之間的范圍內(nèi)。作為原則，期望錨固結(jié)構(gòu)盡可能小，因為錨固結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外的空間需求且因此使整體結(jié)構(gòu)增大?；酌娣e的下限由科里奧利陀螺儀的制造方法和技術能力來確定。例如，當錨固結(jié)構(gòu)通過硅熔粘接(SFB)連接于它們的基底時，錨固結(jié)構(gòu)可以特別地設置為至少70X70 μ m2的尺寸，而不會因此喪失對于校正電極低空間需求的優(yōu)點，因為它們的重疊長度小。由于校正電極的所需的總長度較短，取決于制造方法，校正電極也可保持為非常窄，例如達到大約5 μ m或甚至更小。校正電極的最小寬度也由技術能力限制，而機械方面(例如電極在操作時的彎曲，咬接)這里也是助因。因此，盡管錨固結(jié)構(gòu)相對較大，但仍使校正單元30和40的總體小尺寸得以實現(xiàn)。上述的錨固結(jié)構(gòu)的尺寸特別對于這樣一種制造方法來說是有利的，在該制造方法中硅熔粘接方法用于將與基底分開產(chǎn)生的固定結(jié)構(gòu)比如錨固結(jié)構(gòu)和固定校正電極連接于基底。不過，固定結(jié)構(gòu)同樣可以通過直接在基底上或在施加到基底上的層上施用蝕刻工藝來產(chǎn)生。第一固定校正電極31和41分別在第一方向(正X方向)從錨固結(jié)構(gòu)33和43延伸出，而第二固定校正電極32和42分別在第二方向(負X方向)從錨固結(jié)構(gòu)33和43延伸出。第二方向與第一方向相反。第一運動校正電極24和/或26在第二方向從科里奧利質(zhì)量20延伸出，而第二運動校正電極25和/或27在第一方向從科里奧利質(zhì)量20延伸出。因此，第一運動校正電極24和26分別延伸進入在單個第一固定校正電極31和41之間形成的間隙中，而第二運動校正電極25和27分別延伸進入在第二固定校正電極32和42之 間形成的間隙中。這導致校正電極具有齒狀結(jié)構(gòu)，其中一個固定校正電極與一個運動校正電極彼此相對且彼此在y方向上以間隙隔開。在校正單元中，在第一方向延伸的固定校正電極和運動校正電極的數(shù)量優(yōu)選地與在第二方向延伸的固定校正電極和運動校正電極的數(shù)量相等。固定校正電極31、32和41、42中的一個分別指派給運動校正電極24、25和26、27中的確定的一個?？评飱W利質(zhì)量20的一個部分用作指派給固定校正電極的運動校正電極。例如，在第一校正單元30中，科里奧利質(zhì)量20的左上部分用作相對于最頂部固定校正電極32的運動校正電極，而科里奧利質(zhì)量20的右下部分用作相對于最底部固定校正電極31的運動校正電極。在固定運動電極和指派給它的運動電極之間的距離，以下稱為“間隙距離”，小于兩個等同固定校正電極或兩個相等同運動校正電極之間的距離，且小于相應固定校正電極和另一個相鄰的運動校正電極之間的距離。由于運動校正電極24和26以及運動校正電極25和27分別相對于相應固定校正電極31和41以及32和42的非對稱布置，直流電壓的施用產(chǎn)生與校正電極沿第一軸(X軸)的偏移成正比的力。關于X軸鏡像設置的校正單元30和40允許90°相位差的依賴于符號的代數(shù)補償。運動校正電極24、25、26和27分別之于相鄰的固定校正電極31、32、41和42的不同距離是由于制造工藝且使得錨固結(jié)構(gòu)所需的區(qū)域最小。此外，他們幫助限定90°相位差補償?shù)娜∠颉Ｔ谛Ｕ龁卧?0中，在第一方向延伸的固定校正電極各自設置在指派給它們的運動校正電極上方，而在第二方向延伸的固定校正電極各自設置在指派給它們的運動校正電極下方。上下文中，“上方”指的是沿相對于指派的運動校正電極的第三方向(正y方向)，而“下方”指的是沿相對于指派的運動校正電極的第四方向(負y方向)，第四方向與第三方向相反。第三和第四方向沿著垂直于第一和第二方向的第二軸(y軸)延伸。在圖2所示的實施方案中，在校正單元40中固定校正電極和運動校正電極相對于彼此的布設實施為關于X軸鏡像對稱。第二校正單元40的固定校正電極相對于指派給它們的運動校正電極的配置與第一校正單元30中的配置恰好相對。由第二校正單元40生成的力的取向，對于任意的施加電壓和科里奧利質(zhì)量20沿第一軸(X軸)的運動，相對于第一校正單元30生成的力反向。根據(jù)本發(fā)明，科里奧利質(zhì)量20包括兩個相對于彼此反向配置的校正單元30和40，如圖2中示出。校正單元30是否位于校正單元40上方或下方(在y方向)或者每個校正單元是否在y方向上反向(關于X軸成鏡像)是無關緊要的。具體配置結(jié)構(gòu)僅對電壓向校正單元的施加有影響。如果科里奧利陀螺儀還包括其他校正單元，所述校正單元能夠被施加以相同的恒定電壓、相同量值且不同極性的電壓、相同極性且不同量值的電壓或完全不同的電壓和極性。同樣可以給各校正單元中的僅只一個施用直流電壓。其他的校正單元可以接地或未接地的。圖3示出另一實施方案的詳細，其中第一校正單元和第二校正單元各自成對呈現(xiàn)。圖3示出與圖2類似的科里奧利質(zhì)量20的細節(jié)。在該實施例中，科里奧利陀螺儀具有四個校正單元301、302、401和402。校正單元301和302設置為相同且各自相應于圖2中示出的第一校正單元30。第二校正單元401和402也設置為相同且各自相應于圖2中示出 的第二校正單元40。校正單元301和302相對于校正單元401和402反向設置。校正單元301和401構(gòu)成第一對相對彼此反向設置的校正單元，而校正單元302和402構(gòu)成第二對相對彼此反向設置的校正單元。校正單元301和302可以施加以相反取向和相同量值的恒定電壓。這同樣適用于校正單元401和402。這減小了電耦合效應，例如補償電流。由于因調(diào)節(jié)總是存在殘余運動，該效果不僅在開環(huán)過程而且也在閉環(huán)過程中具有有益效果。根據(jù)本發(fā)明的科里奧利陀螺儀的應該效果是其不依賴于彈性元件21的設計。由于科里奧利質(zhì)量20不必須偏移或旋轉(zhuǎn)，因此可使用各種類型的彈性元件21。特別地，彈性元件21可設計為對加速度不敏感，其賦予科里奧利陀螺儀更廣泛的振動不敏感性。90°相位差信號于是僅由彈性元件21的傾斜位置確定，但不由它們的偏移或承受源于激發(fā)振動的加速力的載荷來確定。另外一個顯著的優(yōu)點在于，每個校正單元僅需要一個鄰接的錨固結(jié)構(gòu)，簡化了設計和制造工藝。所描述的校正單元可用于一個或多個諧振器的系統(tǒng)以及相對于驅(qū)動運動和/或檢測運動完全封閉、部分封閉或開放的系統(tǒng)。上下文中，封閉的運動指的是源于運動的加速度和動量向外總體平衡掉。這樣類型的校正單元也可用于由多個科里奧利陀螺儀組成的耦聯(lián)系統(tǒng)中，從而各個科里奧利陀螺儀的結(jié)構(gòu)配置對于校正單元的作用的方式是無關緊要的。例如，在由兩個科里奧利陀螺儀組成的耦聯(lián)系統(tǒng)中，一個科里奧利陀螺儀的激發(fā)運動相對于另一個科里奧利陀螺儀的激發(fā)運動可以相移180°。在由四個科里奧利陀螺儀組成的結(jié)構(gòu)配置中，其中每兩個科里奧利陀螺儀的激發(fā)運動相對于彼此相移180°，各個科里奧利陀螺儀可以例如串聯(lián)設置或彼此成對設置。在具有固定耦聯(lián)的系統(tǒng)中，校正單元和/或其子單元就檢測而言可以自由地劃分成各個科里奧利質(zhì)量。這可減少需要引導至科里奧利陀螺儀的印刷導體的數(shù)量。圖4示出這種類型的耦聯(lián)系統(tǒng)的實施方案。該耦聯(lián)系統(tǒng)例如包括恰好兩個各自相應于圖I示出的實施方案設置且通過機械耦聯(lián)元件300例如彈簧相對于激發(fā)運動彼此耦聯(lián)的科里奧利陀螺儀100和200。在此，相應科里奧利陀螺儀的相同構(gòu)件以圖I中相應的附圖標記表示。圖4中示出版本的每個科里奧利陀螺儀100或200具有校正單元對130和140和/或230和240。在相對于它們沿y方向的運動性耦聯(lián)兩個科里奧利質(zhì)量120和220的實施方案中，也可行的是，第一科里奧利陀螺儀100僅包括校正單元130，而第二科里奧利陀螺儀200僅包括校正單元240,或僅一個科里奧利陀螺儀100包括兩個校正單元130和140而其他的科里奧利陀螺儀，例如科里奧利陀螺儀200，不具有校正單元。如參照圖I所述，校正單元130、140、230和/或240每一個具有通過至少一個控 制單元(未圖示)施加其上的恒定校正電壓。在此，校正單元130、140、230和/或240的固定校正電極通過電連接線與至少一個控制單元連接。
權(quán)利要求
1.一種科里奧利陀螺儀(1)，具有 可予以激發(fā)來平行于第一軸從事振蕩的質(zhì)量系統(tǒng)，從而可以檢測該質(zhì)量系統(tǒng)由于科里奧利力沿著垂直于第一軸設置的第二軸的偏移，以及 各自包括多個固定校正電極(31、32、41、42)和運動校正電極(24、25、26、27)的至少一個第一校正單元(30)和至少一個第二校正單元(40)，其中固定校正電極(31、32、41、42)在第一軸的方向延伸且通過相應的錨固結(jié)構(gòu)(33、43)穩(wěn)固地連接于基底，且運動校正電極(24、25、26、27)構(gòu)成質(zhì)量系統(tǒng)的一部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的科里奧利陀螺儀，其特征在于，科里奧利陀螺儀(I)的質(zhì)量系統(tǒng)由第一質(zhì)量部分(10)和第二質(zhì)量部分(20)組成，其中第二質(zhì)量部分(20)由于科里奧利力產(chǎn)生的偏移能被檢測，且其中運動校正電極(24、25、26、27)是第二質(zhì)量部分(20)的集成組成部分。
3.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的科里奧利陀螺儀，其特征在于，質(zhì)量系統(tǒng)由于科里奧利力產(chǎn)生的偏移可通過用于偏移補償?shù)幕謴土Φ漠a(chǎn)生來進行檢測。
4.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的科里奧利陀螺儀，其特征在于，多個固定校正電極(31、32、41、42)在每種情況下具有相同數(shù)量的第一固定校正電極(31、41)和第二固定校正電極(32、42),其中第一固定校正電極(31、41)從相應錨固結(jié)構(gòu)(33、43)沿著第一軸在第一方向延伸，而第二固定校正電極(32、42)從相應錨固結(jié)構(gòu)(33、43)沿著第一軸在第二方向延伸，其中第二方向與第一方向相反，以及 多個運動校正電極(24、25、26、27)在每種情況下具有相同數(shù)量的第一運動校正電極(24,26)和第二運動校正電極(25、27)，其中第一運動校正電極(24、26)從質(zhì)量系統(tǒng)沿著第一軸在第二方向延伸，而第二運動校正電極(25、27)從質(zhì)量系統(tǒng)沿著第一軸在第一方向延伸。
5.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的科里奧利陀螺儀，其特征在于， 每個固定校正電極(31、32、41、42)配有運動校正電極(24、25、26、27)，其中相應固定校正電極(31、32、41、42)和其配有的運動校正電極(24、25、26、27)之間的距離，小于相應固定校正電極(31、32、41、42)和另一相鄰的運動校正電極(24、25、26、27)之間的距離， 第一校正單元(30)中的每個第一固定校正電極(31)從其配有的第一運動校正電極(24)看時沿著第二軸設置在第三方向，而每個第二固定校正電極(32)從其配有的第二運動校正電極(25)看時沿著第二軸設置在第四方向，其中第四方向與第三方向相反，以及 第二校正單元(40)中的每個第一固定校正電極(41)從其配有的第一運動校正電極(26)看時沿著第二軸設置在第四方向，而每個第二固定校正電極(42)從其配有的第二運動校正電極(27)看時沿著第二軸設置在第三方向。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的科里奧利陀螺儀，其特征在于，科里奧利陀螺儀(I)包括多個相同構(gòu)成的第一校正單元(30)和/或多個相同構(gòu)成的第二校正單元(40)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的科里奧利陀螺儀，其特征在于，科里奧利陀螺儀(I)具有相同數(shù)量的第一和第二校正單元(30、40)。
8.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的科里奧利陀螺儀，其特征在于，固定校正電極(31、32、41、42)和/或運動校正電極(24、25、26、27)各自具有最大為IOiim的寬度。
9.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的科里奧利陀螺儀，還具有至少一個控制單元(50、60)，其與各校正單元(30、40)電連接且適于向它們施加至少暫時恒定的校正電壓。
10.一種具有至少兩個科里奧利陀螺儀(100、200)的系統(tǒng),該至少兩個科里奧利陀螺儀各自包括可予以激發(fā)來平行于第一軸從事振蕩的質(zhì)量系統(tǒng)，從而可以檢測該質(zhì)量系統(tǒng)由于科里奧利力沿著垂直于第一軸的第二軸的偏移，且至少兩個科里奧利陀螺儀互相耦聯(lián)， 其特征在于，所述系統(tǒng)包括至少一個第一校正單元(130、230)以及至少一個第二校正單元(140、240)，第一和第二校正單元各自包括多個固定校正電極(31、32、41、42)和運動校正電極(24、25、26、27)，其中固定校正電極(31、32、41、42)在第一軸的方向延伸且通過相應的錨固結(jié)構(gòu)(33，43)穩(wěn)固地連接于基底，而運動校正電極(24、25、26、27)是至少兩個科里奧利陀螺儀(100、200)中的至少一個的質(zhì)量系統(tǒng)的一部分。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于， 多個固定校正電極(31、32、41、42)在每種情況下具有相同數(shù)量的第一固定校正電極(31,41)和第二固定校正電極(32、42)，其中第一固定校正電極(31、41)從相應的錨固結(jié)構(gòu)(33、43)沿著第一軸在第一方向延伸，而第二固定校正電極(32、42)從相應的錨固結(jié)構(gòu)(33、43)沿著第一軸在第二方向延伸,其中第二方向與第一方向相反，以及 多個運動校正電極(24、25、26、27)在每種情況下具有相同數(shù)量的第一運動校正電極(24,26)和第二運動校正電極(25、27)，其中第一運動校正電極(24、26)從質(zhì)量系統(tǒng)沿著第一軸在第二方向延伸，而第二運動校正電極(25、27)從質(zhì)量系統(tǒng)沿著第一軸在第一方向延伸。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的系統(tǒng)，其特征在于， 每個固定校正電極(31、32、41、42)配有運動校正電極(24、25、26，27)，其中相應固定校正電極(31、32、41、42)和其配有的運動校正電極(24、25、26、27)之間的距離，小于相應固定校正電極(31、32、41、42)和另一個相鄰運動校正電極(24、25、26、27)之間的距離， 第一校正單元(130，230)中的每個第一固定校正電極(31)從其配有的第一運動校正電極(24)看時沿著第二軸設置在第三方向，而每個第二固定校正電極(32)從其配有的第二運動校正電極(25)看時沿著第二軸設置在第四方向，其中第四方向與第三方向相反，以及 第二校正單元(140，240)中的每個第一固定校正電極(41)從其配有的第一運動校正電極(26)看時沿著第二軸設置在第四方向，而每個第二固定校正電極(42)從其配有的第二運動校正電極(27)看時沿著第二軸設置在第三方向。
13.根據(jù)權(quán)利要求10-12中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于， 至少兩個科里奧利陀螺儀(100、200)相關于激發(fā)運動彼此耦聯(lián)，激發(fā)運動激發(fā)質(zhì)量系統(tǒng)來從事平行于第一軸的振蕩，以及 每個科里奧利陀螺儀(100、200)包括至少一個第一校正單元(130、230)以及至少一個第二校正單元(140、240)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于， 第一科里奧利陀螺儀(100)的至少一個第一校正單元(130)設計為與第二科里奧利陀螺儀(200)的至少一個第一校正單元(230)相同，以及 第一科里奧利陀螺儀(100)的至少一個第二校正單元(140)設計為與第二科里奧利陀螺儀(200)的至少一個第二校正單元(240)相同。
15.根據(jù)權(quán)利要求10-12中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于， 至少兩個科里奧利陀螺儀(100、200)相關于由于沿第二軸作用的科里奧利力產(chǎn)生的質(zhì)量系統(tǒng)的偏移的檢測互相耦聯(lián)，以及 科里奧利陀螺儀(100、200)中的至少一個包括至少一個第一校正單元(130、230)，以及科里奧利陀螺儀(100、200)中的至少一個包括至少一個第二校正單元(140、240)。
16.根據(jù)權(quán)利要求10-15中任一項所述的系統(tǒng)，進一步包括至少一個控制單元，該控制單元與校正單元(130、140、230、240)電連接且適于向它們施加至少暫時恒定的校正電壓。
17.一種用于減小科里奧利陀螺儀(I)的90°相位差偏離的方法，該科里奧利陀螺儀包括 可予以激發(fā)來平行于第一軸從事振蕩的質(zhì)量系統(tǒng)，從而可以檢測該質(zhì)量系統(tǒng)由于科里奧利力沿著垂直于第一軸的第二軸的偏移，以及 各自包括多個固定校正電極(31、32、41、42)和多個運動校正電極(24、25、26、27)的至少一個第一校正單元(30)和至少一個第二校正單元(40)，其中固定校正電極(31、32、41、42)在第一軸的方向延伸且通過相應的錨固結(jié)構(gòu)(33、43)穩(wěn)固地連接于基底，而運動校正電極(24、25、26、27)構(gòu)成質(zhì)量系統(tǒng)的一部分， 其特征在于，校正單元(30、40)被供以至少暫時恒定的校正電壓。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，向校正單元施加校正電壓涉及不同的量值，且作為有待減小的90°相位差的函數(shù)來進行。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法，其特征在于，校正電壓的量值作為質(zhì)量系統(tǒng)的諧振頻率的預定變化的函數(shù)并考慮有待減小的沿第二軸的90°相位差偏離來進行調(diào)整。
20.根據(jù)權(quán)利要求17-19中任一項所述的方法，其特征在于， 科里奧利陀螺儀(I)包括多個相同構(gòu)成的第一校正單元(30)和/或多個相同構(gòu)成的第二校正單元(40)，以及 施加到相同構(gòu)成的校正單元(30、40)的校正電壓的總和抵消。
21.—種減小至少兩個科里奧利陀螺儀(100、200)的系統(tǒng)中的90°相位差偏離的方法，該至少兩個科里奧利陀螺儀各自包括可予以激發(fā)來平行于第一軸從事振蕩的質(zhì)量系統(tǒng)，從而可以檢測該質(zhì)量系統(tǒng)由于科里奧利力沿著垂直于第一軸設置的第二軸的偏移，且至少兩個科里奧利陀螺儀互相耦聯(lián)；所述系統(tǒng)包括至少一個第一校正單元(130、230)以及至少一個第二校正單元(140、240)，第一和第二校正單元各自包括多個固定校正電極(31、·32、41、42)和運動校正電極(24、25、26、27)，其中固定校正電極(31、32、41、42)在第一軸的方向延伸且通過相應的錨固結(jié)構(gòu)(33，43)穩(wěn)固地連接于基底，而運動校正電極(24、25、26、27)是至少兩個科里奧利陀螺儀(100、200)中的至少一個的質(zhì)量系統(tǒng)的一部分， 其特征在于，至少暫時恒定的校正電壓被施加到校正單元(130、230、140、240)。
全文摘要
一種科里奧利陀螺儀(1)，包括可予以激發(fā)來平行于第一軸振蕩的質(zhì)量系統(tǒng)，從而可以檢測該質(zhì)量系統(tǒng)由于科里奧利力沿著垂直于第一軸設置的第二軸的偏移，并包括至少一個第一校正單元(30)以及至少一個第二校正單元(40)，第一和第二校正單元各自包括多個固定校正電極(31、32、41、42)和運動校正電極(24、25、26、27)，其中固定校正電極(31、32、41、42)在第一軸的方向延伸且通過相應的錨固結(jié)構(gòu)(33，43)穩(wěn)固地連接于基底，而運動校正電極(24、25、26、27)是形成質(zhì)量系統(tǒng)的一部分。一種用于減小此種科里奧利陀螺儀(1)的90°相位差偏離的方法，包括施加至少暫時恒定的校正電壓到校正單元(30、40)。
文檔編號G01C19/5719GK102812330SQ201180007362
公開日2012年12月5日 申請日期2011年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月2日
發(fā)明者W·蓋格, P·萊因菲爾德 申請人:諾思路格魯曼利特夫有限責任公司