CN102449433A - 一种用于测定围绕三个相互垂直的坐标x、y与z中至少一个坐标旋转运动的微陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测定围绕三个相互垂直的坐标X、Y与Z中至少一个坐标旋转运动的微陀螺仪，所述微陀螺仪具有一个衬底（1）、多个驱动元件（4a，4b）与多个传感器元件，在所述衬底上设置有多个可以在x-y平面中平行于衬底（1）平面振动的质量块（2x，2y，9），其中几个振动质量块（2x，2y）通过弹簧与紧固销固定在衬底（1）上，所述驱动元件用于维持质量块（2x，2y，9）的线性振动，当衬底（1）围绕任意一个坐标旋转时，这些质量块会受到科氏力的作用，所述传感器元件可以测定由于产生的科氏力所导致的质量块（2x，2y，9）的偏转，一些x-振动质量块（2x）还可以沿着垂直于衬底（1）的z-坐标偏转，从而测定围绕x-坐标的旋转率，和/或，一些y-振动质量块（2y）还可以沿着垂直于衬底（1）的z-坐标偏转，从而测定围绕y-坐标的旋转率，和/或，其它z-振动质量块（9）还可以在x-y平面中垂直于各自的驱动方向偏转，从而测定围绕z-坐标的旋转率。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测定围绕三个相互垂直的坐标X、Y与/或Z中至少一个坐标旋转运动的微陀螺仪，所述微陀螺仪具有一个衬底、多个驱动元件与多个传感器元件，在所述衬底上设置有多个可以在x-y平面中平行于衬底平面振动的质量块，其中几个振动质量块通过弹簧与紧固销固定在衬底上，所述驱动元件用于维持质量块的振动，当衬底围绕任意一个坐标旋转时，这些质量块会受到科氏力的作用，所述传感器元件可以测定由于产生的科氏力所导致的质量块偏转。
背景技术
微陀螺仪一般只能测定围绕一个正交x-y-z坐标系中一个坐标的旋转运动。因此，为了可以测定***围绕三个坐标中各坐标的旋转运动，需要三个这样的微陀螺仪。在数据的控制与分析评估中，这种方式不仅会增加成本，而且费时费力。
专利TW 286201 BB公开过一种微机电（MEMS）陀螺仪。在该专利中，设置在一个中心紧固销上的多个质量块处于一种振动旋转运动中。这些质量块设置在一个衬底上，在由于所出现的科氏力而围绕x-坐标或y-坐标有一个转矩时这些质量块还会围绕y-坐标或x-坐标翻转。通过在衬底上相应地悬挂一些驱动质量块就可以实现这一点。在围绕z-坐标有一个转矩时，部分质量块又可以通过相应地悬挂到可旋转支承的质量块上进行线性偏转。不管是翻转还是线性运动都可以通过传感器测定，并且可以根据其与衬底旋转运动的比例关系表述围绕x-、y-或z-坐标的相应旋转程度，但是，很难测定各自的偏转。
为了制作一个可以测定围绕所有三个坐标旋转运动的三维陀螺仪，D. Wood等于1996年在文章《一种可以同时测定三个坐标旋转运动的单片硅陀螺仪》中建议了一种陀螺仪，所述陀螺仪在一个中心紧固销周围设置有多个振动质量块。这些质量块可以由于出现的科氏力完成翻转运动与旋转运动。其缺点在于，这种传感器生产起来很难，而且很难驱动这些及移动的质量块。传感器各零件的运动都会相互影响，因此不能足够精确地测定陀螺仪在x-、y-或z-方向的运动。
原则上来说，还公开过一维与二维陀螺仪，这些陀螺仪都只能测定陀螺仪围绕三个坐标x-、y-与z中一个或两个坐标的翻转或旋转运动。对于很多使用情况来说，这种比较简单的陀螺仪就已经足够了。
发明内容
本发明的任务在于，制作一种结构紧凑但相对简单的微陀螺仪，所述微陀螺仪可以高精度地测定围绕x-、y-和/或z-坐标的一个、两个或三个旋转率。
通过具有权利要求1所述特征的微陀螺仪可以解决该任务。
本发明所述的微陀螺仪是一种微机电***（MEMS），其可用于测定围绕三个相互垂直的坐标x-、y-与z中至少一个，但在本发明中的一种优选结构中可以围绕两个或三个坐标的旋转运动。在一种硅衬底上设置有多个可以在x-y平面中平行于衬底平面振动的质量块。这些振动质量块中至少有几个质量块通过弹簧与紧固销固定在衬底上，驱动元件用于维持这些质量块的线性振动。在衬底围绕一个预定的坐标旋转时会产生一种科氏力，所述科氏力会导致相关质量块在一个定义的方向发生偏转。利用多个传感器元件可以测定这些偏转。
如果要测定x-或者是y-旋转率，那么一些振动质量块除了要平行于衬底走向的驱动方向偏转外，还要沿着垂直于衬底的z-坐标偏转。下面，我们将把这些用于测定围绕x-坐标的旋转率而可以额外沿z-坐标发生偏转的质量块称作x-质量块；类似，那些用于测定衬底围绕y-坐标的旋转率而可以额外沿z-坐标发生偏转的质量块将称作y-质量块。其它的振动质量块都称为z-质量块，这些质量块除了可以在其驱动方向偏转外，还可以在x-y平面中垂直于各自的驱动方向偏转，但是在x-y-平面中是平行于衬底偏转的，从而测定陀螺仪围绕z-坐标的旋转。
因此，如果关心的是围绕x-坐标的旋转率，那么就将科氏力偶作用到x-质量块上，所述科氏力偶会使x-质量块沿着z-坐标反相振动偏转。类似，如果关心的是围绕y-坐标的旋转率，那么其会使y-质量块沿着z-坐标反相振动偏转。如果关心的是围绕z-坐标的旋转率，那么会将径向向内或径向向外的力作用到z-质量块上。这样，就会迫使z-质量块相应地径向振动。与x-以及y-质量块的运动一样，同样可以通过传感器元件测定这种运动。根据陀螺仪结构的不同，可以测定已知运动方向的所有运动或者只测量已知运动方向中某个运动方向的运动。在用于测定围绕所有三个坐标旋转率的3D陀螺仪的一种结构中，x-质量块在y-方向的运动是第一运动，在z-方向的运动是第二运动，y-质量块在x-方向的运动是第一运动，在z-方向的运动是第二运动，z-质量块在x-和/或y-方向的运动是第一运动，相应地在y-和/或x-方向的运动是第二运动，而这些都是通过合适地悬挂x-、y-与z-质量块实现的。
相反，如果设定陀螺仪是一个纯z-陀螺仪，那么就可以抑制x-与y-质量块的第二运动性。x-与y-质量块会通过如下方式悬挂在衬底上，即，只允许其具有第一运动。只有z-质量块可以在x-和/或y-方向具有第一运动，并且在y-和/或x-方向具有相应的第二运动，以便显示z-旋转率。
在本发明的另外一种结构中，因为陀螺仪是以只需测定围绕x-与y-坐标旋转率的二维陀螺仪的形式构成的，所以陀螺仪要么不具有z-质量块，要么限制z-质量块在x-或y-方向的独立可动性，或者不对z-质量块在x-或y-方向的独立可动性进行分析评估。
本发明所述陀螺仪的其它可能性总是可以通过取消相应质量块或限制相应质量块在非所需方向的可动性被实现。因此，除了纯z-质量块外，利用本发明的基本机构还可以制作纯x-或纯y-陀螺或x-y、x-z或y-z陀螺仪。
在一个相应的激励过程中，传感器元件可以产生一种电信号，所述电信号与陀螺仪的x-、y-或z-旋转率成比例。例如：传感器元件可能是平板电容器，所述平板电容器设置在衬底与x-或y-或z-质量块上，并且通过改变其距离可以产生电信号。原则上来说，垂直或水平电容器或电极都可以用作传感器元件。重要的是，可以测定各元件相互之间的位置变化。一般来说，通过如下方式可以实现这点，即，平板电容器或电容器电极的一部分固定地设置在衬底上，而相对应的另一部分则固定在移动的x-、y-或z-质量块上。
根据发明所述，在衬底上设置有一个中心紧固销，围绕该中心紧固销设置有多个质量块，其中x-质量块和y-质量块与中心紧固销相连，而z-质量块与x-质量块或y-质量块相连。x-和y-质量块通过如下方式支承在衬底上，即，其可以围绕中心紧固销线性切向驱动。在使用四个x-或y-质量块时，其中总是有两个质量块可以在x-方向以第一运动的方式驱动，其它两个质量块可以在y-方向驱动。运动方向优选是线性并且平行于x-或y坐标；各元件的相关阶段在这里是指整个运动的元件可以围绕z-坐标线性切线运动。
通过将质量块围绕中心紧固销布置，并将质量块与中心紧固销相连，就可以实现一种支承与耦合作用，与现有技术相比，这种支承与耦合作用可以使***更稳定，不会受到干扰影响。一方面，通过围绕中心紧固销的线性切向驱动运动可以形成一种简单的驱动模式，该模式可以使质量块非常均匀地振动。另一方面，质量块支承在中心紧固销上，并且在相应耦合时，也可以如下方式相互影响，即，其不仅可以单独驱动，而且还可以与其它质量块非常均匀地并且无明显差别地相互驱动。这样就可以形成一种非常精确的传感器。中心紧固销的支承作用除了会对质量块有影响外，还可以避免寄生作用，例如：对传感器的冲击，造成测量误差。如果没有支承作用，冲击可能会造成一种不必要的所谓的蝴蝶模式，在所述蝴蝶模式中，质量块会像蝴蝶拍打翅膀一样从x-y平面中运动出来，甚至损坏传感器。
本发明所述的振动质量块结构及其第一与第二运动可以形成一种相对简单的微陀螺仪结构。特别是，第二运动非常明确，这样就可以通过分配给各质量块的传感器元件将质量块的第二运动明确地分配到x-、y-或z-旋转率上。因此，传感器元件的电信号是可靠的，并且评价分析时也具有较高的精确性。
在本发明的一种优选结构中，x-质量块和/或y-质量块是以传感器板的形式构成的。传感器板在x-y平面中具有一个平行于衬底的平面延伸，并具有一个相对较大的质量。在一种x-旋转率或一种y-旋转时，其可以在z-方向偏转。在一种优选结构中，其在偏转时还会继续平行于x-y-平面。在z-方向发生偏转时，仅仅只有到衬底平面的距离会改变。
在本发明的一种有利结构中，z-质量块是以框架的形式构成的。其会与x-或y-质量块在其所处x-或y-质量块的各第一运动方向一起运动。在出现一种z-旋转率时，其会垂直于各驱动方向在x-y平面中偏转。通过z-质量块的这种框架式结构，用于测定垂直于其第一驱动方向偏转状态的传感器元件的配置会相对简单。其中，固定的传感器元件设置在框架内。这样就可以简单地测定框架与固定元件之间的距离变化。如果陀螺仪是以只用测定x-与y-方向旋转率的二维陀螺仪的形式构成的，那么可以取消z-质量块，也就是说，陀螺仪不具有z-质量块。
为了可以得到一种结构紧凑的微陀螺仪，x-、y-和/或z-质量块具有一个基本矩形的平面形状是比较有利的。因此，质量块可以如下方式设置在衬底中并可在x-y平面中相互移动，即，其一方面具有足够的运动自由度进行第一运动与第二运动，另一方面，其只占用一个较小的总面积。这样的话，就可以保持微陀螺仪中无用的自由空间非常小，从而使整个微陀螺仪也非常小。
为了可以稳定地固定x-与y质量块，在衬底上设置有紧固销与驱动弹簧。x-与y-质量块可以通过驱动弹簧固定在紧固销上。这样的话，设置在x-y平面中的x-与y-质量块离衬底具有一个预定义的距离。x-质量块的第一运动在y-方向是反向的，其第二运动在z-方向是反向的，这样就可以测定一个x-旋转率。因此，x-质量块的驱动弹簧优选设计成如下结构，即，其在y-方向与z-方向具有一个可控的刚度或柔度，相反，在x-方向几乎不会变形。这样的话，就可以针对x-质量块在第一与第二方向的偏转给驱动弹簧按照所期望的方式分配阻力。
与此类似的是，y-质量块的驱动弹簧是以如下方式构成的，即，其在x-方向与z-方向具有可控的刚度或柔度，相反在y-方向几乎不会变形。通过这种方式，陀螺仪就可以测定y-旋转率。y-质量块的第一运动方向在x-方向是反向的，其第二运动在z-方向是反向的。不管是对于驱动还是对于旋转率的测定来说，用于y-质量块的驱动弹簧都要设计的相对较软，只能提供很少的阻力。相反，在y-方向，y-质量块的位置是相对不变的。因此，驱动弹簧在这个方向是刚性的。
如果微陀螺仪是以纯z-陀螺仪的形式构成的，那么比较有利的是，x-与y-质量块不具有第二运动。那么x-质量块的驱动弹簧以如下方式构成，即，其在y-方向具有一个可控的柔度，在z-与x-方向几乎不会变形。这样的话，陀螺仪就不会测定x-旋转率。为了也不测定y-旋转率，比较有利的是，y-质量块的驱动弹簧以如下方式构成，即，其在x-方向具有一个可控的柔度，在y-与z-方向几乎不会变形。
为了可以稳定地将x-与y-质量块支承在衬底上，优选各自通过一个外部与一个内部驱动弹簧固定它们。其中，外部驱动弹簧朝向微陀螺仪的边缘，而内驱动弹簧朝向相邻的质量块。通过驱动弹簧的形状与宽度，可以设置驱动模式与x-或y-旋转率测定模式的谐振频率。
如果陀螺仪要测定x-或y-旋转率，那么比较有利的是，在x-或y-质量块上所设置的外部与内部驱动弹簧在-z方向具有一种可控柔度。通过这种方式可以支持x-或y-质量块在z-方向作为第二运动的偏转。
如果陀螺仪仅仅用于测定z-旋转率，那么比较有利的是，在x-或y-质量块上所设置的外部与内部驱动弹簧在z-方向几乎不会变形。这种刚性结构可以使x-与y-质量块保持在x-y平面内，并且不会发生偏转。
在本发明的一种优选结构中，外部与内部驱动弹簧具有不同的长度，其比较有利的是：在测定x-旋转率或y-旋转率的过程中可以补偿翻转轴。通过这种方式可以使在测定x-或y-旋转率的过程中沿着z坐标发生偏转的x-或y-质量块一直保持与x-y平面平行，并因此而保持与衬底平行。
优选通过梳形电极驱动x-与y-质量块。其中，梳形电极的一部分固定在衬底上不动，而梳形电极相对应的另一部分固定在x-或y-质量块上。通过加载交流电压，就可以交替地吸引x-或y-质量块，这样就可以产生振动的第一运动。
在本发明的一种有利设计方案中，x-质量块朝y-方向驱动，y-质量块朝x-方向驱动驱动。特别是在一种矩形x-质量块或y-质量块平面中，通过旋转y-质量块90°并且根据相应的错位安装，就可以得到一个几乎是正方形的微陀螺仪总平面。这样就可以形成一种结构紧凑的小微陀螺仪。
如果两个x-质量块与两个y-质量块是交替地围绕中心紧固销设置的，那么在驱动并测定x-或y-旋转率时会产生一种满意的平衡，通过这种方式就可以尽可能地抵消在x-或y-质量块不均匀偏转或不均匀驱动时围绕紧固销产生的寄生力矩。这样就可以保持微陀螺仪平衡，并且不受干扰地测定相应的旋转率。
如果x-与y-质量块各自过一个耦合弹簧固定在一个中心弹簧上，那么这些质量块在围绕中心紧固销的驱动运动时就会存在一个共同的同步振动形式。这种情况优选以下形式，即，中心弹簧固定在中心紧固销上并且可以在x-y平面中围绕该中心紧固销旋转。通过耦合弹簧可以同步驱动四个x-或y-质量块，并且具有一个共同的谐振频率。而这对于准确而不变地测定所出现的旋转率来说是非常有利的。
虽然中心弹簧可以影响驱动谐振频率，但一般只会较弱地影响。其首先可以避免沿着z-坐标导入到传感器结构上的外部冲击脉冲将x-或y-质量块轻易地打到衬底上，其次，通过耦合弹簧可以同步x-或y-质量块的驱动运动，从而使所有质量块中的后者就可以在所期望的驱动频率中实现一个单独的共同谐振频率。
在一种特别有利的结构中，所有耦合弹簧是螺旋形的。在切线方向，一个耦合弹簧优选是刚性的，以便在这个方向传递耦合力。相反，在径向方向，其是柔性的，以避免将畸变力传递给x-或y-质量块。通过这种方式可以有利地确保，在驱动时与第二运动时一样尽可能保持x-或y-质量块无阻力地但又同步地运动，以便测定一个旋转率。如果由于耦合弹簧产生的阻力太大，那么就会担心x-或y质量块变形，从而对测定围绕z-坐标的旋转率造成不利影响。
在本发明的一种特别优选结构中，在一个x-或y-质量块上各设置有一个z-质量块。也就是说，每个x-或y-质量块具有一个z-质量块，z-质量块的第一运动与x-或y-质量块在y-或x-方向是一起完成的。微陀螺仪出现z-旋转时，z-质量块会垂直于其第一运动方向并平行于衬底偏转。如果z-质量块的第一运动是在x-方向，那么z-质量块就会在y-方向偏转。如果z-质量块设置在x-质量块上，那么其第一运动是在y-方向，那么指向z-旋转率的科氏力就会使z-质量块在x-方向偏转。因为通过围绕z-坐标螺旋旋转的耦合弹簧可以同步x-或y-质量块的驱动振动形式，所以在测定陀螺仪围绕z-坐标的旋转时，各z-质量块的偏转阶段也会同步，从而使这些质量块在x-y平面中并且径向于z-坐标方向向内或向外一起振动。
为了在与测定z-旋转率相关的第二运动中获得一个相应的弹性用于偏转z-质量块，但又可以避免z-质量块在第一运动中与x-或y-质量块过紧相连，需要配置多个弹簧，所述弹簧可以通过一种连接条凸起基本与x-或y-质量块同心连接。这样的话，就可以避免弹簧直接连接在x-或y-质量块上，而这对于从第一运动中分离出z-旋转率测定是非常有利的。即使是微陀螺仪的结构与这里所要求的不同，z-质量块在x-或y-质量块上的这种紧固方式也非常有利。
如果条形凸起与x-或y-质量块的连接以及x-或y-质量块的紧固销是相互排成一条直线，那么特别有利。通过这种方式可以使由于x-或y质量块的变形所出现的扭曲保持特别小。
根据本发明所述，通过如下方式可以确定z-质量块的第二运动，即，分配给x-质量块的弹簧在x-方向具有一个可控柔度，也就是说可以进行柔性控制，而在y-与z-方向几乎不会变形，也就是说尽可能保持刚性。相应地，以下这种情况同样也比较有利，即，如果分配给y-质量块的弹簧在y-方向具有一个可控柔度，也就是说可以进行柔性控制，而在x-与z-方向几乎不会变形，也就是说基本是刚性的。这样就会促使z-质量块在第一方向与x-或y-质量块同步运动，并且必要时，即使是x-或y-质量块在其第二方向发生偏转时，其也可以与x-或y-质量块一起运动。相反，在出现一个z-旋转率时，z-质量块脱离与x-或y-质量块的共同运动，而偏离x-或y-方向，主要取决于第一运动是在哪个方向。
如果本发明所述的陀螺仪是一种仅用于测定z-旋转率的z-陀螺仪，那么x-质量块的驱动弹簧优选以如下方式构成，即，其在y-方向具有一个可控柔度，而在z-与x-方向几乎不会变形。y-质量块的驱动弹簧优选以如下方式构成，即，其在x-方向具有一个可控柔度，而在z-与y-方向几乎不会变形。分配给x-质量块的连接弹簧在x-方向具有一个可控柔度，而在y-与z-方向几乎不会变形，分配给y-质量块的连接弹簧在y-方向具有一个可控柔度，而在x-与z-方向几乎不会变形。这样就会促使x-与y-质量块不会因为施加到x-或y-坐标上的旋转率而通过偏转对所出现的科氏力作出响应，因为其对于各自方向的力是相对固定不变的。只有z-质量块可以发生偏转，并且可以通过在x-y平面内x-或y-方向的第二运动对陀螺仪的z-旋转率作出响应，而分配给z-质量块的传感器元件可以测定这种偏转。
如果陀螺仪是一种用于测定围绕x-、y-与z-坐标各旋转率的3D陀螺仪，那么x-质量块的驱动弹簧是以如下方式构成的，即，其在y-与z-方向具有一个可控的柔度，而在x-方向几乎不会变形。y-质量块的驱动弹簧是以如下方式构成的，即，其在x-与z-方向具有一个可控的柔度，而在y-方向几乎不会变形。分配给x-质量块的连接弹簧在x-方向具有一个可控柔度，而在y-与z-方向几乎不会变形。分配给y-质量块的连接弹簧在y-方向具有一个可控柔度，而在x-与z-方向几乎不会变形。因此，所有的x-、y-与z-质量块可以通过一种所出现的科氏力在其第二方向运动。通过分配给各质量块的传感器元件可以测定这些运动。
如果根据本发明所述的陀螺仪是一种用于测定围绕x-与y-坐标各旋转率的2D陀螺仪，那么x-与y-质量块的可动性要与3D陀螺仪中设置的一样。而z-质量块要么被限制其在x-y平面中横向于第一运动方向的可动性，要么在相应陀螺仪中完全取消z-质量块。因此，陀螺仪的结构就会更简单，因为既不需要z-质量块也不需要相关的弹簧。
下面将描述本发明所述3D陀螺仪的一种特别有利结构：
通过驱动梳可以将x-或y-质量块置于驱动运动形式。在这种结构中，x-与y-质量块可以在通过耦合弹簧确定的范围中以驱动电压的频率同步。如果不用耦合弹簧，所有四个x-或y-质量块会各自独立地运动。虽然通过一个共同的驱动电压激励，但不可避免的弹簧制造公差还是会导致四个质量块的驱动谐振频率略微不同，而这势必会导致不同的激励振幅以及驱动运动的方向会有略微偏移。通过耦合弹簧就可以实现一种唯一而共同的驱动谐振频率，在所述驱动谐振频率中，所有质量块在各方向都会具有相同的振幅。
如果关心的是围绕x-坐标的旋转率Ω，那么就要给x-质量块施加科氏力，所述科氏力与v×Ω的乘积成比例，其中v表示各质量块的速度。该科氏力会导致构成x-质量块的平板沿着z-坐标反向振动偏转，所述平板会与位于其下面的、固定在硅衬底上的导电平面一起构成平板电容器，通过所述平板电容器可以将所测得的的运动转换成一种电信号。
围绕y-坐标的旋转率的测定是以类似方式实现的，并且可以导致构成y-质量块的平板反向振动偏转。
如果关心的是围绕z-坐标的旋转率，那么可以将径向向内/向外的作用力施加到z-质量块上。这样会迫使框架进入z-测定模式的运动形式。在z-质量块中的方孔的垂直面会构成平板电容器的可移动的半部分，所述平板电容器的静止半部分位于方孔之内。
如果没有中心弹簧，那么陀螺仪会具有一种寄生自振动，在所述寄生自振动中，通过耦合弹簧连接的平板会沿着z-坐标同步往复运动。因此，在沿着z-坐标出现冲击时传感器结构难免会打击到衬底上。而安装了中心弹簧就可以完全消除这种自振动形式。
耦合弹簧的螺旋式结构可以使耦合力基本只会在中心圆形耦合弹簧的切线方向传递。这些弹簧优选在径向方向非常软。因为其初始点位于内部驱动弹簧上，所以就可以尽可能地避免畸变力在驱动运动时会从内径向作用到平板上，并最终会施加到使z-质量块保持在x-或y-质量块内的弹簧上，从而对于用于z-旋转率的信号造成负面影响。
连接z-质量块与x-或y-质量块的弹簧位于一个连接条上，所述连接条可以同中心地连接x-或y-质量块。这种措施还可以尽可能地防止连接弹簧翘曲，即所说的扭曲，并防止由此而干扰z-旋转率的测定。
下面将描述本发明所述用于测定围绕x-与y-坐标旋转率的2D陀螺仪的一种特别有利结构：
通过驱动梳可以将传感器板，也就是x-或y-质量块置于驱动运动形式。在这种结构中，传感器板可以在通过耦合弹簧确定的范围中以驱动电压的频率同步。如果不用耦合弹簧，所有四个平板会各自独立地运动。虽然通过一个共同的驱动电压激励，但不可避免的弹簧造公差还是会导致四个平板的驱动谐振频率略微不同，而这势必会导致不同的激励振幅以及驱动运动的方向会有略微偏移。通过加入耦合弹簧就可以实现一种唯一而共同的驱动谐振频率，在所述驱动谐振频率中，所有平板在各方向都会具有相同的振幅。如果关心的是围绕x-坐标的旋转率Ω，那么就要给平板施加科氏力，所述科氏力与v×Ω的乘积成比例，其中，v表示各平板的速度。该科氏力会导致左上与右下平板沿着z-坐标反向振动偏转。平板会与位于其之下的、固定在硅衬底上的导电平面一起构成平板电容器，通过所述平板电容器可以将所测得的的运动转换成一种电信号。
围绕y-坐标的旋转率的测定是以类似方式实现的，并且可以导致左下与右上平板反向振动偏转。
如果没有优选的中心弹簧，那么在频率非常低时（大约5kHz），谐振会处于蝴蝶模式，在所述蝴蝶模式中，通过耦合弹簧连接的平板会沿着z-坐标往复运动。因此，在沿着z-坐标出现冲击时传感器结构难免会打击到衬底上。而安装了中心弹簧就可以完全消除这种自振动形式。耦合弹簧的螺旋式结构可以使耦合力基本只会在中心圆形耦合弹簧的切线方向传递。这些弹簧优选在径向方向非常软。
附图说明
在以下实施例中将详细说明本发明的其它优点。
图1为一种本发明所述3D-微陀螺仪的一种俯视图。
图2为图1所示微陀螺仪的第一运动。
图3为图1所示陀螺仪的x-旋转率的测定。
图4为图1所示陀螺仪的y-旋转率的测定。
图5为图1所示陀螺仪的z-旋转率的测定。
图6为一种本发明所述z-微陀螺仪的一种俯视图。
图7为图6所示微陀螺仪的第一运动。
图8为图6所示陀螺仪的z-旋转率的测定。
图9为一种本发明所述x-y-微陀螺仪的第一运动的一种俯视图。
图10为图9所示微陀螺仪的的x-旋转率的测定。
图11为图9所示微陀螺仪的的y-旋转率的测定。
附图标记清单
1 衬底
2 传感器板
2x x-质量块
2y y-质量块
3 中心紧固销
4a 固定梳形件
4b 移动梳形件
5 紧固销
6a 外部驱动弹簧
6b 内部驱动弹簧
7 耦合弹簧
8 中心弹簧
9 z-质量块
10 连接弹簧
11 条形件
12 中心条形凸起
具体实施方式
图1示出了一种本发明所述3D-微陀螺仪的一种俯视图，主要部件是线性振动的传感器板2。传感器板各自具有一个基本矩形形状，传感器板设置在一个中心紧固销3周围。传感器板2x代表x-质量块，而传感器板2y则代表y-质量块。x-质量块2x在y-方向沿着其较长的边延伸，而y-质量块2y更多是在x-方向延伸。不管是x-质量块2x还是y-质量块2y都设置在x-y平面中，所述平面位于一个未示出的衬底上方。
通过梳形电极可以在y-或x-方向线性振动驱动x-质量块2x与y-质量块2y。梳形电极总是由两个固定梳形部分4a与可动梳形部分4b组成，所述固定梳形部分设置在衬底上，所述可动梳形部分与传感器板2连接。通过加载交流电压，就可以交替地吸引电极，这样就可以使传感器板2来回振动运动。
为了可以在各自的方向移动支承，通过驱动弹簧6a与6b将每个传感器板2固定在两个紧固销5上。其中，设置有外驱动弹簧6a与内驱动弹簧6b。外驱动弹簧6a总是设置在该结构的外部边缘，而内驱动弹簧6b总是朝向相邻的传感器板2。外驱动弹簧6a与内驱动弹簧6b的结构可以不同。在本发明所述陀螺仪的有些设计方案中，这一点是比较有利的，从而可以在x-旋转率测定运动中控制x-质量块2x翻转轴的位置以及在y-旋转率的测定运动中控制y-质量块2y 翻转轴的位置；参见图3与图4。由于陀螺仪的结构必须确保传感器板2在x-y-平面内驱动，并且在z-方向均匀地偏转，所以不需要内部与外部驱动弹簧6a、6b的结构不同。在本发明的优选结构中，紧固销5设置在外驱动弹簧6a与内驱动弹簧6b的大约中心位置。
x-质量块2x与y-质量块2y是关于中心紧固销3点对称的。x-质量块2x在其结构上类似于y-质量块2y。但是它们以相互旋转了90度的方式设置在衬底上。为了保证传感器板2的同步振动，后面的传感器板通过总是一个耦合弹簧7与一个固定在中心紧固销3上的圆形中心弹簧8相互相连。耦合弹簧7在分配给各自的传感器板2的驱动方向是刚性的，但是在z-坐标的径向方向是柔性的。通过与中心弹簧8的耦合，其在第一运动中可以使所有四个传感器板2以相同的频率驱动与振动。因此可以大大改善陀螺仪的动态性能。
在传感器板2内设置有多个z-质量块9，所述z-质量块9是以格栅架的形式构成的，格栅条可以用作平板电容器的可移动电极，平板电容器的固定配对部分固定在衬底上，这样的话，在施加围绕z-坐标的旋转率时，就可以通过一个相应的电信号测定第二运动。
z-质量块9可以通过四个连接弹簧10固定在一个条形件11上。条形件11又与连接装置12同中心地固定在传感器板2上。通过连接弹簧10固定z-质量块9，所述连接弹簧在z-方向以及各自传感器板2的驱动方向是刚性的，然而，其在x-y-平面内垂直于各自传感器板2的驱动方向是柔性的。这样的话，在施加一个围绕z-轴的旋转率时所出现的科氏力的作用下，z-质量块9就会偏离驱动方向，但还是在x-y-平面内。通过平板电容器可以测定这种第二运动。
在接下来的附图中示出了陀螺仪各部分的典型运动。为了可以更好地对其进行认知，这些图示有些夸大。实际上的偏转当然是非常微小的。为了更好地观察，在所有附图中的附图标记都是唯一的，只代表相同的部件。
图2示出了传感器板2的驱动运动。x-质量块2x平行于y-坐标线性振动运动，并且关于中心紧固销3点对称。y-质量块2y相对于x-质量块2x旋转了90度。其运动方向平行于x-坐标，并且同样关于中心紧固销3点对称。内部与外部紧固销弹簧6a、6b的结构可以允许驱动运动而无较大阻力。因此，用于x-质量块2x的驱动弹簧6a与6b 在y-方向是柔性的，而在x-方向是刚性的。相应的，用于y-质量块2y的内部与外部驱动弹簧6a、6b在x-方向是柔性的，而其在y-方向是刚性的。因此可以确保传感器板2的驱动运动直线实现。为了使所有四个传感器板2的驱动运动同步，要通过耦合弹簧7与一个固定在中心紧固销3上的中心弹簧8使传感器板相互相连。耦合弹簧7可以使四个传感器板2在驱动运动时具有一个共同的自振动频率。耦合弹簧7固定在内驱动弹簧6b上，以尽可能地避免传感器板2发生变形。通过传感器板2的驱动运动，中心弹簧8可以与其辐条一起围绕中心紧固销3旋转。除了可以使传感器板2同步外，耦合弹簧7与中心弹簧8还可以将传感器板2稳定地固定在衬底上。
图3以透视图的方式示出了用于测定陀螺仪围绕x-坐标旋转运动的x-质量块2x的偏转状态。其中，x-质量块2x作为对垂直于第一运动方向与旋转轴出现的科氏力的响应向z-方向偏转。为此，外部驱动弹簧6a与内部驱动弹簧6b在z-方向是相对柔性的，这样就可以在出现作用到x-质量块2x上的科氏力偶时发生变形，而x-质量块2x却相反可以在z-方向从x-y-平面移出来。通过电容器板可以测定x-质量块2x的第二运动，所述电容器板可以通过衬底的顶部与x-质量块2x的底部构成。通过第二运动，电容器平板的距离会发生变化，而这会产生电信号，所述电信号可以指示陀螺仪的x-旋转率。在陀螺仪出现x-旋转率时，y-质量块2y也会保持在x-y-平面中，因为在第一运动中，围绕x-坐标的旋转率不会在x-方向产生科氏力。
图4以透视图的方式示出了y-质量块2y在出现y-旋转率时的偏转状态。在x-方向具有第一运动的y-质量块2y在其第二运动中作为对y-旋转率的响应，会在z-方向从x-y-平面中移出来。相应地，内部驱动弹簧6a与外部驱动弹簧6b允许在y-质量块2y的第一运动与第二运动，因为其在这些运动方向的弹簧常数较小。与在x-质量块2x中一样，还是通过平板电容器测定第二运动。类似于y-质量块的特性，在出现y-旋转率时，x-质量块2x的运动状态不会发生变化，而会在x-y-平面中保持不变。
图5示出了陀螺仪z-旋转率的测定。因为在测定x-和/或y-旋转率时以及在第一运动中，z-质量块9会与分配给它的x-质量块2x或y-质量块2y尽可能地固定在一起运动，所以在出现一种z-旋转率时，其会承受一个独立的运动。因为有连接弹簧10，所以当由于一种围绕z-坐标的旋转率而出现相应的科氏力时，z-质量块9会在x-y-平面中垂直于驱动方向发生偏转。其中，z-质量块9可以在x-质量块2x或y-质量块2y的方孔内移动。在图5中示出的z-质量块9与x-质量块2x或y-质量块2y看起来有点搭接，这是为了图示所使用的模拟程序，其可以更好地示出所产生的偏转，但在实际情况中当然不会出现这种情况，因为z-质量块9与x-质量块2x或y-质量块2y处于同一平面中。通过垂直平板电极或通过梳形电极可以测定z-质量块9的第二运动。其中，z-质量块9的格栅结构与传感器元件固定在衬底上的一部分之间的距离是以电容的形式测定的，并转换成相应的电信号。
通过给围绕各坐标的旋转运动明确分配部件，可以明确确定本发明所述微陀螺仪的各旋转率。不管是x-质量块2x还是y-质量块2y与z-质量块9都具有相互独立的第二运动。因此可以明确地测定相应的旋转率，并且可以通过相应传感器元件的电信号进行测量。
图6示出了一种z-微陀螺仪的一种俯视图作为本发明所述陀螺仪的另外一种示例。其中其涉及到图1的类似结构。为了避免重复，下面将主要描述不同之处。
为了精确而敏感地测定z-旋转率，与在3D-陀螺仪中相比， z-质量块9比安装它的x-或y质量块2x、2y大一些。x-与y质量块2x、2y不会以偏转的方式对x-或y-旋转率作出响应，因此，在重量方面有所降低。连接弹簧10直接安装在x-或y-质量块2x、2y上。虽然可以设置一个条形件11与一个条形凸起12，但这是不需要的，因为x-或y-质量块2x、2y的连接由于缺少在z-方向的偏转不会出现一种张紧。虽然外部与内部驱动弹簧6a、6b可以与3D陀螺仪中一样在x-y-平面内的驱动方向进行柔性控制。但是因为x-或y-质量块2x、2y在z-方向有偏转，所以其结构要是刚性的。相应地，除了改变了弹簧横截面外，驱动弹簧6a、6b也可以直接设置在x-或y-质量块2x、2y上。除此以外，x-或y-质量块2x、2y也没有示出可以与衬底1上的传感器板一起作用的传感器板，因为正好在z-方向不用偏转。
图7示出了图6所示z-微陀螺仪的第一运动。与图2中所示及其成功描述一样，x-质量块2x在y-方向与y-质量块2y在x-方向是振动驱动的。
图8示出了图6所示z-陀螺仪的z-旋转率的测定。这与图5所示以及其所描述的工作原理类似。在由于衬底1的z-旋转而出现一种科氏力时，z-质量块9会在x-或y-方向有偏转。如果关心的是围绕z-坐标的旋转率，那么径向向内/向外的作用力会如图5所示一样作用到z-质量块9上。然后迫使z-质量块9进入测定模式的运动状态。在z-质量块9中的方孔的垂直面会构成平板电容器可移动半部分，未示出的平板电容器固定半部分位于方孔处内。
与3D陀螺仪中一样的是，从外部作用的冲击会使驱动或测定框架以如下方式偏转，即，设置在测定框架内与周围的平板电容器的电量变化加在一起会抵消。这样就会以一种可靠的方式避免测量电子元件的外部冲击造成错误显示旋转率信号。
图9示出了一种本发明所述二维x-y-微陀螺仪的第一运动的俯视图。陀螺仪与图1至图4的陀螺仪基本相同。仅仅不同的是，这里的x-y-陀螺仪没有z-质量块9，也没有连接弹簧10、条形件11与条形凸起12。因此，除了对z-质量块以及相应z-旋转率测定的说明外，其可以完全参考图1至图4的说明。x-质量块2x与y-质量块2y的第一运动还是围绕中心紧固销3切向实现的。x-质量块2x与y-质量块2y可以通过耦合弹簧7与中心弹簧8相互连接在一起，以便实现其运动的同步，与中心紧固销3连接在一起以便将其固定到衬底上。x-质量块2x与y-质量块2y是以振动的方式驱动的，并且相互反向旋转。
图10示出了图9所示微陀螺仪在测定x-旋转率的状态。x-质量块2x由于一种科氏力会在z-方向从其x-y-平面中偏转出来。其中，x-质量块2x会基本平行于其驱动位置沿着z-坐标移动。与之相关的x-质量块2x与衬底之间的距离变化可以通过相应的传感器板测定，所述传感器板位于x-质量块2x的底部与衬底的顶部。
与图10类似，图11示出了图9所示微陀螺仪在测定y-旋转率时的状态。只不过这里是y-质量块2y在z-方向从其驱动平面中偏转出来，而不是x-质量块2x。
本发明不限于所示实施例。在任何时候，在权利要求框架下的各部件可以具有其它造型与其它配置。特别是可以在一种3D-陀螺仪结构中，只评价分析三个旋转率中的一个，例如：z-旋转率，就相当于将陀螺仪用作一个纯z-陀螺仪。同样，在一种3D陀螺仪中，也可以取消位于x-或y-质量块之下与衬底之上的传感器板，就以得到一个z-陀螺仪。然后只用给传感器元件分配z-质量块。显然，在附图中示出的纯z-陀螺仪的结构是比较有利的，因为通过这种方式可以实现一种成本低廉的生产，又可以保证精确的测量。
Claims (28)
1.用于测定围绕三个相互垂直的坐标X，Y与Z中至少一个坐标旋转运动的微陀螺仪，
- 具有一个衬底（1），在所述衬底上设置有多个可以在x-y平面中平行于衬底（1）平面振动的质量块（2x，2y，9），其中几个振动质量块（2x，2y）通过弹簧与紧固销固定在衬底（1）上，
- 具有多个驱动元件（4a，4b）用于维持质量块（2x，2y，9）的线性振动，当衬底（1）围绕任意一个坐标旋转时，这些质量块会受到科氏力的作用，并且
- 具有多个传感器元件，所述传感器元件可以测定由于产生的科氏力所导致的质量块（2x，2y，9）偏转，
其特征在于， - 在衬底（1）上设置有一个中心紧固销（3），围绕中心紧固销（3）设置有多个质量块（2x，2y，9），
- 一些x-振动质量块（2x）还可以沿着垂直于衬底（1）的z-坐标偏转，从而测定围绕x-坐标的旋转率，和/或 - 一些y-振动质量块（2y）还可以沿着垂直于衬底（1）的z-坐标偏转，从而测定围绕y-坐标的旋转率，和/或，
- 其它z-振动质量块（9）还可以在x-y平面中垂直于各自的驱动方向偏转，从而测定围绕z-坐标的旋转率，
- x-质量块（2x）和y-质量块（2y）与中心紧固销（3）相连，z-质量块（9）与x-质量块（2x）或y-质量块（2y）相连，
- x-与y-质量块（2x，2y）通过如下方式支承在衬底（1）上，即，质量块可以围绕中心紧固销（3）线性切向驱动。
2.根据以上权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，x-质量块（2x）和/或y-质量块（2y）是传感器板（2）。
3.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，z-质量块（9）是框架。
4.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，x-、y-和/或z-质量块具有一个基本矩形的平面形状。
5.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，x-与y-质量块（2x，2y）与固定紧固销（5）以及驱动弹簧（6a，6b）一起设置在衬底（1）上。
6.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，当陀螺仪应测量x-旋转率时，x-质量块（2x）的驱动弹簧（6a，6b）在y-与z-方向具有一个可控柔度，而在x-方向几乎不会变形。
7.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，当陀螺仪不应测量x-旋转率时，x-质量块（2x）的驱动弹簧（6a，6b）在y-方向具有一个可控柔度，而在x-与z-方向几乎不会变形。
8.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，当陀螺仪不应测量y-旋转率时，y-质量块（2y）的驱动弹簧（6a，6b）在x-方向具有一个可控柔度，而在y-与z-方向几乎不会变形。
9.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，当陀螺仪应测量y-旋转率时，y-质量块（2y）的驱动弹簧（6a，6b）在x-与z-方向具有一个可控柔度，而在y-方向几乎不会变形。
10.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，可以通过外部与内部驱动弹簧（6a，6b）固定各x-与y-质量块（2x，2y）。
11.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，当陀螺仪应测量x-或y-旋转率时，外部与内部驱动弹簧（6a，6b）设置在x-或y-质量块（2x，2y）上并且在z-方向具有可控柔度。
12.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，当陀螺仪只应测量z-旋转率时，外部与内部驱动弹簧（6a，6b）设置在x-或y-质量块（2x，2y）上并且在z-方向几乎不会变形。
13.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，外部与内部驱动弹簧（6a，6b）具有不同的长度。
14.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，可以通过梳形电极（4a，4b）驱动x-与y-质量块（2x，2y）。
15.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，x-质量块（2x）朝y-方向驱动，y-质量块（2y）朝x-方向驱动驱动。
16.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，总是交替地围绕中心紧固销（3）设置两个x-质量块（2x）与两个y-质量块（2y）。
17.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，x-与y-质量块（2x，2y）各自通过一个耦合弹簧（7）固定在一个中心弹簧（8）上。
18.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，中心弹簧（8）固定在中心紧固销（3）上，并且可以在x-y平面中围绕中心紧固销旋转。
19.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，耦合弹簧（7）是螺旋形的，其在切线方向是刚性的，以便在这个方向传递耦合力，其在径向方向是柔性的，以避免将畸变力传递到x-或y-质量块（2x，2y）上。
20.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，在一个x-或一个y-质量块（2x，2y）上各设置有一个z-质量块（9）。
21.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，可以通过连接弹簧（10）将z-质量块（9）固定在x-或y-质量块（2x，2y）上。
22.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，连接弹簧（10）设置在连接条（11）上，所述连接条可以通过一种条形凸起（12）基本同心固定在x-或y-质量块（2x，2y）上。
23.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，条形凸起（12）与x-或y-质量块（2x，2y）的紧固销（5）相互排成一条直线。
24.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，分配给x-质量块（2x）的连接弹簧（10）在x-方向具有一个可控柔度，而在y-与z-方向几乎不会变形。
25.根据以上任一或多项权利要求所述的微陀螺仪，其特征在于，分配给y-质量块（2y）的连接弹簧（10）在y-方向具有一个可控柔度，而在x-与z-方向几乎不会变形。
26.微陀螺仪，优选根据以上任一或多项要求所述的微陀螺仪，其特征在于，陀螺仪是一种仅用于测定z-旋转率的z-陀螺仪，其中：
- x-质量块（2x）的驱动弹簧（6a，6b）在y-方向具有一个可控柔度，而在z-与x-方向几乎不会变形，
- y-质量块（2y）的驱动弹簧（6a，6b）在x-方向具有一个可控柔度，而在z-与y-方向几乎不会变形，
- 分配给x-质量块（2x）的z-质量块（2z）的连接弹簧（10）在x-方向具有一个可控柔度，而在y-与z-方向几乎不会变形，
- 分配给y-质量块（2y）的z-质量块（2z）的连接弹簧（10）在y-方向具有一个可控柔度，而在x-与z-方向几乎不会变形。
27.微陀螺仪，优选根据以上任一或多项要求所述的微陀螺仪，其特征在于，陀螺仪是一种用于测定围绕x-与y-坐标各旋转率的2D陀螺仪，其中：
- x-质量块（2x）的驱动弹簧（6a，6b）在y-与z-方向具有一个可控柔度，而在x-方向几乎不会变形，
- y-质量块（2y）的驱动弹簧（6a，6b）在x-与z-方向具有一个可控柔度，而在y-方向几乎不会变形，
- 陀螺仪没有z-质量块（2z）。
28.微陀螺仪，优选根据以上任一或多项要求所述的微陀螺仪，其特征在于，陀螺仪是用于测定围绕x-、y-与z-坐标各旋转率的3D陀螺仪，其中：
- x-质量块（2x）的驱动弹簧（6a，6b）在y-与z-方向具有一个可控柔度，而在x-方向几乎不会变形，
- y-质量块（2y）的驱动弹簧（6a，6b）在x-与z-方向具有一个可控柔度，而在y-方向几乎不会变形，
- 分配给x-质量块（2x）的z-质量块（2z）的连接弹簧（10）在x-方向具有一个可控柔度，而在y-与z-方向几乎不会变形，
- 分配给y-质量块（2y）的z-质量块（2z）的连接弹簧（10）在y-方向具有一个可控柔度，而在x-与z-方向几乎不会变形。
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