CN105683709A - 改进的正交补偿 - Google Patents
改进的正交补偿 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105683709A CN105683709A CN201480058865.1A CN201480058865A CN105683709A CN 105683709 A CN105683709 A CN 105683709A CN 201480058865 A CN201480058865 A CN 201480058865A CN 105683709 A CN105683709 A CN 105683709A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- broach
- rotor
- stator
- micro
- electro
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
- G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
- B81B3/0062—Devices moving in two or more dimensions, i.e. having special features which allow movement in more than one dimension
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
- G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
- G01C19/5726—Signal processing
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
- G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
- G01C19/5733—Structural details or topology
- G01C19/5755—Structural details or topology the devices having a single sensing mass
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
一种微机电传感器设备,包括测震质量块和弹簧结构,该弹簧结构针对测震质量块限定驱动方向和感测方向,感测方向与驱动方向垂直。电容式换能器结构包括:定子,其要被锚定至静态支承结构;以及转子,其以机械方式连接至测震质量块。该电容式换能器结构被布置成倾斜的定向,其中,在驱动方向与定子表面的切线之间形成有非零角度。倾斜的电容式换能器结构产生静电力以减小线性振动的正交误差。
Description
技术领域
本发明涉及微机电设备,以及特定地涉及如独立权利要求的前序中定义的一种微机电传感器设备。
背景技术
微机电***或MEMS可以被定义为其中至少一些元件具有机械功能的微型化的机械***和机电***。可以应用MEMS结构来快速并准确地检测物理属性的非常小的变化。作为示例,可以应用微机电陀螺仪来快速并准确地检测非常小的角位移。
运动可以被视为具有六个自由度:三个正交方向上的平移以及绕三个正交轴的旋转。后三个可以通过角速率传感器(也被称为陀螺仪)来测量。MEMS陀螺仪使用科里奥利效应(CoriolisEffect)来测量角速率。当质量块在一个方向上移动并且施加了旋转角速度时,由于科里奥利力导致质量块在正交方向上经受力。然后可以例如从电容式、压电式或压阻式感测结构来读取由科里奥利力引起的作为结果的物理位移。
在MEMS陀螺仪中,由于缺少适当的轴承,主要运动不能够像传统陀螺仪中为连续的旋转。相反,机械振动可以用作主要运动。当振动的陀螺仪经受与主要运动的方向正交的角运动时,导致波状的科里奥利力。这产生与主要运动和角运动的轴正交、并且处于主要振动的频率的次级振动。这个耦合的振动的幅度可以用作对角速率的测量。
陀螺仪是非常复杂的惯性MEMS传感器。陀螺仪设计方面的基本挑战在于:科里奥利力非常小以及因此所生成的信号与陀螺仪中存在的其他电信号相比往往极小。寄生谐振和对振动的敏感性给许多MEMS陀螺仪设计造成麻烦。
陀螺仪设计的一个挑战在于正交误差运动。在理想的陀螺仪结构中,主要振动和次级振动精确地正交。然而,在实际设备中出现缺陷,引起测震质量块的主要模式位移直接耦合至陀螺仪的次级模式。这种直接耦合称为正交误差。角运动信号与正交信号之间的相位差为90度,这意味着主要地可以使用相敏解调来消除正交误差。然而,与角运动信号相比,正交信号会非常大,因此可能引起对读出电子设备或相位解调的相位准确度的不合理的动态范围要求。
处理这个误差源的一种已知的方法为静电正交取消,其在正交信号被生成之前移除传感器结构处的误差信号。对于此,可以对测震质量块精确地施加与主要振动同相并且与次级振动平行的静电力。
静电正交抑制是非常有效因此广泛使用的技术。还可以出于更高性能起见将该技术与集成电路方面的电子正交取消和其他处理方法容易地组合。然而,先进的陀螺仪结构会较复杂,并且与其尺寸相比微加工容差会很小,所以要补偿驱动运动中的正交分量所需的电压会非常高。这往往使电子设备设计复杂并且增加陀螺仪设备的功耗。
发明内容
本发明的目的在于增强微机电感测中的正交补偿。本发明的目的利用根据独立权利要求的特征部分的微机电传感器设备来实现。
权利要求定义了一种微机电传感器设备,其包括测震质量块(seismicmass);弹簧结构,用于将测震质量块悬置在静态支承结构中;激励装置,用于将测震质量块驱动成线性振动;以及电容式换能器结构。弹簧结构针对测震质量块限定驱动方向和感测方向,感测方向与驱动方向垂直。线性振动具有以下方向,所述方向在驱动方向上具有主要分量并且在感测方向上具有由于正交误差导致的次级分量。电容式换能器结构包括:定子,其要被锚定至静态支承结构;转子,其以机械方式连接至测震质量块;以及电能源,其被布置成在定子表面与转子表面之间产生静电力。定子包括至少一个定子表面,并且转子包括被定位成与定子表面相对的转子表面。电容式换能器结构被布置成倾斜的定向,其中,在驱动方向与定子表面的切线之间形成有非零角度,并且该静电力被引导以减小线性振动的次级分量。
由于倾斜的定向以及在测震质量块的线性振动期间定子表面与转子表面之间的距离改变,另外引入了对补偿力的间隙调制。这显著地增加补偿力的效果。
使用以下实施方式更详细地论述本发明的另外的优势。
附图说明
在下文中,参照附图结合优选实施方式来更详细地描述本发明,在附图中:
图1示出了用于静电正交补偿的现有技术电容式换能器结构;
图2示出了电容式换能器结构的示例性实施方式;
图3示出了正交补偿梳的简化结构;
图4示出了正交补偿梳的另一实施方式;
图5示出了另一电容式换能器结构;
图6示出了应用图5的电容式换能器结构的元件的另一实施方式;
图7示出了包括图2至图6的至少一个电容式换能器结构的微机电传感器设备;以及
图8示出了图7的微机电传感器设备的细节。
具体实施方式
以下实施方式为示例性的。尽管说明书可能提及“一种”、“一个”或“一些”实施方式,然而这并不一定意味着每个这样的提及是针对同一实施方式,或者并不一定意味着特征仅应用于单个实施方式。可以将不同实施方式的单个特征组合以提供另外的实施方式。
在下文中,将使用可以实现本发明的各个实施方式的设备架构的简单示例来描述本发明的特征。仅详细地描述了与用于说明实施方式相关的元件。本领域技术人员普遍已知的电容式换能器结构或微机电设备的各种类属特征可以不在本文中具体地描述。
图1示出了可以应用电容式换能器结构用于正交补偿的示例性谐振器结构的基本元件。设备可以包括测震质量块10,即可以被悬置至静态(非振动)支承结构以提供惯性运动的质量块主体。在陀螺仪结构中,静态支承可以由陀螺仪结构的另一主体元件例如由陀螺仪芯片的下方处理晶片或覆盖的盖晶片来提供。然而注意到,结构晶片、处理晶片和盖晶片的尺寸为概念性的。对于本领域技术人员,清楚的是,例如处理晶片和结构晶片可以与层状硅-绝缘体-硅衬底分离地或组合地图案化。
测震质量块10可以通过弹簧结构12悬置至静态支承。弹簧结构此处指代通过弹簧结构的尺寸和/或属性被配置成如下的任意弹性地定向的元件:对测震质量块在至少一个方向上的位移为挠性并且对测震质量块在任意其他方向上的位移为非常刚性。在陀螺仪结构中,弹簧结构通常被设计成允许测震质量块在驱动方向D和感测方向S上的位移。驱动方向D此处指代测震质量块10的线性振动的所设计的方向,即在理想主要运动期间和在没有其他力作用于测震质量块的情况下测震质量块的线性振动的方向。感测方向S此处指代以下方向,该方向与驱动方向垂直并且因此与由于谐振器结构的角运动导致的所检测到的科里奥利力一致。图1示出了在示例性简化配置中的示例性驱动方向和感测方向。在实际中,存在许多方式来实现谐振器结构以及将感测方向和驱动方向布置在其中。这样的解决方案被广泛地记录并且对于微机电设备领域的技术人员来说为公知的。
测震质量块10可以设计成被驱动成方向D上的线性振动,但是因为正交误差,所以测震质量块10的实际运动的方向实际上是驱动方向D上的分量和由正交误差生成的次级分量Q的结果。可以借助于电容式换能器结构来消除这个正交误差。
图2示出了根据本发明的电容式换能器结构的示例性实施方式。所公开的配置包括如上所述通过弹簧结构(未示出)悬置至静态支承的测震质量块20。如图2中所示,弹簧结构针对测震质量块限定驱动方向D和与驱动方向D垂直的感测方向S。电容式换能器结构还包括至少一个转子21a或21b。术语转子此处指代下述元件,所述元件以机械方式连接至测震质量块20并且由此交互地耦合以沿其相对于静态支承结构的运动移动。
术语换能器通常指代将一种形式的能量转换成另一种形式的设备。机电换能器是将机械能转换成电能的设备,例如将机械运动转换成电流或电压的变化以及将电流,并且反之亦然。本文中使用术语电容式换能器来指代包括具有可变电容的电容器的实体。引起或施加可变电容所需的机械元件和电学元件的组合形成电容式换能器结构。在一种装置中,电容式换能器结构的电容可以被配置成由于选择的输入量的值变化而变化。在正交补偿中,输入量与电容式换能器结构的元件的空间定向对应,该空间定向响应于陀螺仪结构的测震质量块的线性振动而变化。
电容式换能器结构20还可以包括至少一个定子22a和22b。术语定子此处指代被固定地锚定至静态支承结构的元件。取决于该配置,定子和转子可以被锚定和悬置至同一静态支承结构或不同静态支承结构。如图2中所示,转子可以包括梳齿,即从测震质量块20突出的细长元件。定子也可以包括细长元件,该细长元件被定位成使得细长的定子表面26与细长的转子表面25相对地延伸。
转子21b可以包括至少一个平面的转子表面25,并且定子22b可以包括至少一个平面的定子表面26。这意味着定子或转子的体积的至少一部分沿在两个尺寸(长度、宽度)上的平面延伸,并且其中形成平面的表面。在容差之内,平面的表面从而可以视为包含连接该表面上的任意两个点的所有直线。然而,要理解的是,平面的表面可以包括被图案化在转子上的较小突出,或者被图案化在转子中的凹部。注意,在范围内也可以应用其他形式的表面。例如,表面可以为曲面的或拱形的。
转子21a、21b和定子22a、22b被配置以形成对,从而使得在成对的定子21b和转子22b中,定子22b的定子表面26和转子21b的转子表面25被定位成彼此相对。这意味着定子表面和转子表面被设置成跨介于中间的空间彼此相对。有利地但并非必要地,定子表面和转子表面在初始状态相互对准。初始状态此处指代转子被悬置至静态支承结构但未被驱动以移动或未被暴露于其他外力的静态状态。在图2的示例中,定子表面和转子表面为平面,并且平面的定子表面和转子表面初始状态彼此平行。在曲面的表面的情况下,初始地定子表面的至少一个曲面被有利地与转子的至少一个曲面对准。在图2的示例中,转子包括从测震质量块在相对侧突出的两个梳齿21a和21b。定子也包括两个定子梳齿22a和22b,并且转子梳齿21a和21b中的每一个被布置成与相应的定子梳齿22a和22b相对地振动。转子梳齿的任意一个21b或二者在转子梳齿的至少一侧上包括细长的转子表面25,使得图2中的定子和转子对为如下:21a和22a,21b和22b。
图2的转子21a和21b以机械方式连接至测震质量块20以使得定子表面和转子表面对中的每一个形成电容器。电容式换能器结构还包括电能源(未示出),该电能源被布置成在成对的定子表面和与定子表面相对的转子表面之间产生静电力。通过对元件的结构布置,定子表面和转子表面对的电容器的电容可以被布置成由于所引起的驱动运动导致在转子相对于定子移动时改变。电容的这种改变还可以被布置成对定子表面与转子表面之间的静电力进行调制,以使得该静电力对抗正交误差运动,由此尽可能早地减小其影响。
测震质量块20以及由此转子21a和21b可以在预定方向D上被激励成主要运动。要理解的是,在范围内可以应用能够在特定方向产生驱动输入力的各种激励结构。激励装置可以包括单独的电极,该电极被配置成随测震质量块20移动并且与另外的一个或更多个静态电极(未示出)电学地交互,并且作为该电学地交互的结果引起测震质量块20移动。可替选地,测震质量块自身可以由导电材料形成或者可以包括与另外的一个或更多个静态电极交互的导电材料沉积层。还可以应用压电激励。测震质量块激励机制对于本领域技术人员而言为公知的,本文中不详细地论述。所激励的运动的方向主要由支承测震质量块20的弹簧结构来限定。
在线性振动中,测震质量块在振动轴上关于平衡点来回移动。激励装置和悬置弹簧被设计成将测震质量块20驱动成在方向D上的线性振动,但是如上所述,因为正交误差,导致测震质量块20的实际运动的方向实际上是驱动方向D上的主要分量和由正交误差生成的次级分量Q的结果。因为正交误差是由无意的缺陷引起的,所以其总的量值和方向可以因结构而异。从正交误差消除的视点来说,在与驱动方向垂直的方向上的由正交误差生成的变化的分量Q是最相关的。在图2中,用箭头D+Q示出了主要运动和正交误差引起的线性振动的方向。正交误差运动导致实际的振动轴与本来的振动轴偏离。在图2的配置中,本来的振动轴与驱动方向D平行,但是由于正交误差运动Q,实际的振动轴将与方向D+Q平行。
假设在线性D+Q振动期间,测震质量块20以及由此还有转子21a在驱动方向D上移位量X并且在垂直的感测方向S上移位较小量Y。这改变电容器的电容并且产生用于补偿测震质量块的正交误差运动的力。可以根据力的总和来确定在y方向上作用于测震质量块20的总力:
其中Ci是定子和转子对形成的电容器,以及Vi是其之间的电压。这个总力在符号上为负并且包括驱动位移X。相应地,电容式换能器结构产生与驱动方向D上的位移X同相的、对抗感测方向S上的位移Y的力。
在本发明的实施方式中,电容式换能器结构被布置成倾斜的定向,其中,在驱动方向与定子表面的切线之间形成有非零角度α。在图2的示例中,定子表面为平面,从而定子表面的切线与其对准。要注意,为了视觉上突出该定向,在图2中将非零角度α放大。通常,如之后论述的那样,应用较小角度。如图2中所示,在驱动方向D与定子22b的定子表面26之间形成有角度α。
如先前所述,通常应用相对的定子表面与转子表面之间的变化的交叠来产生用于补偿测震质量块的正交误差运动的力。然而,由于倾斜的定向,以及在测震质量块的线性振动期间定子表面与转子表面之间的距离改变,从而引入对补偿力的间隙调制。在微机电陀螺仪的典型尺寸的情况下,这个间隙调制的效果结果是非常强的。例如,在图2的配置的情况下,α=1度并且间隙宽度为2.5μm的倾斜的定向,测量到补偿力增大+50%。α=2度并且间隙宽度为2.5μm的倾斜的定向对补偿力提供了+100%的增大。
优选地,倾斜的定向的角度α被布置成大于预期的正交偏移的角度。微机电陀螺仪结构中的正交偏移角度通常小于1度,并且倾斜的定向的最优角度被证明在α=0.5度至2度的范围内。
图2示出了使用以相反的成对布置在测震质量块的横向位置的两个电容器来产生补偿力的配置。此处横向位置指代沿测震质量块的主要运动位于测震质量块的相对极端处的位置。此处相反的对意味着在第一对电容器电极21b和22b的定子表面26与转子表面25之间产生的静电力与第二对电容器电极21a和22a的定子表面28与转子表面29之间产生的静电力相反。在图2的配置中,这是通过将转子表面25、29和定子表面26、28布置成平行来实现的,其中定子22a和22b被定位在本来的振动轴的相对侧。因此,当测震质量块20在所示的定向向上移动时,正交误差运动将测震质量块向左偏移,但是第一对电容器电极21b和22b的静电力使这个偏离减小。类似地,当测震质量块20在所示的定向向下移动时,正交误差运动将测震质量块向右偏移,但是第二对电容器电极21a和22a的静电力使这个偏离减小。电容器对的补偿以及正交误差运动的结果将实际的振动轴偏移至更靠近本来的振动轴。
相反的电容器对的定向是重要的。如果所产生的静电力不为相反的,而是相同的,则将产生以主要振动频率的二倍调制的力。这样的力不会当然地能够应用于补偿线性振动的正交误差运动。
为了使正交补偿力成倍增加,测震质量块可以包括正交补偿梳,该正交补偿梳包括由相对的定子和转子对形成的多个电容器。要理解的是,尽管静电力与电荷之间的距离的平方成反比,但实际上排斥力不能够有效地应用于正交补偿。
图3示出了包括多个图2的补偿结构以在一个方向Qcomp上补偿正交误差的正交补偿梳的简化结构。要注意的是,实际上转子梳齿35暴露于由于定子梳齿36和37形成的相反的静电力。然而,由于与距离的平方成反比,所以更近的(相对的)定子梳齿36的效果占优势。这种补偿梳配置容易偏置,但是仍允许紧密的梳结构以及因此的对用于正交补偿的表面区域的有效使用。有利地,陀螺仪结构可以包括用于在正感测方向上正交补偿的一个梳以及用于在负感测方向上补偿的一个梳结构。要注意的是,范围还包括每个测震质量块仅具有一个电容器的配置。然而,在实际中,这样的结构可能失衡,因此不能够最优地操作。
图4示出了另一种类型的正交补偿梳结构。该结构包括测震质量块40,其具有从测震质量块40突出的多个转子梳齿41。该结构还可以包括具有多个定子梳齿43的定子梳42。定子梳齿的定子表面被布置成在相对于转子梳齿43的转子表面的相对位置。测震质量块可以被配置成被激励至驱动方向D上的线性振动。正交补偿梳的齿可以处于倾斜的定向以使得在驱动方向D与定子梳齿43的定子表面之间再次形成非零角度α。提供角度α的一侧的定子表面可以但并非一定为平面,并且可以延伸至其定子梳齿的整个长度。转子梳齿41的转子表面可以对应地为平面,并且与定子表面对准。定子梳齿和转子梳齿的另一侧可以与驱动方向D对准,从而形成非对称锯齿状补偿结构。如上所述,定子和转子齿对的倾斜的定向提供了正交补偿的改进的效率。非对称锯齿状补偿梳结构允许对增强型补偿齿对的紧密压紧。从而使用减小的部件尺寸实现高性能。
图5示出了可以在两个方向上产生补偿力并且定子和转子齿对的倾斜的定向提供在两个方向上的正交补偿的改进的效率的另一结构。电容式换能器配置可以包括至少两个定子50和51,其中,在驱动方向D与第一定子50的定子表面的切线之间形成有正的非零角度+α,以及在驱动方向D与第二定子51的定子表面的切线之间形成有负的非零角度-α。第一定子50可以被定位成与第一转子52相对,以及第一定子50的定子表面可以初始对准成与第一转子52的转子表面平行。
对应地,第二定子51可以被定位成与第二转子53相对,以及第二定子51的定子表面可以初始对准成与第二转子53的转子表面平行。从而可以在两个感测方向上有效地产生补偿力。
如图5中所示,还可以使用以成对布置在主要运动的相对横向位置的电容器来实现这个配置。可以应用第一定子50和第一转子52的电容器,以及第三定子58和第三转子57的电容器来补偿负的感测方向上的正交分量,以及可以应用第二定子51和第二转子53的电容器和第四定子56和第四转子55的电容器来补偿正的感测方向上的正交分量。还可以应用这个结构来形成正交补偿梳,其中,在相反方向上产生静电力的电容器被沿感测方向S顺序地布置成平行定向。
图6示出了应用图5的电容式换能器结构的元件但是现在将分离的转子梳齿52、53和55、57合并成逐渐变细的转子梳齿60、61的另一实施方式。逐渐变细的转子梳齿60可以包括两个转子表面,一个被布置成与第一定子63的定子表面相对,以及一个与第二定子64的定子表面相对。相对的定子表面和转子表面的类似布置可以相对于测震质量块的主要运动被布置在测震质量块的相对横向位置。还可以应用这个结构以形成正交补偿梳,其中,在相反方向上产生静电力的电容器被顺序地布置成沿感测方向S平行定向。图6的配置与图5的配置产生相同的改进的效果,但却需要更少的表面区域。
本发明的实施方式包括具有图2至图6的至少一个电容式换能器结构的微机电传感器设备。图7示出了具有包括至少一个测震质量块70的示例性陀螺仪结构的这样的实施方式。测震质量块70可以使用弹簧结构71和72悬置至静态支承结构。如图7所示,测震质量块70可以被悬置成具有两个自由度,一个在主要运动的驱动方向D上,以及一个在与驱动方向相反的感测方向S上。陀螺仪结构可以包括激励梳73和感测梳结构74,激励梳73用于将测震质量块70驱动成主要运动,感测梳结构74用于感测因为由于陀螺仪结构的角运动而导致的科里奥利力引起的测震质量块的移动。可以应用电容式换能器结构75来补偿正的感测方向上的正交误差,以及可以应用电容式换能器结构76来补偿负的感测方向上的正交误差。如图7所示,微机电传感器设备可以包括在平面上为轴对称的两个这样的陀螺仪结构。
图8示出了图7的陀螺仪结构的放大的提取部分。图8更详细地示出了图7的电容式换能器结构76的转子梳结构80和定子梳结构81。在驱动方向D与定子梳81中的齿的定子表面之间的非零角度较小,但图8中可以看到倾斜的定向。电容式换能器结构76的静电力被引导以减小正的S方向上的正交误差,即当质量块在正的D方向上偏移时电容式换能器结构的静电力将转子梳的齿朝向负的S方向拉。对应地,图8更详细地示出了图7的电容式换能器结构75的转子梳结构82和定子梳结构83。电容式换能器结构75的静电力被引导以减小负的S方向上的正交误差,即电容式换能器结构的静电力将转子梳的齿朝向正的S方向拉。因为齿的倾斜的定向,所以实现了非常有效的补偿。
对于本领域技术人员而言明显的是,随着技术进步,本发明的基本构思可以以各种方式来实现。本发明及其实施方式因此并非限制于以上示例,而是可以在权利要求的范围内变化。
Claims (15)
1.一种微机电传感器设备,包括:
测震质量块(20);
弹簧结构,用于将所述测震质量块(20)悬置到静态支承结构中,其中,所述弹簧结构针对所述测震质量块限定驱动方向(D)和感测方向(S),所述感测方向(S)与所述驱动方向(D)垂直;
激励装置,用于将所述测震质量块驱动成线性振动,所述线性振动具有在所述驱动方向上具有主要分量以及在所述感测方向上具有由于正交误差导致的次级分量的方向;以及
电容式换能器结构,所述电容式换能器结构包括:
定子(22b),其要被锚定至静态支承结构并且包括至少一个定子表面(26),
转子(21b),其机械地连接至所述测震质量块,所述转子包括被定位成与所述定子表面(26)相对的转子表面;以及
电能源,其布置成在所述定子表面与所述转子表面之间产生静电力;其中,
所述电容式换能器结构被布置成倾斜的定向,其中,在所述驱动方向与所述定子表面的切线之间形成非零角度,并且所述静电力被引导以减小所述线性振动的次级分量。
2.根据权利要求1所述的微机电传感器设备,其特征在于,所述电容式换能器结构的所述定子表面(26)和所述转子表面(25)为平面或曲面。
3.根据权利要求1或2所述的微机电传感器设备,其特征在于,所述电容式换能器结构的所述定子表面(26)和所述转子表面(25)初始彼此对准。
4.根据前述权利要求中任一项所述的微机电传感器设备,其特征在于,所述电容式换能器结构包括具有细长的转子表面(25)的至少一个转子梳齿(21b)。
5.根据权利要求4所述的微机电传感器设备,其特征在于,所述电容式换能器结构包括具有细长的定子表面(26)的定子梳齿(22b),所述定子梳齿(22b)定位成使得所述细长的定子表面(26)相对所述细长的转子表面(25)延伸。
6.根据权利要求4或5所述的微机电传感器设备,其特征在于,所述电容式换能器结构包括从所述测震质量块(20)向相反方向突出的至少一对的两个转子梳齿(21a,21b)。
7.根据权利要求6所述的微机电传感器设备,其特征在于,所述电容式换能器结构被定向成使得成对的转子梳齿中的一个转子梳齿(21a)上的静电力与成对的转子梳齿中的另一转子梳齿(21b)上的静电力相反。
8.根据权利要求7所述的微机电传感器设备,其特征在于包括:一个定子梳齿(22a),其在所述测震质量块的主要运动的一个横向位置处针对所述转子梳齿中的一个转子梳齿(21a)的转子表面提供定子表面;以及另一定子梳齿(22b),其在所述测震质量块的主要运动的相对的横向位置处针对所述转子梳齿中的另一转子梳齿(21b)的转子表面提供定子表面。
9.根据权利要求8所述的微机电传感器设备,其特征在于,所述成对的转子梳齿的转子表面(26,29)平行。
10.根据权利要求8或9所述的微机电传感器设备,其特征在于,所述定子梳齿(22a,22b)的定子表面与所述转子梳齿(21a,21b)的转子表面相对于所述驱动方向以所述非零角度倾斜。
11.根据权利要求5所述的微机电传感器设备,其特征在于包括:第一对定子梳齿和转子梳齿(50,52;63,60)以及第二对定子梳齿和转子梳齿(51,53;64,60),其中,所述第一对定子梳齿和转子梳齿中的定子梳齿(50;63)的定子表面与所述第一对定子梳齿和转子梳齿中的转子梳齿(52;60)的转子表面相对于所述驱动方向以正的非零角度(+α)倾斜,并且所述第二对定子梳齿和转子梳齿中的定子梳齿(51;64)的定子表面与所述第二对定子梳齿和转子梳齿中的转子梳齿(53;60)的转子表面相对于所述驱动方向(D)以负的非零角度(-α)倾斜。
12.根据权利要求11所述的微机电传感器设备,其特征在于包括:四对定子梳齿和转子梳齿,第一对定子梳齿和转子梳齿(50,52)与第二对定子梳齿和转子梳齿(51,53)位于所述测震质量块的主要运动的一个横向位置,以及类似地,倾斜的第三对定子梳齿和转子梳齿(55,56)与倾斜的第四对定子梳齿和转子梳齿(57,58)位于所述测震质量块的主要运动的相对的横向位置。
13.根据权利要求11所述的微机电传感器设备,其特征在于,所述第一对定子梳齿和转子梳齿(63,60)中的转子梳齿与所述第二对定子梳齿和转子梳齿(64,60)中的转子梳齿由一个逐渐变细的转子梳齿元件(60)形成,所述逐渐变细的转子梳齿元件(60)包括相对于所述驱动方向以所述正的非零角度倾斜的转子表面以及相对于所述驱动方向以所述负的非零角度倾斜的转子表面。
14.根据权利要求5所述的微机电传感器设备,其特征在于,所述定子梳齿和所述转子梳齿以成对的形式被布置成倾斜的定向,以使得:
在定子梳齿和转子梳齿对中的定子梳齿(43)中,形成相对于所述驱动方向的所述非零角度的一侧的定子表面为平面并且延伸至所述定子梳齿(43)的整个长度;
在所述定子梳齿和转子梳齿对中的转子梳齿(41)中,所述转子表面为平面并且被与所述定子表面平行对准;
所述定子梳齿(43)和所述转子梳齿(41)的相对侧与所述驱动方向对准,形成了非对称锯齿状补偿结构。
15.根据前述权利要求中任一项所述的微机电传感器设备,其特征在于,所述非零角度处于0.5度至2度的范围内。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FI20136071 | 2013-11-01 | ||
FI20136071A FI127287B (en) | 2013-11-01 | 2013-11-01 | Microelectromechanical sensor device with improved quadrature compensation |
PCT/IB2014/065727 WO2015063727A1 (en) | 2013-11-01 | 2014-10-31 | Improved quadrature compensation |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN105683709A true CN105683709A (zh) | 2016-06-15 |
CN105683709B CN105683709B (zh) | 2019-11-12 |
Family
ID=51903966
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201480058865.1A Active CN105683709B (zh) | 2013-11-01 | 2014-10-31 | 微机电传感器设备 |
Country Status (7)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US9897447B2 (zh) |
EP (1) | EP3063498A1 (zh) |
JP (1) | JP6372566B2 (zh) |
CN (1) | CN105683709B (zh) |
FI (1) | FI127287B (zh) |
TW (1) | TWI611164B (zh) |
WO (1) | WO2015063727A1 (zh) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106500732A (zh) * | 2016-12-22 | 2017-03-15 | 四川纳杰微电子技术有限公司 | 一种微机械陀螺仪正交误差补偿结构 |
CN106595712A (zh) * | 2016-12-22 | 2017-04-26 | 四川纳杰微电子技术有限公司 | 一种新型微机械陀螺仪正交误差补偿结构 |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
AU2015286224B2 (en) * | 2014-07-07 | 2019-07-11 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation | An electromechanical transducer |
US10634499B2 (en) * | 2015-06-11 | 2020-04-28 | Georgia Tech Research Corporation | MEMS inertial measurement apparatus having slanted electrodes for quadrature tuning |
WO2017075413A1 (en) * | 2015-10-28 | 2017-05-04 | Georgia Tech Research Corporation | Comb-driven substrate decoupled annulus pitch/roll baw gyroscope with slanted quadrature tuning electrode |
US10921123B2 (en) | 2016-06-07 | 2021-02-16 | Georgia Tech Research Corporation | Pitch/roll annulus gyroscope with slanted quadrature tuning electrodes and related fabrication methods |
JP2019215190A (ja) * | 2018-06-11 | 2019-12-19 | 株式会社デンソー | 静電アクチュエータおよび物理量センサ |
JP7225817B2 (ja) * | 2019-01-17 | 2023-02-21 | セイコーエプソン株式会社 | 角速度センサー、慣性計測装置、電子機器および移動体 |
CN111412907B (zh) * | 2019-12-30 | 2022-10-14 | 南京理工大学 | 一种微机电多环陀螺的全角测控电路*** |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5992233A (en) * | 1996-05-31 | 1999-11-30 | The Regents Of The University Of California | Micromachined Z-axis vibratory rate gyroscope |
JP2000028366A (ja) * | 1998-07-10 | 2000-01-28 | Murata Mfg Co Ltd | 角速度センサ |
EP2071284A2 (en) * | 2007-12-12 | 2009-06-17 | Honeywell International Inc. | Parametric amplification of a MEMS gyroscope by capacitance modulation |
Family Cites Families (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5600065A (en) * | 1995-10-25 | 1997-02-04 | Motorola, Inc. | Angular velocity sensor |
US6250156B1 (en) * | 1996-05-31 | 2001-06-26 | The Regents Of The University Of California | Dual-mass micromachined vibratory rate gyroscope |
US7051590B1 (en) | 1999-06-15 | 2006-05-30 | Analog Devices Imi, Inc. | Structure for attenuation or cancellation of quadrature error |
US6715353B2 (en) | 2002-04-25 | 2004-04-06 | Honeywell International, Inc. | MEMS gyroscope with parametric gain |
US7231824B2 (en) | 2005-03-22 | 2007-06-19 | Honeywell International Inc. | Use of electrodes to cancel lift effects in inertial sensors |
FR2888394A1 (fr) * | 2005-07-08 | 2007-01-12 | Commissariat Energie Atomique | Dispositif capacitif a volume capacitif optimise |
DE102006049887A1 (de) * | 2006-10-23 | 2008-04-24 | Robert Bosch Gmbh | Drehratensensor mit Quadraturkompensationsstruktur |
KR101940227B1 (ko) * | 2011-12-19 | 2019-01-21 | 엘지이노텍 주식회사 | 멤스 소자 및 흔들림 보정 장치 |
FI125696B (en) * | 2013-09-11 | 2016-01-15 | Murata Manufacturing Co | Gyroscope structure and gyroscope with improved quadrature compensation |
-
2013
- 2013-11-01 FI FI20136071A patent/FI127287B/en active IP Right Grant
-
2014
- 2014-10-28 US US14/525,272 patent/US9897447B2/en active Active
- 2014-10-31 WO PCT/IB2014/065727 patent/WO2015063727A1/en active Application Filing
- 2014-10-31 EP EP14799548.4A patent/EP3063498A1/en active Pending
- 2014-10-31 TW TW103137780A patent/TWI611164B/zh active
- 2014-10-31 CN CN201480058865.1A patent/CN105683709B/zh active Active
- 2014-10-31 JP JP2016527331A patent/JP6372566B2/ja active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5992233A (en) * | 1996-05-31 | 1999-11-30 | The Regents Of The University Of California | Micromachined Z-axis vibratory rate gyroscope |
JP2000028366A (ja) * | 1998-07-10 | 2000-01-28 | Murata Mfg Co Ltd | 角速度センサ |
EP2071284A2 (en) * | 2007-12-12 | 2009-06-17 | Honeywell International Inc. | Parametric amplification of a MEMS gyroscope by capacitance modulation |
US20090320591A1 (en) * | 2007-12-12 | 2009-12-31 | Honeywell International Inc. | Parametric amplification of a mems gyroscope by capacitance modulation |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106500732A (zh) * | 2016-12-22 | 2017-03-15 | 四川纳杰微电子技术有限公司 | 一种微机械陀螺仪正交误差补偿结构 |
CN106595712A (zh) * | 2016-12-22 | 2017-04-26 | 四川纳杰微电子技术有限公司 | 一种新型微机械陀螺仪正交误差补偿结构 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20160153781A1 (en) | 2016-06-02 |
TWI611164B (zh) | 2018-01-11 |
JP6372566B2 (ja) | 2018-08-15 |
FI20136071A (fi) | 2015-05-02 |
CN105683709B (zh) | 2019-11-12 |
WO2015063727A1 (en) | 2015-05-07 |
EP3063498A1 (en) | 2016-09-07 |
US9897447B2 (en) | 2018-02-20 |
FI127287B (en) | 2018-03-15 |
JP2016540972A (ja) | 2016-12-28 |
TW201527716A (zh) | 2015-07-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN105683709A (zh) | 改进的正交补偿 | |
CN105556242B (zh) | 具有改进的正交补偿的陀螺仪结构和陀螺仪 | |
CN105934651B (zh) | 改进的陀螺仪结构和陀螺仪 | |
US10168154B2 (en) | Integrated microelectromechanical gyroscope with improved driving structure | |
US7004024B1 (en) | Horizontal and tuning fork vibratory microgyroscope | |
EP2977722B1 (en) | Vibrating-mass gyroscope systems and method | |
CN102893128B (zh) | 微机械陀螺仪的正交和共振频率的解耦控制方法 | |
EP2202484A1 (en) | Microelectromechanical gyroscope with enhanced rejection of acceleration noise | |
ITTO20090371A1 (it) | Struttura microelettromeccanica con reiezione migliorata di disturbi di accelerazione | |
JP2006162584A (ja) | 音叉型振動式memsジャイロスコープ | |
EP2489981A2 (en) | Angular velocity sensor and electronic device | |
JP4291158B2 (ja) | マイクロメカニカル回転速度センサ | |
JPH06123631A (ja) | 力学量センサ | |
US8733171B2 (en) | Compensating frequency mismatch in gyroscopes | |
JP2012202799A (ja) | バイアス安定性に優れた振動型ジャイロ | |
JPH08285608A (ja) | 角速度センサ | |
Lee et al. | A Non Vacuum Packaged Silicon Micro Gyroscope |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |