專利名稱：三軸角速率傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及角速率傳感器或陀螺儀，尤其涉及一種用于監(jiān)測圍繞三個輸入軸 的旋轉的速率傳感器。
背景技術：
汽車和消費市場中的許多應用需要測量圍繞三個正交軸的角速度。當前，最常見 的解決方案是使用三個單獨的速率傳感器，每個速率傳感器測量圍繞一個軸的旋轉。然而， 那樣的解決方案需要三個單獨的傳感器以及三個獨立的集成電路以用于驅動控制和傳感。

發(fā)明內容
一般說來，本發(fā)明的目的是提供一種新的，改進的角速率傳感器或陀螺儀。本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有上述特征的速率傳感器或陀螺儀，它克服了 現(xiàn)有技術的速率傳感器的限制和缺點。根據(jù)本發(fā)明的這些及其他目的通過提供一個角速率傳感器而被實現(xiàn)。該角速率 傳感器用于檢測圍繞第一、第二和第三正交輸入軸的旋轉，具有基板；多個耦合在一起的 一般為平面的檢驗質量，用于沿著多方向驅動軸在包括第一和第二輸入軸的質量平面中 進行線性驅動模式振蕩；在驅動模式中驅動質量進行振蕩的裝置；平面?zhèn)鞲袠嫾?，其被?置在質量平面中；用于把質量安裝到傳感構架以用于在驅動模式中相對于該傳感構架進 行線性移動以及用于在傳感模式中與傳感構架進行旋轉的裝置；用于把傳感構架安裝在 基板上，以用于分別響應通過質量圍繞第一、第二和第三輸入軸旋轉而產生的科里奧利力 (Coriolis forces)，圍繞第一、第二和第三輸入軸彼此獨立地與質量一起旋轉的裝置；對 傳感構架和質量圍繞輸入軸的旋轉移動做出響應，以監(jiān)測旋轉速率的裝置。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的三軸速率傳感器的一個實施例的俯視圖。圖2是一個運行圖，其示意了圖1的實施例的驅動模式振蕩。圖3是根據(jù)本發(fā)明的三軸速率傳感器的另一個實施例的俯視圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的三軸速率傳感器的另一個實施例的俯視圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的三軸速率傳感器的另一個實施例的俯視圖。圖6是一個運行圖，其示意了圖5的實施例的驅動模式振蕩。圖7是根據(jù)本發(fā)明的三軸速率傳感器的另一個實施例的俯視圖。圖8是一個運行圖，其示意了圖7的實施例的驅動模式振蕩。圖9是根據(jù)本發(fā)明的三軸速率傳感器的另一個實施例的俯視圖。圖10是一個運行圖，其示意了圖9的實施例的驅動模式振蕩。圖11是根據(jù)本發(fā)明的三軸速率傳感器的另一個實施例的俯視圖。圖12是結合本發(fā)明的雙軸速率傳感器的一個實施例的俯視圖。
圖13是結合本發(fā)明的單軸速率傳感器的一個實施例的俯視圖。圖14是結合本發(fā)明的雙軸速率傳感器的另一個實施例的俯視圖。圖15是結合本發(fā)明的單軸速率傳感器的另一個實施例的俯視圖。
具體實施例方式如圖1中所示，速率傳感器一般具有四個一般為平面的蝶翼形的檢驗質量(proof masses) 20、22、24、26，當設備靜止時它們位于χ，y參考平面中。檢驗質量圍繞X軸和Y軸 的交點(即中心27)布置，質量(mass) 20、24沿X軸，質量22、26沿Y軸。檢驗質量通過柔性梁或撓性件(flexure) 30被安裝在支撐構架，或傳感構架28 上。這些撓性件約束每個質量在驅動模式中相對于傳感構架沿著預定軸的線性移動，所述 預定軸是該質量的驅動軸。質量20、24的驅動軸沿X軸，而質量22、26的驅動軸沿Y軸。用于每個質量的撓性件在沿著該質量的驅動軸的方向中較柔性，而在其他方向中 較剛性。對每個質量使用多組撓性件進一步抑制了質量和傳感構架之間可能的相對移動， 但是沿著質量驅動軸的線性移動除外。如同質量一樣，傳感構架28—般是平面的并與質量一起布置在x，y平面中。它包 括剛性環(huán)38和柄40。該環(huán)的中心與中心27—致，這也是設備的中心。每個柄被接附到該 環(huán)并且沿著檢驗質量的驅動軸延伸到檢驗質量的內側，以便通過撓性件30安裝質量。環(huán)38通過從環(huán)以徑向延伸的撓性件44被安裝到萬向節(jié)(gimbal)42。每個這樣的 撓性件在其縱向或徑向中較剛性，而在位于質量平面中并且垂直于縱向方向的橫向中較柔 性。它們約束傳感構架圍繞Z軸相對于萬向節(jié)42的旋轉，Z軸垂直于x，y平面并且在中心 27處與該平面相交。萬向節(jié)42還通過一對扭力梁48被樞軸地安裝到另一個萬向節(jié)46以便圍繞X軸 相對于萬向節(jié)46旋轉，扭力梁48沿著X軸延伸。而且，萬向節(jié)46還被安裝到錨柱50，錨柱 50通過一對扭力梁52被接附到基板(未示出)，扭力梁52沿著Y軸延伸以便圍繞Y軸旋 轉。包括部件42到52的懸掛結構將傳感構架安裝在基板上，并且允許它與質量一起圍繞 x、y和Z軸彼此獨立地旋轉?？梢姡瑧覓旖Y構中的多個旋轉部件44、48、52通過萬向節(jié)42、46被串聯(lián)連接。很明 顯，懸掛結構中的旋轉部件的連接序列或順序可以被改變以實現(xiàn)同樣的旋轉功能。這個實 施例只說明了許多可能序列之一。通過在相鄰質量之間連接的耦合彈簧或鏈接梁54，檢驗質量被耦合在一起。相鄰 質量指的是沿著圍繞設備中心的圓周方向的兩個鄰近的質量。在這樣的定義下，例如，質量 20,22是一對相鄰的質量，而質量20、24則不是，因為它們在圓周方向中不相鄰。每個鏈接 梁沿徑向延伸，與相鄰質量的兩個驅動軸形成近似相等的角度，即與X和Y軸成45度角。鏈接梁禁止它所連接到的兩個相鄰質量在與其縱軸(徑向方向平行的方向中相 對移動，而只允許在其垂直于縱向的橫向中做相對移動。因此，它約束相鄰質量沿著它們的 驅動軸以一種協(xié)作的方式移動。例如，當質量20沿X軸以遠離中心27的方向移動時，由于質量20和22之間連接 的鏈接梁的約束，質量22不得不因此沿著其在Y軸中的驅動軸移動離開中心。因此，兩個 相鄰質量沿著它們自己的驅動軸用正好相同的相位振蕩，或者說以同相方式振蕩。
這形成了檢驗質量的驅動模式，即質量沿著它們自己的驅動軸以彼此之間同相的 方式振蕩。而且，在這種耦合設計下，這種驅動模式是系統(tǒng)中質量的最低振動模式。檢驗質量由梳狀驅動致動器(comb drive actuator) 56、58、60、62驅動，梳狀驅動 致動器具有安裝到檢驗質量并且與接附到錨定電極64、66、68、70的固定指狀物交插的可 活動指狀物。致動器56、60具有與X軸平行的梳狀指狀物以用于驅動質量20、24沿著X軸 進行振蕩，而致動器58、62具有與Y軸平行的指狀物以用于驅動質量22、26沿著Y軸進行 振蕩。電極板72、74、76、78被安裝在檢驗質量20、22、24、26下面的基板上，并且分別與 檢驗質量形成電容器80、82、84、86。這些電容器被用來監(jiān)測質量的平面外移動，即質量圍繞 X和Y軸的旋轉。多個平行板電容器88被采用來監(jiān)測傳感構架的平面上的旋轉運動，即傳 感構架圍繞Z軸的旋轉，平行板電容器88具有安裝在環(huán)38上并且與接附到基板的固定板 交插的可活動電極板。這些平行板電容器一般在質量平面中從環(huán)38以徑向延伸。在操作中，驅動信號被應用到驅動致動器56、58、60、62，這使得質量20、24沿著X 軸振蕩，質量22、26沿著Y軸振蕩。由于鏈接梁54的約束，這些質量沿著它們自己的驅動 軸的振蕩是彼此同相的。圖2中示出了這種驅動模式振蕩的模式形狀，其中，箭頭標記出質量的移動方向。用圖1中所示的質量和耦合彈簧的對稱設計，檢驗質量可以在驅動模式中用正好 相同的相位和相等的振幅進行振蕩，這產生了完美平衡的驅動動量(drive momentum), BP 為零的總驅動動量。從而，驅動模式振蕩不向基板注入能量或力。另外，在驅動模式中，相鄰質量的驅動振幅比可以通過改變鏈接梁的方向以形成 對兩個質量的不等角度來調整。這在針對一些應用的速率傳感器設計中可能是所希望的。因為速率傳感器具有被激勵為驅動模式的單質量振蕩，所以單驅動控制電路足以 實現(xiàn)系統(tǒng)中所有質量的振幅調節(jié)的驅動模式振蕩。從而，與將三個單獨的ASIC用于三個速 率傳感器相比，這種三軸速率傳感器所需的應用特定的集成電路(ASIC)更小、成本更低。在存在圍繞X軸或與X軸平行的一個軸的角速度或旋轉的情況下，質量22、26上 產生的科里奧利力使得質量和傳感構架圍繞X軸或速率輸入軸旋轉。平面外的傳感模式旋 轉，因而是圍繞沿著X軸的輸入軸的感應旋轉(sense rotation)，得以被電容器82、86監(jiān)測 到。在存在圍繞Y軸或一個與Y軸平行的軸的旋轉的情況下，質量20、24上產生的科 里奧利力使得質量和傳感構架圍繞Y軸或速率輸入軸旋轉。平面外的傳感模式旋轉，因而 是圍繞沿著Y軸的輸入軸的感應旋轉，得以被電容器80、84監(jiān)測到。在存在圍繞Z軸或一個與Z軸平行的軸的角速度的情況下，質量20、22、24、26上 產生的科里奧利力使得質量和傳感構架圍繞Z軸或速率輸入軸旋轉。該在平面上的傳感模 式旋轉，因而是圍繞沿著ζ軸的輸入軸的感應旋轉，得以被電容器88檢測到。因此，在存在圍繞這三個輸入軸(即X，y和Z軸)中的任意一個軸的旋轉的情 況下，一部分或全部質量上產生的科里奧利力使得所有質量與傳感構架一起以傳感模式振 蕩，這是圍繞該速率輸入軸的感應旋轉。而且，電容傳感器檢測該傳感模式振蕩以監(jiān)測角速 度。因此，這種速率傳感器或三軸陀螺儀具有三個正交速率輸入軸x，y和Z軸。 通常，在存在圍繞任意軸的旋轉時，旋轉矢量可以被分解成沿著三個輸入軸的三個旋轉分量。因此，沿著每個輸入軸的旋轉分量使得傳感構架和質量圍繞該輸入軸彼此獨 立地旋轉。而且，圍繞全部的三個輸入軸的感應旋轉同時被電容器80、82、84、86和88監(jiān)測 至IJ。因此，這種三軸陀螺儀同時測量了沿著三個正交輸入軸的全部三個旋轉矢量分量。因為獨立懸掛和旋轉部件被使用于驅動和傳感模式，所以這些模式可以被很好地 去耦合，以至于模式之間不希望的動態(tài)耦合被最小化，而且所產生的正交誤差和交擾得到 了抑制。圖3示出了類似于圖1實施例的三軸速率傳感器的另一個實施例，但是使用了一 種不同的耦合彈簧設計。這個實施例具有盒式彈簧(box spring)89以用于約束相鄰質量 以同相方式振蕩。
每個盒式彈簧由兩個平行，較長且柔性的(flexible)梁85、87組成，它們的末端 通過兩個較短且剛性的臂彼此連接以形成矩形形狀。盒式彈簧用其平行于其長梁的縱軸來 定向，從而與兩個相鄰質量的兩個驅動軸形成近似相等的角度。它通過分別接附在梁85、87 中間的兩個塊(block)或舌部(tab)連接兩個質量的相鄰邊緣。盒式彈簧一般在其縱向中較剛性，而在其垂直于縱向并且在質量平面中的橫向中 呈順性(compiliant)。類似于圖1實施例的鏈接梁，盒式彈簧約束它連接到的兩個相鄰質 量做平行于其橫向的相對移動。在圖1的實施例中可見，檢驗質量被布置在傳感構架外，而傳感構架的懸掛和旋 轉部件被置于傳感構架內的中心區(qū)域。這種結構安排需要相對較小的傳感構架和萬向節(jié)尺 寸，傳感構架和萬向節(jié)是對產生科里奧利力無貢獻的被動部分。原則上，被動部分的尺寸越 小，產生的傳感模式的轉動慣量越小，這改善了陀螺儀的檢測效率。另外，整體設備的活動部分由位于設備中心的單個錨件(anchor)懸掛并支撐。這 使得陀螺儀對來自外殼(packaging)的外應力不敏感。圖4說明了三軸速率傳感器的另一個實施例，其在質量安裝和耦合設計以及運行 原理方面類似于圖1的實施例，但是具有不同的結構安排，其傳感構架的懸掛結構被布置 在構架之外并圍繞著它。在這個實施例中，檢驗質量92、94、96、98被布置在傳感構架90內部。傳感構架通 過一對扭力梁102被安裝到圍繞著它的萬向節(jié)100上，扭力梁102沿著X軸延伸并且允許 傳感構架相對于萬向節(jié)100圍繞X軸旋轉。萬向節(jié)100還通過另一對扭力梁106被安裝到 圍繞著它的另一個萬向節(jié)104上，扭力梁106沿著Y軸延伸并且允許萬向節(jié)100相對于萬 向節(jié)104圍繞Y軸旋轉。萬向節(jié)104被撓性件108懸掛，撓性件108在徑向中延伸并且約 束萬向節(jié)104圍繞Z軸旋轉。撓性件108被安裝到接附到基板(未示出)的錨柱110。盡管這個實施例通常較之圖1的實施例有較大的不活動部分(這可能會導致較低 的陀螺儀檢測效率)，然而與圖1實施例相比也有一些優(yōu)點。首先，通過在質量外安置懸掛部件和錨件，它通常在Z軸方向為傳感構架和質量 提供了更強的支撐。其次，如圖4中所示，它允許在萬向節(jié)104上安裝平行板電容器112以檢測圍繞Z 軸的旋轉。因為萬向節(jié)104具有到其旋轉中心27的較大半徑并且在運行中沒有平面外的 移動，所以這種設計增加了陀螺儀對圍繞Z軸的速率靈敏度，并且還降低了來自圍繞其他 兩個輸入軸的角速度的交擾(crosstalk)。
圖5中示意的實施例通常類似于圖1的實施例，但是使用了不同的機制來耦合檢驗質量。不同于圖1的實施例，這個實施例的傳感構架具有對角延伸的柄114，柄114與X和 Y軸形成大約45度的角度。檢驗質量116、118、120、122通過布置在質量外的撓性件124、 126被安裝到這些柄。在這個實施例中，耦合結構通常彼此一致，每個耦合結構都被布置在兩個相鄰質 量之間。位于質量118和120之間的耦合結構127由一對傾斜(tilt)梁130、132和支撐 梁128組成。傾斜梁在一端聯(lián)接在一起而形成接頭(joint) 134，而其他端被分別連接到質量而 形成接頭136、138。梁130以預定角度傾斜于和質量118的驅動軸垂直的方向從接頭134 延伸出去。類似地，梁132傾斜于和質量120的驅動軸垂直的方向從接頭134延伸出去。另外，兩個傾斜梁以反方向傾斜，即梁130相對于接頭134向中心27傾斜，而梁 132向離開該中心的方向傾斜。支撐梁128沿著柄114的軸向延伸，其一端被接附到該柄的 末端，另一端連接到接頭134。在運行中，當質量120沿著其位于X軸向的驅動軸向中心27移動時，梁132由于 其傾斜方式推動接頭134移動離開該質量。梁128約束接頭134移動以壓縮梁130。由于 梁130的傾斜方式，該壓縮使得質量118沿著其在Y軸中的驅動軸向中心27移動。類似地，當質量120移動離開該中心時，接頭134被梁132牽引而向該質量移動， 而梁128約束這個移動以牽引梁130，這使得質量118沿著其驅動軸移動離開該中心。從 而，質量118、120沿著它們自己的驅動軸的振蕩按同相方式被耦合。這種耦合效應對于其他的相鄰質量也是成立的，因為它們以同樣的方式被耦合。 因此，所有質量在驅動模式中都沿著它們自己的驅動軸以同相方式彼此相對振蕩。驅動模 式振蕩的模式形狀在圖6中被示出，其中，箭頭標記出質量的移動方向。這種模式是檢驗質 量的最低振動模式。在這種耦合設計中，傾斜梁的使用實現(xiàn)了質量沿著它們的驅動軸的移動和由支撐 梁支撐的傾斜梁的接頭移動之間的一一對應。如果這些梁沒有傾斜，則這樣的對應不會有 效并且不能實現(xiàn)該耦合效應。例如，如果梁132沒有傾斜而是垂直于X軸延伸，則當質量 120沿著其驅動軸以雙向移動時，即朝著或遠離中心27移動時，接頭134會總是被牽引朝著 質量移動，這將導致兩個質量沿著它們的驅動軸的移動方向之間不存在有效約束。因此，重要的是質量的驅動振幅在運行中應該被控制在某個限制之內，以至于傾 斜梁不到達或超過它們等效的不傾斜位置，即傾斜梁大約垂直于驅動軸。在該限制以外，上 述的一一對應無效并且耦合不再有效。通過改變兩個傾斜梁的傾斜角度比以及支撐梁相對于兩個質量的驅動軸的角度， 驅動模式中的相鄰質量的振幅比可以被調整。在這個實施例中，保持兩個傾斜梁以反方向傾斜是必要的。只在這種安排下，相鄰 質量的振蕩才是同相的，這導致繞Z軸旋轉所引起的由所有質量產生的科里奧利扭矩在同 一方向中。然而，這種需求對于三軸速率傳感器來說不是絕對必需的。圖7示出了讓傾斜梁 以同一方向傾斜的另一個實施例。因為它非常類似于圖5的實施例，所以指定了相同的附 圖標記。梁132現(xiàn)在以與圖5實施例相比的反方向傾斜。
如圖8中所示，這種耦合結構的傾斜配置導致相鄰質量以反相方式進行驅動模式 振蕩，即當一個質量向中心27移動時，其相鄰的質量同時移動離開該中心。這種反相振蕩不影響圍繞X和Y軸的旋轉測量。然而，對于圍繞Z軸的旋轉，這導致由質量116、120產生的科里奧利扭矩的方向與由質量118、122產生的相反。因此，這些 扭矩趨向互相抵消，而幾乎不會引起傳感構架圍繞Z軸的旋轉。因此，為了使用這種耦合構造制造三軸陀螺儀，由圍繞Z軸的旋轉所引起的凈科 里奧利扭矩不應該為零，而是需要盡可能地最大化。這可以通過多種方法做到，比如使用不 相等的質量驅動振幅，或在不同軸中使用非均衡的質量等等。圖7中所示的一個替換方法是將Y軸中的質量118、122比沿著X軸的質量116、 120移動得更加遠離中心27。通過這種方法，即使質量和驅動振幅對于所有檢驗質量都一 致(這會導致每個質量圍繞Z軸旋轉而產生的科里奧利力相等)，由質量118、122產生的扭 矩也大于質量116、120所產生的扭矩。因此，這種方法使得陀螺儀在測量圍繞Z軸的角速 度時仍然有效。盡管在檢測圍繞Z軸的角速度時它沒有圖5的實施例那樣效率，然而它可 能適合于一些需要沿著不同的輸入軸的有區(qū)別檢測靈敏度的具體應用。圖9示出了類似于圖5實施例的另一個實施例，但是使用了不同的質量耦合結構 的設計。在這個實施例中，每個耦合結構由三對柔性梁組成。第一對梁，或說傾斜梁140、 142，類似于圖7實施例的梁130、132，其一端連接到兩個質量并且從垂直于驅動軸的方向 傾斜。但是不同于梁130、132，這兩個梁的其他端沒有聯(lián)接到一起。第二對梁，或支撐梁144、146，在一端被接附到柄114，另一端延伸至分別與傾斜 梁相交進而形成接頭148、150。第三對梁，或傳遞梁152、154，被置于梁144和146之間，其 一端被聯(lián)接到一起而形成接頭156，另一端分別被聯(lián)接到接頭148、150。接頭156還被安裝 到橫梁158的中點，橫梁158被布置成垂直于該柄的軸向且其兩端被安裝在該柄上。在這個實施例中，每個耦合結構中的兩個傾斜梁以相對于中心的同一方向傾斜， 即都如這個實施例中所示地朝著中心傾斜。但是不同于圖7的實施例的是，它約束相鄰質 量以同相方式振蕩。例如，當質量120沿著X軸移動且遠離設備中心時，傾斜梁142推動接頭150以遠 離該質量的方向移動。這個移動通過支撐梁146引導并通過傳遞梁154傳遞到接頭156。 另外，橫梁158約束接頭156只以垂直于該梁的方向移動。結果，接頭156以徑向朝著設備 中心移動。這個移動通過傳遞梁152被傳遞到接頭148，并且使得接頭148以垂直于梁144 的方向移動離開質量118。接頭148的這個移動牽引傾斜梁140，并且使得質量118沿著其 位于Y軸向的驅動軸以遠離中心的方向移動。因此，兩個相鄰質量沿著它們的驅動軸以同 相方式振蕩。這個實施例的耦合的驅動模式振蕩示意在圖10中，其中，箭頭標記出質量的 移動方向。這個實施例中的耦合結構比其它實施例中的更加復雜；然而，經發(fā)現(xiàn)它對于用形 成大于90度且接近180度的角度的驅動軸來耦合兩個相鄰質量來說更為有效。為了確保 這個耦合設計有效地工作，該耦合結構中的所有梁都應該被恰當?shù)卦O計使得它們在驅動模 式的正常運行中不會壓彎(buckle)。圖11說明了類似于圖9實施例的三軸陀螺儀的另一個實施例，但是只包括三個檢 驗質量。質量166、168、170通常圍繞中心27均勻分布在X，y平面中并且環(huán)繞著傳感構架163的環(huán)160。質量170的驅動軸沿X軸向，而質量166、168關于X軸對稱布置，其驅動軸在 中心27處相交。這些質量通過撓性件172被安裝到柄162，而柄162被安裝到環(huán)160。類 似于圖1，柄162延伸到質量的內側。相鄰質量之間的耦合結構的設計類似于圖9的實施例。這些耦合結構安裝到被 接附到環(huán)160的柄164。這種耦合設計產生三個質量在驅動模式中的同相振蕩。傳感構架 163的懸掛結構的設計也類似于圖9的實施例，其使得傳感構架能夠獨立地圍繞三個輸入 軸(即X，y和Z軸)旋轉。在運行中，質量由諸如梳狀驅動器(未示出)之類的致動器來驅動在驅動模式中 以同相方式振蕩。在存在圍繞Z軸的旋轉的情況下，質量上引起的科里奧利力在同一方向 中產生扭矩，引起質量和傳感構架圍繞Z軸的傳感模式旋轉。在存在圍繞X軸的旋轉的情 況下，質量166、168通過它們沿著Y軸的速度分量產生科里奧利力，這引起圍繞X軸的傳感 模式旋轉。在存在圍繞Y軸的旋轉的情況下，質量170和質量166、168通過它們沿著X軸 的速度分量產生科里奧利力，從而引起圍繞Y軸的傳感模式旋轉。類似于所公開的其他實施例，由科里奧利扭矩引起的傳感構架和質量的平面上的 傳感模式旋轉被在傳感構架的環(huán)160上安裝的平行板電容器173監(jiān)測到，而平面外的傳感 模式旋轉通常可以被質量下面的電極檢測到。然而，由于采用奇數(shù)個數(shù)的檢驗質量，將這樣 的電極設計在質量下可能是富有挑戰(zhàn)性的工作。這個實施例提供了一種替換方式，即將把 電極174、176、178、180布置在環(huán)160之下，與該環(huán)一起形成電容器。為了增加那些電容器 的電容，環(huán)160現(xiàn)在比其他實施例中的更寬。一些應用只需要測量圍繞一個或兩個軸的旋轉，從而在這些應用中可能更加希望 單軸或雙軸速率傳感器而不是三軸的。本發(fā)明的獨特優(yōu)點是上面公開的每個三軸速率傳感 器可以通過只修改傳感構架的懸掛結構設計而被轉換成(1)具有選自三個正交軸(即X， y和Z軸)的任意一個的輸入軸的單軸速率傳感器，(2)與選自那三個軸的任意兩個的輸入 軸的雙軸陀螺儀，從而允許它只圍繞每個預選擇的輸入軸旋轉。例如圖12中所示，當移除萬向節(jié)46和扭力梁52并且將扭力梁48直接安裝到新 錨柱182時，圖1中所示的三軸陀螺儀的實施例變成具有沿著χ和Z軸的兩個輸入軸的雙 軸速率傳感器。在這種設計下，傳感構架和檢驗質量在傳感模式中只能夠圍繞預選擇的輸 入軸(S卩X和Z軸)旋轉。而且，如圖13中所示，如果進一步移除萬向節(jié)42和扭力梁48并且將撓性件44直 接接附到新錨柱184，則它變成Z軸陀螺儀。類似地如圖14中所示，如果移除撓性件44和萬向節(jié)42，并且通過沿著X軸延伸 的扭力梁186將環(huán)38安裝到萬向節(jié)188，并且還通過沿著Y軸延伸的扭力梁190將萬向節(jié) 188安裝到錨柱192，則圖7的實施例可以被轉換成具有沿著X和Y軸的輸入軸的雙軸陀 螺儀。在這種設計下，具有檢驗質量的傳感構架在傳感模式中只能夠圍繞預選擇的輸入軸 (即X和Y軸)旋轉。而且如圖15中所示，通過將扭力梁186直接連接到錨柱194，它還可 以被轉換成X軸陀螺儀。根據(jù)本發(fā)明的速率傳感器可以通過比如深反應離子刻蝕的適當MEMS工藝由比如 單晶硅、多晶硅、金屬或其他導電材料的材料在諸如硅、玻璃或其他材料之類的基板上制 成。而且，傳感器可以運行在大氣環(huán)境或真空外殼中以取得更好的性能。
如讀者可見，多個實施例被描述成制造一種速率傳感器，其能夠測量圍繞三個正 交輸入軸的旋轉，這使得單個速率傳感器能夠充分感測到圍繞任意軸的旋轉。速率傳感器使用耦合或鏈接的多個檢驗質量，這導致沿著多方向驅動軸的單驅動 模式振蕩以及針對每個速率輸入軸的單傳感模式。質量的單驅動模式振蕩通過耦合相鄰質量而被實現(xiàn)，相鄰質量是在同一平面中但 是沿著不共線或彼此平行的不同驅動軸振蕩的兩個質量。因此，耦合的范圍基本上不同于 那些現(xiàn)有技術中用于耦合兩個具有共線或彼此平行的驅動軸的質量以反相線性運動振蕩 的耦合。相鄰質量之間的同相和反相耦合都可以根據(jù)本發(fā)明來實現(xiàn)，并且每個都可以被用 來制造三軸陀螺儀。在上面的實施例中公開了兩個類型的耦合結構1)浮動耦合結構鏈接梁或彈簧 只被接附到兩個相鄰質量，2)錨定耦合結構每個耦合結構的至少一個耦合部件被安裝在 于驅動模式中是固定的傳感構架上。
三軸速率傳感器中的每個質量被用來感測圍繞垂直于該質量驅動軸的兩個正交 輸入軸的旋轉。那使得每個質量的檢測效率最大化，而現(xiàn)有技術的大多數(shù)傳感器只能夠感 應每個質量圍繞一個軸的旋轉。盡管公開的實施例只包括具有三個和四個檢驗質量的速率傳感器，然而用于三軸 速率傳感器的檢驗質量的數(shù)量決不是被限制于此。實際上，根據(jù)本發(fā)明的三軸陀螺儀中的 檢驗質量的最低要求是兩個質量，其驅動軸形成大于O度且小于180度的角度，即兩個質量 驅動軸不共線或彼此平行。因為每個質量都可以感測到圍繞垂直于其驅動軸的兩個輸入 軸的旋轉(即一個軸在與驅動軸共有的平面內，另一個軸在垂直于該平面的平面中)，這一 要求確保兩個質量的兩個共平面的輸入軸不共線或彼此平行。從而，具有兩個這類質量的 傳感器可以感測所有三個輸入軸中的速率兩個輸入軸共平面而另一個輸入軸垂直于該平 面。例如，如果一個質量(例如質量166)從設備中被移除并且只剩下兩個質量168、 170以及它們之間的耦合結構，則圖11的實施例仍然將起三軸陀螺儀的作用，但是這些質 量的驅動動量在驅動模式中不再平衡。顯而易見，從前文已經提供了一種新的并且改進的角速率傳感器。雖然目前只詳 細描述了優(yōu)選的實施例，但是對于本領域技術人員來說顯而易見的是，在不脫離由下面的 權利要求定義的本發(fā)明范圍的前提下可以做出某些變化和修改。
權利要求
一種角速率傳感器，用于檢測圍繞第一、第二和第三正交輸入軸的旋轉，包括基板；傳感構架，其被布置在由所述第一和第二輸入軸形成的平面中；用于把所述傳感構架安裝在所述基板上并且允許所述傳感構架圍繞所述第一、第二和第三輸入軸彼此獨立地旋轉的裝置；多個檢驗質量，其在該平面中具有預定驅動軸，至少兩個驅動軸彼此形成大于0度且小于1 80度的角度；用于把所述質量安裝在所述傳感構架上并且約束每個質量在驅動模式中沿著所述質量的驅動軸相對于所述傳感構架的線性移動，并且用于在傳感模式中與所述傳感構架一起旋轉的裝置；用于將所述檢驗質量耦合在一起以形成單驅動模式振蕩的裝置；致動裝置，用于驅動所述質量在驅動模式中振蕩；檢測裝置，用于響應于通過所述質量分別圍繞所述第一、第二和第三輸入軸的旋轉而產生的科里奧利力，檢測所述檢驗質量和所述傳感構架圍繞所述第一、第二和第三輸入軸的傳感模式旋轉。
2.根據(jù)權利要求1所述的角速率傳感器，其中，所述檢驗質量通常是平面的并且圍繞 中心布置在平面中，使得它們的驅動軸大約在所述中心處彼此相交。
3.根據(jù)權利要求1所述的角速率傳感器，其中，所述用于把每個質量安裝在所述傳感 構架上的裝置包括一組撓性件，它們在沿著所述質量的所述驅動軸的方向中 較柔性，而在 其他方向中較剛性。
4.根據(jù)權利要求1所述的角速率傳感器，其中，所述用于耦合所述檢驗質量的裝置包 括連接在所述相鄰質量之間的多個耦合結構。
5.根據(jù)權利要求4所述的角速率傳感器，其中，每個所述耦合結構是鏈接梁，它們被布 置在兩個相鄰質量之間并且沿著與所述兩個質量的所述驅動軸成預定角度的方向延伸。
6.根據(jù)權利要求4所述的角速率傳感器，其中，每個所述耦合結構是盒式彈簧，它們被 布置在兩個相鄰質量之間并且用其與所述兩個質量的所述驅動軸形成預定角度的縱軸來 定向。
7.根據(jù)權利要求1所述的角速率傳感器，其中，所述用于耦合所述檢驗質量的裝置包 括連接在所述相鄰質量之間的多個耦合結構，每個耦合結構的至少一個部件安裝在所述傳 感構架上。
8.根據(jù)權利要求7所述的角速率傳感器，其中，每個所述耦合結構包括一對傾斜梁，其 在一端聯(lián)接形成接頭，其他端分別連接到兩個相鄰質量，每個所述傾斜梁以預定角度傾斜 于和所述梁連接到的所述質量的所述驅動軸垂直的方向延伸出去，支撐梁以與所述驅動軸 形成預定角度的方向定向，其一端被聯(lián)接到所述傾斜梁的所述接頭，另一端被安裝到所述 傳感構架。
9.根據(jù)權利要求7所述的角速率傳感器，其中，每個所述耦合結構包括第一對傾斜梁， 其一端連接到所述質量，每個所述傾斜梁以以預定角度傾斜于和所述梁連接到的所述質量 的所述驅動軸垂直的方向延伸出去，第二對支撐梁，其一端被安裝在所述傳感構架上，另一 端連接到所述第一對梁的另一端以分別形成第一和第二接頭，第三對傳遞梁，在其一端被 分別連接到所述第一和第二接頭，另一端被聯(lián)接在一起以形成第三接頭，所述第三接頭還 通過以預定方向延伸的橫向彈簧被安裝到所述傳感構架，以約束所述接頭垂直于該方向的 移動。
10.根據(jù)權利要求1所述的角速率傳感器，其中，用于安裝并允許所述傳感構架圍繞所 述第一、第二和第三輸入軸旋轉的所述裝置包括第一和第二萬向節(jié)，其被布置在所述平面中并且被置于所述傳感構架內，所述第一萬向節(jié)環(huán)繞所述第二萬向節(jié)；錨柱，其被置于所述 第二萬向節(jié)之內并且被接附到所述基板；多個撓性件，其被連接在所述傳感構架和所述第 一萬向節(jié)之間并且在徑向中延伸，用于約束所述傳感構架圍繞所述第三輸入軸相對于所述 第一萬向節(jié)的旋轉；第一對扭力梁，其被連接在所述第一和第二萬向節(jié)之間并且沿著所述 第一輸入軸延伸，以便所述第一萬向節(jié)相對于所述第二萬向節(jié)圍繞所述第一輸入軸旋轉； 第二對扭力梁，其被連接在所述第二萬向節(jié)和所述錨柱之間并且沿著所述第二輸入軸延 伸，以便所述第二萬向節(jié)圍繞所述第二輸入軸旋轉。
11.根據(jù)權利要求1所述的角速率傳感器，其中，用于安裝并允許所述傳感構架圍繞 所述第一、第二和第三輸入軸旋轉的所述裝置包括第一和第二萬向節(jié)，其被布置在所述平 面中，所述第一萬向節(jié)環(huán)繞著所述傳感構架，所述第二萬向節(jié)環(huán)繞著所述第一萬向節(jié)；多個 錨柱，其被置于環(huán)繞著所述第二萬向節(jié)；第一對扭力梁，其被連接在所述傳感構架和所述第 一萬向節(jié)之間并且沿著所述第一輸入軸延伸，以便所述傳感構架相對于所述第一萬向節(jié)圍 繞所述第一輸入軸旋轉；第二對扭力梁，其被連接在所述第一和第二萬向節(jié)之間并且沿著 所述第二輸入軸延伸，以便所述第一萬向節(jié)相對于第二萬向節(jié)圍繞所述第二輸入軸旋轉； 多個撓性件，其被連接在所述第二萬向節(jié)和所述錨柱之間并且在徑向中延伸，以便約束所 述第二萬向節(jié)圍繞所述第三輸入軸的旋轉。
12.根據(jù)權利要求1所述的角速率傳感器，其中，所述致動裝置包括安裝在所述檢驗質 量中的至少一個上的梳狀驅動器。
13.根據(jù)權利要求1所述的角速率傳感器，其中，用于響應科里奧利力檢測所述質量和 所述傳感構架的傳感模式旋轉的所述檢測裝置包括電極板，其被布置在所述質量和所述 傳感構架下面的基板上，以便與所述質量和所述傳感構架形成電容器以用于檢測圍繞所述 第一和第二輸入軸的所述感應旋轉；平行板電容器，具有安裝在所述傳感構架上并且與接 附到所述基板的固定板交插的移動板，以用于檢測圍繞所述第三軸的所述感應旋轉。
14.一種用于檢測旋轉的角速率傳感器，包括基板；多個通常為平面的檢驗質量，其 圍繞中心布置以便沿著多方向驅動軸進行線性振動，所述多方向驅動軸位于所述質量平面 內并且大約在所述中心處相交，至少兩個驅動軸彼此形成大于O度且小于180度的角度；耦 合結構，其被連接在所述相鄰質量之間以便約束所述質量在驅動模式中以協(xié)作方式振蕩； 梳狀驅動器，其被安裝在所述質量中的至少一個上以驅動所述質量在驅動模式中振蕩；第 一、第二和第三正交輸入軸，所述第一和第二輸入軸位于所述質量平面中，所述第三輸入軸 垂直于所述平面；傳感構架，其被布置在所述質量平面中并且通過懸掛結構被安裝在所述 基板上，以便圍繞所述第一、第二和第三輸入軸彼此獨立地旋轉；撓性件，其將所述質量安 裝在所述傳感構架上，以便在驅動模式中沿著所述驅動軸相對于所述傳感構架進行線性移 動并且在傳感模式中圍繞每個輸入軸與所述傳感構架一起旋轉；以及電容傳感器，其響應 通過所述質量分別圍繞所述第一、第二和第三輸入軸的旋轉產生的科里奧利力，對所述質 量和所述傳感構架圍繞所述第一、第二和第三輸入軸的旋轉移動做出響應，以便檢測旋轉 速率。
15.根據(jù)權利要求14所述的角速率傳感器，其中，所述協(xié)作方式是同相方式。
16.根據(jù)權利要求14所述的角速率傳感器，其中，所述協(xié)作方式是反相方式。
17.根據(jù)權利要求14所述的角速率傳感器，其中，所述懸掛結構包括通過萬向節(jié)串聯(lián)連接的多個旋轉部件。
18.根據(jù)權利要求17所述的角速率傳感器，其中，所述旋轉部件被布置在所述傳感構架之內。
19.根據(jù)權利要求17所述的角速率傳感器，其中，所述旋轉部件被布置成環(huán)繞著所述傳感構架。
20.一種用于檢測旋轉的角速率傳感器，包括；至少一個輸入軸，每個輸入軸預選自三 個正交軸；多個檢驗質量，被耦合在一起以便沿著驅動軸在由所述三個正交軸的所述第一 和第二軸形成的平面中進行線性驅動模式振蕩，至少兩個質量沿著彼此形成大于0度且小 于180度的角度的驅動軸振蕩；用于驅動所述質量在驅動模式中進行振蕩的裝置；傳感構 架，其被布置在所述平面中以用于支撐所述質量，并且被安裝用于響應通過所述質量圍繞 所述輸入軸的旋轉產生的科里奧利力，在傳感模式中彼此獨立地圍繞每個所述輸入軸與所 述質量一起旋轉；以及對所述傳感構架和所述質量圍繞每個輸入軸的旋轉移動做出響應以 便檢測所述旋轉速率的裝置。
21.根據(jù)權利要求20所述的角速率傳感器，其中，所述檢驗質量通常是平面的并且圍 繞中心被布置在平面中，因此它們的驅動軸大約在所述中心處彼此相交。
22.根據(jù)權利要求20所述的角速率傳感器，其中，每個質量被一組撓性件安裝在所述 傳感構架上，所述撓性件沿著所述質量的驅動軸較柔性以便在驅動模式中相對于所述傳感 構架進行線性移動，而在所有其他方向中較剛性以至于所述質量和所述傳感構架在每個傳 感模式中一起移動。
23.根據(jù)權利要求20所述的角速率傳感器，其中，所述檢驗質量由多個耦合結構耦合， 每個耦合結構被聯(lián)接在兩個相鄰質量之間。
24.根據(jù)權利要求23所述的角速率傳感器，其中，每個所述耦合結構包括鏈接梁，其被 布置在兩個相鄰質量之間并且沿著與所述兩個質量的驅動軸形成預定角度的方向延伸。
25.根據(jù)權利要求23所述的角速率傳感器，其中，每個所述耦合結構包括盒式彈簧，其 被布置在兩個相鄰質量之間，其縱軸與所述兩個質量的驅動軸形成預定角度。
26.根據(jù)權利要求20所述的角速率傳感器，其中，所述檢驗質量通過多個耦合結構被 耦合，每個耦合結構被連接在兩個相鄰質量之間并且每個耦合結構的至少一個部件被安裝 在所述傳感構架上。
27.根據(jù)權利要求26所述的角速率傳感器，其中，每個所述耦合結構包括一對傾斜梁， 其在一端聯(lián)接形成接頭，其他端分別連接到兩個相鄰質量，每個所述傾斜梁以預定角度傾 斜于垂直于所述梁連接到的所述質量的所述驅動軸的方向被延伸出去，支撐梁以與所述驅 動軸形成預定角度的方向定向，其一端被聯(lián)接到所述傾斜梁的所述接頭，另一端被安裝到 所述傳感構架。
28.根據(jù)權利要求26所述的角速率傳感器，其中，每個所述耦合結構包括第一對傾斜 梁，其一端連接到所述質量，每個所述傾斜梁以預定角度傾斜于垂直于所述梁連接到的所 述質量的所述驅動軸的方向被延伸出去；第二對支撐梁，其一端被安裝在所述傳感構架上， 其他端連接到所述第一對梁的另一端以分別形成第一和第二接頭；第三對傳遞梁，在其一 端被分別連接到所述第一和第二接頭，另一端被聯(lián)接到一起以形成第三接頭，所述第三接 頭還通過以預定方向延伸的橫向彈簧被安裝到所述傳感構架，以約束所述接頭垂直于該方向的移動。
29.根據(jù)權利要求20所述的角速率傳感器，其中，用于驅動所述質量在驅動模式中振 蕩的裝置包括安裝在所述質量中的至少一個上的梳狀驅動器。
30.根據(jù)權利要求20所述的角速率傳感器，其中，所述至少一個輸入軸是所述第一、第二或第三軸。
31.根據(jù)權利要求20所述的角速率傳感器，其中，所述至少一個輸入軸由兩個輸入軸 組成，它們是所述第一和第二軸，所述第二和第三軸，或所述第一和第三軸。
32.根據(jù)權利要求20所述的角速率傳感器，其中，所述至少一個輸入軸由三個輸入軸 組成，它們是所述第一、第二和第三軸。
全文摘要
用于檢測圍繞第一、第二和第三正交輸入軸的旋轉的角速率傳感器，具有多個通常為平面的檢驗質量，檢驗質量被耦合在一起以便在由所述第一和第二輸入軸形成的平面中沿著多方向驅動軸進行線性驅動模式振蕩。所述質量被安裝在通常為平面的傳感構架上，以便在驅動模式中相對于所述傳感構架進行線性移動并且在傳感模式中與所述傳感構架一起進行旋轉。所述傳感構架被安裝用于響應分別通過所述質量圍繞所述第一、第二和第三輸入軸旋轉產生的科里奧利力，在傳感模式中與所述質量一起圍繞第一、第二和第三輸入軸彼此獨立地旋轉。而且，采用對所述質量和所述傳感構架在傳感模式中的旋轉移動做出響應的電容傳感器來檢測旋轉速率。
文檔編號G01C19/56GK101839718SQ20101012612
公開日2010年9月22日 申請日期2010年3月17日 優(yōu)先權日2009年3月17日
發(fā)明者毛敏耀 申請人:毛敏耀