专利名称：振动结构陀螺仪的或者涉及振动结构陀螺仪的改进的制作方法
振动结构陀螺仪的或者涉及振动结构陀螺仪的改进本发明涉及振动结构陀螺仪，其特别地但是非排他性地适用于用作利用微机电系 统技术构造的科里奥利(Coriolis)型陀螺仪。利用微机电系统(MEMS)技术制造的科里奥利型陀螺仪现在广泛地用于大范围的 大量生产应用。例如，在汽车行业中，这些陀螺仪可以被采用在先进制动系统、主动式悬挂、 倾侧(rollover)检测和防止应用、以及导航应用中。在陀螺仪用于引导和控制的情况下， 对用于这些应用的陀螺仪的性能要求相对而言是不严格的，特别在与航空航天和军事应用 相比时。用于这些应用的MEMS陀螺仪的适合性在很大程度上基于其低的每单位成本，这 主要是通过MEMS工艺的晶片级制造技术实现的，其使得能够大量地经济地生产MEMS陀螺 仪。MEMS陀螺仪的性能等级与其它类别的陀螺仪(诸如，转轮(spinning-wheel)陀螺仪或 光纤(fibre optic)陀螺仪)相比是相对适中的。然而，较高规格陀螺仪的使用典型地限 制于航空和军事应用，这是因为这些陀螺仪的单位成本过高以至于不被考虑用于大量生产 的汽车和商业应用。相反，MEMS陀螺仪的较低性能能力阻碍了其在主要的航空航天和军事 应用中的使用。英国专利GB2322196描述了一种用于汽车和商业应用的MEMS陀螺仪。该MEMS 陀螺仪较低的成本和耐震(rugged)的性质使其对于用在引导和控制、导航、以及平台 稳定化应用中是有吸引力的。然而，该性能能力，特别是就速率偏移稳定性(rate bias stability)以及信噪比而言，典型地是不足以满足这些要求的。因此增强该现有技术装置 的性能将是有利的。参考
图1，一种与英国专利GB2322196中所描述的类似的已知MEMS陀螺仪10包括 感测元件，其包括平的硅环状结构12，该硅环状结构12由八个顺从性的腿14a至14h外部 地支撑。这些腿Ha至14h又附接到刚性的外部框架16。陀螺仪10被布置用于利用cos2 θ 振动模式对操作，如参考图加和2b所示出的。该振动模式对中的一个被激发作为主载波 (carrier)模式P，图加中虚线指示该主载波模式P中环状结构12的运动的极端情况。在 环状结构12时围绕与环状结构12的平面正交的轴18旋转时，产生科里奥利力，其将能量 耦合到次级响应模式S中，图2b中虚线指示在该次级响应模式S中环状结构12的运动的 极端情况。所引起的运动的幅度与所应用的绕与环状结构12的平面正交的轴的旋转速率 成正比。利用至少一个驱动换能器产生所述主载波模式P，并利用至少一个截取 (pick-Off)换能器检测所述次级响应模式S。所述驱动换能器和截取换能器围绕所述环状 结构12布置。参考图3，为了实现驱动换能器和截取换能器两者，金属轨迹被设置在外部框架 22和环状结构20的上表面上，在绝缘表面氧化物层之上。参考图4，其中相同的附图标记 用于指示与参考图3描述的那些类似的部件，对于八个电路(每一驱动和截取换能器一个 电路)重复金属轨迹对。金属轨迹M的每一电路在第一焊盘26处开始，沿着第一顺从性 的腿28行进，跨环状结构20的八分之一段30，并沿着相邻顺从性的腿32行进回到第二焊盘34。该电路布置对于所述环状结构20的每一八分之一段30重复，以使得每一顺从性的 腿观承载用于两个相邻换能器的金属轨迹对。沿着每一顺从性的腿观、32的中央，在与相邻换能器相关联的金属轨迹M之间， 设置第三金属轨迹36，以降低与相邻换能器相关联的电路间的交叉耦合效应。围绕环状结构20的周界施加磁场B，并且磁场B被布置为垂直于环状结构20的平 面。通过设置在环状结构20周界内侧的永磁体38和在所述环状结构20的周界附近的上 极片40和下极片42，来施加该磁�。錾霞�40和下极片42被布置来将所述磁场集中 在所述极片40、42间的缝隙中。所述环状结构20、顺从性的腿观和32、以及外部框架22被接合到支撑玻璃基板 44上。该组件又被与永磁体38以及极片40、42 —起接合到玻璃支撑结构46上，其被组装 为所述环状结构20被设置在所述上和下极片40、42间的缝隙中。在操作中，在金属轨迹M通过磁场的情况下，交变电流通过金属轨迹M将产生洛 伦兹(Lorentz)力。该力F1的幅度将由下式给出F1 = BIL 式(1)其中B是磁场，I是电流，而L是金属轨迹M在磁场中的长度。如果该交变电流 的频率处在主载波模式的谐振频率，则环状结构20将被激发到谐振振动运动。以该方式布 置的金属轨迹M将限定驱动换能器。在金属轨迹M在磁场内运动的情况下，将跨该金属轨迹M产生电压V，其由下式 给出V = vBL 式 O)其中，ν是金属轨迹M在磁场中的振动运动的峰值速度，B是磁�。鳯是金属轨 迹M在磁场中的长度。以该方式布置的金属轨迹M将限定截取换能器。典型地，这样的MEMS陀螺仪10将以闭环操作模式操作。在该模式中，利用由锁相 环控制的主驱动换能器将主载波模式P驱动在谐振最大处。通过自动增益控制环路将环 状结构12的运动的幅度维持在恒定值，该自动增益控制环路被布置来将如在主截取换能 器处测量的环状结构12的运动的幅度与固定的基准层级进行比较，以及动态地调整到主 驱动换能器的驱动信号以维持恒定的信号水平并因此维持环状结构12的运动的恒定的幅 度。在环状结构12绕与环状结构12的平面正交的轴18旋转时所感生的科里奥利力的幅 度，并因此MEMS陀螺仪10的比例因子(scalefactor)，与主载波模式P运动的幅度成正比。 该科里奥利力将引起以次级响应模式S的运动，其由次级截取换能器检测。在该闭环操作 模式中，通过适当控制的次级驱动换能器使次级响应模式S运动无效(null)。维持次级响 应模式S的无效情形所需的驱动力提供了绕轴18施加的旋转速率的直接表示。通常，对于MEMS陀螺仪10存在许多可能的速率偏移误差源。已知对于MEMS陀螺 仪10最重大的两个误差是正交偏移误差(quadrature bias error)，其由于环状结构12 的几何条件中的不完美而导致；以及交叉耦合误差，其由于主驱动信号到速率信道(rate channel)中检测的次级截取信号中的直接耦合而导致。在其中电子电路被适当地定相位并且对于环状结构12存在一致的载波和响应模 式频率的理想情况下，在MEMS陀螺仪12未经受绕轴18的旋转时在次级截取换能器处将 检测不到运动。然而，在现实中，制造工艺期间导致的环状结构12的小的几何条件不完美将引起主载波P频率和次级响应S模式频率的小的分裂。该频率分裂还趋于将主载波P模 式和次级响应S模式的角位置相对于布置在< =0°处的主驱动换能器固定在任意角度<。 因此，如果该任意角度不是零，<^0°，则通过主驱动换能器施加的主驱动力将在某种程 度上激发主载波P模式和次级响应S模式两者。与主驱动换能器相关联的锁相环电路将调 整驱动频率以在主载波P模式和次级响应S模式之间实现90°的相移。然而，运动将沿着 次级响应模式S的轴存在，而该次级响应模式S相对于主载波模式P将主要在正交相位中。 在闭环系统中，将通过次级驱动换能器施加的正交力分量使该运动无效。使沿着次级响应模式S的轴的运动无效所需的正交驱动级(level)被称作正交偏 移八QUAD，并被定义如下^quad = KX AFXsin4a式(3)其中，是模式频率分裂，(是相对于主驱动轴的模式角，而K是包括用于模态 (modal)耦合系数以及次级驱动增益和主截取增益的项的常数。正交偏移八^皿与需要MEMS陀螺仪来测量的速率信号相比可以是大的。对于汽车 应用中所使用的MEMS陀螺仪10，典型的速率测量范围是士 100° /sec。与该速率信号相 比，正交偏移Aquad(如果以度每秒来度量的话)可以是大的，例如，大于士 100° /sec，并且 可以在MEMS陀螺仪10的操作温度范围上显著地变化。在存在相位误差、的情况下，该误 差信号的一小部分将出现在速率信道上。这将引起速率偏移误差Λ E ，其由下式给出ΩΕγγ = KX AFXsin4a Χ8 ηΦΕ式即使是相对小的相位误差>ε也能够导致显著的速率偏移误差Λ Err。相位误差、或 正交信号随温度的任何变化将导致正交偏移Λ ^/变化，这将严重地限制MEMS陀螺仪10的 准确性和稳定性。典型地，相位误差、在MEMS陀螺仪10的操作温度范围上将是相对稳定 的。然而，正交偏移Aquad典型地将变化一显著的量。该大的变化导致正交偏移误差的相应 大的变化以及因此导致速率偏移性能的不稳定。由于与相邻的换能器相关联的金属轨迹M (其沿着单个顺从性的腿观、32彼此平 行行进)的紧密临近，导致了对主驱动信号交叉耦合到次级截取中并因此交叉耦合到速率 信道中的主要贡献。在金属轨迹M之间布置连接到地的第三金属轨迹36，以使金属轨迹 M之间的直接电容性耦合最小化。然而，在两个金属轨迹对之间仍存在显著的电耦合。由
该耦合导致的交叉耦合偏移误差Λ c的幅度由下式限定
^ KxFxSr ,Qc=^式⑶其中V是耦合系数，F是谐振频率，而Q是谐振模式的品质因子。已知该机制在环 境温度下对速率偏移起贡献，例如在每秒1至2度之间的速率偏移。在MEMS陀螺仪10的 操作温度范围上，该值将按1/Q2比例缩放，并且品质因子Q将变化一显著的量，即，士50%。 因此，该机制对速率偏移随温度的变化起着显著的贡献，所述速率偏移随温度的变化由于 其非线性特性而导致难以补偿。GB 2322196Α公开了一种振动结构陀螺仪，其具有八个顺从性的腿支撑振荡器并 承载电磁驱动装置和传感器。致动器和传感器轨迹在共同的腿上，并由中间轨迹将其彼此 隔离开。该特征趋向于增加腿的宽度。WO 0120257Α公开了一种振动结构陀螺仪，其具有八个顺从性的腿支撑振荡器和压电致动器和传感器。然而，在一个实施例中，采用磁性换能器，利用腿的对来承载换能器 导体并跨振荡器的节点。然而，腿不是对称的。GB 2276976A公开了一种振动结构陀螺仪，包括基本平的环形谐振器；基板；至少一个驱动换能器，其被布置为使环形谐振器在主面内模式中以该主模式的谐 振频率振荡，并且其具有关联的柔性支撑件，所述柔性支撑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们之间径向延伸的对称线(LS)；支撑装置，其包括多个柔性支撑件，所述多个柔性支撑件被布置用于从基板支撑 所述环形谐振器，以及允许所述环形谐振器在所述主面内模式中振荡和响应于绕基本上垂 直于所述环形谐振器的平面的轴施加的角速度在次级面内模式中振荡；和至少一个截取换能器，其被布置用于检测所述环形谐振器的在所述次级面内模式 中的振荡，并且其具有关联的柔性支撑件，所述关联的柔性支撑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们之间径向延伸的对称线；其中，磁场被布置为垂直于所述环形谐振器的平面以使得所述驱动换能器被设置 在所述磁场内；其中所述至少一个驱动换能器包括在所述环形谐振器上的和在所述柔性支撑件 上的金属轨迹，并且具有连续的金属轨迹，所述连续的金属轨迹包括从所述基板开始，沿着 所述第一腿部件、沿着所述环形谐振器的一部分、以及沿着所述第二腿部件行进回到所述 基板的第一轨迹部分，所述第一和第二腿部件仅承载与单个驱动换能器相关联的金属轨 迹。本发明提供了一种如GB 2276976A的上述摘要说明中那样的振动结构陀螺仪，其 特征在于，所述至少一个截取换能器设置在所述磁场中，并具有连续的金属轨迹，所述连续 的金属轨迹包括从所述基板开始，沿着所述第一腿部件、沿着所述环形谐振器的一部分、并 沿着所述第二腿部件行进回到所述基板的第一轨迹部分，所述第一和第二腿部件仅承载与 单个截取换能器相关联的金属轨迹。上面的磁性截取换能器相比GB 2276976A中利用的电容性换能器具有如下优点 可以改善腿的对称性，这是因为每一个腿可以承载一导体轨迹，而在GB ‘976A中在形成电 容性截取换能器的成对的腿中，仅一个承载导体轨迹。优选地，所述连续的金属轨迹进一步至少包括第二轨迹部分，其从所述基板开始， 沿着所述第一腿部件、沿着所述环形谐振器的一部分、和沿着所述第二腿部件延伸回到所 述基板，所述轨迹部分串行连接，并且彼此横向地间隔开。该特征增强了驱动振荡和截取灵敏度，并因此增加了信噪比。优选地，每一个腿部件包括从所述基板向内延伸的径向部分，周向部分，以及第 二径向部分，该第二径向部分被布置为使得所述第一径向部分和第二径向部分经由所述周 向部分彼此连接，并且所述第二径向部分被连接到所述环形谐振器的外周界，而所述周向 部分位于所述磁场外部。该腿配置是高度顺从性的，并且确保了流过所述周向部分的电流不干扰流过沿着 所述环形谐振器的所述部分行进的轨迹的电流的马达或发电机动作。此外，类似地，位于所述磁场外部的所述第一径向部分不导致任何对所述环形谐振器的面内径向振荡的干扰，并 且在所述第一和第二径向部分两者中流动的反平行的电流的影响趋于彼此抵消。优选地，各腿部件的所述第二径向部分以比第二径向部分的长度大的间隔分隔 开。该特征趋于使沿着所述环形谐振器的所述部分行进的并且产生期望的马达动作 (在驱动换能器中)或信号(在截取换能器中)的轨迹部分的长度与不产生期望的马达动 作或信号的所述径向部分及其关联的导体轨迹的长度相比最大化。优选地，所述各腿部件的所述第一径向部分以比所述第一径向部分的长度小的间 隔分隔开。该特征趋于使对沿着所述第一径向部分行进的电流的电感应的抵消最大化。所述柔性支撑件优选绕所述环形谐振器等角地间隔。在一优选实施例中，至少一个主驱动换能器被布置用于使所述环形谐振器在主模 式中以所述主模式的谐振频率振荡，至少一个主截取换能器被布置用于检测所述环形谐振 器的在主模式中的振荡，以及用于将所述环形谐振器维持在所述主模式的所述谐振频率， 至少一个次级截取换能器被布置用于检测在绕基本上与所述环形谐振器垂直的轴施加角 速度时引起的次级模式的振荡，以及至少一个次级驱动换能器被布置用于使所引起的次级 模式振荡无效。所述环形谐振器、基板以及支撑装置可以被布置为基本上在彼此相同的平面中。 所述驱动换能器和截取换能器可以被布置为基本上彼此共面并与所述基板共面。可选地，所述腿部件可以在一端被从位于所述环形谐振器内部的所述基板的中心 毂(central hub)支撑，并且在另一端每一个腿部件连接到所述环形谐振器的内周界。替 代地，每一个腿部件在一端可以被在所述环形谐振器外部从所述基板支撑，并且在另一端 每一个腿部件连接到所述环形谐振器的外周界。可以将所述基板密封以形成包封所述环形谐振器、所述支撑装置以及所述驱动换 能器和截取换能器的密封的腔。所述支撑装置、环形谐振器以及基板可以由硅形成，并且可以在金属轨迹与所述 支撑装置、环形谐振器及基板之间布置绝缘层。现在将参考附图仅以示例的方式描述本发明的优选实施例，在附图中图1以示意性的平面图示出了根据现有技术的MEMS陀螺仪；图加示意性地示出了根据现有技术的环状结构以及主载波模式P的径向位移的 动作；图2b示意性地示出了根据现有技术的环状结构以及次级响应模式S的径向位移 的动作；图3以正截面图示出了根据现有技术的MEMS陀螺仪；图4以部分平面图示出了根据现有技术的根据现有技术的金属轨迹布置；图5以平面图示出了根据本发明的振动结构陀螺仪；图6以曲线图形式示出了作为根据现有技术的MEMS陀螺仪的和根据本发明的振 动结构陀螺仪的操作温度的函数的正交偏移的比较；图7以部分平面图示出了根据本发明的金属轨迹布置；
图8以部分平面图示出了根据本发明替代性的金属轨迹布置；图9以曲线图形式示出了本发明的一实施例中的磁场的垂直分量的径向变化，以 及图10是示出了图5、7和8的实施例的电子信号处理装置的框图。发明人已经认识到，参考图1至4描述的现有技术的MEMS陀螺仪10的正交偏移 的变化是由主载波P模式频率和次级响应S模式频率的频率分裂以及次级响应模式S的位 置随温度的变化而导致的。外部框架22的硅和玻璃支撑结构46间的不同的膨胀趋于使外 部框架22变形。这又以如下的方式使顺从性的腿1 至14h变形主载波P模式和次级响 应S模式被不同地扰动，因此影响其频率和模式相对于环状结构或环形谐振器12的对准。参考图5，振动结构陀螺仪50包括平的硅环状结构52，其由支撑装置M外部地支 撑，所述支撑装置M具有八个柔性支撑件56a至56h，其被布置用于将所述环状结构保持在 限定刚性的外部框架58的基板内。每一个柔性支撑件56a至5 包括一对顺从性的腿60a 和60b，其在一端附接到环状结构52的外周界并在另一端附接到外部框架58的内周界。在 该示例中，所述顺从性的腿60a和60b是彼此对称的，并且每一个顺从性的腿60a、60b包括 第一径向部分62、弧形(arcuate)部分64、以及第二径向部分66，其被布置为使得第一径向 部分62和第二径向部分66经由所述拱形部分64彼此连接，第一径向部分62连接到外部 框架58的内周界，而第二径向部分66连接到环状结构52的外周界。所述第一和第二径向部分在切线方向(以确保对绕轴68的旋转的灵敏度)提供 顺从性，而拱形部分64在径向方向提供顺从性。第一径向部分62紧密的间隔(优选小于 其长度的一半)确保了通过其关联的金属轨迹部分(在图7中示出)的电流的感应效应被 抵消。将理解，环状结构52、外部框架58、和支撑装置M可以利用MEMS制造技术全部由 硅的单个基板形式。以这样的方式，由于顺从性的腿60a和60b的面内刚度(stiffness)被降低，因此 顺从性的腿60a和60b的变形的影响及其导致的对主载波模式和次级响应模式的频率相对 于环状结构52的对准的影响减�。虼嗽诟蟪潭壬辖纷唇峁�52与外部应力和应变隔 离开。这是通过减小顺从性的腿60a和60b的宽度实现的。然而，使用一对顺从性的腿60a 和60b将维持所述顺从性的腿60a和60b提供的面外(out of plane)刚度。维持高的面 外刚度是有利的，因为这限制了环状结构52响应于沿着与环状结构52的平面正交的轴68 施加的冲击和振动输入的运动。这是有益的，因为其减小了振动结构陀螺仪50对外部施加 的机械扰动的灵敏度。因此，图5中示出的支撑装置M具有绕环状结构52等角地间隔开的八个柔性支 撑件56a至56h，每一个柔性支撑件56a、5Mi具有两个顺从性的腿60a、60b，其被布置为具 有与参考图1至4描述的相比显著减小的复合的面内刚度的对称的对。这提供了增强的对 热引起的应力和应变的隔离，并维持使对冲击和振动的灵敏度最小化所需的面外刚度。单 独的顺从性的腿60a、60b的面内刚度将近似与顺从性的腿60a、60b的宽度的立方成比例地 变化。相反地，面外刚度随顺从性的腿60a、60b的宽度线性地变化。因此，减小顺从性的腿 60a、60b的宽度降低了面内刚度。例如，与对于图5布置的顺从性的腿60a、60b的20微米 的宽度相比，对于UK专利GB2322196中所述的装置的顺从性的腿14a至14h的宽度标称为60微米。与M专利GB2322196中所述的装置相比，支撑装置M响应于面内位移的复合刚 度已经降低近似四倍。与之对比的是，与M专利GB2322196的装置相比，根据本布置的支 撑装置M的响应于面外位移的相对刚度仅稍微降低了近似25%。参考图10，主环路包括分别在腿56b和56f上的一对感应截取换能器(由图7或 图8中示出金属轨迹部分构成)。这些经由放大器118连接到解调器144以用于自动增益 控制，并连接相位检测器PD (130)以用于通过在环路滤波器F(S) (132)之后的VC0(压控振 荡器)134设置环的振荡频率。将90度相移用于相位检测器130的基准。在通过增益控制 148和增益级166之后，施加到主驱动换能器(由分别在腿56d和5 上的图7或图8中示 出的金属轨迹部分构成)将环52设置为主运动。P相位为相对于主驱动在90度，并且与主截取同相位。Q相位与主驱动同相位，并 且与主截取信号相差90度。来自次级感应截取换能器(分别由腿56c和56g上的金属轨迹构成)，相对于所 述主的在45度，在放大器120中被放大，并且经由两个解调器154(同相位P)和156(正交 相位Q)进行到环路滤波器G(S) 158和160，之后分别到同相位和正交再调制器162和164。 这两个信号然后结合形成到分别由腿56a和56e上的金属轨迹构成的驱动换能器的次级驱动。来自解调器126的输出速率信号利用所述次级驱动的同相位信号P分量。在使用中，次级驱动换能器被布置用于使在绕敏感轴68施加角速度时引起的次 级模式振荡(S)无效。参考图6，从UK专利GB 2322196的装置的(表示为线74)和根据本发明的振动结 构陀螺仪50的(表示为线76)沿纵坐标70表示的以每秒度计的正交偏移对沿横坐标72 表示的以摄氏度计的温度的关系的比较，可以理解环状结构52对热引起的应变的增强的 面内机械隔离的有益效果。与线76相比线74示出了更大的随温度的变化。例如，本发明 的正交偏移温度稳定性能够呈现出超出UK专利GB2322196的现有技术装置的八倍改进。在图5的装置中，利用至少一个驱动换能器产生主载波模式，并利用至少一个截 取换能器检测次级响应模式。所述驱动换能器和截取换能器绕环状结构52布置，在这种情 况下，存在八个绕环状结构52等角地间隔开的换能器。四个驱动换能器，一对换能器被布 置用于向环状结构52提供主驱动，一对换能器被布置用于向环状结构提供次级驱动；四个 截取换能器，一对换能器被布置用于提供主截取信号，一对换能器被布置用于提供次级截 取信号。参考图7，其中相同的附图标记用于表示与参考图5所述的类似的部件，为了实现 驱动换能器和截取换能器两者，金属轨迹80被设置在每一个顺从性的腿60a、60b、外部框 架58、和环状结构52的上表面上，在绝缘表面氧化物层(未示出)之上。对八个电路(每 一个驱动和截取换能器一个电路)重复金属轨迹80。图7示出了与图5的柔性支撑件56e 相关联的金属轨迹80。金属轨迹80的每一个电路在外部框架58上的第一焊盘82处开始， 沿第一顺从性的腿60a行进，跨环状结构52的八分之一段84，并沿另一顺从性的腿60b行 进回到外部框架58上的第二焊盘86。对环状结构52的每一个八分之一段84重复该电路 布置，使得每一个对顺从性的腿60a和60b仅承载与单个换能器相关联的金属轨迹80。因此，不需要如现有技术中的情况那样的连接到地的分开的第三金属轨迹36来使彼此平行行进的金属轨迹M之间的交叉耦合最小化，其中每一个金属轨迹M与不同的 驱动或截取换能器相关联。这在与主驱动换能器相关联的金属轨迹M沿相同顺从性的腿 28或32平行于与次级截取换能器相关联的金属轨迹M行进的情况下是特别重要的。将与不同换能器相关联的金属轨迹80沿分立的顺从性的腿60a、60b路由降低了 交叉耦合1，并因此降低了交叉耦合偏移误差Λ c因而提高了振动结构陀螺仪50的总体速 率偏移温度稳定性。顺从性的腿绕对称线LS对称地设置，并且金属轨迹的从各顺从性的腿行进到环 状结构52上的部分从所述对称线发散以形成基本上也绕所述对称线对称地设置的环路。 这特征使作用在顺从性的腿上的扰动马达力最小化，并使换能器的增益最大化。如与现有技术一样，绕环状结构52的周界施加磁�。浔蝗∠蛭牖纷唇峁�52的 平面垂直。通过位于环状结构52的周界内侧的永磁体以及上极片和下极片施加所述磁�。� 其被布置用于将磁场汇集在环状结构52的周界附近在所述极片间的缝隙中。环状结构52、顺从性的腿60a、60b和外部框架58被接合到支撑玻璃基板上。该组 件又与所述永磁体和极片一起接合到玻璃支撑结构上，它们被组装为所述环状结构52位 于所述上和下极片间的缝隙中。如先前所述的，在金属轨迹80通过磁场的情况下使交变电流通过金属轨迹80将 产生洛伦兹力。如果该交变电流的频率处在主载波模式的谐振频率，则环状结构52将被激 发到谐振振动运动。以这样的方式布置得金属轨迹80将限定驱动换能器。在金属轨迹80在磁场内运动的情况下，将跨金属轨迹80产生电压。以这样的方 式布置的金属轨迹80将限定截取换能器。这样的MEMS陀螺仪52典型地将在闭环操作模式中操作。在该模式中，利用由锁 相环控制的主驱动换能器将主载波模式驱动在谐振最大处。通过自动增益控制环路将环状 结构52的运动幅度维持在恒定的值，所述自动增益控制环路被布置用于将如主截取换能 器处测量的环状结构52的运动幅度与固定的基准层级比较，并动态地调整去往主驱动换 能器的驱动信号以维持恒定的信号水平，并因此维持环状结构52的恒定的幅度的运动。在 环状结构52绕与环状结构52的平面正交的轴68旋转时引起的科里奥利力的幅度以及因 此的MEMS陀螺仪50的比例因子与主载波模式运动的幅度成正比。科里奥利力将引起在次 级响应模式S中的运动，其由次截取换能器检测。在该闭环操作模式中，通过适当控制的次 级驱动换能器使次级响应模式运动无效。维持次级响应模式的无效情形所需的驱动力提供 了绕轴68施加的旋转速率的直接表示。参考图8，其中已经使用相同的附图标记来表示与参考图5和7描述的类似的部 件，本发明的支撑装置M的进一步优点是，在每一个顺从性的腿60a、60b上存在足够的区 域用于制造绕柔性支撑件56a至56h中的一个或更多个柔性支撑件的两匝金属轨迹80电 路，其是一对横向地间隔开的平行金属轨迹80。为了实现该驱动或截取换能器，金属轨迹 80被设置在每一个顺从性的腿60a、60b、外部框架58和环状结构52的上表面上，在绝缘表 面氧化物层之上。图8示出了与图5的柔性支撑件56e相关联的金属轨迹80。每一个电路 在外部框架58上的第一焊盘82开始，沿第一顺从性的腿60a行进，跨环状结构52的八分 之一段84，并往回沿另一顺从性的腿60b、绕外部框架58上的第二焊盘86、往回沿第一顺 从性的腿60a、跨环状结构52的八分之一段84、沿另一顺从性的腿60b行进至外部框架58上的第二焊盘86。注意，对于每一个绕顺从性的腿60a、60b以及环状结构52的八分之一段 84的路线，金属轨迹80以横向间隔开且平行的关系布置。可以对环状结构52的每一个八 分之一段84重复该电路布置，使得每一对顺从性的腿60a和60b仅承载与单个换能器相关 联的金属轨迹80。 这有效地使施加到环状结构52的磁场内的金属轨迹80的长度双倍。因此，每一 个驱动和截取换能器的增益由此也被双倍。由于制造工艺所施加的对金属轨迹M的几何 条件的限制，该布置对于现有技术的装置将不是可行的。这些限制要求相邻金属轨迹M之 间的大于五微米的最小分离，并在金属轨迹M的边缘和顺从性的腿观的边缘之间要求类 似的分离，以确保相邻金属轨迹M的可靠的电隔离。 使磁场中金属轨迹80的长度双倍，即，增加上面的式1中的长度L分量，将使驱动 换能器施加的驱动增益增加为两倍。这使得能够降低实现给定的主载波模式幅度所需的驱 动电流。耦合到速率信道中的驱动的量，以及因此的交叉耦合偏移Λ c将也被进一步降低， 这将有益于速率偏移温度稳定性。此外，使磁场中的金属轨迹80的长度双倍，即，增加式2中的L分量，也将对于运 动的给定的幅度使得截取换能器处提供的信号增加为两倍。对于这样的在闭环模式中操作 的振动结构陀螺仪50，噪声水平由次级截取放大器的电压噪声主导。因此，使截取换能器信 号水平双倍将在振动结构陀螺仪50的等速率信噪比中提供两倍的改进。再次地，这为振动 结构陀螺仪50提供了另外的性能增强。本发明的优选实施例相对于现有技术的MEMS陀螺仪10具有另外的优点。在UK 专利GB 2322196中描述的MEMS陀螺仪10中，每一个顺从性的腿Ha至14h中相当大的比 例紧邻环状结构12，并因此紧邻其中磁场强度处在最大值的区域。参考图9，通过环状结构 12的中心和顺从性的腿1 至14h的磁场的垂直分量的径向变化被表示为线88。以毫米 (mm)计的该磁场的半径沿横坐标表示，而以毫特拉斯(mT)计的磁场的垂直分量沿纵坐标 表示。如将观察到的，磁场从磁体的边缘Omm半径)增加，并在缝隙的区域(3mm半径)中 处在最大值。磁场随着半径增加(大于3mm)而降低，但是在4mm的半径处仍大约为峰值的 百分之十。因此，对于UK专利GB 2322196的MEMS陀螺仪，每一个顺从性的腿14al4h的相 当大的部分位于高磁场区域中。在电流通过顺从性的腿1 至14h时，将在环状结构12的 平面中产生相当大的力，与电流的路径垂直。这些力是不期望的，因为它们将通过在顺从性 的腿14a至14h的附接点处施加力而激发环状结构12的运动。这些力与环状结构12上的 产生的力不对准，并趋于使驱动换能器施加的净合成驱动力旋转偏离期望的对准。这些力 也趋于与驱动换能器施加至环状结构12的驱动力相反，导致驱动效率降低。支撑与截取换 能器相关联的金属轨迹M的顺从性的腿14a至14h的运动也是有问题的，由于这将引起干 扰环状结构12的运动所产生的期望信号的信号，并因此使MEMS陀螺仪10的准确性劣化。在本发明中，对称的顺从性的腿60a、60b的对被布置为使得第二径向部分66为第 一径向部分62和拱形部分64提供与磁场的缝隙更大的分离。因此，磁场区域内的顺从性 的腿60a、60b的量降低，因此降低了与截取换能器相关联的金属轨迹80中产生的力的幅度 和引起的假(spurious)信号的水平。顺从性腿60a、60b的对称结构也确保了给定的柔性 支撑件56a至56h的每一个顺从性的腿60a、60b上产生的力和信号将基本上相等并相反。 因此，不期望的力和信号将基本上抵消。
因此，改进的支撑装置M促进了对正交偏移温度稳定性的改进，并因此促进了对 振动结构陀螺仪50的总体的速率偏移性能的改进。改进的支撑装置M进一步使得能够实 现降低与驱动换能器和截取换能器相关联的金属轨迹80之间的交叉耦合的金属轨迹80电 路布局，因而使得能够实现对振动结构陀螺仪50的速率偏移温度稳定性的进一步改进。可 以利用相同永磁体、上和下极片实现改进的支撑装置54，而在振动结构陀螺仪50的制造或 组装工艺中没有实质性的改变。所得到的振动结构陀螺仪50也可以并入同样的控制电子 电路，因此使得能够实现改进的正交偏移温度稳定性而没有增加振动结构陀螺仪50的单 位成本。将理解，柔性支撑件的其它配置是可能的。例如，可以在环状结构内内部地布置八 个柔性支撑件，使得顺从性的腿一端附接到环状结构的内周界，在另一端附接自位于环状 结构内部的基板的中心毂。在该实施例中，在该毂上将设置接合(bond-on)焊盘，并且金属 轨迹位于该毂、顺从性的腿和环状结构上。另外的顺从性的腿和轨迹的布置类似于参考图 5到9所描述的。此外，可以将限定外部框架的基板密封以形成包封环状结构52、柔性支撑件56a 到56h、以及关联的金属轨迹80的密封腔，从而阻止不希望的材料进入密封腔内。
权利要求
1.一种振动结构陀螺仪(50)，包括基本上平的环形谐振器(52)；基板(58)；至少一个驱动换能器，其被布置为使所述环形谐振器在主面内模式中以该主模式的谐 振频率振荡，并且其具有关联的柔性支撑件，所述柔性支撑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们之间径向延伸的对称线(LS)；支撑装置(M)，其包括多个柔性支撑件(56a-5^!)，所述多个柔性支撑件被布置用于 从所述基板支撑所述环形谐振器，并允许所述环形谐振器在主面内模式(P)中振荡以及响 应于绕基本上垂直于所述环形谐振器的平面的轴(68)施加的角速度在次级面内模式(S) 中振荡；以及至少一个截取换能器，其被布置用于检测所述环形谐振器在所述次级面内模式中的 振荡，并且具有关联的柔性支撑件，所述关联的柔性支撑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们之间径向延伸的对称线(LS)；其中磁场(B)被布置为垂直于所述环形谐振器(5 的平面，以使得所述驱动换能器位 于所述磁场内；其中，所述至少一个驱动换能器包括在所述环形谐振器上和在所述柔性支撑件上的金 属轨迹(80)，并且具有连续的金属轨迹，所述连续的金属轨迹包括从所述基板开始、沿所述 第一腿部件(60a)、沿所述环形谐振器(5 的一部分、并沿第二腿部件(60b)行进回到所 述基板的第一轨迹部分，所述第一和第二腿部件仅承载与单个驱动换能器关联的金属轨迹 (80)，其特征在于，所述至少一个截取换能器位于所述磁场中，并具有连续的金属轨迹，所述 连续的金属轨迹包括从所述基板开始，沿所述第一腿部件(84)、沿所述环形谐振器(52)的 一部分(84)、并沿所述第二腿部件(60b)行进回到所述基板(58)的第一轨迹部分，所述第 一和第二腿部件(60a、60b)仅承载与单个截取换能器关联的金属轨迹(80)。
2.如权利要求1所述的振动结构陀螺仪(50)，其中所述连续的金属轨迹(80)进一 步至少包括第二轨迹部分，所述第二轨迹部分从所述基板(58)开始、沿所述第一腿部件 (60a)、沿所述环形谐振器(5 的一部分、并沿所述第二腿部件(60b)延伸回到所述基板， 所述轨迹部分串行地并且彼此横向间隔开地连接。
3.如权利要求1或2所述的振动结构陀螺仪(50)，其中每一个腿部件(60a、60b)包括 从所述基板(58)向内延伸的第一径向部分(62)、周向部分(64)、以及第二径向部分(66)， 其被布置为使得所述第一径向部分(6 和第二径向部分(66)经由所述周向部分(64)彼 此连接，并且所述第二径向部分(66)连接到所述环形谐振器(5 的外周界，所述周向部分 (64)位于所述磁场(B)外部。
4.如权利要求3所述的振动结构陀螺仪(50)，其中各腿部件(60a、60b)的所述第二径 向部分(66)以大于所述第二径向部分的长度的间隔分隔开。
5.如权利要求3或4所述的振动结构陀螺仪(50)，其中所述各腿部件(60a、60b)的所 述第一径向部分(62)以比所述第一径向部分的长度小的间隔分隔开。
6.如前面的任一权利要求所述的振动结构陀螺仪(50)，其中布置环状极磁性装置 (20)以将所述磁场(B)汇集在所述环形谐振器(5 上。
7.如前面的任一权利要求所述的振动结构陀螺仪(50)，其中所述柔性支撑件 (56a-56h)绕所述环形谐振器(52)等角地间隔开。
8.如前面的任一权利要求所述的振动结构陀螺仪(50)，其中布置至少一个次级驱动 换能器以使在绕所述轴(68)施加角速度时引起的次级模式振荡( 无效。
9.如前面的任一权利要求所述的振动结构陀螺仪(50)，其中所述环形谐振器(52)、基 板(58)和支撑装置(54)基本上共面。
10.如前面的任一权利要求所述的振动结构陀螺仪(50)，其中所述驱动换能器和截取 换能器基本上彼此共面，并且基本上与所述基板(58)共面。
11.如权利要求1至10中的任一个权利要求所述的振动结构陀螺仪(50)，其中所述腿 部件(60a、60b)是径向顺从性的腿，每一个腿部件在一端连接到所述基板(58)并在另一端 支撑所述环形谐振器(52)。
12.如权利要求11所述的振动结构陀螺仪(50)，其中所述环形谐振器(52)设置在所 述基板(58)内，并且每一个腿部件(60a、60b)从所述的一端到所述的另一端径向地向内延 伸到所述环形谐振器的所述外周界。
13.如前面的任一权利要求所述的振动结构陀螺仪(50)，其中所述基板(58)被密封以 形成包封所述环形谐振器(52)、所述支撑装置(54)以及所述驱动换能器和截取换能器的 密封腔。
14.如前面的任一权利要求所述的振动结构陀螺仪(50)，其中所述支撑装置(M)、环 形谐振器(52)和基板(58)由硅形成。
全文摘要
一种振动结构陀螺仪，包括环状结构(52)、外部框架(58)和柔性支撑件(56e)，该柔性支撑件包括一对对称的顺从性的腿(60a、60b)，其被布置用于将环状结构(52)保持在外部框架(58)内。金属轨迹(80)被设置在外部框架(58)、顺从性的腿(60a、60b)和环状结构(52)的上表面上，在绝缘表面氧化物层(未示出)之上。每一个柔性支撑件(56e)被布置用于承载与单个驱动或截取换能器关联的金属轨迹(80)。对八个电路(每一个换能器一个电路)重复金属轨迹80。与换能器关联的金属轨迹(80)的每一个电路在外部框架(58)上的第一焊盘(82)开始，沿第一顺从性的腿(60a)行进、跨环状结构(52)的八分之一段(84)，并沿另一顺从性的腿(60b)行进回到外部框架(58)上的第二焊盘(86)。
文档编号G01C19/5684GK102089620SQ200980127065
公开日2011年6月8日 申请日期2009年7月10日 优先权日2008年7月12日
发明者C·费尔, R·埃利 申请人:大西洋惯性系统有限公司
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