專利名稱：具有改進的驅動結構的集成微機電陀螺儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種集成微機電陀螺儀，特別是具有改進的驅動結構的三軸型集成微機電陀螺儀。
背景技術：
眾所周知，如今的精密加工技術能夠從半導體材料層開始生產微機電系統 (MEMS)，這些半導體材料層已經被沉積(例如，多晶硅層)或者生長(例如，外延層)在犧牲層上，這些犧牲層經由化學蝕刻而被移除。用這種技術獲得的慣性傳感器、加速度計和陀螺儀例如在汽車領域、慣性導航或者便攜式裝置領域中取得了越來越多的成功。特別地，已經知悉用MEMS技術獲得的半導體材料制成的集成陀螺儀。這些陀螺儀基于相對加速度理論、利用科里奧利加速度工作。當把某一角速度的旋轉(其值是待測的) 施加到使用線性速度驅動的移動質量塊時，該移動質量塊“感覺”到被稱作“科里奧利力” 的慣性力，該力確定了移動質量塊在與線性驅動速度方向垂直且與關于其發生旋轉的軸垂直的方向上的位移。移動質量塊經由使得能夠在慣性力方向上發生位移的彈性元件而被支撐。根據胡克定律，該位移與該慣性力以這樣一種方式成比例，該方式使得有可能從該移動質量塊的位移檢測該科里奧利力和產生該科里奧利力的旋轉的角速度值。移動質量塊的位移能夠，例如，以電容方式來檢測，在諧振的情況下確定由移動感測電極的運動引起的電容變化，該電極被相對于移動質量塊固定且被耦合(例如，在所謂“平行板”結構中或者在梳齒結構中)到固定感測電極。MEMS陀螺儀通常具有對稱的感測結構，包括一對用于每個感測軸的感測質量塊， 有可能檢測關于感測軸的對應角速度的旋轉。理想地，通過使用適當的差分讀取機制，總體對稱的結構使得能夠完全排除例如由于作用于傳感器的沖擊或者由于重力加速度產生的外部施加的干擾的線性加速度。實際上，鑒于科里奧利力傾向于在相反方向上并且基本上等量地使每對感測質量塊不平衡(產生“相反相位”運動)，干擾的外部干擾加速度確定其在相同方向上并且等量的位移(產生“同相位”運動)；通過將與每對的兩個感測質量塊相關的電信號相減，理想地有可能測量由于科里奧利力產生的貢獻并完全排除干擾的加速度的貢獻。MEMS陀螺儀還具有驅動結構，該結構以這樣一種方式機械地耦合到感測結構，以使得賦予感測質量塊以沿著相應的驅動方向的線性驅動速度；借助于驅動電極將驅動結構設置成是運動的，該驅動電極從MEMS陀螺儀的電子驅動電路接收適合的電氣偏置信號。特別地，偏置信號是用來借助于與給定驅動質量塊相關的驅動電極的相互的和交變的吸引， 在相應的驅動方向上引起相同的驅動質量塊在給定振蕩頻率的自振蕩(與驅動質量塊的機械諧振頻率相對應)。MEMS陀螺儀的電子驅動電路以已知的方式包括借助于反饋感測結構(特別地， 被設計成用于通過轉換電荷的變化來測量在驅動方向上驅動質量塊的位移的驅動感測電極)，用于在驅動質量塊上傳遞運動并控制其作為結果的驅動運動(特別地，相應振蕩的頻率和幅度)的復雜反饋控制回路。通常，并如所述的那樣，例如，在2009年6月3日以本申請人的名義提交的 No. T02009A000420專利申請中，對于每個驅動方向，電子驅動電路都包括各自的反饋控制回路，并且整體上能夠在相應驅動方向上控制驅動質量塊的驅動，反饋控制回路由電荷放大器塊、相位延遲器、濾波器、振蕩器、可變增益放大器、PLL(鎖相環)級和其它元件構成。因此，顯而易見的是，關于微機械部分和相應的驅動和讀取電子電路，微機電陀螺儀的設計和實施都是特別復雜的。特別地，涉及三軸陀螺儀的驅動，設想多個控制回路(每個驅動方向對應一個)的需求通常需要相當多的資源及在集成實施中相應的高占用面積。 此外，維持在各種驅動方向上的驅動質量塊的振蕩頻率、相位和幅度之間的期望比率通常是復雜的。

發明內容
因此，本發明的目的是提供一種具有改進的機電特征的微機電陀螺儀，特別是關于相應的驅動結構。根據本發明，提供了一種集成MEMS陀螺儀，包括-至少第一驅動質量塊，設計成當驅動電極組件偏置時，被驅動為具有沿著第一軸的第一驅動運動，所述第一驅動運動被設計成當存在所述集成MEMS陀螺儀的旋轉時，產生至少一感測運動；以及-至少第二驅動質量塊，設計成被驅動為具有沿著貫軸于所述第一軸的第二軸的第二驅動運動，所述第二驅動運動被設計成當存在所述集成MEMS陀螺儀的旋轉時，產生至少一個相應的感測運動，特征在于包括被配置成彈性地耦合所述第一驅動質量塊和所述第二驅動質量塊的第一彈性耦合元件，所述耦合的方式使得以給定運動比率耦合所述第一驅動運動到所述第二驅動運動。


為了更好地理解本發明，現在僅利用非限定示例并參考附圖來描述其優選實施例，其中-圖1示出根據本發明的一個方面的MEMS陀螺儀的微機電結構的概要和簡化俯視圖；-圖2-圖4示出根據本發明的變體的MEMS陀螺儀的微機電結構的概要和簡化俯視圖；圖5示出根據本發明的第一實施例的三軸MEMS陀螺儀的布局的概要俯視圖；圖6和圖7示出根據本發明的又一實施例的三軸MEMS陀螺儀的布局的概要俯視圖；圖8示出根據本發明的又一方面的提供有MEMS陀螺儀的電子裝置的簡化框圖。
具體實施例方式正如在此后將要詳細描述的那樣，本發明的一方面設想提供一種集成MEMS陀螺儀，其中在將要在第一驅動方向上移動的至少第一驅動質量塊和將要在垂直于第一驅動方向的第二驅動方向上移動的至少第二驅動質量塊之間提供機械彈性耦合，耦合的方式使得第一驅動質量塊和第二驅動質量塊以彼此同步且具有給定相位關系的方式移動。正如在此后將要詳細描述的那樣，在兩個彼此垂直的驅動方向上相對彼此移動的至少兩個驅動質量塊的存在使得能夠感測關于笛卡爾參照系(相對于MEMS陀螺儀固定)的三個軸的角速度。 驅動質量塊之間的彈性耦合元件的存在使得能夠利用單個驅動運動來移動微機電結構的所有移動質量塊，并因此使得能夠實現用于對驅動運動進行控制的單個反饋控制回路。更詳細地，并參考圖1的概要表示，在此由1標出的三軸MEMS陀螺儀的微機械結構包括第一驅動質量塊加，借助于第一彈性錨具元件如錨定在基底3 (在此被示意性地說明)，錨定方式使得第一驅動質量塊加能夠沿著第一水平軸χ在第一驅動方向(運動方向在圖1中由箭頭表示)上自由線性平移運動，使用中檢測關于該軸χ的俯仰角速度的旋轉；第二驅動質量塊2b，借助于第二彈性錨具元件4b錨定在基底3，錨定方式使得第二驅動質量塊2b能夠沿著垂直于第一水平軸χ的第二水平軸y在第二驅動方向上自由線性平移運動，使用中檢測關于軸y的側滾角速度的旋轉；第三驅動質量塊2c，借助于第三彈性錨具元件4c錨定在基底3，錨定方式使得第三驅動質量塊2c能夠沿著第一水平軸χ在第一驅動方向上自由線性平移運動，并沿著相同的第一水平軸χ與第一驅動質量塊3a對齊以形成第一對驅動質量塊；第四驅動質量塊2d，借助于第四彈性錨具元件4d錨定在基底3，錨定方式使得第四驅動質量塊2d能夠沿著第二水平軸y在第二驅動方向上自由線性平移運動， 并沿著相同的第二水平軸y與第二驅動質量塊2b對齊以形成第二對驅動質量塊。特別地， 驅動同一相同對驅動質量塊，以使得彼此相對地反相移動(正如在此后將要詳細描述的那樣，用這種方式以反相產生用于感測角速度的相應的感測運動)。在所述實施例中，驅動質量塊2a_2d —般地被布置在十字形的末端，進而在中心限定了空白空間5。此外，每個驅動質量塊加_2(1在由第一水平軸χ和第二水平軸y限定的水平平面xy內都具有框架構造，在該框架構造中具有各自的容納開口 6a_6d (但是，正如下面描述的那樣，這種構造不是用于相同的驅動質量塊的唯一有可能的一個)。如圖1示意性地說明的那樣，每個驅動質量塊2a_2d都能夠在它內部圍住被至少部分地布置在各自的容納開口 6a_6d中的一個或多個感測質量塊，該感測質量塊被設計成用于感測MEMS陀螺儀1被設置為旋轉的角速度。感測質量塊經由各自的彈性元件(在此未示出)被機械地連接到各自的驅動質量塊h-2d，該彈性元件關于驅動質量塊2a-2d的驅動運動是剛性的，以使得沿著它們的線性驅動運動被搬運。此外，為了檢測各自的角速度， 優選地以基本上從各自的驅動質量塊2a-2d去耦合的方式，每個感測質量塊都能夠在至少一個感測方向上移動(因此具有至少一個另外的運動自由度)。特別地，在圖1說明的實施例中，每個驅動質量塊2a_2d都被耦合到各自的偏轉感測質量塊8a_8d，該偏轉感測質量塊經由各自的彈性元件(在此未示出)被連接到各自的驅動質量塊2a-2d的框架，連接方式使得其能夠作為關于垂直軸ζ (垂直于水平平面xy)動作的偏轉角速度產生的科里奧利力的結果，在與各自的驅動質量塊加_2(1的驅動運動相垂直的感測方向上自由移動(因此，如果它被耦合到第一驅動質量塊加或者第三驅動質量塊 2c,則沿著第二水平軸y，且如果它被耦合到第二驅動質量塊2b或者第四驅動質量塊2d，則沿著第一水平軸X)。借助于偏轉電極結構(在此未示出)檢測每個偏轉感測質量塊8a-8d
6的位移，該結構被布置成使得在水平平面xy中形成平行板電容結構，其電容作為偏轉感測質量塊8a_8d的位移的函數(并因此作為待檢測偏轉角速度的函數)而變化。第一和第三驅動質量塊2a、2c還被耦合到各自的側滾感測質量塊9a、9c，該側滾感測質量塊經由各自的彈性元件(在此未示出)被連接到各自的驅動質量塊h、2c的框架，連接方式使得能夠作為由關于第二水平軸y以側滾角速度旋轉產生的科里奧利力的結果而沿著垂直軸ζ在感測方向上自由移動。借助于側滾電極結構(在此未示出)檢測每個側滾感測質量塊9a_9c的位移，該側滾電極結構被布置在側滾感測質量塊9a、9c之下(特別地由設置在基底3上且固定地耦合到其上的一個或多個電極構成)，以形成平行板電容結構，其電容作為待檢測的側滾角速度的函數而變化。第二和第四感測質量塊2b、2d還被耦合到各自的俯仰感測質量塊10b、10d，該俯仰感測質量塊經由各自的彈性元件(在此未示出)被連接到各自的驅動質量塊2b、2d的框架，連接方式使得能夠作為由關于第一水平軸χ動作的俯仰角速度的旋轉產生的科里奧利力的結果而沿著垂直軸ζ在感測方向上自由移動。借助于俯仰電極結構(在此未示出)檢測每個俯仰感測質量塊10b、10d的位移，該俯仰電極結構也被布置在各自的俯仰感測質量塊10b、10d之下，以形成各自的平行板電容結構，其電容作為待檢測的俯仰角速度的函數而變化。應當注意的是，在MEMS陀螺儀1的微機械結構的其他實施例中，其中的一些將要在下面被詳細描述，只存在兩個偏轉感測質量塊(例如，被容納在第一和第三驅動質量塊 2a,2c的各自的容納開口 6a、6c中的那些個)。可替換地，一些感測質量塊可以是相一致的而不是相異的；即，它們可能由于各自的彈性支撐元件的結構而能夠在若干感測方向上移動(例如，在沿著與第一水平軸χ對齊的第一和第三驅動質量塊加、2(內設置的偏轉感測和俯仰感測質量塊能夠相一致并且由能夠沿著垂直軸ζ且沿著第二水平軸y 二者移動的單個感測質量塊構成)。此外，由于相關彈性錨具元件的特定構造，驅動質量塊2a_2d 自身能夠與一個或多個感測質量塊相一致，因此在驅動方向和在一個或多個感測方向上都能自由移動。本發明的特別方面設想在任何情況下彈性耦合元件的存在，例如用于機械地耦合到在不同驅動方向上移動的另一個驅動質量塊；彈性耦合元件如此是例如為了確保所有的驅動質量塊以同步方式(具有給定相位)移動，且此外有關同一個驅動方向的驅動質量塊彼此反相地移動(即，與相同的驅動方向意義相反)。詳細地，MEMS陀螺儀1包括第一彈性耦合元件12a，被配置以便于彈性地耦合第一驅動質量塊加和第二驅動質量塊2b，以使第一驅動質量塊加沿著第一水平軸χ的運動與第二驅動質量塊2b沿著第二水平軸y的相應運動相關聯(以給定運動比率)；第二彈性耦合元件12b，被配置以便于彈性地耦合第二驅動質量塊2b和第三驅動質量塊2c，以使第三驅動質量塊2c沿著第一水平軸χ的運動與第二驅動質量塊2b沿著第二水平軸y的相應運動相關聯(以相應的運動比率)；第三彈性耦合元件12c，被配置以便于彈性地耦合第三驅動質量塊2c和第四驅動質量塊2d，以使第三驅動質量塊2c沿著第一水平軸χ的運動與第四驅動質量塊2d沿著第二水平軸y的相應運動相關聯(以相應的運動比率)；以及第四彈性耦合元件12d，被配置以便于彈性地耦合第四驅動質量塊2d和第一驅動質量塊2a，以使第一驅動質量塊加沿著第一水平軸χ的運動與第四驅動質量塊2d沿著第二水平軸y的相應運動相關聯(以相應的運動比率)。每個彈性耦合元件lh-12d都是由折疊型彈簧構成的，該彈簧在驅動質量塊的通過該彈簧機械地耦合的兩個相面對側之間延伸，并具有相對于第一水平軸X成某傾斜角α 傾斜的延伸軸。彈性耦合元件這樣是例如為了沿著延伸軸在所耦合的驅動質量塊之間傳輸相對移動，而它們在垂直于相同延伸軸的方向上理想地是無限剛性的。特別地，傾斜角α確定所耦合的驅動質量塊的位移量之間的比率。有利地，這個傾斜角α是45°，以確定這些位移之間的基本上是一對一的比率(即，以這種方式，對于給定驅動質量塊的位移，基本上具有對應于與其耦合的驅動質量塊的類似位移)。很明顯，不僅傾斜角α的值能夠相對于45°值變化，而且甚至可以為一個或多個彈性耦合元件 12a_12d(例如，為了確定在各種驅動方向上的驅動運動的不同耦合比率)來設想傾斜角α 的不同的值。此外，在真實情況下(其中，彈性元件的剛性不是無限的)，還可能通過適當地修改彈性錨具元件4a_4d來改變所耦合的驅動質量塊的運動之間的比率；在任意情況下， 用于改變運動比率的最方便的方法是改變傾斜角α。在圖1說明的實施例中，第一和第三彈性耦合元件12a、12c具有相同的延伸軸，相對于第一水平軸X以傾斜角α傾斜，該傾斜角是正值。類似地，第二和第四彈性耦合元件 12b、12d具有相同的延伸軸，相對于第一水平軸χ以傾斜角α傾斜，但是該傾斜角是負值。更詳細地，且如圖1中的箭頭所示，彈性耦合元件12a_12d的這種布置使得第一對的驅動質量塊2a、2c沿著第一水平軸χ的靠近運動與第二對的驅動質量塊2b、2d沿著第二水平軸y的靠近運動相關聯；換句話說，沿著第一和第二水平軸χ、y的驅動運動彼此同相 (在任何情況下同一對的驅動質量塊的運動總是彼此反相)。當然，也可以提供其他類型的彈性耦合元件，該其他類型的彈性耦合元件能夠實現相同的、根據預先設置的運動比率來將驅動質量塊hOc)沿著第一水平軸χ的運動約束到驅動質量塊2M2d)沿著第二水平軸 y的運動的功能。利用不同的彈性耦合元件lh-12d和/或每個驅動質量塊2a_2d的彈性錨具元件 4a-4d的結構，還可能實現各驅動質量塊的驅動運動之間不同的比率，所有這些在任何情況下都由這樣的事實區分，即驅動質量塊以同步方式移動并且對于同一個驅動方向的那些彼此反相。詳細地，且參考圖2的示意性和簡化的表示(該圖為了簡化說明而僅示出驅動質量塊，而沒有示出相應的感測質量塊)，通過將彈性耦合元件12a_12d的延伸軸旋轉 90° (或者，更一般地，通過反轉相應的傾斜角α的符號)，可能獲得與此前描述的情形相反的驅動質量塊的運動。在這種情況下，彈性耦合元件12a_12d的布置使得沿著第一水平軸χ彼此遠離的第一對驅動質量塊2a、2c的運動與沿著第二水平軸y的第二對驅動質量塊2b、2d的相應的靠近運動相關聯；沿著第一和第二水平軸x、y的驅動運動彼此反相。能夠被用于檢測沿著三個軸的角速度的驅動運動的另一種類型設想垂直于此前所述的那個的驅動質量塊2a_2d的平移運動。在這種情況中，如圖3所示，沿著第一水平軸 X對齊的第一對的第一和第三驅動質量塊2a、2c通過相應的第一和第三彈性錨具元件4a、 4c被限制為沿著第二水平軸y移動，而沿著第二水平軸y對齊的第二對的第二和第四驅動質量塊2b、2d通過相應的第二和第四彈性錨具元件4b、4d被限制為沿著第一水平軸χ移動。
特別地，圖3中說明的彈性耦合元件12a_12d的布置使得沿著第一和第二水平軸 x、y的驅動運動彼此同相。相反，以一種根據前面的討論而顯而易見的方式，圖4中說明的彈性耦合元件 12a-12d的布置使得沿著第一和第二水平軸x、y的驅動運動彼此反相。應當注意的是，在任何情況下，由于彈性耦合元件12a_12d的存在，單個驅動運動足以將所有的驅動質量塊h-2d，以及相應的感測質量塊設置在運動中，并且因此使得能夠感測偏轉、側滾和俯仰的角速度(且因此能夠實現三軸陀螺儀)。特別地，所述微機械結構使得能夠使用單個施力回路以使所有驅動質量塊保持在運動中。因此，例如，由于借助于彈性耦合元件12a_12d，其他對的驅動質量塊被置于運動中(被一起拉動)，耦合適當的驅動電極到僅一對驅動質量塊(例如，由沿著第一水平軸χ移動的第一和第三驅動質量塊2a、2c構成的那對)就足夠了。現在將更詳細地描述MEMS陀螺儀1的一些結構性圖示或布局。在這些布局中，還提供了一種感測耦合結構，該結構被布置在空白空間5的中心以機械地彼此連接各感測質量塊，基本上如以本申請人名義在2009年5月11日提交的NO.T02009A000371專利申請中所描述的那樣。如在該專利申請中詳細說明的那樣，感測耦合結構被配置以僅允許感測同一對感測質量塊的反相感測運動(即，有關相同的角速度的感測)，需要該感測來讀取相應的角速度，以及相反地屏蔽由于外部干擾而引起的相同感測質量塊的同相運動。 如圖5所說明的那樣，在MEMS陀螺儀1的第一實施例中，驅動質量塊2a_2d具有形狀像“U”或者類似于翻轉或上下顛倒的“U”的框架構造，進而在它們內部限定了朝向空白空間5敞開的各自的容納開口 6a-6d，該空白空間5相對于整個微機械結構被設置在中心。借助于被設計用以僅允許在各自驅動方向上運動的折疊型的一對彈性錨具元件4a_4d， 每個驅動質量塊2a-2d都被錨定在MEMS陀螺儀1的下面的基底(在此未示出)。基本上根據針對圖1的微機械結構所描述的方案，驅動質量塊還借助于彈性耦合元件12a-12d 被彼此耦合。驅動電極的各自的組件13被耦合到第一和第三驅動質量塊h、2c以引起其沿著第一軸X的驅動運動(在任何情況下都顯而易見的是，可替換地或者附加地，類似的驅動組件13能夠被耦合到第二和第四驅動質量塊4b、4d)。每個驅動組件13都包括相對于基底(未示出)固定的固定驅動電極14，以及耦合到各自的驅動質量塊h、2c的移動驅動電極15。固定的和移動的驅動電極14、15被以梳齒結構布置并彼此電容耦合，以在被適當地偏置時產生相互吸引/排斥并引起各個驅動質量塊2a、2c沿著第一水平軸χ的運動。更詳細地，借助于第一彈性支撐元件16 (沿著第二水平軸y延伸且是直線類型的)，第一和第三驅動質量塊h、2c被機械地耦合到各自的側滾感測質量塊9a、9c，側滾感測質量塊9a、9c在水平平面xy內具有基本上呈矩形的形狀(沿著第一水平軸χ延伸)。第一彈性支撐元件16以如下方式從各自的側滾感測質量塊9a、9c的一端開始延伸(該側滾感測質量塊的主體因此以懸臂的方式從相同的第一彈性支撐元件16延伸)，該方式使得側滾感測質量塊9a、9c能夠關于由彈性支撐元件16限定的軸自由旋轉出水平平面xy，因此改變相對于與設置在基底上、側滾感測質量塊9a、9c之下的相應側滾感測電極18的距離(因此引起最終的電容性改變)。
借助于第二彈性支撐元件19 (具有沿著第二水平軸y的延伸軸的折疊型的)，第二和第四驅動質量塊2b、2d被機械地耦合到各自的偏轉感測質量塊8b、8d，偏轉感測質量塊8b、8d在水平平面xy內具有基本上呈“U”形的框架。各自的偏轉感測移動電極23a還與每個偏轉感測質量塊8b、8d相關，并且電容性地耦合到各自的偏轉感測固定電極2 (后者相對于基底固定)。例如，在平面xy內具有基本上是矩形形狀(沿著第二水平軸y延伸)的各自的俯仰感測質量塊10b、10d也被布置在第二和第四驅動質量塊2b、2d的容納開口 6b、6d內；借助于沿著第一水平軸χ延伸且直線型的第三彈性支撐元件20，俯仰感測質量塊10b、10d彈性地連接各自的偏轉感測質量塊8b、8d。應當注意的是，通過各自的偏轉感測質量塊8b、8d 的插入，俯仰感測質量塊10b、10d因此被耦合到各自的驅動質量塊2b、2d (為此目的而設想關于驅動運動的相應的第三彈性支撐元件20的適當剛性)。俯仰感測質量塊10b、10d以懸臂形式從各自的第三彈性支撐元件20延伸，并且面對每個設置在相同俯仰感測質量塊 10b、IOd之下的基底上的相關的俯仰感測電極M。在任何情況下都顯而易見的是，作為沿著第二軸y布置的偏轉感測質量塊8b、8d的代替或補充，能夠進一步提供其他沿著第一水平軸χ布置的偏轉感測質量塊(此前由參考符號8a、8c標出)。如前面提及的那樣，MEMS陀螺儀1進一步包括中心耦合結構25，設置在空白空間 5的中心以獲得各感測質量塊的彈性耦合以例如僅允許每對感測質量塊的反相運動并阻止同相運動(每對感測質量塊被設計成用于感測關于各自感測軸的相應角速度)。正如在前述專利申請No. T02009A000371中詳細描述的那樣，中心耦合結構25被設置以限定剛性連接元件26，該元件具有借助于各自的第一彈性鉸鏈元件27連接到一對中的第一感測質量塊的第一末端和連接到同一對中的第二感測質量塊的與第一末端相反的第二末端。能夠理想地被認為關于彎曲具有無限剛性的剛性連接元件沈在其位于同一對的相同的感測質量塊之間的中間部分(例如其中心部分)處，具有關于感測運動的限制點 (即，在感測質量塊運動期間被強制保持對于平移基本靜止)。特別地，借助于第二彈性鉸鏈元件四，前述中間部分被鉸連到MEMS陀螺儀1的基底，特別地在前述限制點處的中心錨具觀中。應當注意的是，圖5說明了剛性連接元件沈的可能的實施例；但是，無疑，其他實施例也是同樣可能的。第一和第二彈性鉸鏈元件27、四被配置以理想地將剛性連接元件沈在中心處鉸連到基底，并且在其末端鉸連到每對的感測質量塊，從而基本上執行鉸鏈的功能，該鉸鏈理想地被認為不具有任何扭轉剛性且對平移不服從(即，具有無限剛性)。第一和第二彈性鉸鏈元件27J9因此被以如下方式配置，該方式允許剛性連接元件沈相對于與基底的限制點或者各自的感測質量塊旋轉但不允許其(沿著第一水平軸χ或者第二水平軸y)平移。特別地，為了實現第一和第二彈性鉸鏈元件27、29(在各自的鉸鏈點處具有鉸鏈功能)，采用了一種解決方案，其以兩個具有縱向延伸(沿著第一水平軸X或者第二水平軸 y)的可能是折疊的彈簧的使用作為主要部分，該彈簧被設置成從各自的鉸鏈點開始一個作為另一個的延長，以便于在感測質量塊的反相運動期間在水平平面xy (傳感器的平面)內彎曲中或者在扭轉中工作，以及在同相運動過程中在拉伸/壓縮中或者在彎曲出水平平面 xy中工作。假定這些彈簧具有比關于在平面內彎曲/扭轉的形變的剛性高得多的關于拉
10伸/壓縮/彎曲出平面的形變的剛性，則這對柔性元件的行為和放置于具有縱向延伸的彈簧的共同末端的接觸點的鉸鏈非常近似。在使用中，因為第一和第二彈性鉸鏈元件27、29的結構以及它們的彈性形變(在水平平面xy內彎曲或者扭轉出水平平面xy)，所以剛性連接元件沈關于限制中心點(中心錨具28)既能夠在水平平面xy內自由旋轉，該旋轉方式允許偏轉感測質量塊8b、8d沿著第一水平軸χ的反相運動，又能夠旋轉到相同的水平平面xy外，該旋轉方式允許側滾感測質量塊9a、9c的反相運動和俯仰感測質量塊10b、10d的反相運動。相反，第一和第二彈性鉸鏈元件27J9的結構使得剛性連接元件沈不能在水平平面xy內或者沿著垂直軸ζ平移，從而阻礙感測質量塊的同相運動。在第二實施例中(見圖6)，為了改進空間的利用并簡化在此由1’代表的MEMS陀螺儀的微機械結構，驅動質量塊2a_2d還與各感測質量塊相一致(換句話說，為了使得能夠感測各自的角速度，除了各自的驅動運動之外，驅動質量塊2a_2d還能夠執行一個或多個感測運動)。在這種情況中，存在于本結構中的彈性元件的個數被減少，但是這些彈性元件在任何情況中都必須能實現對于MEMS陀螺儀1’的操作有用的所有的運動，并且必須盡可能多地排除假的振動模式。此外，在這個實施例中，如此前對于圖1的微機械結構描述的那樣，實現驅動運動的方案。詳細地，且如圖6說明的那樣，在這種情況下，第一和第三驅動質量塊2a、2c具有水平平面xy內的全矩形形狀，并面對設置在基底(未示出)頂部的各自的滾轉感測電極 18。在這種情況下，各自的第一和第三彈性錨具元件4a、k被配置成允許沿著第一水平軸 X的驅動運動以及沿著垂直軸Z的感測運動。特別地，例如，彈性錨具元件^、4c由彼此垂直設置的折疊型的兩個彈簧構成延伸軸沿著第二水平軸y的第一彈簧，具有耦合到至基底的相應錨具的第一末端；以及延伸軸沿著第一水平軸χ的第二彈簧，具有耦合到相應驅動質量塊加、2(的相應第一末端(兩個彈簧還具有共同的各自的第二末端)。第二和第四驅動質量塊2b、2d還具有在水平平面xy內基本上是矩形的形狀，但是在它們內部限定了各自的容納開口 6b、6d，其中設置有偏轉感測移動電極23a(相對于各自的驅動質量塊2b、2d固定)以及偏轉感測固定電極23b (相對于基底固定)。第二和第四驅動質量塊2b、2d還面對設置在基底上的各自的俯仰感測電極24。各自的第二和第四彈性錨具元件4b、4d是基本上如第一和第三彈性錨具元件如、如那樣獲得的，并且在這種情況下被配置成使得允許沿著第二水平軸y的驅動運動以及沿著垂直軸ζ的俯仰感測運動和沿著第一水平軸χ的偏轉感測運動。第三實施例，如圖7說明的那樣，再次設想了至少一些驅動質量塊(例如，第二和第四驅動質量塊2b、2d)與感測質量塊相一致(基本上如參考圖6所述)，并且還設想了將驅動電極從感測質量塊去耦合以使得減少對待測量角速度(例如，偏轉角速度)的讀取的驅動干擾，盡管在驅動方向上產生了期望的力。在此處通過1”代表的MEMS陀螺儀中，借助于具有沿著第一水平軸χ定向的延伸軸的彈性去耦合元件32，第一和第三驅動質量塊h、2c(其具有，例如，在水平平面xy內的完全矩形形狀)被連接到各自的第一和第三感測質量塊9a、9c。在這種情況中，彈性耦合元件lh-12d被直接連接到第一和第三感測質量塊9a、9c以及第二和第四驅動質量塊2b、 2d (后者還執行感測質量塊的功能)。
彈性去耦合元件32關于沿著第一水平軸χ的驅動運動是剛性的，以便于驅動質量塊h、2c引起各個感測質量塊9a、9c運動，該感測質量塊9a、9c又調動第二和第四驅動質量塊2b、2d，該第二和第四驅動質量塊借助于彈性耦合元件12a-12d與感測質量塊9a、9c機械地耦合。此外，通過在偏轉感測振蕩期間限制(驅動電極組件13的)驅動電極的運動，彈性去耦合元件32基本上能夠使第二和第四驅動質量塊2b、2d的偏轉感測運動與驅動運動去耦合。彈性去耦合元件32因此使得能夠排除由在偏轉感測方向上的相同驅動電極引起的可能的非期望力(換句話說，防止驅動力能夠激勵水平平面xy內的偏轉感測振蕩的模式)。特別地，當存在偏轉感測運動時，彈性去耦合元件32允許驅動電極關于相應的重力中心的旋轉運動，即，例如為了不在偏轉角速度的感測中引起干擾的運動)。在未說明的方式中，借助于適當的彈性去耦合元件，還可能在需要時以類似的方式也獲得驅動運動與離開平面的感測運動(滾轉感測和俯仰感測運動)去耦合。根據本發明的MEMS陀螺儀的優點清楚地出現在前面的描述中。特別地，再次強調的是驅動質量塊的機械耦合的特別解決方案使得能夠實現驅動振動的單個模式，該模式能夠調動所有移動驅動和感測質量塊。在驅動電子電路中，因此， 只出現了用于控制振蕩的單個反饋控制回路。除了更大的結構性簡化之外，存在單個驅動控制回路使得能夠消除干擾，否則該干擾可能出現在處于彼此相近頻率的多個控制回路之間。所述的微機械結構使得能夠耦合所有移動質量塊，耦合方式使得它對于主要的外部干擾(例如由于環境噪聲或者其他性質的噪聲)基本上不敏感，并且僅使能對讀取角速度有用的振蕩模式。所描述的微機械結構是相當緊湊的，使得能夠以集成技術獲得三軸MEMS陀螺儀， 在該陀螺儀中占用空間被降低到最小。基本上，前述特征使得MEMS陀螺儀1、1’、1”特別地適合集成在電子裝置40中，如圖8說明的那樣，該裝置能夠被用于多個電子系統中，例如在慣性導航系統中、在汽車系統中或者在便攜類型的系統中，諸如例如PDA(個人數字助理)；便攜式計算機；手機；數字音頻播放器；照相機；或者視頻攝像機。電子裝置40通常能夠處理、存儲、傳輸和接收信號和信息。電子裝置40包括驅動電路41，被配置成用于在各驅動質量塊2a_2d上傳遞驅動運動，以及將偏置信號提供給微機電結構(以已知方式，在此未詳細說明該方式)；讀取電路42，可操作地耦合于與移動質量塊相關的感測電容，以檢測相同移動質量塊的位移量并因此確定作用于結構上的角速度；以及電子控制單元44，例如，微處理器、微控制器或類似的計算工具，與讀取電路42連接并被設計成例如基于所檢測的和確定的角速度管理電子裝置40的總體操作。最后，很明顯，在不背離如所附權利要求定義的本發明的范圍的前提下，可以對在此已經被描述和說明的內容做出修改和變化。特別地，顯而易見的是，所描述的為了獲得驅動質量塊之間的彈性耦合元件的解決方案不應被理解成是限制，而為了這個目的能夠等同地設想其他解決方案。特別地，能夠提供更多或者更少數量的彈簧，和/或在一些構造性的情況中，可以使用具有不同幾何形狀和/或相對于第一水平軸X和第二水平軸1具有不同傾斜的彈簧。在一些情況中，例如為了優化可用空間，還能夠設置相對于水平軸X，y傾斜某個角度(例如45° )的兩個驅動運動的主軸。顯而易見，彈性耦合元件12a-12d還能夠被以非45°傾角布置，在任何情況下獲得期望的機械耦合(具有不同于理想比率1 1的驅動運動的傳輸率)。在這方面，應當強調的是所描述的結構使得能夠根據例如設計需要實現沿著第一和第二水平軸X，y布置的驅動質量塊之間的均等或不同幅度的運動。此外，驅動和感測電極的布置和結構可以相對于已經在前面被說明和描述的內容而變化(例如，能夠存在驅動電極的單個組件13)。雖然在此說明的MEMS陀螺儀的微機械結構的布局設想了基本上參照圖1所討論的那樣的驅動質量塊的運動，但是顯而易見的是可以在驅動質量塊的不同運動(和彈性耦合元件12a-12d的不同結構)的情況下應用相同的考慮。此外，用已知方式，能夠使用除了電容性技術以外的技術，例如通過磁力的感測來獲得移動質量塊的位移，并且能夠用不同的方式，例如借助于平行板電極或者通過磁激勵來產生驅動運動。
1權利要求
1.一種集成MEMS陀螺儀(1 ;1，；1”)，包括-至少第一驅動質量塊(加)，被設計成當驅動電極的組件(1 偏置時，被驅動為具有沿著第一軸U)的第一驅動運動，所述第一驅動運動設計成當存在所述集成MEMS陀螺儀 (1 ；1' ；1”)的旋轉時，產生至少一感測運動；以及-至少第二驅動質量塊(2b)，設計成被驅動為具有沿著垂直于所述第一軸(χ)的第二軸(y)的第二驅動運動，所述第二驅動運動被設計成當存在所述集成MEMS陀螺儀(1 ；1’ ； 1”)的旋轉時，產生至少一個相應的感測運動，其特征在于，包括被配置成彈性地耦合所述第一驅動質量塊Oa)和所述第二驅動質量塊Ob)的第一彈性耦合元件(1 )，所述耦合的方式使得以給定運動比率耦合所述第一驅動運動到所述第二驅動運動。
2.根據權利要求1的陀螺儀，其中所述第一驅動運動被設計成作為科里奧利力的結果，響應于所述集成MEMS陀螺儀(1 ；1’ ；1”)以偏轉角速度關于正交于所述第一軸(χ)和所述第二軸(y)的垂直軸(ζ)的旋轉，產生沿著所述第二軸(y)的感測運動，以及響應于所述集成MEMS陀螺儀(1 ；1’ ；1”)的以側滾角速度關于所述第二軸(y)的旋轉，產生沿著所述垂直軸(ζ)的感測運動；以及其中所述第二驅動運動被設計成作為科里奧利力的結果， 響應于所述集成MEMS陀螺儀(1 ；1’；1”)以所述偏轉角速度關于所述垂直軸(ζ)的旋轉產生沿著所述第一軸(χ)的感測運動，以及響應于所述集成MEMS陀螺儀(1 ；1’ ；1”)以俯仰角速度關于所述第一軸(χ)的旋轉，產生沿著所述垂直軸(ζ)的感測運動。
3.根據權利要求1的陀螺儀，其中所述第一彈性耦合元件(12a)被配置成使所述第二驅動質量塊Ob)根據所述給定運動比率被所述第一驅動質量塊Oa)引入所述第二驅動運動中。
4.根據權利要求1的陀螺儀，其中所述第一彈性耦合元件(12a)具有相對于所述第一軸(X)以非零值的傾斜角(α)傾斜的方向上的延伸軸，并被配置成在所述第一驅動質量塊 (2a)和所述第二驅動質量塊Ob)之間沿著所述延伸軸傳遞相對運動。
5.根據權利要求4的陀螺儀，其中所述傾斜角(α)是45°，且所述運動比率基本上是 1 1的比率；即，所述第一驅動質量塊Oa)的位移對應所述第二驅動質量塊Ob)的基本上相等的位移。
6.根據權利要求1的陀螺儀，其中所述第一彈性耦合元件(12a)是折疊型的。
7.根據權利要求1的陀螺儀，其中所述第一彈性耦合元件(12a)被配置以使得所述第一驅動運動和第二驅動運動是彼此同步的振蕩運動。
8.根據權利要求1的陀螺儀，其中所述驅動電極的組件(1 僅被連接到所述第一驅動質量塊Oa)而不被連接到所述第二驅動質量塊Ob)。
9.根據權利要求1的陀螺儀，包括第一彈性錨具元件Ga)，該元件被連接在所述第一驅動質量塊Oa)和所述集成MEMS陀螺儀(1 ；1’；1”)的基底(3)之間，且被配置以限制所述第一驅動質量塊Oa)來沿著所述第一軸(χ)執行所述第一驅動運動；以及第二彈性錨具元件(4b)，該元件被連接在所述第二驅動質量塊Qb)和所述基底C3)之間，且被配置以限制所述第二驅動質量塊Ob)來沿著所述第二軸(y)執行所述第二驅動運動。
10.根據權利要求9的陀螺儀，進一步包括第三驅動質量塊(2c)，該驅動質量塊被設計成當所述驅動電極的組件(1 偏置時，被驅動為具有沿著所述第一軸(χ)的第三驅動運動，且借助于第三彈性錨具元件Ge)被錨定到所述基底(3)；第四驅動質量塊(2d)，該驅動質量塊設計成被驅動為具有沿著所述第二軸(y)的第四驅動運動，并借助于第四彈性錨具元件Gd)錨定到所述基底(3)；以及其他彈性耦合元件(12b-12d)，與所述第一彈性耦合元件(12a) —起被配置，以使得彈性地耦合所述第一驅動質量塊Oa)、第二驅動質量塊Ob)、 第三驅動質量塊Oc)和第四驅動質量塊Cd)，以使所述第一驅動運動和第三驅動運動是同步的并且彼此反相，且所述第二和第四驅動運動是同步的并且彼此反相。
11.根據權利要求10的陀螺儀，其中所述第二彈性錨具元件Gb)和第四彈性錨具元件Gd)被配置成使得所述第二驅動質量塊Ob)和所述第四驅動質量塊Od)還能夠響應于所述集成MEMS陀螺儀(1 ；1’；1”)以同一角速度的同一旋轉，分別執行各自的感測運動； 還包括感測耦合結構(25)，被配置以便以使得所述各自的感測運動彼此反相的方式使所述第二驅動質量塊Ob)和第四驅動質量塊Od)彈性地彼此耦合，并且以便于抑制所述第二驅動質量塊Ob)和第四驅動質量塊Od)的同相運動。
12.根據權利要求11的陀螺儀，其中所述感測耦合結構05)包括剛性元件( )，該剛性元件使所述第二驅動質量塊Ob)和第四驅動質量塊Od)彼此連接，具有在它們中間的位置的限制點；以及彈性耦合裝置(27)，設計成連接所述剛性元件06)的各自的末端到所述第二驅動質量塊Ob)和第四驅動質量塊Od)；所述限制點對于平移基本上是靜止的。
13.根據權利要求10的陀螺儀，其中所述第二彈性錨具元件Gb)和所述第四彈性錨具元件Gd)被配置成使得所述第二驅動質量塊Ob)和所述第四驅動質量塊Od)分別能夠響應于所述集成MEMS陀螺儀(1 ；1’ ；1”)以俯仰角速度關于所述第一軸(χ)的旋轉，執行沿著所述垂直軸(ζ)的第一感測運動，以及響應于所述集成MEMS陀螺儀(1 ；1’ ；1”)以偏轉角速度關于所述垂直軸(ζ)的旋轉，執行沿著所述第一軸U)的第二感測運動。
14.根據權利要求13的陀螺儀，進一步包括第一感測質量塊(9a)，經由彈性去耦合元件(3 連接到所述第一驅動質量塊Oa)并經由所述第一彈性耦合元件(12a)連接到所述第二驅動質量塊Ob)；其中所述彈性去耦合元件(3 關于所述第一驅動運動是剛性的并且還被配置以便于使所述第二驅動質量塊Ob)和第四驅動質量塊Od)的所述第二感測運動從所述第一驅動運動去耦合。
15.根據權利要求1的陀螺儀，進一步包括借助于各自的彈性支撐元件(16、20)，與所述第一驅動質量塊Oa)和所述第二驅動質量塊Ob)分別彈性地耦合的至少一個第一感測質量塊(9a)和至少一個第二感測質量塊(IOb)；所述各自的彈性支撐元件(16、20)被配置成使得分別在所述第一驅動運動和第二驅動運動期間，所述第一感測質量塊(9a)和所述第二感測質量塊(IOb)分別相對于所述第一驅動質量塊Oa)和所述第二驅動質量塊Ob) 固定，而且還具有便于執行各自的感測運動的另外的運動自由度。
16.一種電子裝置(40)，包括根據權利要求1的集成MEMS陀螺儀(1 ； 1’ ； 1”)，而且還包括可操作地耦合到所述集成MEMS陀螺儀(1 ；1’ ；1”)用于向所述驅動電極的組件(13) 提供電氣偏置信號從而驅動所述第一驅動質量塊Oa)和所述第二驅動質量塊Ob)的驅動級 Gl)。
17.根據權利要求16的裝置，其中所述驅動級00)包括用于控制驅動所述第一驅動質量塊Qa)和所述第二驅動質量塊Ob)的單個反饋控制回路。
全文摘要
一種集成MEMS陀螺儀(1；1’；1”)，配備有至少第一驅動質量塊(2a)，當驅動電極的組件(13)偏置時，被驅動為具有沿著第一軸(x)的第一驅動運動，當存在集成MEMS陀螺儀(1；1’；1”)的旋轉時，第一驅動運動產生至少一個感測運動；以及至少第二驅動質量塊(2b)，被驅動為具有沿著垂直于第一軸(x)的第二軸(y)的第二驅動運動，當存在集成MEMS陀螺儀(1；1’；1”)的旋轉時，第二驅動運動產生至少一個相應的感測運動。該集成MEMS陀螺儀還配備有彈性地耦合第一驅動質量塊(2a)和第二驅動質量塊(2b)的第一彈性耦合元件(12a)，所述耦合的方式使得以給定運動比率耦合第一驅動運動到所述第二驅動運動。
文檔編號G01C19/56GK102183246SQ20101062519
公開日2011年9月14日 申請日期2010年12月24日 優先權日2009年12月24日
發明者G·卡扎尼加, L·科多納托 申請人:意法半導體股份有限公司