专利名称：三轴角速率传感器的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及角速率传感器或陀螺仪，尤其涉及一种用于监测围绕三个输入轴 的旋转的速率传感器。
背景技术：
汽车和消费市场中的许多应用需要测量围绕三个正交轴的角速度。当前，最常见 的解决方案是使用三个单独的速率传感器，每个速率传感器测量围绕一个轴的旋转。然而， 那样的解决方案需要三个单独的传感器以及三个独立的集成电路以用于驱动控制和传感。

发明内容
一般说来，本发明的目的是提供一种新的，改进的角速率传感器或陀螺仪。本发明的另一个目的是提供一种具有上述特征的速率传感器或陀螺仪，它克服了 现有技术的速率传感器的限制和缺点。根据本发明的这些及其他目的通过提供一个角速率传感器而被实现。该角速率 传感器用于检测围绕第一、第二和第三正交输入轴的旋转，具有基板；多个耦合在一起的 一般为平面的检验质量，用于沿着多方向驱动轴在包括第一和第二输入轴的质量平面中 进行线性驱动模式振荡；在驱动模式中驱动质量进行振荡的装置；平面传感构架，其被布 置在质量平面中；用于把质量安装到传感构架以用于在驱动模式中相对于该传感构架进 行线性移动以及用于在传感模式中与传感构架进行旋转的装置；用于把传感构架安装在 基板上，以用于分别响应通过质量围绕第一、第二和第三输入轴旋转而产生的科里奥利力 (Coriolis forces)，围绕第一、第二和第三输入轴彼此独立地与质量一起旋转的装置；对 传感构架和质量围绕输入轴的旋转移动做出响应，以监测旋转速率的装置。


图1是根据本发明的三轴速率传感器的一个实施例的俯视图。图2是一个运行图，其示意了图1的实施例的驱动模式振荡。图3是根据本发明的三轴速率传感器的另一个实施例的俯视图。图4是根据本发明的三轴速率传感器的另一个实施例的俯视图。图5是根据本发明的三轴速率传感器的另一个实施例的俯视图。图6是一个运行图，其示意了图5的实施例的驱动模式振荡。图7是根据本发明的三轴速率传感器的另一个实施例的俯视图。图8是一个运行图，其示意了图7的实施例的驱动模式振荡。图9是根据本发明的三轴速率传感器的另一个实施例的俯视图。图10是一个运行图，其示意了图9的实施例的驱动模式振荡。图11是根据本发明的三轴速率传感器的另一个实施例的俯视图。图12是结合本发明的双轴速率传感器的一个实施例的俯视图。
图13是结合本发明的单轴速率传感器的一个实施例的俯视图。图14是结合本发明的双轴速率传感器的另一个实施例的俯视图。图15是结合本发明的单轴速率传感器的另一个实施例的俯视图。
具体实施例方式如图1中所示，速率传感器一般具有四个一般为平面的蝶翼形的检验质量(proof masses) 20、22、24、26，当设备静止时它们位于χ，y参考平面中。检验质量围绕X轴和Y轴 的交点(即中心27)布置，质量(mass) 20、24沿X轴，质量22、26沿Y轴。检验质量通过柔性梁或挠性件(flexure) 30被安装在支撑构架，或传感构架28 上。这些挠性件约束每个质量在驱动模式中相对于传感构架沿着预定轴的线性移动，所述 预定轴是该质量的驱动轴。质量20、24的驱动轴沿X轴，而质量22、26的驱动轴沿Y轴。用于每个质量的挠性件在沿着该质量的驱动轴的方向中较柔性，而在其他方向中 较刚性。对每个质量使用多组挠性件进一步抑制了质量和传感构架之间可能的相对移动， 但是沿着质量驱动轴的线性移动除外。如同质量一样，传感构架28—般是平面的并与质量一起布置在x，y平面中。它包 括刚性环38和柄40。该环的中心与中心27—致，这也是设备的中心。每个柄被接附到该 环并且沿着检验质量的驱动轴延伸到检验质量的内侧，以便通过挠性件30安装质量。环38通过从环以径向延伸的挠性件44被安装到万向节(gimbal)42。每个这样的 挠性件在其纵向或径向中较刚性，而在位于质量平面中并且垂直于纵向方向的横向中较柔 性。它们约束传感构架围绕Z轴相对于万向节42的旋转，Z轴垂直于x，y平面并且在中心 27处与该平面相交。万向节42还通过一对扭力梁48被枢轴地安装到另一个万向节46以便围绕X轴 相对于万向节46旋转，扭力梁48沿着X轴延伸。而且，万向节46还被安装到锚柱50，锚柱 50通过一对扭力梁52被接附到基板(未示出)，扭力梁52沿着Y轴延伸以便围绕Y轴旋 转。包括部件42到52的悬挂结构将传感构架安装在基板上，并且允许它与质量一起围绕 x、y和Z轴彼此独立地旋转。可见，悬挂结构中的多个旋转部件44、48、52通过万向节42、46被串联连接。很明 显，悬挂结构中的旋转部件的连接序列或顺序可以被改变以实现同样的旋转功能。这个实 施例只说明了许多可能序列之一。通过在相邻质量之间连接的耦合弹簧或链接梁54，检验质量被耦合在一起。相邻 质量指的是沿着围绕设备中心的圆周方向的两个邻近的质量。在这样的定义下，例如，质量 20,22是一对相邻的质量，而质量20、24则不是，因为它们在圆周方向中不相邻。每个链接 梁沿径向延伸，与相邻质量的两个驱动轴形成近似相等的角度，即与X和Y轴成45度角。链接梁禁止它所连接到的两个相邻质量在与其纵轴(径向方向平行的方向中相 对移动，而只允许在其垂直于纵向的横向中做相对移动。因此，它约束相邻质量沿着它们的 驱动轴以一种协作的方式移动。例如，当质量20沿X轴以远离中心27的方向移动时，由于质量20和22之间连接 的链接梁的约束，质量22不得不因此沿着其在Y轴中的驱动轴移动离开中心。因此，两个 相邻质量沿着它们自己的驱动轴用正好相同的相位振荡，或者说以同相方式振荡。
这形成了检验质量的驱动模式，即质量沿着它们自己的驱动轴以彼此之间同相的 方式振荡。而且，在这种耦合设计下，这种驱动模式是系统中质量的最低振动模式。检验质量由梳状驱动致动器(comb drive actuator) 56、58、60、62驱动，梳状驱动 致动器具有安装到检验质量并且与接附到锚定电极64、66、68、70的固定指状物交插的可 活动指状物。致动器56、60具有与X轴平行的梳状指状物以用于驱动质量20、24沿着X轴 进行振荡，而致动器58、62具有与Y轴平行的指状物以用于驱动质量22、26沿着Y轴进行 振荡。电极板72、74、76、78被安装在检验质量20、22、24、26下面的基板上，并且分别与 检验质量形成电容器80、82、84、86。这些电容器被用来监测质量的平面外移动，即质量围绕 X和Y轴的旋转。多个平行板电容器88被采用来监测传感构架的平面上的旋转运动，即传 感构架围绕Z轴的旋转，平行板电容器88具有安装在环38上并且与接附到基板的固定板 交插的可活动电极板。这些平行板电容器一般在质量平面中从环38以径向延伸。在操作中，驱动信号被应用到驱动致动器56、58、60、62，这使得质量20、24沿着X 轴振荡，质量22、26沿着Y轴振荡。由于链接梁54的约束，这些质量沿着它们自己的驱动 轴的振荡是彼此同相的。图2中示出了这种驱动模式振荡的模式形状，其中，箭头标记出质量的移动方向。用图1中所示的质量和耦合弹簧的对称设计，检验质量可以在驱动模式中用正好 相同的相位和相等的振幅进行振荡，这产生了完美平衡的驱动动量(drive momentum), BP 为零的总驱动动量。从而，驱动模式振荡不向基板注入能量或力。另外，在驱动模式中，相邻质量的驱动振幅比可以通过改变链接梁的方向以形成 对两个质量的不等角度来调整。这在针对一些应用的速率传感器设计中可能是所希望的。因为速率传感器具有被激励为驱动模式的单质量振荡，所以单驱动控制电路足以 实现系统中所有质量的振幅调节的驱动模式振荡。从而，与将三个单独的ASIC用于三个速 率传感器相比，这种三轴速率传感器所需的应用特定的集成电路(ASIC)更小、成本更低。在存在围绕X轴或与X轴平行的一个轴的角速度或旋转的情况下，质量22、26上 产生的科里奥利力使得质量和传感构架围绕X轴或速率输入轴旋转。平面外的传感模式旋 转，因而是围绕沿着X轴的输入轴的感应旋转(sense rotation)，得以被电容器82、86监测 到。在存在围绕Y轴或一个与Y轴平行的轴的旋转的情况下，质量20、24上产生的科 里奥利力使得质量和传感构架围绕Y轴或速率输入轴旋转。平面外的传感模式旋转，因而 是围绕沿着Y轴的输入轴的感应旋转，得以被电容器80、84监测到。在存在围绕Z轴或一个与Z轴平行的轴的角速度的情况下，质量20、22、24、26上 产生的科里奥利力使得质量和传感构架围绕Z轴或速率输入轴旋转。该在平面上的传感模 式旋转，因而是围绕沿着ζ轴的输入轴的感应旋转，得以被电容器88检测到。因此，在存在围绕这三个输入轴(即X，y和Z轴)中的任意一个轴的旋转的情 况下，一部分或全部质量上产生的科里奥利力使得所有质量与传感构架一起以传感模式振 荡，这是围绕该速率输入轴的感应旋转。而且，电容传感器检测该传感模式振荡以监测角速 度。因此，这种速率传感器或三轴陀螺仪具有三个正交速率输入轴x，y和Z轴。 通常，在存在围绕任意轴的旋转时，旋转矢量可以被分解成沿着三个输入轴的三个旋转分量。因此，沿着每个输入轴的旋转分量使得传感构架和质量围绕该输入轴彼此独 立地旋转。而且，围绕全部的三个输入轴的感应旋转同时被电容器80、82、84、86和88监测 至IJ。因此，这种三轴陀螺仪同时测量了沿着三个正交输入轴的全部三个旋转矢量分量。因为独立悬挂和旋转部件被使用于驱动和传感模式，所以这些模式可以被很好地 去耦合，以至于模式之间不希望的动态耦合被最小化，而且所产生的正交误差和交扰得到 了抑制。图3示出了类似于图1实施例的三轴速率传感器的另一个实施例，但是使用了一 种不同的耦合弹簧设计。这个实施例具有盒式弹簧(box spring)89以用于约束相邻质量 以同相方式振荡。
每个盒式弹簧由两个平行，较长且柔性的(flexible)梁85、87组成，它们的末端 通过两个较短且刚性的臂彼此连接以形成矩形形状。盒式弹簧用其平行于其长梁的纵轴来 定向，从而与两个相邻质量的两个驱动轴形成近似相等的角度。它通过分别接附在梁85、87 中间的两个块(block)或舌部(tab)连接两个质量的相邻边缘。盒式弹簧一般在其纵向中较刚性，而在其垂直于纵向并且在质量平面中的横向中 呈顺性(compiliant)。类似于图1实施例的链接梁，盒式弹簧约束它连接到的两个相邻质 量做平行于其横向的相对移动。在图1的实施例中可见，检验质量被布置在传感构架外，而传感构架的悬挂和旋 转部件被置于传感构架内的中心区域。这种结构安排需要相对较小的传感构架和万向节尺 寸，传感构架和万向节是对产生科里奥利力无贡献的被动部分。原则上，被动部分的尺寸越 小，产生的传感模式的转动惯量越小，这改善了陀螺仪的检测效率。另外，整体设备的活动部分由位于设备中心的单个锚件(anchor)悬挂并支撑。这 使得陀螺仪对来自外壳(packaging)的外应力不敏感。图4说明了三轴速率传感器的另一个实施例，其在质量安装和耦合设计以及运行 原理方面类似于图1的实施例，但是具有不同的结构安排，其传感构架的悬挂结构被布置 在构架之外并围绕着它。在这个实施例中，检验质量92、94、96、98被布置在传感构架90内部。传感构架通 过一对扭力梁102被安装到围绕着它的万向节100上，扭力梁102沿着X轴延伸并且允许 传感构架相对于万向节100围绕X轴旋转。万向节100还通过另一对扭力梁106被安装到 围绕着它的另一个万向节104上，扭力梁106沿着Y轴延伸并且允许万向节100相对于万 向节104围绕Y轴旋转。万向节104被挠性件108悬挂，挠性件108在径向中延伸并且约 束万向节104围绕Z轴旋转。挠性件108被安装到接附到基板(未示出)的锚柱110。尽管这个实施例通常较之图1的实施例有较大的不活动部分(这可能会导致较低 的陀螺仪检测效率)，然而与图1实施例相比也有一些优点。首先，通过在质量外安置悬挂部件和锚件，它通常在Z轴方向为传感构架和质量 提供了更强的支撑。其次，如图4中所示，它允许在万向节104上安装平行板电容器112以检测围绕Z 轴的旋转。因为万向节104具有到其旋转中心27的较大半径并且在运行中没有平面外的 移动，所以这种设计增加了陀螺仪对围绕Z轴的速率灵敏度，并且还降低了来自围绕其他 两个输入轴的角速度的交扰(crosstalk)。
图5中示意的实施例通常类似于图1的实施例，但是使用了不同的机制来耦合检验质量。不同于图1的实施例，这个实施例的传感构架具有对角延伸的柄114，柄114与X和 Y轴形成大约45度的角度。检验质量116、118、120、122通过布置在质量外的挠性件124、 126被安装到这些柄。在这个实施例中，耦合结构通常彼此一致，每个耦合结构都被布置在两个相邻质 量之间。位于质量118和120之间的耦合结构127由一对倾斜(tilt)梁130、132和支撑 梁128组成。倾斜梁在一端联接在一起而形成接头(joint) 134，而其他端被分别连接到质量而 形成接头136、138。梁130以预定角度倾斜于和质量118的驱动轴垂直的方向从接头134 延伸出去。类似地，梁132倾斜于和质量120的驱动轴垂直的方向从接头134延伸出去。另外，两个倾斜梁以反方向倾斜，即梁130相对于接头134向中心27倾斜，而梁 132向离开该中心的方向倾斜。支撑梁128沿着柄114的轴向延伸，其一端被接附到该柄的 末端，另一端连接到接头134。在运行中，当质量120沿着其位于X轴向的驱动轴向中心27移动时，梁132由于 其倾斜方式推动接头134移动离开该质量。梁128约束接头134移动以压缩梁130。由于 梁130的倾斜方式，该压缩使得质量118沿着其在Y轴中的驱动轴向中心27移动。类似地，当质量120移动离开该中心时，接头134被梁132牵引而向该质量移动， 而梁128约束这个移动以牵引梁130，这使得质量118沿着其驱动轴移动离开该中心。从 而，质量118、120沿着它们自己的驱动轴的振荡按同相方式被耦合。这种耦合效应对于其他的相邻质量也是成立的，因为它们以同样的方式被耦合。 因此，所有质量在驱动模式中都沿着它们自己的驱动轴以同相方式彼此相对振荡。驱动模 式振荡的模式形状在图6中被示出，其中，箭头标记出质量的移动方向。这种模式是检验质 量的最低振动模式。在这种耦合设计中，倾斜梁的使用实现了质量沿着它们的驱动轴的移动和由支撑 梁支撑的倾斜梁的接头移动之间的一一对应。如果这些梁没有倾斜，则这样的对应不会有 效并且不能实现该耦合效应。例如，如果梁132没有倾斜而是垂直于X轴延伸，则当质量 120沿着其驱动轴以双向移动时，即朝着或远离中心27移动时，接头134会总是被牵引朝着 质量移动，这将导致两个质量沿着它们的驱动轴的移动方向之间不存在有效约束。因此，重要的是质量的驱动振幅在运行中应该被控制在某个限制之内，以至于倾 斜梁不到达或超过它们等效的不倾斜位置，即倾斜梁大约垂直于驱动轴。在该限制以外，上 述的一一对应无效并且耦合不再有效。通过改变两个倾斜梁的倾斜角度比以及支撑梁相对于两个质量的驱动轴的角度， 驱动模式中的相邻质量的振幅比可以被调整。在这个实施例中，保持两个倾斜梁以反方向倾斜是必要的。只在这种安排下，相邻 质量的振荡才是同相的，这导致绕Z轴旋转所引起的由所有质量产生的科里奥利扭矩在同 一方向中。然而，这种需求对于三轴速率传感器来说不是绝对必需的。图7示出了让倾斜梁 以同一方向倾斜的另一个实施例。因为它非常类似于图5的实施例，所以指定了相同的附 图标记。梁132现在以与图5实施例相比的反方向倾斜。
如图8中所示，这种耦合结构的倾斜配置导致相邻质量以反相方式进行驱动模式 振荡，即当一个质量向中心27移动时，其相邻的质量同时移动离开该中心。这种反相振荡不影响围绕X和Y轴的旋转测量。然而，对于围绕Z轴的旋转，这导致由质量116、120产生的科里奥利扭矩的方向与由质量118、122产生的相反。因此，这些 扭矩趋向互相抵消，而几乎不会引起传感构架围绕Z轴的旋转。因此，为了使用这种耦合构造制造三轴陀螺仪，由围绕Z轴的旋转所引起的净科 里奥利扭矩不应该为零，而是需要尽可能地最大化。这可以通过多种方法做到，比如使用不 相等的质量驱动振幅，或在不同轴中使用非均衡的质量等等。图7中所示的一个替换方法是将Y轴中的质量118、122比沿着X轴的质量116、 120移动得更加远离中心27。通过这种方法，即使质量和驱动振幅对于所有检验质量都一 致(这会导致每个质量围绕Z轴旋转而产生的科里奥利力相等)，由质量118、122产生的扭 矩也大于质量116、120所产生的扭矩。因此，这种方法使得陀螺仪在测量围绕Z轴的角速 度时仍然有效。尽管在检测围绕Z轴的角速度时它没有图5的实施例那样效率，然而它可 能适合于一些需要沿着不同的输入轴的有区别检测灵敏度的具体应用。图9示出了类似于图5实施例的另一个实施例，但是使用了不同的质量耦合结构 的设计。在这个实施例中，每个耦合结构由三对柔性梁组成。第一对梁，或说倾斜梁140、 142，类似于图7实施例的梁130、132，其一端连接到两个质量并且从垂直于驱动轴的方向 倾斜。但是不同于梁130、132，这两个梁的其他端没有联接到一起。第二对梁，或支撑梁144、146，在一端被接附到柄114，另一端延伸至分别与倾斜 梁相交进而形成接头148、150。第三对梁，或传递梁152、154，被置于梁144和146之间，其 一端被联接到一起而形成接头156，另一端分别被联接到接头148、150。接头156还被安装 到横梁158的中点，横梁158被布置成垂直于该柄的轴向且其两端被安装在该柄上。在这个实施例中，每个耦合结构中的两个倾斜梁以相对于中心的同一方向倾斜， 即都如这个实施例中所示地朝着中心倾斜。但是不同于图7的实施例的是，它约束相邻质 量以同相方式振荡。例如，当质量120沿着X轴移动且远离设备中心时，倾斜梁142推动接头150以远 离该质量的方向移动。这个移动通过支撑梁146引导并通过传递梁154传递到接头156。 另外，横梁158约束接头156只以垂直于该梁的方向移动。结果，接头156以径向朝着设备 中心移动。这个移动通过传递梁152被传递到接头148，并且使得接头148以垂直于梁144 的方向移动离开质量118。接头148的这个移动牵引倾斜梁140，并且使得质量118沿着其 位于Y轴向的驱动轴以远离中心的方向移动。因此，两个相邻质量沿着它们的驱动轴以同 相方式振荡。这个实施例的耦合的驱动模式振荡示意在图10中，其中，箭头标记出质量的 移动方向。这个实施例中的耦合结构比其它实施例中的更加复杂；然而，经发现它对于用形 成大于90度且接近180度的角度的驱动轴来耦合两个相邻质量来说更为有效。为了确保 这个耦合设计有效地工作，该耦合结构中的所有梁都应该被恰当地设计使得它们在驱动模 式的正常运行中不会压弯(buckle)。图11说明了类似于图9实施例的三轴陀螺仪的另一个实施例，但是只包括三个检 验质量。质量166、168、170通常围绕中心27均勻分布在X，y平面中并且环绕着传感构架163的环160。质量170的驱动轴沿X轴向，而质量166、168关于X轴对称布置，其驱动轴在 中心27处相交。这些质量通过挠性件172被安装到柄162，而柄162被安装到环160。类 似于图1，柄162延伸到质量的内侧。相邻质量之间的耦合结构的设计类似于图9的实施例。这些耦合结构安装到被 接附到环160的柄164。这种耦合设计产生三个质量在驱动模式中的同相振荡。传感构架 163的悬挂结构的设计也类似于图9的实施例，其使得传感构架能够独立地围绕三个输入 轴(即X，y和Z轴)旋转。在运行中，质量由诸如梳状驱动器(未示出)之类的致动器来驱动在驱动模式中 以同相方式振荡。在存在围绕Z轴的旋转的情况下，质量上引起的科里奥利力在同一方向 中产生扭矩，引起质量和传感构架围绕Z轴的传感模式旋转。在存在围绕X轴的旋转的情 况下，质量166、168通过它们沿着Y轴的速度分量产生科里奥利力，这引起围绕X轴的传感 模式旋转。在存在围绕Y轴的旋转的情况下，质量170和质量166、168通过它们沿着X轴 的速度分量产生科里奥利力，从而引起围绕Y轴的传感模式旋转。类似于所公开的其他实施例，由科里奥利扭矩引起的传感构架和质量的平面上的 传感模式旋转被在传感构架的环160上安装的平行板电容器173监测到，而平面外的传感 模式旋转通常可以被质量下面的电极检测到。然而，由于采用奇数个数的检验质量，将这样 的电极设计在质量下可能是富有挑战性的工作。这个实施例提供了一种替换方式，即将把 电极174、176、178、180布置在环160之下，与该环一起形成电容器。为了增加那些电容器 的电容，环160现在比其他实施例中的更宽。一些应用只需要测量围绕一个或两个轴的旋转，从而在这些应用中可能更加希望 单轴或双轴速率传感器而不是三轴的。本发明的独特优点是上面公开的每个三轴速率传感 器可以通过只修改传感构架的悬挂结构设计而被转换成(1)具有选自三个正交轴(即X， y和Z轴)的任意一个的输入轴的单轴速率传感器，(2)与选自那三个轴的任意两个的输入 轴的双轴陀螺仪，从而允许它只围绕每个预选择的输入轴旋转。例如图12中所示，当移除万向节46和扭力梁52并且将扭力梁48直接安装到新 锚柱182时，图1中所示的三轴陀螺仪的实施例变成具有沿着χ和Z轴的两个输入轴的双 轴速率传感器。在这种设计下，传感构架和检验质量在传感模式中只能够围绕预选择的输 入轴(S卩X和Z轴)旋转。而且，如图13中所示，如果进一步移除万向节42和扭力梁48并且将挠性件44直 接接附到新锚柱184，则它变成Z轴陀螺仪。类似地如图14中所示，如果移除挠性件44和万向节42，并且通过沿着X轴延伸 的扭力梁186将环38安装到万向节188，并且还通过沿着Y轴延伸的扭力梁190将万向节 188安装到锚柱192，则图7的实施例可以被转换成具有沿着X和Y轴的输入轴的双轴陀 螺仪。在这种设计下，具有检验质量的传感构架在传感模式中只能够围绕预选择的输入轴 (即X和Y轴)旋转。而且如图15中所示，通过将扭力梁186直接连接到锚柱194，它还可 以被转换成X轴陀螺仪。根据本发明的速率传感器可以通过比如深反应离子刻蚀的适当MEMS工艺由比如 单晶硅、多晶硅、金属或其他导电材料的材料在诸如硅、玻璃或其他材料之类的基板上制 成。而且，传感器可以运行在大气环境或真空外壳中以取得更好的性能。
如读者可见，多个实施例被描述成制造一种速率传感器，其能够测量围绕三个正 交输入轴的旋转，这使得单个速率传感器能够充分感测到围绕任意轴的旋转。速率传感器使用耦合或链接的多个检验质量，这导致沿着多方向驱动轴的单驱动 模式振荡以及针对每个速率输入轴的单传感模式。质量的单驱动模式振荡通过耦合相邻质量而被实现，相邻质量是在同一平面中但 是沿着不共线或彼此平行的不同驱动轴振荡的两个质量。因此，耦合的范围基本上不同于 那些现有技术中用于耦合两个具有共线或彼此平行的驱动轴的质量以反相线性运动振荡 的耦合。相邻质量之间的同相和反相耦合都可以根据本发明来实现，并且每个都可以被用 来制造三轴陀螺仪。在上面的实施例中公开了两个类型的耦合结构1)浮动耦合结构链接梁或弹簧 只被接附到两个相邻质量，2)锚定耦合结构每个耦合结构的至少一个耦合部件被安装在 于驱动模式中是固定的传感构架上。
三轴速率传感器中的每个质量被用来感测围绕垂直于该质量驱动轴的两个正交 输入轴的旋转。那使得每个质量的检测效率最大化，而现有技术的大多数传感器只能够感 应每个质量围绕一个轴的旋转。尽管公开的实施例只包括具有三个和四个检验质量的速率传感器，然而用于三轴 速率传感器的检验质量的数量决不是被限制于此。实际上，根据本发明的三轴陀螺仪中的 检验质量的最低要求是两个质量，其驱动轴形成大于O度且小于180度的角度，即两个质量 驱动轴不共线或彼此平行。因为每个质量都可以感测到围绕垂直于其驱动轴的两个输入 轴的旋转(即一个轴在与驱动轴共有的平面内，另一个轴在垂直于该平面的平面中)，这一 要求确保两个质量的两个共平面的输入轴不共线或彼此平行。从而，具有两个这类质量的 传感器可以感测所有三个输入轴中的速率两个输入轴共平面而另一个输入轴垂直于该平 面。例如，如果一个质量(例如质量166)从设备中被移除并且只剩下两个质量168、 170以及它们之间的耦合结构，则图11的实施例仍然将起三轴陀螺仪的作用，但是这些质 量的驱动动量在驱动模式中不再平衡。显而易见，从前文已经提供了一种新的并且改进的角速率传感器。虽然目前只详 细描述了优选的实施例，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离由下面的 权利要求定义的本发明范围的前提下可以做出某些变化和修改。
权利要求
一种角速率传感器，用于检测围绕第一、第二和第三正交输入轴的旋转，包括基板；传感构架，其被布置在由所述第一和第二输入轴形成的平面中；用于把所述传感构架安装在所述基板上并且允许所述传感构架围绕所述第一、第二和第三输入轴彼此独立地旋转的装置；多个检验质量，其在该平面中具有预定驱动轴，至少两个驱动轴彼此形成大于0度且小于1 80度的角度；用于把所述质量安装在所述传感构架上并且约束每个质量在驱动模式中沿着所述质量的驱动轴相对于所述传感构架的线性移动，并且用于在传感模式中与所述传感构架一起旋转的装置；用于将所述检验质量耦合在一起以形成单驱动模式振荡的装置；致动装置，用于驱动所述质量在驱动模式中振荡；检测装置，用于响应于通过所述质量分别围绕所述第一、第二和第三输入轴的旋转而产生的科里奥利力，检测所述检验质量和所述传感构架围绕所述第一、第二和第三输入轴的传感模式旋转。
2.根据权利要求1所述的角速率传感器，其中，所述检验质量通常是平面的并且围绕 中心布置在平面中，使得它们的驱动轴大约在所述中心处彼此相交。
3.根据权利要求1所述的角速率传感器，其中，所述用于把每个质量安装在所述传感 构架上的装置包括一组挠性件，它们在沿着所述质量的所述驱动轴的方向中 较柔性，而在 其他方向中较刚性。
4.根据权利要求1所述的角速率传感器，其中，所述用于耦合所述检验质量的装置包 括连接在所述相邻质量之间的多个耦合结构。
5.根据权利要求4所述的角速率传感器，其中，每个所述耦合结构是链接梁，它们被布 置在两个相邻质量之间并且沿着与所述两个质量的所述驱动轴成预定角度的方向延伸。
6.根据权利要求4所述的角速率传感器，其中，每个所述耦合结构是盒式弹簧，它们被 布置在两个相邻质量之间并且用其与所述两个质量的所述驱动轴形成预定角度的纵轴来 定向。
7.根据权利要求1所述的角速率传感器，其中，所述用于耦合所述检验质量的装置包 括连接在所述相邻质量之间的多个耦合结构，每个耦合结构的至少一个部件安装在所述传 感构架上。
8.根据权利要求7所述的角速率传感器，其中，每个所述耦合结构包括一对倾斜梁，其 在一端联接形成接头，其他端分别连接到两个相邻质量，每个所述倾斜梁以预定角度倾斜 于和所述梁连接到的所述质量的所述驱动轴垂直的方向延伸出去，支撑梁以与所述驱动轴 形成预定角度的方向定向，其一端被联接到所述倾斜梁的所述接头，另一端被安装到所述 传感构架。
9.根据权利要求7所述的角速率传感器，其中，每个所述耦合结构包括第一对倾斜梁， 其一端连接到所述质量，每个所述倾斜梁以以预定角度倾斜于和所述梁连接到的所述质量 的所述驱动轴垂直的方向延伸出去，第二对支撑梁，其一端被安装在所述传感构架上，另一 端连接到所述第一对梁的另一端以分别形成第一和第二接头，第三对传递梁，在其一端被 分别连接到所述第一和第二接头，另一端被联接在一起以形成第三接头，所述第三接头还 通过以预定方向延伸的横向弹簧被安装到所述传感构架，以约束所述接头垂直于该方向的 移动。
10.根据权利要求1所述的角速率传感器，其中，用于安装并允许所述传感构架围绕所 述第一、第二和第三输入轴旋转的所述装置包括第一和第二万向节，其被布置在所述平面中并且被置于所述传感构架内，所述第一万向节环绕所述第二万向节；锚柱，其被置于所述 第二万向节之内并且被接附到所述基板；多个挠性件，其被连接在所述传感构架和所述第 一万向节之间并且在径向中延伸，用于约束所述传感构架围绕所述第三输入轴相对于所述 第一万向节的旋转；第一对扭力梁，其被连接在所述第一和第二万向节之间并且沿着所述 第一输入轴延伸，以便所述第一万向节相对于所述第二万向节围绕所述第一输入轴旋转； 第二对扭力梁，其被连接在所述第二万向节和所述锚柱之间并且沿着所述第二输入轴延 伸，以便所述第二万向节围绕所述第二输入轴旋转。
11.根据权利要求1所述的角速率传感器，其中，用于安装并允许所述传感构架围绕 所述第一、第二和第三输入轴旋转的所述装置包括第一和第二万向节，其被布置在所述平 面中，所述第一万向节环绕着所述传感构架，所述第二万向节环绕着所述第一万向节；多个 锚柱，其被置于环绕着所述第二万向节；第一对扭力梁，其被连接在所述传感构架和所述第 一万向节之间并且沿着所述第一输入轴延伸，以便所述传感构架相对于所述第一万向节围 绕所述第一输入轴旋转；第二对扭力梁，其被连接在所述第一和第二万向节之间并且沿着 所述第二输入轴延伸，以便所述第一万向节相对于第二万向节围绕所述第二输入轴旋转； 多个挠性件，其被连接在所述第二万向节和所述锚柱之间并且在径向中延伸，以便约束所 述第二万向节围绕所述第三输入轴的旋转。
12.根据权利要求1所述的角速率传感器，其中，所述致动装置包括安装在所述检验质 量中的至少一个上的梳状驱动器。
13.根据权利要求1所述的角速率传感器，其中，用于响应科里奥利力检测所述质量和 所述传感构架的传感模式旋转的所述检测装置包括电极板，其被布置在所述质量和所述 传感构架下面的基板上，以便与所述质量和所述传感构架形成电容器以用于检测围绕所述 第一和第二输入轴的所述感应旋转；平行板电容器，具有安装在所述传感构架上并且与接 附到所述基板的固定板交插的移动板，以用于检测围绕所述第三轴的所述感应旋转。
14.一种用于检测旋转的角速率传感器，包括基板；多个通常为平面的检验质量，其 围绕中心布置以便沿着多方向驱动轴进行线性振动，所述多方向驱动轴位于所述质量平面 内并且大约在所述中心处相交，至少两个驱动轴彼此形成大于O度且小于180度的角度；耦 合结构，其被连接在所述相邻质量之间以便约束所述质量在驱动模式中以协作方式振荡； 梳状驱动器，其被安装在所述质量中的至少一个上以驱动所述质量在驱动模式中振荡；第 一、第二和第三正交输入轴，所述第一和第二输入轴位于所述质量平面中，所述第三输入轴 垂直于所述平面；传感构架，其被布置在所述质量平面中并且通过悬挂结构被安装在所述 基板上，以便围绕所述第一、第二和第三输入轴彼此独立地旋转；挠性件，其将所述质量安 装在所述传感构架上，以便在驱动模式中沿着所述驱动轴相对于所述传感构架进行线性移 动并且在传感模式中围绕每个输入轴与所述传感构架一起旋转；以及电容传感器，其响应 通过所述质量分别围绕所述第一、第二和第三输入轴的旋转产生的科里奥利力，对所述质 量和所述传感构架围绕所述第一、第二和第三输入轴的旋转移动做出响应，以便检测旋转 速率。
15.根据权利要求14所述的角速率传感器，其中，所述协作方式是同相方式。
16.根据权利要求14所述的角速率传感器，其中，所述协作方式是反相方式。
17.根据权利要求14所述的角速率传感器，其中，所述悬挂结构包括通过万向节串联连接的多个旋转部件。
18.根据权利要求17所述的角速率传感器，其中，所述旋转部件被布置在所述传感构架之内。
19.根据权利要求17所述的角速率传感器，其中，所述旋转部件被布置成环绕着所述传感构架。
20.一种用于检测旋转的角速率传感器，包括；至少一个输入轴，每个输入轴预选自三 个正交轴；多个检验质量，被耦合在一起以便沿着驱动轴在由所述三个正交轴的所述第一 和第二轴形成的平面中进行线性驱动模式振荡，至少两个质量沿着彼此形成大于0度且小 于180度的角度的驱动轴振荡；用于驱动所述质量在驱动模式中进行振荡的装置；传感构 架，其被布置在所述平面中以用于支撑所述质量，并且被安装用于响应通过所述质量围绕 所述输入轴的旋转产生的科里奥利力，在传感模式中彼此独立地围绕每个所述输入轴与所 述质量一起旋转；以及对所述传感构架和所述质量围绕每个输入轴的旋转移动做出响应以 便检测所述旋转速率的装置。
21.根据权利要求20所述的角速率传感器，其中，所述检验质量通常是平面的并且围 绕中心被布置在平面中，因此它们的驱动轴大约在所述中心处彼此相交。
22.根据权利要求20所述的角速率传感器，其中，每个质量被一组挠性件安装在所述 传感构架上，所述挠性件沿着所述质量的驱动轴较柔性以便在驱动模式中相对于所述传感 构架进行线性移动，而在所有其他方向中较刚性以至于所述质量和所述传感构架在每个传 感模式中一起移动。
23.根据权利要求20所述的角速率传感器，其中，所述检验质量由多个耦合结构耦合， 每个耦合结构被联接在两个相邻质量之间。
24.根据权利要求23所述的角速率传感器，其中，每个所述耦合结构包括链接梁，其被 布置在两个相邻质量之间并且沿着与所述两个质量的驱动轴形成预定角度的方向延伸。
25.根据权利要求23所述的角速率传感器，其中，每个所述耦合结构包括盒式弹簧，其 被布置在两个相邻质量之间，其纵轴与所述两个质量的驱动轴形成预定角度。
26.根据权利要求20所述的角速率传感器，其中，所述检验质量通过多个耦合结构被 耦合，每个耦合结构被连接在两个相邻质量之间并且每个耦合结构的至少一个部件被安装 在所述传感构架上。
27.根据权利要求26所述的角速率传感器，其中，每个所述耦合结构包括一对倾斜梁， 其在一端联接形成接头，其他端分别连接到两个相邻质量，每个所述倾斜梁以预定角度倾 斜于垂直于所述梁连接到的所述质量的所述驱动轴的方向被延伸出去，支撑梁以与所述驱 动轴形成预定角度的方向定向，其一端被联接到所述倾斜梁的所述接头，另一端被安装到 所述传感构架。
28.根据权利要求26所述的角速率传感器，其中，每个所述耦合结构包括第一对倾斜 梁，其一端连接到所述质量，每个所述倾斜梁以预定角度倾斜于垂直于所述梁连接到的所 述质量的所述驱动轴的方向被延伸出去；第二对支撑梁，其一端被安装在所述传感构架上， 其他端连接到所述第一对梁的另一端以分别形成第一和第二接头；第三对传递梁，在其一 端被分别连接到所述第一和第二接头，另一端被联接到一起以形成第三接头，所述第三接 头还通过以预定方向延伸的横向弹簧被安装到所述传感构架，以约束所述接头垂直于该方向的移动。
29.根据权利要求20所述的角速率传感器，其中，用于驱动所述质量在驱动模式中振 荡的装置包括安装在所述质量中的至少一个上的梳状驱动器。
30.根据权利要求20所述的角速率传感器，其中，所述至少一个输入轴是所述第一、第二或第三轴。
31.根据权利要求20所述的角速率传感器，其中，所述至少一个输入轴由两个输入轴 组成，它们是所述第一和第二轴，所述第二和第三轴，或所述第一和第三轴。
32.根据权利要求20所述的角速率传感器，其中，所述至少一个输入轴由三个输入轴 组成，它们是所述第一、第二和第三轴。
全文摘要
用于检测围绕第一、第二和第三正交输入轴的旋转的角速率传感器，具有多个通常为平面的检验质量，检验质量被耦合在一起以便在由所述第一和第二输入轴形成的平面中沿着多方向驱动轴进行线性驱动模式振荡。所述质量被安装在通常为平面的传感构架上，以便在驱动模式中相对于所述传感构架进行线性移动并且在传感模式中与所述传感构架一起进行旋转。所述传感构架被安装用于响应分别通过所述质量围绕所述第一、第二和第三输入轴旋转产生的科里奥利力，在传感模式中与所述质量一起围绕第一、第二和第三输入轴彼此独立地旋转。而且，采用对所述质量和所述传感构架在传感模式中的旋转移动做出响应的电容传感器来检测旋转速率。
文档编号G01C19/56GK101839718SQ20101012612
公开日2010年9月22日 申请日期2010年3月17日 优先权日2009年3月17日
发明者毛敏耀 申请人:毛敏耀