專利名稱：一種用于測定圍繞三個(gè)相互垂直的坐標(biāo)x、y與z中至少一個(gè)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的微陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測定圍繞三個(gè)相互垂直的坐標(biāo)X、Y與/或Z中至少一個(gè)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的微陀螺儀，所述微陀螺儀具有一個(gè)襯底、多個(gè)驅(qū)動元件與多個(gè)傳感器元件，在所述襯底上設(shè)置有多個(gè)可以在χ-y平面中平行于襯底平面振動的質(zhì)量塊，其中幾個(gè)振動質(zhì)量塊通過彈簧與緊固銷固定在襯底上，所述驅(qū)動元件用于維持質(zhì)量塊的振動，當(dāng)襯底圍繞任意一個(gè)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)時(shí)，這些質(zhì)量塊會受到科氏力的作用，所述傳感器元件可以測定由于產(chǎn)生的科氏力所導(dǎo)致的質(zhì)量塊偏轉(zhuǎn)。
背景技術(shù)：
微陀螺儀一般只能測定圍繞一個(gè)正交x-y-z坐標(biāo)系中一個(gè)坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。因此，為了可以測定系統(tǒng)圍繞三個(gè)坐標(biāo)中各坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，需要三個(gè)這樣的微陀螺儀。在數(shù)據(jù)的控制與分析評估中，這種方式不僅會增加成本，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。專利TW 286201 BB公開過一種微機(jī)電(MEMS)陀螺儀。在該專利中，設(shè)置在一個(gè)中心緊固銷上的多個(gè)質(zhì)量塊處于一種振動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動中。這些質(zhì)量塊設(shè)置在一個(gè)襯底上，在由于所出現(xiàn)的科氏力而圍繞χ-坐標(biāo)或y_坐標(biāo)有一個(gè)轉(zhuǎn)矩時(shí)這些質(zhì)量塊還會圍繞y_坐標(biāo)或 χ-坐標(biāo)翻轉(zhuǎn)。通過在襯底上相應(yīng)地懸掛一些驅(qū)動質(zhì)量塊就可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。在圍繞ζ-坐標(biāo)有一個(gè)轉(zhuǎn)矩時(shí)，部分質(zhì)量塊又可以通過相應(yīng)地懸掛到可旋轉(zhuǎn)支承的質(zhì)量塊上進(jìn)行線性偏轉(zhuǎn)。不管是翻轉(zhuǎn)還是線性運(yùn)動都可以通過傳感器測定，并且可以根據(jù)其與襯底旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的比例關(guān)系表述圍繞χ-、y-或ζ-坐標(biāo)的相應(yīng)旋轉(zhuǎn)程度，但是，很難測定各自的偏轉(zhuǎn)。為了制作一個(gè)可以測定圍繞所有三個(gè)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的三維陀螺儀，D. Wood等于 1996年在文章《一種可以同時(shí)測定三個(gè)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的單片硅陀螺儀》中建議了一種陀螺儀，所述陀螺儀在一個(gè)中心緊固銷周圍設(shè)置有多個(gè)振動質(zhì)量塊。這些質(zhì)量塊可以由于出現(xiàn)的科氏力完成翻轉(zhuǎn)運(yùn)動與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。其缺點(diǎn)在于，這種傳感器生產(chǎn)起來很難，而且很難驅(qū)動這些及移動的質(zhì)量塊。傳感器各零件的運(yùn)動都會相互影響，因此不能足夠精確地測定陀螺儀在χ-、y_或ζ-方向的運(yùn)動。原則上來說，還公開過一維與二維陀螺儀，這些陀螺儀都只能測定陀螺儀圍繞三個(gè)坐標(biāo)X-、Y-與Z中一個(gè)或兩個(gè)坐標(biāo)的翻轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。對于很多使用情況來說，這種比較簡單的陀螺儀就已經(jīng)足夠了。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于，制作一種結(jié)構(gòu)緊湊但相對簡單的微陀螺儀，所述微陀螺儀可以高精度地測定圍繞X-、y_和/或Z-坐標(biāo)的一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)旋轉(zhuǎn)率。通過具有權(quán)利要求1所述特征的微陀螺儀可以解決該任務(wù)。本發(fā)明所述的微陀螺儀是一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，其可用于測定圍繞三個(gè)相互垂直的坐標(biāo)χ-、y_與ζ中至少一個(gè)，但在本發(fā)明中的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)中可以圍繞兩個(gè)或三個(gè)坐
5標(biāo)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。在一種硅襯底上設(shè)置有多個(gè)可以在χ-y平面中平行于襯底平面振動的質(zhì)量塊。這些振動質(zhì)量塊中至少有幾個(gè)質(zhì)量塊通過彈簧與緊固銷固定在襯底上，驅(qū)動元件用于維持這些質(zhì)量塊的線性振動。在襯底圍繞一個(gè)預(yù)定的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生一種科氏力，所述科氏力會導(dǎo)致相關(guān)質(zhì)量塊在一個(gè)定義的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。利用多個(gè)傳感器元件可以測定這些偏轉(zhuǎn)。如果要測定χ-或者是y_旋轉(zhuǎn)率，那么一些振動質(zhì)量塊除了要平行于襯底走向的驅(qū)動方向偏轉(zhuǎn)外，還要沿著垂直于襯底的ζ-坐標(biāo)偏轉(zhuǎn)。下面，我們將把這些用于測定圍繞 Χ"坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)率而可以額外沿ζ-坐標(biāo)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的質(zhì)量塊稱作X-質(zhì)量塊；類似，那些用于測定襯底圍繞y_坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)率而可以額外沿ζ-坐標(biāo)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的質(zhì)量塊將稱作y_質(zhì)量塊。 其它的振動質(zhì)量塊都稱為ζ-質(zhì)量塊，這些質(zhì)量塊除了可以在其驅(qū)動方向偏轉(zhuǎn)外，還可以在 χ-y平面中垂直于各自的驅(qū)動方向偏轉(zhuǎn)，但是在χ-y-平面中是平行于襯底偏轉(zhuǎn)的，從而測定陀螺儀圍繞ζ-坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)。因此，如果關(guān)心的是圍繞X-坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)率，那么就將科氏力偶作用到X-質(zhì)量塊上，所述科氏力偶會使X-質(zhì)量塊沿著Z-坐標(biāo)反相振動偏轉(zhuǎn)。類似，如果關(guān)心的是圍繞y-坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)率，那么其會使y_質(zhì)量塊沿著ζ-坐標(biāo)反相振動偏轉(zhuǎn)。如果關(guān)心的是圍繞ζ-坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)率，那么會將徑向向內(nèi)或徑向向外的力作用到ζ-質(zhì)量塊上。這樣，就會迫使ζ-質(zhì)量塊相應(yīng)地徑向振動。與χ-以及y_質(zhì)量塊的運(yùn)動一樣，同樣可以通過傳感器元件測定這種運(yùn)動。根據(jù)陀螺儀結(jié)構(gòu)的不同，可以測定已知運(yùn)動方向的所有運(yùn)動或者只測量已知運(yùn)動方向中某個(gè)運(yùn)動方向的運(yùn)動。在用于測定圍繞所有三個(gè)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)率的3D陀螺儀的一種結(jié)構(gòu)中， χ-質(zhì)量塊在y_方向的運(yùn)動是第一運(yùn)動，在ζ-方向的運(yùn)動是第二運(yùn)動，ι-質(zhì)量塊在χ-方向的運(yùn)動是第一運(yùn)動，在ζ-方向的運(yùn)動是第二運(yùn)動，ζ-質(zhì)量塊在χ-和/或y_方向的運(yùn)動是第一運(yùn)動，相應(yīng)地在y_和/或χ-方向的運(yùn)動是第二運(yùn)動，而這些都是通過合適地懸掛χ-、 y-與ζ-質(zhì)量塊實(shí)現(xiàn)的。相反，如果設(shè)定陀螺儀是一個(gè)純Z-陀螺儀，那么就可以抑制X-與y-質(zhì)量塊的第二運(yùn)動性。χ-與y_質(zhì)量塊會通過如下方式懸掛在襯底上，即，只允許其具有第一運(yùn)動。只有ζ-質(zhì)量塊可以在χ-和/或y_方向具有第一運(yùn)動，并且在y_和/或χ-方向具有相應(yīng)的第二運(yùn)動，以便顯示ζ-旋轉(zhuǎn)率。在本發(fā)明的另外一種結(jié)構(gòu)中，因?yàn)橥勇輧x是以只需測定圍繞χ-與y_坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)率的二維陀螺儀的形式構(gòu)成的，所以陀螺儀要么不具有ζ-質(zhì)量塊，要么限制ζ-質(zhì)量塊在 χ-或y_方向的獨(dú)立可動性，或者不對ζ-質(zhì)量塊在χ-或y_方向的獨(dú)立可動性進(jìn)行分析評估。本發(fā)明所述陀螺儀的其它可能性總是可以通過取消相應(yīng)質(zhì)量塊或限制相應(yīng)質(zhì)量塊在非所需方向的可動性被實(shí)現(xiàn)。因此，除了純ζ-質(zhì)量塊外，利用本發(fā)明的基本機(jī)構(gòu)還可以制作純X-或純y_陀螺或χ-y、X-Z或y-ζ陀螺儀。在一個(gè)相應(yīng)的激勵(lì)過程中，傳感器元件可以產(chǎn)生一種電信號，所述電信號與陀螺儀的x-、y-或ζ-旋轉(zhuǎn)率成比例。例如傳感器元件可能是平板電容器，所述平板電容器設(shè)置在襯底與χ-或y_或ζ-質(zhì)量塊上，并且通過改變其距離可以產(chǎn)生電信號。原則上來說， 垂直或水平電容器或電極都可以用作傳感器元件。重要的是，可以測定各元件相互之間的位置變化。一般來說，通過如下方式可以實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，即，平板電容器或電容器電極的一部分固定地設(shè)置在襯底上，而相對應(yīng)的另一部分則固定在移動的χ-、y-或ζ-質(zhì)量塊上。根據(jù)發(fā)明所述，在襯底上設(shè)置有一個(gè)中心緊固銷，圍繞該中心緊固銷設(shè)置有多個(gè)質(zhì)量塊，其中X-質(zhì)量塊和1-質(zhì)量塊與中心緊固銷相連，而Z-質(zhì)量塊與X-質(zhì)量塊或1-質(zhì)量塊相連。X-和y-質(zhì)量塊通過如下方式支承在襯底上，即，其可以圍繞中心緊固銷線性切向驅(qū)動。在使用四個(gè)χ-或y_質(zhì)量塊時(shí)，其中總是有兩個(gè)質(zhì)量塊可以在χ-方向以第一運(yùn)動的方式驅(qū)動，其它兩個(gè)質(zhì)量塊可以在y_方向驅(qū)動。運(yùn)動方向優(yōu)選是線性并且平行于χ-或 y坐標(biāo)；各元件的相關(guān)階段在這里是指整個(gè)運(yùn)動的元件可以圍繞ζ-坐標(biāo)線性切線運(yùn)動。通過將質(zhì)量塊圍繞中心緊固銷布置，并將質(zhì)量塊與中心緊固銷相連，就可以實(shí)現(xiàn)一種支承與耦合作用，與現(xiàn)有技術(shù)相比，這種支承與耦合作用可以使系統(tǒng)更穩(wěn)定，不會受到干擾影響。一方面，通過圍繞中心緊固銷的線性切向驅(qū)動運(yùn)動可以形成一種簡單的驅(qū)動模式，該模式可以使質(zhì)量塊非常均勻地振動。另一方面，質(zhì)量塊支承在中心緊固銷上，并且在相應(yīng)耦合時(shí)，也可以如下方式相互影響，即，其不僅可以單獨(dú)驅(qū)動，而且還可以與其它質(zhì)量塊非常均勻地并且無明顯差別地相互驅(qū)動。這樣就可以形成一種非常精確的傳感器。中心緊固銷的支承作用除了會對質(zhì)量塊有影響外，還可以避免寄生作用，例如對傳感器的沖擊，造成測量誤差。如果沒有支承作用，沖擊可能會造成一種不必要的所謂的蝴蝶模式，在所述蝴蝶模式中，質(zhì)量塊會像蝴蝶拍打翅膀一樣從χ-y平面中運(yùn)動出來，甚至損壞傳感器。本發(fā)明所述的振動質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)及其第一與第二運(yùn)動可以形成一種相對簡單的微陀螺儀結(jié)構(gòu)。特別是，第二運(yùn)動非常明確，這樣就可以通過分配給各質(zhì)量塊的傳感器元件將質(zhì)量塊的第二運(yùn)動明確地分配到x-、y-或ζ-旋轉(zhuǎn)率上。因此，傳感器元件的電信號是可靠的，并且評價(jià)分析時(shí)也具有較高的精確性。在本發(fā)明的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，χ-質(zhì)量塊和/或y_質(zhì)量塊是以傳感器板的形式構(gòu)成的。傳感器板在χ-y平面中具有一個(gè)平行于襯底的平面延伸，并具有一個(gè)相對較大的質(zhì)量。在一種χ-旋轉(zhuǎn)率或一種y-旋轉(zhuǎn)時(shí)，其可以在ζ-方向偏轉(zhuǎn)。在一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，其在偏轉(zhuǎn)時(shí)還會繼續(xù)平行于χ-y-平面。在ζ-方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，僅僅只有到襯底平面的距離會改變。在本發(fā)明的一種有利結(jié)構(gòu)中，Z-質(zhì)量塊是以框架的形式構(gòu)成的。其會與X-或y-質(zhì)量塊在其所處χ-或y_質(zhì)量塊的各第一運(yùn)動方向一起運(yùn)動。在出現(xiàn)一種ζ-旋轉(zhuǎn)率時(shí)，其會垂直于各驅(qū)動方向在χ-y平面中偏轉(zhuǎn)。通過ζ-質(zhì)量塊的這種框架式結(jié)構(gòu)，用于測定垂直于其第一驅(qū)動方向偏轉(zhuǎn)狀態(tài)的傳感器元件的配置會相對簡單。其中，固定的傳感器元件設(shè)置在框架內(nèi)。這樣就可以簡單地測定框架與固定元件之間的距離變化。如果陀螺儀是以只用測定χ-與y-方向旋轉(zhuǎn)率的二維陀螺儀的形式構(gòu)成的，那么可以取消ζ-質(zhì)量塊，也就是說， 陀螺儀不具有ζ-質(zhì)量塊。為了可以得到一種結(jié)構(gòu)緊湊的微陀螺儀，x-、y-和/或ζ-質(zhì)量塊具有一個(gè)基本矩形的平面形狀是比較有利的。因此，質(zhì)量塊可以如下方式設(shè)置在襯底中并可在χ-y平面中相互移動，即，其一方面具有足夠的運(yùn)動自由度進(jìn)行第一運(yùn)動與第二運(yùn)動，另一方面，其只占用一個(gè)較小的總面積。這樣的話，就可以保持微陀螺儀中無用的自由空間非常小，從而使整個(gè)微陀螺儀也非常小。為了可以穩(wěn)定地固定χ-與y質(zhì)量塊，在襯底上設(shè)置有緊固銷與驅(qū)動彈簧。χ-與 y-質(zhì)量塊可以通過驅(qū)動彈簧固定在緊固銷上。這樣的話，設(shè)置在χ-y平面中的χ-與y_質(zhì)量塊離襯底具有一個(gè)預(yù)定義的距離。χ-質(zhì)量塊的第一運(yùn)動在y_方向是反向的，其第二運(yùn)動在Z-方向是反向的，這樣就可以測定一個(gè)X-旋轉(zhuǎn)率。因此，X-質(zhì)量塊的驅(qū)動彈簧優(yōu)選設(shè)計(jì)成如下結(jié)構(gòu)，即，其在y-方向與Z-方向具有一個(gè)可控的剛度或柔度，相反，在X-方向幾乎不會變形。這樣的話，就可以針對χ-質(zhì)量塊在第一與第二方向的偏轉(zhuǎn)給驅(qū)動彈簧按照所期望的方式分配阻力。與此類似的是，y-質(zhì)量塊的驅(qū)動彈簧是以如下方式構(gòu)成的，即，其在X-方向與 Z-方向具有可控的剛度或柔度，相反在y_方向幾乎不會變形。通過這種方式，陀螺儀就可以測定y-旋轉(zhuǎn)率。y_質(zhì)量塊的第一運(yùn)動方向在χ-方向是反向的，其第二運(yùn)動在ζ-方向是反向的。不管是對于驅(qū)動還是對于旋轉(zhuǎn)率的測定來說，用于y_質(zhì)量塊的驅(qū)動彈簧都要設(shè)計(jì)的相對較軟，只能提供很少的阻力。相反，在y_方向，y_質(zhì)量塊的位置是相對不變的。因此，驅(qū)動彈簧在這個(gè)方向是剛性的。如果微陀螺儀是以純ζ-陀螺儀的形式構(gòu)成的，那么比較有利的是，χ-與y-質(zhì)量塊不具有第二運(yùn)動。那么X-質(zhì)量塊的驅(qū)動彈簧以如下方式構(gòu)成，即，其在y_方向具有一個(gè)可控的柔度，在ζ-與χ-方向幾乎不會變形。這樣的話，陀螺儀就不會測定χ-旋轉(zhuǎn)率。為了也不測定y_旋轉(zhuǎn)率，比較有利的是，y-質(zhì)量塊的驅(qū)動彈簧以如下方式構(gòu)成，即，其在χ-方向具有一個(gè)可控的柔度，在y-與ζ-方向幾乎不會變形。為了可以穩(wěn)定地將χ-與y_質(zhì)量塊支承在襯底上，優(yōu)選各自通過一個(gè)外部與一個(gè)內(nèi)部驅(qū)動彈簧固定它們。其中，外部驅(qū)動彈簧朝向微陀螺儀的邊緣，而內(nèi)驅(qū)動彈簧朝向相鄰的質(zhì)量塊。通過驅(qū)動彈簧的形狀與寬度，可以設(shè)置驅(qū)動模式與X-或y_旋轉(zhuǎn)率測定模式的諧振頻率。如果陀螺儀要測定χ-或y-旋轉(zhuǎn)率，那么比較有利的是，在χ-或y_質(zhì)量塊上所設(shè)置的外部與內(nèi)部驅(qū)動彈簧在-ζ方向具有一種可控柔度。通過這種方式可以支持χ-或y-質(zhì)量塊在ζ-方向作為第二運(yùn)動的偏轉(zhuǎn)。如果陀螺儀僅僅用于測定Z-旋轉(zhuǎn)率，那么比較有利的是，在X-或y-質(zhì)量塊上所設(shè)置的外部與內(nèi)部驅(qū)動彈簧在Z-方向幾乎不會變形。這種剛性結(jié)構(gòu)可以使X-與y-質(zhì)量塊保持在χ-y平面內(nèi)，并且不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在本發(fā)明的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，外部與內(nèi)部驅(qū)動彈簧具有不同的長度，其比較有利的是在測定χ-旋轉(zhuǎn)率或y_旋轉(zhuǎn)率的過程中可以補(bǔ)償翻轉(zhuǎn)軸。通過這種方式可以使在測定χ-或y-旋轉(zhuǎn)率的過程中沿著ζ坐標(biāo)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的χ-或y_質(zhì)量塊一直保持與χ-y平面平行，并因此而保持與襯底平行。優(yōu)選通過梳形電極驅(qū)動χ-與y_質(zhì)量塊。其中，梳形電極的一部分固定在襯底上不動，而梳形電極相對應(yīng)的另一部分固定在X-或y_質(zhì)量塊上。通過加載交流電壓，就可以交替地吸引χ-或y_質(zhì)量塊，這樣就可以產(chǎn)生振動的第一運(yùn)動。在本發(fā)明的一種有利設(shè)計(jì)方案中，χ-質(zhì)量塊朝y_方向驅(qū)動，y-質(zhì)量塊朝χ-方向驅(qū)動驅(qū)動。特別是在一種矩形χ-質(zhì)量塊或y_質(zhì)量塊平面中，通過旋轉(zhuǎn)y_質(zhì)量塊90°并且根據(jù)相應(yīng)的錯(cuò)位安裝，就可以得到一個(gè)幾乎是正方形的微陀螺儀總平面。這樣就可以形成一種結(jié)構(gòu)緊湊的小微陀螺儀。如果兩個(gè)χ-質(zhì)量塊與兩個(gè)y_質(zhì)量塊是交替地圍繞中心緊固銷設(shè)置的，那么在驅(qū)動并測定X-或y_旋轉(zhuǎn)率時(shí)會產(chǎn)生一種滿意的平衡，通過這種方式就可以盡可能地抵消在χ-或y-質(zhì)量塊不均勻偏轉(zhuǎn)或不均勻驅(qū)動時(shí)圍繞緊固銷產(chǎn)生的寄生力矩。這樣就可以保持微陀螺儀平衡，并且不受干擾地測定相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)率。如果χ-與y_質(zhì)量塊各自過一個(gè)耦合彈簧固定在一個(gè)中心彈簧上，那么這些質(zhì)量塊在圍繞中心緊固銷的驅(qū)動運(yùn)動時(shí)就會存在一個(gè)共同的同步振動形式。這種情況優(yōu)選以下形式，即，中心彈簧固定在中心緊固銷上并且可以在x-y平面中圍繞該中心緊固銷旋轉(zhuǎn)。通過耦合彈簧可以同步驅(qū)動四個(gè)χ-或y_質(zhì)量塊，并且具有一個(gè)共同的諧振頻率。而這對于準(zhǔn)確而不變地測定所出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)率來說是非常有利的。雖然中心彈簧可以影響驅(qū)動諧振頻率，但一般只會較弱地影響。其首先可以避免沿著Z-坐標(biāo)導(dǎo)入到傳感器結(jié)構(gòu)上的外部沖擊脈沖將X-或y_質(zhì)量塊輕易地打到襯底上，其次，通過耦合彈簧可以同步χ-或y_質(zhì)量塊的驅(qū)動運(yùn)動，從而使所有質(zhì)量塊中的后者就可以在所期望的驅(qū)動頻率中實(shí)現(xiàn)一個(gè)單獨(dú)的共同諧振頻率。在一種特別有利的結(jié)構(gòu)中，所有耦合彈簧是螺旋形的。在切線方向，一個(gè)耦合彈簧優(yōu)選是剛性的，以便在這個(gè)方向傳遞耦合力。相反，在徑向方向，其是柔性的，以避免將畸變力傳遞給χ-或y_質(zhì)量塊。通過這種方式可以有利地確保，在驅(qū)動時(shí)與第二運(yùn)動時(shí)一樣盡可能保持χ-或y_質(zhì)量塊無阻力地但又同步地運(yùn)動，以便測定一個(gè)旋轉(zhuǎn)率。如果由于耦合彈簧產(chǎn)生的阻力太大，那么就會擔(dān)心χ-或y質(zhì)量塊變形，從而對測定圍繞ζ-坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)率造成不利影響。在本發(fā)明的一種特別優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，在一個(gè)χ-或y_質(zhì)量塊上各設(shè)置有一個(gè)ζ-質(zhì)量塊。也就是說，每個(gè)X-或y_質(zhì)量塊具有一個(gè)Z-質(zhì)量塊，Z-質(zhì)量塊的第一運(yùn)動與X-或y_質(zhì)量塊在y-或χ-方向是一起完成的。微陀螺儀出現(xiàn)ζ-旋轉(zhuǎn)時(shí)，ζ-質(zhì)量塊會垂直于其第一運(yùn)動方向并平行于襯底偏轉(zhuǎn)。如果ζ-質(zhì)量塊的第一運(yùn)動是在χ-方向，那么ζ-質(zhì)量塊就會在y_方向偏轉(zhuǎn)。如果ζ-質(zhì)量塊設(shè)置在χ-質(zhì)量塊上，那么其第一運(yùn)動是在y_方向，那么指向ζ-旋轉(zhuǎn)率的科氏力就會使ζ-質(zhì)量塊在χ-方向偏轉(zhuǎn)。因?yàn)橥ㄟ^圍繞ζ-坐標(biāo)螺旋旋轉(zhuǎn)的耦合彈簧可以同步χ-或y_質(zhì)量塊的驅(qū)動振動形式，所以在測定陀螺儀圍繞ζ-坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)時(shí)，各ζ-質(zhì)量塊的偏轉(zhuǎn)階段也會同步，從而使這些質(zhì)量塊在χ-y平面中并且徑向于ζ-坐標(biāo)方向向內(nèi)或向外一起振動。為了在與測定ζ-旋轉(zhuǎn)率相關(guān)的第二運(yùn)動中獲得一個(gè)相應(yīng)的彈性用于偏轉(zhuǎn)ζ-質(zhì)量塊，但又可以避免ζ-質(zhì)量塊在第一運(yùn)動中與χ-或y_質(zhì)量塊過緊相連，需要配置多個(gè)彈簧， 所述彈簧可以通過一種連接條凸起基本與χ-或y_質(zhì)量塊同心連接。這樣的話，就可以避免彈簧直接連接在χ-或y_質(zhì)量塊上，而這對于從第一運(yùn)動中分離出ζ-旋轉(zhuǎn)率測定是非常有利的。即使是微陀螺儀的結(jié)構(gòu)與這里所要求的不同，ζ-質(zhì)量塊在χ-或ι-質(zhì)量塊上的這種緊固方式也非常有利。如果條形凸起與χ-或y_質(zhì)量塊的連接以及χ-或y_質(zhì)量塊的緊固銷是相互排成一條直線，那么特別有利。通過這種方式可以使由于X-或y質(zhì)量塊的變形所出現(xiàn)的扭曲保持特別小。根據(jù)本發(fā)明所述，通過如下方式可以確定Z-質(zhì)量塊的第二運(yùn)動，即，分配給X-質(zhì)量塊的彈簧在X-方向具有一個(gè)可控柔度，也就是說可以進(jìn)行柔性控制，而在y-與Z-方向幾乎不會變形，也就是說盡可能保持剛性。相應(yīng)地，以下這種情況同樣也比較有利，即，如果分配給y-質(zhì)量塊的彈簧在y_方向具有一個(gè)可控柔度，也就是說可以進(jìn)行柔性控制，而在X-與ζ-方向幾乎不會變形，也就是說基本是剛性的。這樣就會促使ζ-質(zhì)量塊在第一方向與X-或y-質(zhì)量塊同步運(yùn)動，并且必要時(shí)，即使是X-或y_質(zhì)量塊在其第二方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，其也可以與χ-或y-質(zhì)量塊一起運(yùn)動。相反，在出現(xiàn)一個(gè)ζ-旋轉(zhuǎn)率時(shí)，ζ-質(zhì)量塊脫離與χ-或y-質(zhì)量塊的共同運(yùn)動，而偏離χ-或y_方向，主要取決于第一運(yùn)動是在哪個(gè)方向。如果本發(fā)明所述的陀螺儀是一種僅用于測定ζ-旋轉(zhuǎn)率的ζ-陀螺儀，那么X-質(zhì)量塊的驅(qū)動彈簧優(yōu)選以如下方式構(gòu)成，即，其在y_方向具有一個(gè)可控柔度，而在ζ-與χ-方向幾乎不會變形。y_質(zhì)量塊的驅(qū)動彈簧優(yōu)選以如下方式構(gòu)成，即，其在χ-方向具有一個(gè)可控柔度，而在ζ-與y_方向幾乎不會變形。分配給χ-質(zhì)量塊的連接彈簧在χ-方向具有一個(gè)可控柔度，而在y_與ζ-方向幾乎不會變形，分配給y_質(zhì)量塊的連接彈簧在y_方向具有一個(gè)可控柔度，而在χ-與ζ-方向幾乎不會變形。這樣就會促使χ-與y_質(zhì)量塊不會因?yàn)槭┘拥溅?或y-坐標(biāo)上的旋轉(zhuǎn)率而通過偏轉(zhuǎn)對所出現(xiàn)的科氏力作出響應(yīng)，因?yàn)槠鋵τ诟髯苑较虻牧κ窍鄬潭ú蛔兊?。只有?質(zhì)量塊可以發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并且可以通過在χ-y平面內(nèi)χ-或 y-方向的第二運(yùn)動對陀螺儀的ζ-旋轉(zhuǎn)率作出響應(yīng)，而分配給ζ-質(zhì)量塊的傳感器元件可以測定這種偏轉(zhuǎn)。如果陀螺儀是一種用于測定圍繞χ-、y-與ζ-坐標(biāo)各旋轉(zhuǎn)率的3D陀螺儀，那么 χ-質(zhì)量塊的驅(qū)動彈簧是以如下方式構(gòu)成的，即，其在y_與ζ-方向具有一個(gè)可控的柔度，而在χ-方向幾乎不會變形。y_質(zhì)量塊的驅(qū)動彈簧是以如下方式構(gòu)成的，即，其在χ-與ζ-方向具有一個(gè)可控的柔度，而在y_方向幾乎不會變形。分配給χ-質(zhì)量塊的連接彈簧在χ-方向具有一個(gè)可控柔度，而在y_與ζ-方向幾乎不會變形。分配給y_質(zhì)量塊的連接彈簧在 y-方向具有一個(gè)可控柔度，而在χ-與ζ-方向幾乎不會變形。因此，所有的x-、y-與ζ-質(zhì)量塊可以通過一種所出現(xiàn)的科氏力在其第二方向運(yùn)動。通過分配給各質(zhì)量塊的傳感器元件可以測定這些運(yùn)動。如果根據(jù)本發(fā)明所述的陀螺儀是一種用于測定圍繞χ-與y_坐標(biāo)各旋轉(zhuǎn)率的2D 陀螺儀，那么X-與y-質(zhì)量塊的可動性要與3D陀螺儀中設(shè)置的一樣。而Z-質(zhì)量塊要么被限制其在χ-y平面中橫向于第一運(yùn)動方向的可動性，要么在相應(yīng)陀螺儀中完全取消ζ-質(zhì)量塊。因此，陀螺儀的結(jié)構(gòu)就會更簡單，因?yàn)榧炔恍枰?質(zhì)量塊也不需要相關(guān)的彈簧。下面將描述本發(fā)明所述3D陀螺儀的一種特別有利結(jié)構(gòu)
通過驅(qū)動梳可以將X-或y_質(zhì)量塊置于驅(qū)動運(yùn)動形式。在這種結(jié)構(gòu)中，X-與y_質(zhì)量塊可以在通過耦合彈簧確定的范圍中以驅(qū)動電壓的頻率同步。如果不用耦合彈簧，所有四個(gè)χ-或y-質(zhì)量塊會各自獨(dú)立地運(yùn)動。雖然通過一個(gè)共同的驅(qū)動電壓激勵(lì)，但不可避免的彈簧制造公差還是會導(dǎo)致四個(gè)質(zhì)量塊的驅(qū)動諧振頻率略微不同，而這勢必會導(dǎo)致不同的激勵(lì)振幅以及驅(qū)動運(yùn)動的方向會有略微偏移。通過耦合彈簧就可以實(shí)現(xiàn)一種唯一而共同的驅(qū)動諧振頻率，在所述驅(qū)動諧振頻率中，所有質(zhì)量塊在各方向都會具有相同的振幅。如果關(guān)心的是圍繞χ-坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)率Ω，那么就要給χ-質(zhì)量塊施加科氏力，所述科氏力與νΧ Ω的乘積成比例，其中ν表示各質(zhì)量塊的速度。該科氏力會導(dǎo)致構(gòu)成X-質(zhì)量塊的平板沿著ζ-坐標(biāo)反向振動偏轉(zhuǎn)，所述平板會與位于其下面的、固定在硅襯底上的導(dǎo)電平面一起構(gòu)成平板電容器，通過所述平板電容器可以將所測得的的運(yùn)動轉(zhuǎn)換成一種電信號。圍繞y-坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)率的測定是以類似方式實(shí)現(xiàn)的，并且可以導(dǎo)致構(gòu)成y_質(zhì)量塊的平板反向振動偏轉(zhuǎn)。
如果關(guān)心的是圍繞ζ-坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)率，那么可以將徑向向內(nèi)/向外的作用力施加到 ζ-質(zhì)量塊上。這樣會迫使框架進(jìn)入ζ-測定模式的運(yùn)動形式。在ζ-質(zhì)量塊中的方孔的垂直面會構(gòu)成平板電容器的可移動的半部分，所述平板電容器的靜止半部分位于方孔之內(nèi)。如果沒有中心彈簧，那么陀螺儀會具有一種寄生自振動，在所述寄生自振動中，通過耦合彈簧連接的平板會沿著ζ-坐標(biāo)同步往復(fù)運(yùn)動。因此，在沿著ζ-坐標(biāo)出現(xiàn)沖擊時(shí)傳感器結(jié)構(gòu)難免會打擊到襯底上。而安裝了中心彈簧就可以完全消除這種自振動形式。耦合彈簧的螺旋式結(jié)構(gòu)可以使耦合力基本只會在中心圓形耦合彈簧的切線方向傳遞。這些彈簧優(yōu)選在徑向方向非常軟。因?yàn)槠涑跏键c(diǎn)位于內(nèi)部驅(qū)動彈簧上，所以就可以盡可能地避免畸變力在驅(qū)動運(yùn)動時(shí)會從內(nèi)徑向作用到平板上，并最終會施加到使ζ-質(zhì)量塊保持在X-或y-質(zhì)量塊內(nèi)的彈簧上，從而對于用于Z-旋轉(zhuǎn)率的信號造成負(fù)面影響。連接ζ-質(zhì)量塊與χ-或y_質(zhì)量塊的彈簧位于一個(gè)連接條上，所述連接條可以同中心地連接X-或y_質(zhì)量塊。這種措施還可以盡可能地防止連接彈簧翹曲，即所說的扭曲，并防止由此而干擾ζ-旋轉(zhuǎn)率的測定。下面將描述本發(fā)明所述用于測定圍繞χ-與y_坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)率的2D陀螺儀的一種特別有利結(jié)構(gòu)
通過驅(qū)動梳可以將傳感器板，也就是X-或1-質(zhì)量塊置于驅(qū)動運(yùn)動形式。在這種結(jié)構(gòu)中，傳感器板可以在通過耦合彈簧確定的范圍中以驅(qū)動電壓的頻率同步。如果不用耦合彈簧，所有四個(gè)平板會各自獨(dú)立地運(yùn)動。雖然通過一個(gè)共同的驅(qū)動電壓激勵(lì)，但不可避免的彈簧造公差還是會導(dǎo)致四個(gè)平板的驅(qū)動諧振頻率略微不同，而這勢必會導(dǎo)致不同的激勵(lì)振幅以及驅(qū)動運(yùn)動的方向會有略微偏移。通過加入耦合彈簧就可以實(shí)現(xiàn)一種唯一而共同的驅(qū)動諧振頻率，在所述驅(qū)動諧振頻率中，所有平板在各方向都會具有相同的振幅。如果關(guān)心的是圍繞X-坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)率Ω，那么就要給平板施加科氏力，所述科氏力與νχ Ω的乘積成比例，其中，ν表示各平板的速度。該科氏力會導(dǎo)致左上與右下平板沿著ζ-坐標(biāo)反向振動偏轉(zhuǎn)。平板會與位于其之下的、固定在硅襯底上的導(dǎo)電平面一起構(gòu)成平板電容器，通過所述平板電容器可以將所測得的的運(yùn)動轉(zhuǎn)換成一種電信號。圍繞y-坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)率的測定是以類似方式實(shí)現(xiàn)的，并且可以導(dǎo)致左下與右上平板反向振動偏轉(zhuǎn)。如果沒有優(yōu)選的中心彈簧，那么在頻率非常低時(shí)(大約5kHz)，諧振會處于蝴蝶模式，在所述蝴蝶模式中，通過耦合彈簧連接的平板會沿著ζ-坐標(biāo)往復(fù)運(yùn)動。因此，在沿著 ζ-坐標(biāo)出現(xiàn)沖擊時(shí)傳感器結(jié)構(gòu)難免會打擊到襯底上。而安裝了中心彈簧就可以完全消除這種自振動形式。耦合彈簧的螺旋式結(jié)構(gòu)可以使耦合力基本只會在中心圓形耦合彈簧的切線方向傳遞。這些彈簧優(yōu)選在徑向方向非常軟。


在以下實(shí)施例中將詳細(xì)說明本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)。圖1為一種本發(fā)明所述3D-微陀螺儀的一種俯視圖。圖2為圖1所示微陀螺儀的第一運(yùn)動。圖3為圖1所示陀螺儀的χ-旋轉(zhuǎn)率的測定。圖4為圖1所示陀螺儀的y_旋轉(zhuǎn)率的測定。
圖5為圖1所示陀螺儀的ζ-旋轉(zhuǎn)率的測定。圖6為一種本發(fā)明所述ζ-微陀螺儀的一種俯視圖。圖7為圖6所示微陀螺儀的第一運(yùn)動。圖8為圖6所示陀螺儀的ζ-旋轉(zhuǎn)率的測定。圖9為一種本發(fā)明所述x-y_微陀螺儀的第一運(yùn)動的一種俯視圖。圖10為圖9所示微陀螺儀的的χ-旋轉(zhuǎn)率的測定。圖11為圖9所示微陀螺儀的的y_旋轉(zhuǎn)率的測定。附圖標(biāo)記清單
I襯底
2傳感器板
2χχ-質(zhì)量塊
2yy-質(zhì)量塊 3中心緊固銷
4a固定梳形件
4b移動梳形件 5緊固銷
6a外部驅(qū)動彈簧
6b內(nèi)部驅(qū)動彈簧
7華禹合彈黃
8中心彈簧
9ζ-質(zhì)量塊
10連接彈簧
II條形件
12中心條形凸起
具體實(shí)施例方式圖1示出了一種本發(fā)明所述3D-微陀螺儀的一種俯視圖，主要部件是線性振動的傳感器板2。傳感器板各自具有一個(gè)基本矩形形狀，傳感器板設(shè)置在一個(gè)中心緊固銷3周圍。傳感器板&代表χ-質(zhì)量塊，而傳感器板2y則代表y-質(zhì)量塊。χ-質(zhì)量塊方向沿著其較長的邊延伸，而I-質(zhì)量塊2y更多是在χ-方向延伸。不管是χ-質(zhì)量塊還是 1-質(zhì)量塊2y都設(shè)置在χ-y平面中，所述平面位于一個(gè)未示出的襯底上方。通過梳形電極可以在y_或χ-方向線性振動驅(qū)動χ-質(zhì)量塊h與y_質(zhì)量塊2y。梳形電極總是由兩個(gè)固定梳形部分如與可動梳形部分4b組成，所述固定梳形部分設(shè)置在襯底上，所述可動梳形部分與傳感器板2連接。通過加載交流電壓，就可以交替地吸引電極， 這樣就可以使傳感器板2來回振動運(yùn)動。為了可以在各自的方向移動支承，通過驅(qū)動彈簧6a與6b將每個(gè)傳感器板2固定在兩個(gè)緊固銷5上。其中，設(shè)置有外驅(qū)動彈簧6a與內(nèi)驅(qū)動彈簧6b。外驅(qū)動彈簧6a總是設(shè)置在該結(jié)構(gòu)的外部邊緣，而內(nèi)驅(qū)動彈簧6b總是朝向相鄰的傳感器板2。外驅(qū)動彈簧6a與內(nèi)驅(qū)動彈簧6b的結(jié)構(gòu)可以不同。在本發(fā)明所述陀螺儀的有些設(shè)計(jì)方案中，這一點(diǎn)是比較有利的，從而可以在χ-旋轉(zhuǎn)率測定運(yùn)動中控制χ-質(zhì)量塊h翻轉(zhuǎn)軸的位置以及在y-旋轉(zhuǎn)率的測定運(yùn)動中控制y-質(zhì)量塊2y翻轉(zhuǎn)軸的位置；參見圖3與圖4。由于陀螺儀的結(jié)構(gòu)必須確保傳感器板2在x-y-平面內(nèi)驅(qū)動，并且在ζ-方向均勻地偏轉(zhuǎn)，所以不需要內(nèi)部與外部驅(qū)動彈簧6a、6b的結(jié)構(gòu)不同。在本發(fā)明的優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，緊固銷5設(shè)置在外驅(qū)動彈簧6a與內(nèi)驅(qū)動彈簧6b的大約中心位置。χ-質(zhì)量塊h與y-質(zhì)量塊2y是關(guān)于中心緊固銷3點(diǎn)對稱的。χ-質(zhì)量塊h在其結(jié)構(gòu)上類似于y_質(zhì)量塊2y。但是它們以相互旋轉(zhuǎn)了 90度的方式設(shè)置在襯底上。為了保證傳感器板2的同步振動，后面的傳感器板通過總是一個(gè)耦合彈簧7與一個(gè)固定在中心緊固銷3上的圓形中心彈簧8相互相連。耦合彈簧7在分配給各自的傳感器板2的驅(qū)動方向是剛性的，但是在ζ-坐標(biāo)的徑向方向是柔性的。通過與中心彈簧8的耦合，其在第一運(yùn)動中可以使所有四個(gè)傳感器板2以相同的頻率驅(qū)動與振動。因此可以大大改善陀螺儀的動態(tài)性能。在傳感器板2內(nèi)設(shè)置有多個(gè)ζ-質(zhì)量塊9，所述ζ-質(zhì)量塊9是以格柵架的形式構(gòu)成的，格柵條可以用作平板電容器的可移動電極，平板電容器的固定配對部分固定在襯底上， 這樣的話，在施加圍繞ζ-坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)率時(shí)，就可以通過一個(gè)相應(yīng)的電信號測定第二運(yùn)動。ζ-質(zhì)量塊9可以通過四個(gè)連接彈簧10固定在一個(gè)條形件11上。條形件11又與連接裝置12同中心地固定在傳感器板2上。通過連接彈簧10固定ζ-質(zhì)量塊9，所述連接彈簧在ζ-方向以及各自傳感器板2的驅(qū)動方向是剛性的，然而，其在x-y-平面內(nèi)垂直于各自傳感器板2的驅(qū)動方向是柔性的。這樣的話，在施加一個(gè)圍繞ζ-軸的旋轉(zhuǎn)率時(shí)所出現(xiàn)的科氏力的作用下，ζ-質(zhì)量塊9就會偏離驅(qū)動方向，但還是在x-y-平面內(nèi)。通過平板電容器可以測定這種第二運(yùn)動。在接下來的附圖中示出了陀螺儀各部分的典型運(yùn)動。為了可以更好地對其進(jìn)行認(rèn)知，這些圖示有些夸大。實(shí)際上的偏轉(zhuǎn)當(dāng)然是非常微小的。為了更好地觀察，在所有附圖中的附圖標(biāo)記都是唯一的，只代表相同的部件。圖2示出了傳感器板2的驅(qū)動運(yùn)動。χ-質(zhì)量塊h平行于y_坐標(biāo)線性振動運(yùn)動， 并且關(guān)于中心緊固銷3點(diǎn)對稱。y_質(zhì)量塊2y相對于χ-質(zhì)量塊h旋轉(zhuǎn)了 90度。其運(yùn)動方向平行于χ-坐標(biāo)，并且同樣關(guān)于中心緊固銷3點(diǎn)對稱。內(nèi)部與外部緊固銷彈簧6a、6b的結(jié)構(gòu)可以允許驅(qū)動運(yùn)動而無較大阻力。因此，用于χ-質(zhì)量塊h的驅(qū)動彈簧6a與6b在y-方向是柔性的，而在χ-方向是剛性的。相應(yīng)的，用于y_質(zhì)量塊2y的內(nèi)部與外部驅(qū)動彈簧6a、 6b在χ-方向是柔性的，而其在y-方向是剛性的。因此可以確保傳感器板2的驅(qū)動運(yùn)動直線實(shí)現(xiàn)。為了使所有四個(gè)傳感器板2的驅(qū)動運(yùn)動同步，要通過耦合彈簧7與一個(gè)固定在中心緊固銷3上的中心彈簧8使傳感器板相互相連。耦合彈簧7可以使四個(gè)傳感器板2在驅(qū)動運(yùn)動時(shí)具有一個(gè)共同的自振動頻率。耦合彈簧7固定在內(nèi)驅(qū)動彈簧6b上，以盡可能地避免傳感器板2發(fā)生變形。通過傳感器板2的驅(qū)動運(yùn)動，中心彈簧8可以與其輻條一起圍繞中心緊固銷3旋轉(zhuǎn)。除了可以使傳感器板2同步外，耦合彈簧7與中心彈簧8還可以將傳感器板2穩(wěn)定地固定在襯底上。圖3以透視圖的方式示出了用于測定陀螺儀圍繞χ-坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的χ-質(zhì)量塊h 的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)。其中，χ-質(zhì)量塊&作為對垂直于第一運(yùn)動方向與旋轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)的科氏力的響應(yīng)向ζ-方向偏轉(zhuǎn)。為此，外部驅(qū)動彈簧6a與內(nèi)部驅(qū)動彈簧6b在ζ-方向是相對柔性的，這樣就可以在出現(xiàn)作用到X-質(zhì)量塊h上的科氏力偶時(shí)發(fā)生變形，而X-質(zhì)量塊h卻相反可以在Z-方向從x-y-平面移出來。通過電容器板可以測定X-質(zhì)量塊h的第二運(yùn)動，所述電容器板可以通過襯底的頂部與χ-質(zhì)量塊h的底部構(gòu)成。通過第二運(yùn)動，電容器平板的距離會發(fā)生變化，而這會產(chǎn)生電信號，所述電信號可以指示陀螺儀的χ-旋轉(zhuǎn)率。在陀螺儀出現(xiàn)χ-旋轉(zhuǎn)率時(shí)，y_質(zhì)量塊2y也會保持在x-y-平面中，因?yàn)樵诘谝贿\(yùn)動中，圍繞χ-坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)率不會在χ-方向產(chǎn)生科氏力。圖4以透視圖的方式示出了 y-質(zhì)量塊2y在出現(xiàn)y-旋轉(zhuǎn)率時(shí)的偏轉(zhuǎn)狀態(tài)。在χ-方向具有第一運(yùn)動的y_質(zhì)量塊2y在其第二運(yùn)動中作為對y_旋轉(zhuǎn)率的響應(yīng)，會在ζ-方向從 x-y-平面中移出來。相應(yīng)地，內(nèi)部驅(qū)動彈簧6a與外部驅(qū)動彈簧6b允許在y-質(zhì)量塊2y的第一運(yùn)動與第二運(yùn)動，因?yàn)槠湓谶@些運(yùn)動方向的彈簧常數(shù)較小。與在χ-質(zhì)量塊&中一樣， 還是通過平板電容器測定第二運(yùn)動。類似于y_質(zhì)量塊的特性，在出現(xiàn)y_旋轉(zhuǎn)率時(shí)，χ-質(zhì)量塊^的運(yùn)動狀態(tài)不會發(fā)生變化，而會在x-y-平面中保持不變。圖5示出了陀螺儀ζ-旋轉(zhuǎn)率的測定。因?yàn)樵跍y定χ-和/或y_旋轉(zhuǎn)率時(shí)以及在第一運(yùn)動中，Z-質(zhì)量塊9會與分配給它的X-質(zhì)量塊h或y-質(zhì)量塊2y盡可能地固定在一起運(yùn)動，所以在出現(xiàn)一種ζ-旋轉(zhuǎn)率時(shí)，其會承受一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動。因?yàn)橛羞B接彈簧10，所以當(dāng)由于一種圍繞ζ-坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)率而出現(xiàn)相應(yīng)的科氏力時(shí)，ζ-質(zhì)量塊9會在x-y-平面中垂直于驅(qū)動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。其中，ζ-質(zhì)量塊9可以在χ-質(zhì)量塊h或y-質(zhì)量塊2y的方孔內(nèi)移動。在圖5中示出的ζ-質(zhì)量塊9與χ-質(zhì)量塊或y-質(zhì)量塊2y看起來有點(diǎn)搭接，這是為了圖示所使用的模擬程序，其可以更好地示出所產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)，但在實(shí)際情況中當(dāng)然不會出現(xiàn)這種情況，因?yàn)棣?質(zhì)量塊9與χ-質(zhì)量塊h或y-質(zhì)量塊2y處于同一平面中。通過垂直平板電極或通過梳形電極可以測定ζ-質(zhì)量塊9的第二運(yùn)動。其中，ζ-質(zhì)量塊9的格柵結(jié)構(gòu)與傳感器元件固定在襯底上的一部分之間的距離是以電容的形式測定的，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。通過給圍繞各坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動明確分配部件，可以明確確定本發(fā)明所述微陀螺儀的各旋轉(zhuǎn)率。不管是X-質(zhì)量塊^還是I-質(zhì)量塊2y與ζ-質(zhì)量塊9都具有相互獨(dú)立的第二運(yùn)動。因此可以明確地測定相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)率，并且可以通過相應(yīng)傳感器元件的電信號進(jìn)行測量。圖6示出了一種ζ-微陀螺儀的一種俯視圖作為本發(fā)明所述陀螺儀的另外一種示例。其中其涉及到圖1的類似結(jié)構(gòu)。為了避免重復(fù)，下面將主要描述不同之處。為了精確而敏感地測定ζ-旋轉(zhuǎn)率，與在3D-陀螺儀中相比，ζ-質(zhì)量塊9比安裝它的X-或y質(zhì)量塊2i、2j大一些。X-與y質(zhì)量塊2i、2j不會以偏轉(zhuǎn)的方式對χ-或y-旋轉(zhuǎn)率作出響應(yīng)，因此，在重量方面有所降低。連接彈簧10直接安裝在χ-或y_質(zhì)量塊h、2y 上。雖然可以設(shè)置一個(gè)條形件11與一個(gè)條形凸起12，但這是不需要的，因?yàn)棣?或y-質(zhì)量塊&、27的連接由于缺少在ζ-方向的偏轉(zhuǎn)不會出現(xiàn)一種張緊。雖然外部與內(nèi)部驅(qū)動彈簧 6a、6b可以與3D陀螺儀中一樣在x-y-平面內(nèi)的驅(qū)動方向進(jìn)行柔性控制。但是因?yàn)閤_或 y-質(zhì)量塊h、2y在ζ-方向有偏轉(zhuǎn)，所以其結(jié)構(gòu)要是剛性的。相應(yīng)地，除了改變了彈簧橫截面外，驅(qū)動彈簧6a、6b也可以直接設(shè)置在χ-或y_質(zhì)量塊h、2y上。除此以外，χ-或y_質(zhì)量塊2i、2j也沒有示出可以與襯底1上的傳感器板一起作用的傳感器板，因?yàn)檎迷讦?方向不用偏轉(zhuǎn)。
圖7示出了圖6所示ζ-微陀螺儀的第一運(yùn)動。與圖2中所示及其成功描述一樣， X-質(zhì)量塊在y-方向與y-質(zhì)量塊2y在X-方向是振動驅(qū)動的。圖8示出了圖6所示ζ-陀螺儀的ζ-旋轉(zhuǎn)率的測定。這與圖5所示以及其所描述的工作原理類似。在由于襯底1的ζ-旋轉(zhuǎn)而出現(xiàn)一種科氏力時(shí)，ζ-質(zhì)量塊9會在χ-或 y_方向有偏轉(zhuǎn)。如果關(guān)心的是圍繞ζ-坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)率，那么徑向向內(nèi)/向外的作用力會如圖5所示一樣作用到ζ-質(zhì)量塊9上。然后迫使ζ-質(zhì)量塊9進(jìn)入測定模式的運(yùn)動狀態(tài)。在 ζ-質(zhì)量塊9中的方孔的垂直面會構(gòu)成平板電容器可移動半部分，未示出的平板電容器固定半部分位于方孔處內(nèi)。與3D陀螺儀中一樣的是，從外部作用的沖擊會使驅(qū)動或測定框架以如下方式偏轉(zhuǎn)，即，設(shè)置在測定框架內(nèi)與周圍的平板電容器的電量變化加在一起會抵消。這樣就會以一種可靠的方式避免測量電子元件的外部沖擊造成錯(cuò)誤顯示旋轉(zhuǎn)率信號。圖9示出了一種本發(fā)明所述二維x-y-微陀螺儀的第一運(yùn)動的俯視圖。陀螺儀與圖1至圖4的陀螺儀基本相同。僅僅不同的是，這里的x-y-陀螺儀沒有ζ-質(zhì)量塊9，也沒有連接彈簧10、條形件11與條形凸起12。因此，除了對ζ-質(zhì)量塊以及相應(yīng)ζ-旋轉(zhuǎn)率測定的說明外，其可以完全參考圖1至圖4的說明。χ-質(zhì)量塊h與y-質(zhì)量塊2y的第一運(yùn)動還是圍繞中心緊固銷3切向?qū)崿F(xiàn)的。χ-質(zhì)量塊h與y-質(zhì)量塊2y可以通過耦合彈簧7與中心彈簧8相互連接在一起，以便實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動的同步，與中心緊固銷3連接在一起以便將其固定到襯底上。χ-質(zhì)量塊h與y-質(zhì)量塊2y是以振動的方式驅(qū)動的，并且相互反向旋轉(zhuǎn)。圖10示出了圖9所示微陀螺儀在測定χ-旋轉(zhuǎn)率的狀態(tài)。X-質(zhì)量塊h由于一種科氏力會在ζ-方向從其x-y-平面中偏轉(zhuǎn)出來。其中，χ-質(zhì)量塊會基本平行于其驅(qū)動位置沿著ζ-坐標(biāo)移動。與之相關(guān)的χ-質(zhì)量塊與襯底之間的距離變化可以通過相應(yīng)的傳感器板測定，所述傳感器板位于χ-質(zhì)量塊^的底部與襯底的頂部。與圖10類似，圖11示出了圖9所示微陀螺儀在測定y-旋轉(zhuǎn)率時(shí)的狀態(tài)。只不過這里是I-質(zhì)量塊2y在ζ-方向從其驅(qū)動平面中偏轉(zhuǎn)出來，而不是χ-質(zhì)量塊2x。本發(fā)明不限于所示實(shí)施例。在任何時(shí)候，在權(quán)利要求框架下的各部件可以具有其它造型與其它配置。特別是可以在一種3D-陀螺儀結(jié)構(gòu)中，只評價(jià)分析三個(gè)旋轉(zhuǎn)率中的一個(gè)，例如z-旋轉(zhuǎn)率，就相當(dāng)于將陀螺儀用作一個(gè)純ζ-陀螺儀。同樣，在一種3D陀螺儀中， 也可以取消位于χ-或y_質(zhì)量塊之下與襯底之上的傳感器板，就以得到一個(gè)ζ-陀螺儀。然后只用給傳感器元件分配ζ-質(zhì)量塊。顯然，在附圖中示出的純ζ-陀螺儀的結(jié)構(gòu)是比較有利的，因?yàn)橥ㄟ^這種方式可以實(shí)現(xiàn)一種成本低廉的生產(chǎn)，又可以保證精確的測量。
權(quán)利要求
1.用于測定圍繞三個(gè)相互垂直的坐標(biāo)x，Y與Z中至少一個(gè)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的微陀螺儀， -具有一個(gè)襯底(1 )，在所述襯底上設(shè)置有多個(gè)可以在x-y平面中平行于襯底(1)平面振動的質(zhì)量塊(2x，2y，9)，其中幾個(gè)振動質(zhì)量塊(2x，2y)通過彈簧與緊固銷固定在襯底(1) 上，-具有多個(gè)驅(qū)動元件(4a，4b)用于維持質(zhì)量塊(2x，2y，9)的線性振動，當(dāng)襯底(1)圍繞任意一個(gè)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)時(shí)，這些質(zhì)量塊會受到科氏力的作用，并且-具有多個(gè)傳感器元件，所述傳感器元件可以測定由于產(chǎn)生的科氏力所導(dǎo)致的質(zhì)量塊 (2x，2y，9)偏轉(zhuǎn)，其特征在于，_在襯底(1)上設(shè)置有一個(gè)中心緊固銷(3)，圍繞中心緊固銷(3)設(shè)置有多個(gè)質(zhì)量塊(2x，2y，9)，-一些X-振動質(zhì)量塊(2X)還可以沿著垂直于襯底(1)的Z-坐標(biāo)偏轉(zhuǎn)，從而測定圍繞 χ-坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)率，和/或_ 一些y_振動質(zhì)量塊(2y)還可以沿著垂直于襯底(1)的ζ-坐標(biāo)偏轉(zhuǎn)，從而測定圍繞y_坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)率，和/或，-其它ζ-振動質(zhì)量塊(9)還可以在x-y平面中垂直于各自的驅(qū)動方向偏轉(zhuǎn)，從而測定圍繞ζ-坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)率，-χ-質(zhì)量塊(2x)和y-質(zhì)量塊(2y)與中心緊固銷(3)相連，ζ-質(zhì)量塊(9)與χ-質(zhì)量塊(2χ)或y-質(zhì)量塊(2y)相連，-X-與y-質(zhì)量塊(2x，2y )通過如下方式支承在襯底(1)上，即，質(zhì)量塊可以圍繞中心緊固銷(3)線性切向驅(qū)動。
2.根據(jù)以上權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，χ-質(zhì)量塊(2x)和/或y-質(zhì)量塊 (2y)是傳感器板(2)。
3.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，ζ-質(zhì)量塊(9)是框架。
4.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，χ-、y_和/或ζ-質(zhì)量塊具有一個(gè)基本矩形的平面形狀。
5.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，χ-與y_質(zhì)量塊(2x， 2y)與固定緊固銷(5)以及驅(qū)動彈簧(6a，6b) —起設(shè)置在襯底(1)上。
6.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，當(dāng)陀螺儀應(yīng)測量χ-旋轉(zhuǎn)率時(shí)，X-質(zhì)量塊(2x )的驅(qū)動彈簧(6a，6b )在y-與ζ-方向具有一個(gè)可控柔度，而在x_方向幾乎不會變形。
7.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，當(dāng)陀螺儀不應(yīng)測量 X-旋轉(zhuǎn)率時(shí)，X-質(zhì)量塊(2X)的驅(qū)動彈簧(6a，6b)在y_方向具有一個(gè)可控柔度，而在χ-與 ζ-方向幾乎不會變形。
8.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，當(dāng)陀螺儀不應(yīng)測量 1-旋轉(zhuǎn)率時(shí)，y_質(zhì)量塊(2y)的驅(qū)動彈簧(6a，6b)在χ-方向具有一個(gè)可控柔度，而在y_與 ζ-方向幾乎不會變形。
9.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，當(dāng)陀螺儀應(yīng)測量y_旋轉(zhuǎn)率時(shí)，y_質(zhì)量塊(2y )的驅(qū)動彈簧(6a，6b )在χ-與ζ-方向具有一個(gè)可控柔度，而在y_方向幾乎不會變形。
10.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，可以通過外部與內(nèi)部驅(qū)動彈簧(6a，6b )固定各χ-與y-質(zhì)量塊(2x，2y )。
11.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，當(dāng)陀螺儀應(yīng)測量 χ-或y_旋轉(zhuǎn)率時(shí)，外部與內(nèi)部驅(qū)動彈簧(6a，6b)設(shè)置在χ-或y-質(zhì)量塊(2x, 2y)上并且在 ζ-方向具有可控柔度。
12.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，當(dāng)陀螺儀只應(yīng)測量 ζ-旋轉(zhuǎn)率時(shí)，外部與內(nèi)部驅(qū)動彈簧(6a, 6b)設(shè)置在χ-或y-質(zhì)量塊(2x, 2y )上并且在z_方向幾乎不會變形。
13.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，外部與內(nèi)部驅(qū)動彈簧 (6a，6b)具有不同的長度。
14.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，可以通過梳形電極 (4a，4b)驅(qū)動 χ-與 y-質(zhì)量塊(2x，2y)。
15.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，χ-質(zhì)量塊(2x)朝 1-方向驅(qū)動，I-質(zhì)量塊(2y)朝χ-方向驅(qū)動驅(qū)動。
16.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，總是交替地圍繞中心緊固銷(3 )設(shè)置兩個(gè)χ-質(zhì)量塊(2x )與兩個(gè)y-質(zhì)量塊(2y )。
17.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，χ-與y_質(zhì)量塊(2x， 2y)各自通過一個(gè)耦合彈簧(7)固定在一個(gè)中心彈簧(8)上。
18.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，中心彈簧(8)固定在中心緊固銷(3)上，并且可以在x-y平面中圍繞中心緊固銷旋轉(zhuǎn)。
19.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，耦合彈簧(7)是螺旋形的，其在切線方向是剛性的，以便在這個(gè)方向傳遞耦合力，其在徑向方向是柔性的，以避免將畸變力傳遞到χ-或y_質(zhì)量塊(2x，2y)上。
20.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，在一個(gè)χ-或一個(gè) 1-質(zhì)量塊(2x，2y)上各設(shè)置有一個(gè)ζ-質(zhì)量塊(9)。
21.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，可以通過連接彈簧 (10)將ζ-質(zhì)量塊(9)固定在χ-或y-質(zhì)量塊(2x，2y)上。
22.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，連接彈簧(10)設(shè)置在連接條(11)上，所述連接條可以通過一種條形凸起(12)基本同心固定在χ-或y_質(zhì)量塊 (2x,2y)上。
23.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，條形凸起(12)與 χ-或y_質(zhì)量塊(2x，2y)的緊固銷(5)相互排成一條直線。
24.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，分配給χ-質(zhì)量塊 (2x)的連接彈簧(10)在χ-方向具有一個(gè)可控柔度，而在y_與ζ-方向幾乎不會變形。
25.根據(jù)以上任一或多項(xiàng)權(quán)利要求所述的微陀螺儀，其特征在于，分配給y_質(zhì)量塊 (2y)的連接彈簧(10)在y-方向具有一個(gè)可控柔度，而在x_與z_方向幾乎不會變形。
26.微陀螺儀，優(yōu)選根據(jù)以上任一或多項(xiàng)要求所述的微陀螺儀，其特征在于，陀螺儀是一種僅用于測定ζ-旋轉(zhuǎn)率的ζ-陀螺儀，其中-X-質(zhì)量塊(2x)的驅(qū)動彈簧(6a，6b)在y_方向具有一個(gè)可控柔度，而在z_與χ-方向幾乎不會變形，-Y"質(zhì)量塊(2y)的驅(qū)動彈簧(6a，6b)在χ-方向具有一個(gè)可控柔度，而在ζ_與y_方向幾乎不會變形，-分配給X-質(zhì)量塊(2x )的Z-質(zhì)量塊(2z )的連接彈簧(10 )在X-方向具有一個(gè)可控柔度，而在y_與ζ-方向幾乎不會變形，-分配給y_質(zhì)量塊(2y )的ζ-質(zhì)量塊(2z )的連接彈簧(10 )在y-方向具有一個(gè)可控柔度，而在χ-與ζ-方向幾乎不會變形。
27.微陀螺儀，優(yōu)選根據(jù)以上任一或多項(xiàng)要求所述的微陀螺儀，其特征在于，陀螺儀是一種用于測定圍繞χ-與y_坐標(biāo)各旋轉(zhuǎn)率的2D陀螺儀，其中-χ-質(zhì)量塊(2x)的驅(qū)動彈簧(6a，6b)在y-與z_方向具有一個(gè)可控柔度，而在χ-方向幾乎不會變形，-I-質(zhì)量塊(2y)的驅(qū)動彈簧(6a，6b)在χ-與ζ-方向具有一個(gè)可控柔度，而在y_方向幾乎不會變形，-陀螺儀沒有ζ-質(zhì)量塊(2z)。
28.微陀螺儀，優(yōu)選根據(jù)以上任一或多項(xiàng)要求所述的微陀螺儀，其特征在于，陀螺儀是用于測定圍繞χ-、y-與ζ-坐標(biāo)各旋轉(zhuǎn)率的3D陀螺儀，其中-Χ"質(zhì)量塊(2x )的驅(qū)動彈簧(6a，6b )在y-與ζ-方向具有一個(gè)可控柔度，而在x_方向幾乎不會變形，-I-質(zhì)量塊(2y)的驅(qū)動彈簧(6a，6b)在χ-與ζ_方向具有一個(gè)可控柔度，而在y_方向幾乎不會變形，-分配給X-質(zhì)量塊(2x )的Z-質(zhì)量塊(2z )的連接彈簧(10 )在X-方向具有一個(gè)可控柔度，而在y_與ζ-方向幾乎不會變形，-分配給y_質(zhì)量塊(2y )的ζ-質(zhì)量塊(2z )的連接彈簧(10 )在y-方向具有一個(gè)可控柔度，而在χ-與ζ-方向幾乎不會變形。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測定圍繞三個(gè)相互垂直的坐標(biāo)X、Y與Z中至少一個(gè)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的微陀螺儀，所述微陀螺儀具有一個(gè)襯底(1)、多個(gè)驅(qū)動元件(4a，4b)與多個(gè)傳感器元件，在所述襯底上設(shè)置有多個(gè)可以在x-y平面中平行于襯底(1)平面振動的質(zhì)量塊(2x，2y，9)，其中幾個(gè)振動質(zhì)量塊(2x，2y)通過彈簧與緊固銷固定在襯底(1)上，所述驅(qū)動元件用于維持質(zhì)量塊(2x，2y，9)的線性振動，當(dāng)襯底(1)圍繞任意一個(gè)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)時(shí)，這些質(zhì)量塊會受到科氏力的作用，所述傳感器元件可以測定由于產(chǎn)生的科氏力所導(dǎo)致的質(zhì)量塊(2x，2y，9)的偏轉(zhuǎn)，一些x-振動質(zhì)量塊(2x)還可以沿著垂直于襯底(1)的z-坐標(biāo)偏轉(zhuǎn)，從而測定圍繞x-坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)率，和/或，一些y-振動質(zhì)量塊(2y)還可以沿著垂直于襯底(1)的z-坐標(biāo)偏轉(zhuǎn)，從而測定圍繞y-坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)率，和/或，其它z-振動質(zhì)量塊(9)還可以在x-y平面中垂直于各自的驅(qū)動方向偏轉(zhuǎn)，從而測定圍繞z-坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)率。
文檔編號G01C19/56GK102449433SQ201080023084
公開日2012年5月9日 申請日期2010年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者H·哈默 申請人:感應(yīng)動力股份公司