改進的振動式陀螺儀的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及微機電器件，并且具體地涉及如在獨立權利要求的前序部分中限定的 傳感器件和用于感測角速度的方法。
【背景技術】
[0002] 微機電系統或MEMS可被定義為其中至少某些元件具備某些機械功能的小型機械 化和機電系統。由于MEMS器件是使用與用于制造集成電路的工具相同的工具制造的，因此 可在同一硅片上制作微型機械和微型電子器件，從而使得機械具有智能化。
[0003] MEMS結構可用于快速地并且精確地檢測物理屬性中非常小的變化。例如，微機電 陀螺儀可用于快速地并且精確地檢測非常小的角位移。運動具有六個自由度：三個正交方 向中的平移和圍繞三個正交軸的轉動。后三個自由度可通過角速率傳感器（也被稱為陀螺 儀）測量。MEMS陀螺儀利用科里奧利效應（CoriolisEffect)測量角速率。在質量塊沿著 一個方向移動，并且施加有轉動角速率時，由于科里奧利力，質量塊在正交方向上受力。由 科里奧利力造成的物理位移可接著從電容或壓阻傳感結構中讀取。
[0004] 在MEMS陀螺儀中，由于缺乏充足的支撐，主運動（primarymotion)不能如常規般 連續轉動。反而可將機械振蕩用作主運動。在振蕩陀螺儀進行與主運動的方向正交的角運 動時，生成波狀科里奧利力。這樣，以主振蕩的頻率產生了與主運動和角運動的軸線正交的 次級振蕩。該耦合振蕩的振幅可用作角速率的測量。
[0005] MEMS陀螺儀中的難題與感測模式響應振幅的量級非常小的事實有關。在實踐中， 制造缺陷造成陀螺儀結構中不理想的幾何結構，并且導致驅動振蕩與感測模式部分地耦 合。理解了驅動和感測模式的相對量級，即使最小的不希望的與主振動的耦合也可超出感 測到的科里奧利響應（Coriolisresponse)。但是，科里奧利力與質量塊的驅動速度成比 例，并且耦合力與質量塊的位置成比例，因此，在科里奧利響應和機械力之間總會存在η/2 相位差。因此，在以驅動頻率進行振幅解調期間，正交信號可相對容易地從科里奧利信號中 分離出來。但是，現有構造傾向于增加傳感器件構造的尺寸和復雜度。正交信號的大的相 對量級的進一步含義是有關溫度和時間的正交穩定性很重要。如果混合在速率信號中的正 交信號的部分明顯不同，那么陀螺儀的穩定性將劣化。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于：在檢測科里奧利信號之前，已經在感測元件級能夠穩定地抵 消實際機械正交運動。本發明的目的通過根據獨立權利要求的特征部分的傳感器件和方法 實現。本發明的優選實施例在從屬權利要求中公開。
[0007] 本發明是基于將為抵消正交信號而生成的信號加算到對共振效應進行阻尼的閉 合反饋回路的控制信號。本發明的其他優點將參考本發明的實施例進行詳細論述。
【附圖說明】
[0008] 下面，將參考附圖并結合優選實施例對本發明進行更詳細的說明，其中：
[0009] 圖1示出了 2自由度（DoF)的機械諧振器的圖；
[0010] 圖2示出了示例性的微機械陀螺儀的構造；
[0011] 圖3示出了示例性的微機電傳感器件的構造；
[0012] 圖4示出了用于說明微機械傳感器件的實施例的框圖；
[0013] 圖5示出了適用于將位移轉換成電信號的質量彈簧系統的簡化示例；
[0014] 圖6示出了適用于將位移轉換成電信號的質量彈簧系統的另一簡化示例；
[0015] 圖7示出了用于說明示例性的第二機械諧振器的功能構造的框圖；
[0016] 圖8示出了改進的微機械傳感器件構造的框圖；
[0017] 圖9示出了微機械傳感器件的另一構造的框圖；
[0018] 圖10示出了微機械傳感器件的另一構造的框圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面的實施例是示例性的。盡管說明書中可能稱作"一"、"一個"或"某些"實施 例，但是這并不是一定意味著各種這樣的稱謂指代相同的實施例，或者特征僅適用于單個 實施例。不同實施例的單個特征可進行結合以提供其他實施例。
[0020] 在下文中，將使用可實施本發明的各種實施例的器件架構的簡單示例來對本發明 的特征進行說明。僅僅對與說明各種實施例有關的各個元件進行詳細描述。在這里可不對 本領域的技術人員周知的傳感器件和方法的各種應用方式進行具體說明。
[0021] 為了建立起所應用的概念和術語，圖1示出了如現有技術（例如，MikkoSaukoski 的"SystemandcircuitdesignforacapacitiveMEMSgyroscope"）中所描述的現有 技術的2自由度（DoF)機械諧振器的圖。圖1的2-D〇F結構包括兩個l-D〇F諧振器，一個 由質量塊10、沿X軸方向的彈簧kxx以及阻尼器Dxx構成，另一個由質量塊10、沿y軸方向的 彈簧kyy以及阻尼器Dyy構成。在角速度微機械傳感器中，X方向諧振器可被稱為主諧振器 或驅動諧振器。通常地，X方向諧振器被處于其諧振頻率（被稱為操作頻率）的外力激勵。 y方向諧振器可被稱為次級諧振器或感測諧振器。在施加關于z軸的角速度時，可在次級諧 振器中檢測到相對應的科里奧利力。在圖1的功能圖中，主諧振器和次級諧振器的質量塊 是相同的。主諧振器和次級諧振器的質量塊也可根據構造而不同。
[0022] 圖2示出了另一示例性微機械陀螺儀的構造，該陀螺儀包括質量塊20,該質量塊 20通過彈簧23、24沿y軸方向支撐在激勵框21處。所述激勵框21通過彈簧25、26沿X軸 方向進一步支撐在支撐結構22處。在所示的陀螺儀中，通過彈簧25、26的作用，位于中間 位置的質量塊20以及圍繞質量塊20的激勵框21可被激勵為進行沿X軸方向的振動主運 動。借助于從質量塊20到激勵框21的懸掛彈簧23、24而沿y軸方向形成的檢測軸與所述 主運動垂直。
[0023] 當在主運動中振動的結構相對于與xy平面的表面垂直的Z軸轉動時，主運動中的 質量塊20經受沿y軸方向的科里奧利力。檢測彈簧23、24不僅限定阻尼，進一步限定誘導 的檢測運動的振動的振幅和相位。
[0024] 圖3示出了示例性的現有技術的微機電傳感器件30的構造。該器件包括微機械陀 螺儀31，微機械陀螺儀31包括第一機械諧振器32和第二機械諧振器33,其中，第一機械諧 振器32用于驅動模式振動（主運動），第二機械諧振器33與第一機械諧振器32耦接以沿 與驅動模式振動的方向垂直的方向產生相關的感測模式振動（次級運動）。例如可以使用 用于生成振蕩電信號的主振蕩電路34和用于將輸入至第一機械諧振器32的電壓模式轉換 為主諧振器中的靜電驅動力的換能器（未示出）來實現和控制驅動模式振動。有利地是， 驅動模式振動被調節成以主諧振器32的諧振頻率發生。
[0025] 第一機械諧振器32和第二機械諧振器33的模式之間的耦合造成第二機械諧振 器33中的感測模式振動。第二機械諧振器33的振動可通過換能器（未示出）轉換成電信 號。從次級諧振器中輸出的電信號與感測模式振動相對應，并且這些電信號可通過放大器 35放大。圖3的示例性的微機械傳感器件的構造應用同步檢測，從而來自主振蕩電路和放 大器的電信號輸入到用于生成傳感器件的輸出的同步檢測器36中。在轉動力作用于微機 械傳感器件時，陀螺儀的驅動模式振動經由科里奧利力與感測模式振動耦合，并且從第二 機械諧振器中接收的電信號與科里奧利力相對應，并因此也與器件的角速度相對應。
[0026]圖4示出了敏感度得到提高的微機械傳感器件結構的框圖。使用相對應的附圖標 記來標記與圖3相關的已經