抑制干扰的微机电陀螺仪以及感测角速率的方法技术

本公开涉及抑制干扰的微机电陀螺仪以及感测角速率的方法。其中，一种陀螺仪，包括：衬底(2)；第一结构(11)、第二结构(12)和第三结构(10)，弹性地耦合至衬底(2)并且可沿着第一轴(X)移动，第一和第二结构(11；12)相对于第一轴(X)布置在第三结构(10)的相对侧；驱动系统(4、16a、16b、20a、20b)，被配置为彼此同相地以及与第三结构(10)反相地沿着第一轴(X)振荡第一和第二结构(11、12)；第一、第二和第三结构(11、12、10)设置有感测电极(17a、21a)的相应集合，被配置为响应于衬底(2)关于垂直于第一轴(X)和第二轴(Y)的第三轴(Z)的旋转沿着垂直于第一轴(X)的第二轴(Y)偏移。

【技术实现步骤摘要】
抑制干扰的微机电陀螺仪以及感测角速率的方法
本专利技术涉及抑制干扰的微机电陀螺仪以及感测角速率的方法。
技术介绍
如公知的，使用微机电系统(MEMS)被越来越广泛地用于各种
，并且产生令人鼓舞的结果，尤其在用于大范围应用的惯性传感器、微集成陀螺仪和机电振荡器的制造中。具体地，多种类型的MEMS陀螺仪是可用的，它们可以通过它们的复杂机电结构和操作模式来区分，但是在任何情况下都基于柯氏加速度的检测。在这种类型的MEMS陀螺仪中，质量(或质量系统)弹性地约束至衬底或定子，能够在相互垂直的驱动方向和感测方向上平移。通过控制设备，质量被设置为在驱动方向上以受控频率和振幅来振荡。当陀螺仪以角速率绕着垂直于驱动方向和感测方向的轴转动时，由于驱动方向上的运动，质量经受柯氏力并在感测方向上移动。质量在感测方向上的位移通过角速率和驱动方向上的速率来确定，并且可以被转换为电信号。例如，质量和衬底可以电容性地耦合，使得电容取决于质量相对于衬底的位置。因此，质量在感测方向上的位移可以与角速率成比例的方式进行振幅调制的电信号的形式被检测，其中载体处于驱动质量的振荡频率。解调器的使用使得可以得到调制信号，由此得到瞬时角速率。然而，在许多情况下，承载关于瞬时角速率的信息的加速信号还包含不被柯氏加速度确定的杂散分量形式的干扰。例如，传播至衬底的振动或者施加于其的外部力可以引起质量在感测方向上的位移或干扰驱动动作。这两种事件均会导致角速率的检测和改变的输出信号，尽管实际上衬底不经受任何旋转。杂散分量的抑制是常见问题，并且对于一些应用来说尤其严重，诸如汽车行业。通过示例，在沿着直线路径的汽车行进中，陀螺仪的输出可被由不均匀道路表面引起的振动或冲击所影响。这些干扰不相应于陀螺仪的衬底的实际旋转，其中陀螺仪可刚性地耦合至汽车的车架，但是输出信号会反映杂散分量并表示不正确的角速率。已经提出了多种解决方案，通常的目的都在于减小对外部干扰的灵敏度。这些解决方案中的许多都被证明在抑制干扰线性加速度和干扰关于旋转轴(其位于由驱动方向和感测方向限定的陀螺仪平面中)的角速度的不期望的效应方面是完全可靠的。然而，绕着垂直于陀螺仪平面的轴的旋转加速度会直接影响质量在感测平面内方向上的位移，因此干扰汽车应用中期望的外部角速率测量的精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供微机电陀螺仪和感测角速率的方法，其能够克服或者至少缓解上面描述的限制。根据本专利技术，提供了分别在权利要求1和18中限定的微机电陀螺仪和感测角速率的方法。附图说明为了更好地理解本专利技术，现在仅通过非限制性示例并参照附图来描述一些实施例，其中：图1是根据本专利技术实施例的微机电陀螺仪的简化框图；图2是图1的微机电陀螺仪的一部分的简化顶视图；图3是图1的陀螺仪的第一细节的放大图；图4是图1的陀螺仪的第二细节的放大图；图5是图1的陀螺仪的第三细节的放大图；图6是图1的陀螺仪的第四细节的放大图；图7是图1的陀螺仪的部件的简化电路图；图8是第一操作条件下的图1的陀螺仪的示意图；图9是第一操作条件下的图1的陀螺仪的示意图；图10是根据本专利技术另一实施例的微机电陀螺仪的一部分的简化顶视图；图11是根据本专利技术另一实施例的微机电陀螺仪的一部分的简化顶视图；图12是根据本专利技术另一实施例的微机电陀螺仪的一部分的简化顶视图；图13是沿着图12的线XIII-XIII截取的图12的陀螺仪的截面；图14是沿着图12的线XIV-XIV截取的图12的陀螺仪的截面；以及图15是根据本专利技术的结合微机电陀螺仪的电子系统的简化框图。具体实施方式参照图1，根据本专利技术实施例的微机电陀螺仪整体通过标号1来表示，并且包括衬底2、微结构3、控制设备4和读设备5。如以下详细解释的，微结构3包括可移动部分和相对于衬底2固定的部分。控制设备4与微结构3形成控制环路，并且被配置为保持微结构3的可移动部分相对于衬底以受控频率和振幅来振荡。为此，控制设备4接收来自微结构3的位置信号SP，并将驱动信号SD提供给微结构3。读设备5根据微结构3的可移动部分的移动提供输出信号SOUT。输出信号SOUT表示衬底2相对于旋转的至少一个陀螺轴的角速率。在图1的实施例中，陀螺仪1是单轴陀螺仪。图2更详细示出了根据本专利技术一个实施例的衬底2和微结构3。微结构3本质上是平面的，并且在静止时与由第一轴X(也限定驱动方向)和第二轴(也限定感测方向)限定的陀螺仪平面XY平行。第一轴X和第二轴Y相互垂直。旋转的陀螺轴与第三轴Z平行并垂直于第一轴X和第二轴Y。在一个实施例中，微结构包括可移动质量的系统、固定和可移动驱动电极的集合以及固定和可移动感测电极的集合。这里在下文中，术语“固定”和“可移动”理解为相对于限定陀螺仪1的定子的衬底2。固定和可移动电极的附加集合(图中未示出)可以任选地设置用于沿着驱动方向感测质量的位置并且相应地控制驱动振荡的频率和振幅的目的。可移动质量的系统包括内质量10、第一外质量11和第二外质量12，它们对称地布置在内质量10的相对侧。内质量10又相对于第二轴Y对称，并且具有与第一外质量11相邻的第一质量部10’和与第二外质量12相邻的第二质量部10”。为了简化，第一轴X、第二轴Y和第三轴Z被限定为通过内质量10的重量中心(至少在静止配置方式中)。内质量10、第一外质量11和第二外质量12通过相应的弯曲部13和锚部15弹性地耦合至衬底2。在一个实施例中，内质量10、第一外质量11和第二外质量12还可以相对于第一轴X对称。弯曲部13被配置为使得第一质量10、第一外质量11和第二外质量12沿着第一轴X在驱动方向上以及沿着第二轴Y在感测方向上振荡。在一个实施例中，内质量10设置有可移动驱动电极16a的两个集合、用于第一质量部10’的一个集合以及用于第二质量部10”的一个集合。可移动驱动电极16a以梳齿式配置方式与衬底2上的相应固定或定子驱动电极16b电容性地耦合，并且布置为相对于第一轴X和第二轴Y对称。可移动驱动电极16a和定子驱动电极16b被配置为响应于由控制设备4提供的驱动信号沿着第一轴X在驱动方向上振荡内质量10。然而，在一个实施例中，内质量可具有可移动和定子驱动电极的单个集合，即使可能相对于第二轴Y不对称布置。内质量10包括可移动感测电极17a的两个集合、用于第一质量部10’的一个集合以及用于第二质量部10”的一个集合，并且每一个集合都可以划分为子集。可移动感测电极17a的集合被布置为相对于第一轴X和第二轴Y对称。此外，每个可移动感测电极17a与第一轴X平行延伸，并且以平行板结构与相应的第一固定或定子感测电极17b和相应的第二固定或定子感测电极17c电容性耦合(还参见图3和图4)。因此，第一定子感测电极17b和第二定子感测电极17c也与第一轴X平行。第一定子感测电极17b和第二定子感测电极17c被布置为：使得响应于内质量10(刚性附接有感测电极17a)沿着第二轴Y在感测方向上的位移，每个感测电极17a和相应的第一定子感测电极17b之间的第一电容增加，并且每个感测电极17a与相应的第二定子感测电极17c之间的第二电容减小；以及使得响应于内质量10沿着第二轴Y与感测方向相反的位移，第一电容减小而第二电容增加。此外，第一定子感测电极17b和第二定子感测电极17c分别电耦合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微机电陀螺仪，包括：衬底(2；102；202；302)；第一结构(11；111；211；311)、第二结构(12；112；212；312)和第三结构(10；110；210；310)，弹性地耦合至所述衬底(2；102；202；302)以沿着第一轴(X)在驱动方向上可移动，所述第一结构(11；111；211；311)和所述第二结构(12；112；212；312)相对于所述第一轴(X)布置在所述第三结构(10；110；210；310)的相对侧；驱动系统(4、16a、16b、20a、20b；216a、216b、220a、220b；316a、316b、320a、320b)，被配置为彼此同相地沿着所述第一轴(X)振荡所述第一结构(11；111；211；311)和所述第二结构(12；112；212；312)，并且被配置为与所述第一结构(11；111；211；311)和所述第二结构(12；112；212；312)反相地沿着所述第一轴(X)振荡所述第三结构(10；110；210；310)；所述第一结构(11；111；211；311)、所述第二结构(12；112；212；312)和所述第三结构(10；110；210；310)设置有感测电极(17a、21a；117a、121a；217a、221a；317a、321a)的相应集合，被配置为响应于所述衬底(2；102；202；302)关于垂直于所述第一轴(X)和第二轴(Y)的第三轴(Z)的旋转而沿着垂直于所述第一轴(X)的所述第二轴(Y)在感测方向上偏移。...

【技术特征摘要】
2015.12.29 IT 1020150000886501.一种微机电陀螺仪，包括：衬底(2；102；202；302)；第一结构(11；111；211；311)、第二结构(12；112；212；312)和第三结构(10；110；210；310)，弹性地耦合至所述衬底(2；102；202；302)以沿着第一轴(X)在驱动方向上可移动，所述第一结构(11；111；211；311)和所述第二结构(12；112；212；312)相对于所述第一轴(X)布置在所述第三结构(10；110；210；310)的相对侧；驱动系统(4、16a、16b、20a、20b；216a、216b、220a、220b；316a、316b、320a、320b)，被配置为彼此同相地沿着所述第一轴(X)振荡所述第一结构(11；111；211；311)和所述第二结构(12；112；212；312)，并且被配置为与所述第一结构(11；111；211；311)和所述第二结构(12；112；212；312)反相地沿着所述第一轴(X)振荡所述第三结构(10；110；210；310)；所述第一结构(11；111；211；311)、所述第二结构(12；112；212；312)和所述第三结构(10；110；210；310)设置有感测电极(17a、21a；117a、121a；217a、221a；317a、321a)的相应集合，被配置为响应于所述衬底(2；102；202；302)关于垂直于所述第一轴(X)和第二轴(Y)的第三轴(Z)的旋转而沿着垂直于所述第一轴(X)的所述第二轴(Y)在感测方向上偏移。2.根据权利要求1所述的陀螺仪，其中每个感测电极(17a、21a；117a、121a；217a、221a；317a、321a)电容性地耦合至相应的第一定子感测电极(17b、21b；117b、121b；217b、221b；317b、321b)和相应的第二定子感测电极(17c、21c；117c、121c；217c、221c；317c、321c)。3.根据权利要求2所述的陀螺仪，其中所述第一定子感测电极(17b、21b；117b、121b；217b、221b；317b、321b)和所述第二定子感测电极(17c、21c；117c、121c；217c、221c、317c、321c)被布置为，使得每个感测电极(17a、21a；117a、121a；217a、221a；317a、321a)和相应的第一定子感测电极(17b、21b；117b、121b；217b、221b；317b、321b)响应于所述第一结构(11；111；211；311)、所述第二结构(12；112；212；312)和所述第三结构(10；110；210；310)中的相应一个沿着所述第二轴(Y)在所述感测方向上或者与所述感测方向相反的位移而失衡。4.根据权利要求3所述的陀螺仪，包括读接口(23)，所述读接口被配置为感测每个感测电极(17a、21a；117a、121a；217a、221a；317a、321a)与相应的第一定子感测电极(17b、21b；117b、121b；217b、221b；317b、321b)之间的电容耦合的失衡。5.根据权利要求4所述的陀螺仪，其中所述读接口(23)具有第一输入和第二输入，所述第一定子感测电极(17b、21b；117b、121b；217b、221b；317b、321b)电耦合至所述第一输入，并且所述第二定子感测电极(17c、21c；117c、121c；217c、221c；317c、321c)电耦合至所述第二输入。6.根据权利要求2至5中任一项所述的陀螺仪，其中耦合至所述第三结构(10；110；210；310)的感测电极(17a；117a；217a；317a)的所述第一定子感测电极(17b；117b；217b；317b)和所述第二定子感测电极(17c；117c；217c；317c)被配置为，使得响应于所述第三结构(10；110；210；310)沿着所述第二轴(Y)在所述感测方向上的位移，所述第三结构(10；110；210；310)的每个感测电极(17a；117a；217a；317a)与相应的第一定子感测电极(17b；117b；217b；317b)之间的第一电容增加而所述第三结构(10；110；210；310)的每个感测电极(17a；117a；217a；317a)与相应的第二定子感测电极(17c；117c；217c；317c)之间的第二电容减小；以及使得响应于所述第三结构(10；110；210；310)沿着所述第二轴(Y)与所述感测方向相反的位移，所述第一电容减小而所述第二电容增加。7.根据权利要求2至6中任一项所述的陀螺仪，其中耦合至所述第一结构(11；111；211；311)和所述第二结构(12；112；212；312)的感测电极(21a；121a；221a；321a)的所述第一定子感测电极(21b；121b；221b；321b)和所述第二定子感测电极(21c；121c；221c、321c)被布置为，使得响应于所述第一结构(11；111；211；311)和所述第二结构(12；112；212；312)沿着所述第二轴(Y)与所述感测方向相反的位移，所述第一结构(11；111；211；311)和所述第二结构(12；112；212；312)的每个感测电极(21a；121a；221a；321a)与相应的第一定子感测电极(21b、121a；221b；321b)之间的第三电容增加...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·瓦尔扎希纳，张环同，M·F·布鲁内托，G·I·安德森，E·D·斯文森，N·E·赫登斯蒂尔纳，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，意法半导体公司，意法半导体国际有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利,IT