CN105387853A - 冲击稳健的集成多轴线mems陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明的不同实施例将多个冲击稳健的单轴线MEMS陀螺仪集成到单个硅基板内，同时避免了典型地与设计防冲击陀螺仪的多驱动控制系统相关联的复杂性。在本发明的一些实施例中，防冲击三轴陀螺仪基于这样的驱动方案，该驱动方案使用旋转接合部将由两组驱动质量产生的驱动力分配至单独的传感器，由此简化了陀螺仪的控制。
Description
相关专利申请的交叉引用
本申请涉及并且要求于2014年5月16日提交的、名称为“冲击稳健的集成多轴线MEMS陀螺仪”的未决和共同转让的美国专利申请序列号61/994，574的优先权权益，列出的发明人是LorenzoBertini和AlessandroRocchi，在此以引用的方式结合其全部内容。
背景技术
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)陀螺仪。更具体地，本发明涉及MEMS系统、设备和方法，以操作多轴线MEMS陀螺仪并且提供不受环境机械干扰的影响。
本发明的背景
近年来，对于MEMS陀螺仪的市场有飞速增长的对于设计成例如消费者电子产品和汽车应用的MEMS陀螺仪的需求。结果是，在现代陀螺仪的研发中具体化了两种不同的趋势。
首先，最小化陀螺仪的趋势导致了这样的涉及，即，将多个MEMS传感器集成到能够同时检测围绕多个空间轴线的角速度的单个设备内。在美国专利申请序列号2011/0094301中存在用于低端设备的陀螺仪传感器的多轴集成的实例，其中小尺寸是关键的设计参数。其次，不受例如振动、冲击和力的其它突然冲击的环境干扰已经变为高端陀螺仪设备市场的关键需求。在美国专利申请序列号2013/0269469中存在设计成通过电力和机械装置来抵消环境干扰的冲击稳健(shock-robust)的陀螺仪。
初看，将多轴传感器集成到高端陀螺仪设备内会允许在消费者市场中的更复杂和增长的应用以及减少用于汽车应用的成本。然而，高端冲击稳健陀螺仪是结合了多于不同结构的固有复杂的设备。将三个单轴线高端陀螺仪集成到同一硅基板上的直接集成带来了复杂的挑战，该挑战目前还未被掌控。此外，设计适当控制系统的复杂性实际上已将上述两种趋势由此进一步差异化。
然而，进行了一些努力将稳定和冲击稳健的特征设计到MEMS陀螺仪内，该陀螺仪例如可以放置事故并且在涉及安全的应用中可能拯救生命，汽车领域持续地依靠集成于板程度的独立单轴线高端陀螺仪。理想地，这些陀螺仪将总是保持操作，甚至是在来自冲击事件的干扰力被传递至MEMS陀螺仪的适当检测电路的情况下，以便通过区分力之间的不同贡献、探测希望的旋转等并且在不同冲击情况下采取适当的校正动作来维持方向稳定性，该力引起了检验质量(proofmasses)的位移。
需要成功地结合两种上述趋势的优点来产生可靠、冲击稳健、多轴线的陀螺仪传感器的设计。
发明内容
公开的系统和方法提供用于机电驱动系统，其允许驱动具有多个驱动质量的三个单独单轴线陀螺仪。
具体地，在本发明的不同实施例中，驱动系统的机械部件是基于一组旋转接合部，该组旋转接合部以这样的方式分配驱动力，即，按照多个单轴线陀螺仪的需要来调整驱动运动的方向。
通过将三个单轴线冲击稳健的陀螺仪集成到单个硅基板内，维持了每个陀螺仪的核心设计并且以此就冲击稳健而言的其性能，同时避免了典型地与设计防冲击陀螺仪的多驱动控制系统相关联的复杂性。
此处，已经总得描述本发明的一些特征和优势；然而，基于附图、说明书及其权利要求，此处展示的另外的特征、优势和实施例对本领域技术人员来说将变得显而易见。因此，应理解本发明的范围不受该发明内容部分中所公开的具体实施例的限制。
附图说明
将参照本发明的实施例，其实例将在附图中示出。这些图旨在示意性的，而非限制。尽管本发明总得在这些实施例的内容中描述，应理解这并非旨在将本发明的范围限制于这些具体实施例。
图1是根据本发明的不同实施例的、由单个驱动机构驱动的、处于三轴陀螺仪配置的冲击稳健的陀螺仪传感器的示意系统。
图2是根据本发明的不同实施例的、由单个驱动机构驱动的、处于多轴线陀螺仪配置的冲击稳健的陀螺仪传感器的另一示意系统。
图3是根据本发明的不同实施例的、由单个驱动机构驱动的、处于三轴陀螺仪配置的非冲击稳健的陀螺仪传感器的示意系统。
图4是用于根据本发明的不同实施例的、由单个驱动机构驱动的、处于多轴线陀螺仪配置中的冲击取消的示意过程的流程图。
具体实施方式
在下面描述中，为了解释的目的，列出了具体细节以便提供本发明的理解。然而，显然对于本领域技术人员来说，可以实施本发明而无需这些细节。本领域技术人员将意识到如下描述的本发明的实施例可以以不同方式和使用不同装置来执行。本领域技术人员还将意识到本发明范围内的另外修改、应用和实施例如同本发明可以提供实用性的其它领域。因此，下面描述的实施例是本发明具体实施例的示意并且意在避免掩盖本发明。
说明书中的引用“一个实施例”或“一实施例”是指关于该实施例描述的具体特征、结构、特征或功能被包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中不同地方出现的语句“在一个实施例中”或“在一实施例中”等并不必要指同一实施例。
另外，附图中部件之间或方法之间的连接部并不限制于直接表现的连接部。而是，图中所示的部件或方法步骤之间的连接部可以被修改或者通过增加中间部件或方法步骤被更改，而不偏离本发明的教导。在该文献中，术语“接合部”和“旋转结合部”是指本领域技术人员意识到的任何种类的铰接部、枢转装置或耦合机械。
图1是根据本发明的不同环境的、由单个驱动机构驱动的、处于三轴陀螺仪中的冲击稳健的陀螺仪传感器的示意系统。图1中的系统在单个设备中结合了三个单轴陀螺仪180-184，以产生三轴陀螺仪100。陀螺仪184是Z-陀螺仪，而陀螺仪180和182是两个相同的平面内陀螺仪。如图1中所示，平面内陀螺仪180和182定向放置成相对于彼此横跨Y-轴线195和在X-Y平面中成45度角的镜像布置。
陀螺仪传感器180-184利用科里奥利(Coriolis)效应以确定何时将角速率应用于三轴陀螺仪100。应理解，陀螺仪传感器180-184包括由科里奥利力移动的内检验质量。一般地，科里奥利力可被用来根据下列原理来测量角速率：
每个陀螺仪内的电容式检测电极将正交于相应驱动方向的检测方向上的陀螺质量的位移作为电容变化来测量，其是相应陀螺仪的旋转的函数。例如，当响应于施加于三轴陀螺陀螺仪100的角速度科里奥利力作用在陀螺仪180时，与检验质量相关联的检测电极将由科里奥利力诱导的位移转换为电容变化，该电容变化与所施加的角速度成比例。典型地，ASIC处理陀螺仪传感器信号，以便确定相对于传感器环境的角速度，并且调整所需的频率和振幅以维持致动器的谐振，此处为质量102、104。
具体地，当三轴陀螺仪中的质量被驱动来以一定速度沿正坐标系的第一轴线(例如，X-轴线192)移动并且暴露于关于第二轴线(例如，Z-轴线196)的角旋转时，科里奥利效应典型地使检验质量由科里奥利力沿第三方向(例如，Y-轴线194)位移，该科里奥利力与待测量的角速率直接成比例。使用MEMS技术，该该位移能被合适的电子器件探测，例如，通过施加电压的电容传感器构件(典型的梳状电极或板电极)来将位置上的变化(即电容或电压上的变化)探测成测量角旋转。
例如在图1中，Z-陀螺仪184被沿Y-轴线194驱动并且对沿X-轴线196的偏移敏感，为了关于Z-轴线192的旋转，即平面外。平面内陀螺仪180被以相对于Y-轴线194成45度角驱动并且对沿Z-轴线196的偏移敏感，为了垂直于在X-Y平面中其驱动方向的旋转。类似地，平面内陀螺仪182被以相对于Y-轴线194成负45度角驱动并且对沿Z-轴线196的偏移敏感，为了垂直于在X-Y平面中其驱动方向的旋转。
通过一组旋转接合部120-164来促进该驱动方案，通过它们关于Z-轴线196的旋转产生推-拉力，该推-拉力将在Y-轴线194上发生的驱动质量102、104的平移运动传递至XY-平面中的每个单独的陀螺仪180-184。换句话说，该组接合部120-164将驱动力分配至单独的陀螺仪180-184。注意到，没有控制质量102、104与陀螺仪180-184之间相互作用的集成的机械系统，每个陀螺仪180-184会需要单独的电控制回路。
在一个实施例中，用于陀螺仪180-184的机械激励有利地通过包括驱动构件(未显示)的仅单个电系统来提供。该驱动构件激励驱动质量102、104两者进入沿空间轴线例如Y-轴线194的谐振。质量102、104典型地通过电极(未显示)静电地致动，以便关于Y-轴线194振荡并且将机械力输送至单独的陀螺仪180-184。这实质上简化了驱动和控制驱动质量102、104的控制系统(未显示)的设计。本领域技术人员将意识到质量102、104能以任何适当的定向和几何形状来实施。
在图1中的示例中，旋转接合部110-164中的每个被耦合至任一质量102、104、陀螺仪180-184或接合部120-164中的另一个并且围绕其相应的中心锚定点170旋转。一组接合部110-112和其对称的配对物150-152将驱动质量102、104的运动限制为同步和反相的。
具体地，当质量102沿Y-轴线194在负方向上移动时，质量104沿Y-轴线194在正方向上移动。该反相运动直接激励Z-陀螺仪184。接合部120-124和160-164将驱动质量102、104的运动转变为相对于XY-平面中的Y-轴线194的以+/-45度的反相运动，以便分别激励平面中的陀螺仪180和182。例如，当接合部120顺时针旋转时，旋转运动被传递至接合部122和124，该接合部122和124于是分别逆时针和顺时针旋转。这产生了致动平面中的陀螺仪180的力172.
应理解，可以施加力的接合部12的位置的数量可以根据具体实施来调整。虽然在一些情况下这可以阻止使用冲击稳健的陀螺陀螺仪，其仍能使该陀螺仪在单驱动三轴陀螺仪配置中操作。还应理解，虽然陀螺仪180、182由于它们的平面中镜像设计可以是相同的，但这并不旨在限制本发明的范围。本领域技术人员将意识到对于陀螺仪180、182的其他接合部布置和定向是可能的，而不偏离本发明的范围。最后，虽然为了简洁和清楚省去了接合部和至框架的另外锚定(例如用于驱动接合部)的详细描述，应理解接合部110-124以及150-164可以以本领域任何已知的方法来实施。
图2是根据本发明的不同环境的、由单个驱动机构驱动的、处于多轴线陀螺仪中的冲击稳健的陀螺仪传感器的另一示意系统。以类似于图1的方式，图2中的多轴线陀螺仪200将至少三个单轴陀螺陀螺仪280-284结合到单个设备内。与图1中不同，平面中的陀螺仪280和282被分别平行于Y-轴线194和X-轴线192定向，而并非放置成关于某一空间轴线的镜像布置。陀螺仪284是定向成平行于Y-轴线194的平面外Z-陀螺仪。
在图2中的实例中，平面内的陀螺仪Y-陀螺仪280和平面外的Z-陀螺仪284被沿X-轴线192驱动，而平面内的陀螺仪X-陀螺仪282被沿Y-轴线194驱动。Y-陀螺仪280对于沿Z-轴线196的偏移敏感用于关于Y-轴线194的旋转；X-陀螺仪282对于沿Z-轴线196的偏移敏感用于关于X-轴线192的旋转；以及Z-陀螺仪284对于沿Y-轴线194的偏移敏感用于关于Z-轴线196的旋转。
在一个实施例中，该组旋转接合部222关于Z-轴线196旋转以产生推-拉力，该推-拉力将在Y-轴线194上的两组驱动质量202-208和212-218的运动传递至位于XY-平面中的单独的陀螺仪280-284。以类似于图1的方式，图2中的质量202-208和212-218的系统可以被电极静电地致动，以关于Y-轴线194振荡并且输送所需的机械力以振荡陀螺仪280-284的内部质量。
在一个实施例中，旋转接合部222被至少耦合至质量202-218之一或另一旋转接合部222，并且关于其相应的中心锚定部170旋转，以产生关于X-轴线192和Y-轴线194两者的成对的反相运动。接合部222的布置将该组驱动质量202-208、212-218的运动约束为同步和反相的(例如，当组202-208沿Y-轴线194在负方向上移动时，组212-218一直沿Y-轴线194在正方向上移动)。该同步运动产生了能使冲击稳健的陀螺仪280-284操作的驱动力。例如，力172能驱动冲击稳健的陀螺仪280的四个内部质量，如图2中所示。
在一个实施例中，图2中用附图标记286标记的位置可以被用来保持图2中未示出的多余的X-陀螺仪或Z-陀螺仪。该位置可以被用来保持虚拟质量(也未显示)，例如，为了改善关于X-轴线192的传感器对称的目的。
图3是根据本发明的不同实施例的、由单个驱动机构驱动的、设置成三轴陀螺仪的非冲击稳健的陀螺仪传感器的示意系统。系统300包括平面内陀螺仪380和382以及平面外Z-陀螺仪384.类似于图2，陀螺仪380和384定向成平行于X-轴线192，而陀螺仪382定向成平行于Y-轴线194。X-陀螺仪380对于沿Z-轴线196的偏移敏感用于关于X-轴线192的旋转；Y-陀螺仪382对于沿Z-轴线196的偏移敏感用于关于Y-轴线194的旋转；以及Z-陀螺仪384对于沿Y-轴线194的偏移敏感用于关于Z-轴线196的旋转.
在一个实施例中，一组旋转接合部322关于关于Z-轴线196旋转以产生推-拉力，该推-拉力将在Y-轴线方向194上的两组驱动质量302-306和312-316的运动传递至位于XY-平面中的单独的陀螺仪380-384，以便将致动驱动力分配至每个单独的陀螺仪380-384。质量302-316的系统可以被电极静电地致动，以关于Y-轴线194振荡并且将机械力输送至陀螺仪380-384。
再次，旋转接合部322中的每个被耦合至质量302-316中的至少一个或另一旋转接合部332，并且关于其相应的中心锚定部170旋转，以产生关于X-轴线192和Y-轴线194两者的成对的反相运动。接合部322的布置将该组驱动质量302-306和312-316的运动约束为同步和反相的(例如，当组302-306沿Y-轴线194在负方向上移动时，组312-316沿Y-轴线194在正方向上移动)。
在该实例中，需要仅两个力372来致动陀螺仪380，从而至陀螺仪380的仅两个质量被连接至接合部322.结果，如果没有更多的，该配置会不足以驱动所需的质量数来操作图1和图2中所示的冲击稳健的陀螺仪。
图4是用于根据本发明的不同实施例的、由单个驱动机构驱动的、处于多轴线陀螺仪配置中的冲击取消的示意过程的流程图。在步骤402通过提供多个冲击稳健单轴线陀螺仪来开始用于冲击取消的过程。该陀螺仪可以是平面内陀螺仪、平面外陀螺仪或者其组合。
在步骤404，驱动力经由接合部系统(例如，旋转接合部系统)被分配至冲击稳健的单轴线陀螺仪。
最后，在步骤406，通过至少两个质量(例如，通过由外部控制系统控制的同步、反相运动)机电地驱动冲击稳健的单轴线陀螺仪。
本领域技术人员将理解更少或者其他的步骤可以与此处示出的步骤结合，而不偏离本发明的范围。此处的描述和流程图内的方框的布置并不意味着特定的顺序。
应理解，前面的实例和实施例是示意的并且是用于清晰和理解的目的，并且不是对本发明的范围的限制。对于此处的所有排列、提高、等同、结合和改进被包括在本发明的范围内，在阅读说明书和研究附图的基础上，这对本领域技术人员来说是显而易见的。因此，意指权利要求书包括落在本发明的真实精神和范围内的所有这种修改、排列和等同物。
Claims (20)
1.一种单驱动多轴线MEMS陀螺仪，包括：
第一和第二组驱动质量，其配置为被驱动成在第一驱动方向上相对于彼此的振荡运动；和
一组接合部，该组接合部连接至该第一和第二组驱动质量中的至少一个，该组接合部被配置成将第一驱动方向上的运动传递为陀螺仪的检验质量的驱动运动，该驱动运动相对于该第一驱动方向成角度，其中该角度正交于相应的检测方向，该相应的检测方向依序正交于相应的速率轴线(rateaxis)，从而在围绕该相应的速率轴线旋转的情况下，在该相应的检测方向上产生了科里奥利力。
2.如权利要求1所述的陀螺仪，其中该陀螺仪中的至少一个是单轴线冲击稳健的陀螺仪。
3.如权利要求1所述的陀螺仪，其中至少两个陀螺仪被关于该驱动轴线成镜像布置。
4.如权利要求1所述的陀螺仪，其中该角度中的至少一个是处于正45度并且该角度中的至少一个是处于负45度。
5.如权利要求1所述的陀螺仪，其中该角度中的至少一个是处于零度。
6.如权利要求1所述的陀螺仪，还包括多余陀螺仪和虚拟质量中的至少一个。
7.如权利要求1所述的陀螺仪，其中该组接合部将该第一和第二组驱动质量的运动约束为反相、同步的，并且被限制为单自由度。
8.如权利要求1所述的陀螺仪，其中该组接合部在锚定点处被铆钉于基板，以将该组接合部保持在该基板上并且能够有围绕锚定点的旋转运动。
9.如权利要求1所述的陀螺仪，其中该组接合部包括第一子组接合部，该第一子组接合部连接至该第一组驱动质量，以利用第一陀螺仪中的检验质量来同步该第一组驱动质量的运动。
10.如权利要求9所述的陀螺仪，其中该第一子组接合部包括连接至该第一陀螺仪的两个旋转接合部，该两个旋转接合部使该第一陀螺仪中的检验质量能反相移动。
11.如权利要求1所述的陀螺仪，其中该组接合部包括第二子组接合部，该第二子组接合部连接至该第一组驱动质量，以利用该第一组驱动质量来同步第二陀螺仪中的检验质量的运动。
12.如权利要求1所述的陀螺仪，其中该第二子组接合部以关于该驱动方向的镜像布置被连接至该第一组驱动质量。
13.一种驱动多轴线MEMS陀螺仪的系统，该系统包括：
驱动构件；
多轴线MEMS陀螺仪，其包括耦合至该驱动构件的第一和第二质量，该驱动构件将第一和第二质量设为在第一驱动方向上的反相振荡运动，该多轴线MEMS陀螺仪包括：
第一组接合部，其配置成使第一陀螺仪中的检验质量以相对于第一空间方向的第一角度移动；
第二组接合部，其配置成使第二陀螺仪中的检验质量以相对于第一空间方向的第二角度移动；
以相对于该第一空间方向的第三角度移动的第三陀螺仪，
其中每个角度正交于相应的检测方向，该相应的检测方向依序正交于速率轴线，从而在围绕该速率轴线旋转的情况下，在该相应的检测方向上产生了科里奥利力；以及
控制系统，其经由梳状电极控制驱动构件的致动并且经由板电极探测检验质量的位移。
14.如权利要求13所述的系统，其中驱动质量的数量是八个。
15.一种驱动多轴线MEMS陀螺仪的方法，该方法包括：
提供多个单轴线陀螺仪；
经由接合部系统将驱动力分配至多个单轴线陀螺仪；
机电地驱动该多个单轴线陀螺仪，以产生同步的、反相运动；并且
利用该多个陀螺仪中的至少一个确定角加速度。
16.如权利要求15所述的方法，其中该多个单轴线陀螺仪中的至少一个是冲击稳健的陀螺仪。
17.如权利要求15所述的方法，其中该同步、反相的运动是由多于两个质量产生的。
18.如权利要求15所述的方法，还包括通过外部控制系统控制该同步、反相的运动。
19.如权利要求15所述的方法，其中该多个单轴线陀螺仪包括面内陀螺仪和面外陀螺仪。
20.如权利要求15所述的方法，其中该接合部系统是旋转接合部系统。
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