CN102183246A - 具有改进的驱动结构的集成微机电陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

一种集成MEMS陀螺仪(1；1’；1”)，配备有：至少第一驱动质量块(2a)，当驱动电极的组件(13)偏置时，被驱动为具有沿着第一轴(x)的第一驱动运动，当存在集成MEMS陀螺仪(1；1’；1”)的旋转时，第一驱动运动产生至少一个感测运动；以及至少第二驱动质量块(2b)，被驱动为具有沿着垂直于第一轴(x)的第二轴(y)的第二驱动运动，当存在集成MEMS陀螺仪(1；1’；1”)的旋转时，第二驱动运动产生至少一个相应的感测运动。该集成MEMS陀螺仪还配备有弹性地耦合第一驱动质量块(2a)和第二驱动质量块(2b)的第一弹性耦合元件(12a)，所述耦合的方式使得以给定运动比率耦合第一驱动运动到所述第二驱动运动。

Description

具有改进的驱动结构的集成微机电陀螺仪
技术领域
本发明涉及一种集成微机电陀螺仪，特别是具有改进的驱动结构的三轴型集成微机电陀螺仪。
背景技术
众所周知，如今的精密加工技术能够从半导体材料层开始生产微机电系统(MEMS)，这些半导体材料层已经被沉积(例如，多晶硅层)或者生长(例如，外延层)在牺牲层上，这些牺牲层经由化学蚀刻而被移除。用这种技术获得的惯性传感器、加速度计和陀螺仪例如在汽车领域、惯性导航或者便携式装置领域中取得了越来越多的成功。
特别地，已经知悉用MEMS技术获得的半导体材料制成的集成陀螺仪。这些陀螺仪基于相对加速度理论、利用科里奥利加速度工作。当把某一角速度的旋转(其值是待测的)施加到使用线性速度驱动的移动质量块时，该移动质量块“感觉”到被称作“科里奥利力”的惯性力，该力确定了移动质量块在与线性驱动速度方向垂直且与关于其发生旋转的轴垂直的方向上的位移。移动质量块经由使得能够在惯性力方向上发生位移的弹性元件而被支撑。根据胡克定律，该位移与该惯性力以这样一种方式成比例，该方式使得有可能从该移动质量块的位移检测该科里奥利力和产生该科里奥利力的旋转的角速度值。移动质量块的位移能够，例如，以电容方式来检测，在谐振的情况下确定由移动感测电极的运动引起的电容变化，该电极被相对于移动质量块固定且被耦合(例如，在所谓“平行板”结构中或者在梳齿结构中)到固定感测电极。
MEMS陀螺仪通常具有对称的感测结构，包括一对用于每个感测轴的感测质量块，有可能检测关于感测轴的对应角速度的旋转。理想地，通过使用适当的差分读取机制，总体对称的结构使得能够完全排除例如由于作用于传感器的冲击或者由于重力加速度产生的外部施加的干扰的线性加速度。实际上，鉴于科里奥利力倾向于在相反方向上并且基本上等量地使每对感测质量块不平衡(产生“相反相位”运动)，干扰的外部干扰加速度确定其在相同方向上并且等量的位移(产生“同相位”运动)；通过将与每对的两个感测质量块相关的电信号相减，理想地有可能测量由于科里奥利力产生的贡献并完全排除干扰的加速度的贡献。
MEMS陀螺仪还具有驱动结构，该结构以这样一种方式机械地耦合到感测结构，以使得赋予感测质量块以沿着相应的驱动方向的线性驱动速度；借助于驱动电极将驱动结构设置成是运动的，该驱动电极从MEMS陀螺仪的电子驱动电路接收适合的电气偏置信号。特别地，偏置信号是用来借助于与给定驱动质量块相关的驱动电极的相互的和交变的吸引，在相应的驱动方向上引起相同的驱动质量块在给定振荡频率的自振荡(与驱动质量块的机械谐振频率相对应)。
MEMS陀螺仪的电子驱动电路以已知的方式包括：借助于反馈感测结构(特别地，被设计成用于通过转换电荷的变化来测量在驱动方向上驱动质量块的位移的驱动感测电极)，用于在驱动质量块上传递运动并控制其作为结果的驱动运动(特别地，相应振荡的频率和幅度)的复杂反馈控制回路。
通常，并如所述的那样，例如，在2009年6月3日以本申请人的名义提交的No.TO2009A000420专利申请中，对于每个驱动方向，电子驱动电路都包括各自的反馈控制回路，并且整体上能够在相应驱动方向上控制驱动质量块的驱动，反馈控制回路由电荷放大器块、相位延迟器、滤波器、振荡器、可变增益放大器、PLL(锁相环)级和其它元件构成。
因此，显而易见的是，关于微机械部分和相应的驱动和读取电子电路，微机电陀螺仪的设计和实施都是特别复杂的。特别地，涉及三轴陀螺仪的驱动，设想多个控制回路(每个驱动方向对应一个)的需求通常需要相当多的资源及在集成实施中相应的高占用面积。此外，维持在各种驱动方向上的驱动质量块的振荡频率、相位和幅度之间的期望比率通常是复杂的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种具有改进的机电特征的微机电陀螺仪，特别是关于相应的驱动结构。
根据本发明，提供了一种集成MEMS陀螺仪，包括：
-至少第一驱动质量块，设计成当驱动电极组件偏置时，被驱动为具有沿着第一轴的第一驱动运动，所述第一驱动运动被设计成当存在所述集成MEMS陀螺仪的旋转时，产生至少一感测运动；以及
-至少第二驱动质量块，设计成被驱动为具有沿着贯轴于所述第一轴的第二轴的第二驱动运动，所述第二驱动运动被设计成当存在所述集成MEMS陀螺仪的旋转时，产生至少一个相应的感测运动，
特征在于包括被配置成弹性地耦合所述第一驱动质量块和所述第二驱动质量块的第一弹性耦合元件，所述耦合的方式使得以给定运动比率耦合所述第一驱动运动到所述第二驱动运动。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在仅利用非限定示例并参考附图来描述其优选实施例，其中：
-图1示出根据本发明的一个方面的MEMS陀螺仪的微机电结构的概要和简化俯视图；
-图2-图4示出根据本发明的变体的MEMS陀螺仪的微机电结构的概要和简化俯视图；
图5示出根据本发明的第一实施例的三轴MEMS陀螺仪的布局的概要俯视图；
图6和图7示出根据本发明的又一实施例的三轴MEMS陀螺仪的布局的概要俯视图；
图8示出根据本发明的又一方面的提供有MEMS陀螺仪的电子装置的简化框图。
具体实施方式
正如在此后将要详细描述的那样，本发明的一方面设想提供一种集成MEMS陀螺仪，其中在将要在第一驱动方向上移动的至少第一驱动质量块和将要在垂直于第一驱动方向的第二驱动方向上移动的至少第二驱动质量块之间提供机械弹性耦合，耦合的方式使得第一驱动质量块和第二驱动质量块以彼此同步且具有给定相位关系的方式移动。正如在此后将要详细描述的那样，在两个彼此垂直的驱动方向上相对彼此移动的至少两个驱动质量块的存在使得能够感测关于笛卡尔参照系(相对于MEMS陀螺仪固定)的三个轴的角速度。驱动质量块之间的弹性耦合元件的存在使得能够利用单个驱动运动来移动微机电结构的所有移动质量块，并因此使得能够实现用于对驱动运动进行控制的单个反馈控制回路。
更详细地，并参考图1的概要表示，在此由1标出的三轴MEMS陀螺仪的微机械结构包括：第一驱动质量块2a，借助于第一弹性锚具元件4a锚定在基底3(在此被示意性地说明)，锚定方式使得第一驱动质量块2a能够沿着第一水平轴x在第一驱动方向(运动方向在图1中由箭头表示)上自由线性平移运动，使用中检测关于该轴x的俯仰角速度的旋转；第二驱动质量块2b，借助于第二弹性锚具元件4b锚定在基底3，锚定方式使得第二驱动质量块2b能够沿着垂直于第一水平轴x的第二水平轴y在第二驱动方向上自由线性平移运动，使用中检测关于轴y的侧滚角速度的旋转；第三驱动质量块2c，借助于第三弹性锚具元件4c锚定在基底3，锚定方式使得第三驱动质量块2c能够沿着第一水平轴x在第一驱动方向上自由线性平移运动，并沿着相同的第一水平轴x与第一驱动质量块3a对齐以形成第一对驱动质量块；第四驱动质量块2d，借助于第四弹性锚具元件4d锚定在基底3，锚定方式使得第四驱动质量块2d能够沿着第二水平轴y在第二驱动方向上自由线性平移运动，并沿着相同的第二水平轴y与第二驱动质量块2b对齐以形成第二对驱动质量块。特别地，驱动同一相同对驱动质量块，以使得彼此相对地反相移动(正如在此后将要详细描述的那样，用这种方式以反相产生用于感测角速度的相应的感测运动)。
在所述实施例中，驱动质量块2a-2d一般地被布置在十字形的末端，进而在中心限定了空白空间5。此外，每个驱动质量块2a-2d在由第一水平轴x和第二水平轴y限定的水平平面xy内都具有框架构造，在该框架构造中具有各自的容纳开口6a-6d(但是，正如下面描述的那样，这种构造不是用于相同的驱动质量块2a-2d的唯一有可能的一个)。
如图1示意性地说明的那样，每个驱动质量块2a-2d都能够在它内部围住被至少部分地布置在各自的容纳开口6a-6d中的一个或多个感测质量块，该感测质量块被设计成用于感测MEMS陀螺仪1被设置为旋转的角速度。感测质量块经由各自的弹性元件(在此未示出)被机械地连接到各自的驱动质量块2a-2d，该弹性元件关于驱动质量块2a-2d的驱动运动是刚性的，以使得沿着它们的线性驱动运动被搬运。此外，为了检测各自的角速度，优选地以基本上从各自的驱动质量块2a-2d去耦合的方式，每个感测质量块都能够在至少一个感测方向上移动(因此具有至少一个另外的运动自由度)。
特别地，在图1说明的实施例中，每个驱动质量块2a-2d都被耦合到各自的偏转感测质量块8a-8d，该偏转感测质量块经由各自的弹性元件(在此未示出)被连接到各自的驱动质量块2a-2d的框架，连接方式使得其能够作为关于垂直轴z(垂直于水平平面xy)动作的偏转角速度产生的科里奥利力的结果，在与各自的驱动质量块2a-2d的驱动运动相垂直的感测方向上自由移动(因此，如果它被耦合到第一驱动质量块2a或者第三驱动质量块2c，则沿着第二水平轴y，且如果它被耦合到第二驱动质量块2b或者第四驱动质量块2d，则沿着第一水平轴x)。借助于偏转电极结构(在此未示出)检测每个偏转感测质量块8a-8d的位移，该结构被布置成使得在水平平面xy中形成平行板电容结构，其电容作为偏转感测质量块8a-8d的位移的函数(并因此作为待检测偏转角速度的函数)而变化。
第一和第三驱动质量块2a、2c还被耦合到各自的侧滚感测质量块9a、9c，该侧滚感测质量块经由各自的弹性元件(在此未示出)被连接到各自的驱动质量块2a、2c的框架，连接方式使得能够作为由关于第二水平轴y以侧滚角速度旋转产生的科里奥利力的结果而沿着垂直轴z在感测方向上自由移动。借助于侧滚电极结构(在此未示出)检测每个侧滚感测质量块9a-9c的位移，该侧滚电极结构被布置在侧滚感测质量块9a、9c之下(特别地由设置在基底3上且固定地耦合到其上的一个或多个电极构成)，以形成平行板电容结构，其电容作为待检测的侧滚角速度的函数而变化。
第二和第四感测质量块2b、2d还被耦合到各自的俯仰感测质量块10b、10d，该俯仰感测质量块经由各自的弹性元件(在此未示出)被连接到各自的驱动质量块2b、2d的框架，连接方式使得能够作为由关于第一水平轴x动作的俯仰角速度的旋转产生的科里奥利力的结果而沿着垂直轴z在感测方向上自由移动。借助于俯仰电极结构(在此未示出)检测每个俯仰感测质量块10b、10d的位移，该俯仰电极结构也被布置在各自的俯仰感测质量块10b、10d之下，以形成各自的平行板电容结构，其电容作为待检测的俯仰角速度的函数而变化。
应当注意的是，在MEMS陀螺仪1的微机械结构的其他实施例中，其中的一些将要在下面被详细描述，只存在两个偏转感测质量块(例如，被容纳在第一和第三驱动质量块2a、2c的各自的容纳开口6a、6c中的那些个)。可替换地，一些感测质量块可以是相一致的而不是相异的；即，它们可能由于各自的弹性支撑元件的结构而能够在若干感测方向上移动(例如，在沿着与第一水平轴x对齐的第一和第三驱动质量块2a、2c内设置的偏转感测和俯仰感测质量块能够相一致并且由能够沿着垂直轴z且沿着第二水平轴y二者移动的单个感测质量块构成)。此外，由于相关弹性锚具元件4a-4d的特定构造，驱动质量块2a-2d自身能够与一个或多个感测质量块相一致，因此在驱动方向和在一个或多个感测方向上都能自由移动。
本发明的特别方面设想在任何情况下弹性耦合元件的存在，例如用于机械地耦合到在不同驱动方向上移动的另一个驱动质量块；弹性耦合元件如此是例如为了确保所有的驱动质量块以同步方式(具有给定相位)移动，且此外有关同一个驱动方向的驱动质量块彼此反相地移动(即，与相同的驱动方向意义相反)。
详细地，MEMS陀螺仪1包括：第一弹性耦合元件12a，被配置以便于弹性地耦合第一驱动质量块2a和第二驱动质量块2b，以使第一驱动质量块2a沿着第一水平轴x的运动与第二驱动质量块2b沿着第二水平轴y的相应运动相关联(以给定运动比率)；第二弹性耦合元件12b，被配置以便于弹性地耦合第二驱动质量块2b和第三驱动质量块2c，以使第三驱动质量块2c沿着第一水平轴x的运动与第二驱动质量块2b沿着第二水平轴y的相应运动相关联(以相应的运动比率)；第三弹性耦合元件12c，被配置以便于弹性地耦合第三驱动质量块2c和第四驱动质量块2d，以使第三驱动质量块2c沿着第一水平轴x的运动与第四驱动质量块2d沿着第二水平轴y的相应运动相关联(以相应的运动比率)；以及第四弹性耦合元件12d，被配置以便于弹性地耦合第四驱动质量块2d和第一驱动质量块2a，以使第一驱动质量块2a沿着第一水平轴x的运动与第四驱动质量块2d沿着第二水平轴y的相应运动相关联(以相应的运动比率)。
每个弹性耦合元件12a-12d都是由折叠型弹簧构成的，该弹簧在驱动质量块的通过该弹簧机械地耦合的两个相面对侧之间延伸，并具有相对于第一水平轴x成某倾斜角α倾斜的延伸轴。弹性耦合元件12a-12d这样是例如为了沿着延伸轴在所耦合的驱动质量块之间传输相对移动，而它们在垂直于相同延伸轴的方向上理想地是无限刚性的。
特别地，倾斜角α确定所耦合的驱动质量块的位移量之间的比率。有利地，这个倾斜角α是45°，以确定这些位移之间的基本上是一对一的比率(即，以这种方式，对于给定驱动质量块的位移，基本上具有对应于与其耦合的驱动质量块的类似位移)。很明显，不仅倾斜角α的值能够相对于45°值变化，而且甚至可以为一个或多个弹性耦合元件12a-12d(例如，为了确定在各种驱动方向上的驱动运动的不同耦合比率)来设想倾斜角α的不同的值。此外，在真实情况下(其中，弹性元件的刚性不是无限的)，还可能通过适当地修改弹性锚具元件4a-4d来改变所耦合的驱动质量块的运动之间的比率；在任意情况下，用于改变运动比率的最方便的方法是改变倾斜角α。
在图1说明的实施例中，第一和第三弹性耦合元件12a、12c具有相同的延伸轴，相对于第一水平轴x以倾斜角α倾斜，该倾斜角是正值。类似地，第二和第四弹性耦合元件12b、12d具有相同的延伸轴，相对于第一水平轴x以倾斜角α倾斜，但是该倾斜角是负值。
更详细地，且如图1中的箭头所示，弹性耦合元件12a-12d的这种布置使得第一对的驱动质量块2a、2c沿着第一水平轴x的靠近运动与第二对的驱动质量块2b、2d沿着第二水平轴y的靠近运动相关联；换句话说，沿着第一和第二水平轴x、y的驱动运动彼此同相(在任何情况下同一对的驱动质量块的运动总是彼此反相)。当然，也可以提供其他类型的弹性耦合元件，该其他类型的弹性耦合元件能够实现相同的、根据预先设置的运动比率来将驱动质量块2a(2c)沿着第一水平轴x的运动约束到驱动质量块2b(2d)沿着第二水平轴y的运动的功能。
利用不同的弹性耦合元件12a-12d和/或每个驱动质量块2a-2d的弹性锚具元件4a-4d的结构，还可能实现各驱动质量块2a-2d的驱动运动之间不同的比率，所有这些在任何情况下都由这样的事实区分，即驱动质量块2a-2d以同步方式移动并且对于同一个驱动方向的那些彼此反相。
详细地，且参考图2的示意性和简化的表示(该图为了简化说明而仅示出驱动质量块，而没有示出相应的感测质量块)，通过将弹性耦合元件12a-12d的延伸轴旋转90°(或者，更一般地，通过反转相应的倾斜角α的符号)，可能获得与此前描述的情形相反的驱动质量块2a-2d的运动。在这种情况下，弹性耦合元件12a-12d的布置使得沿着第一水平轴x彼此远离的第一对驱动质量块2a、2c的运动与沿着第二水平轴y的第二对驱动质量块2b、2d的相应的靠近运动相关联；沿着第一和第二水平轴x、y的驱动运动彼此反相。
能够被用于检测沿着三个轴的角速度的驱动运动的另一种类型设想垂直于此前所述的那个的驱动质量块2a-2d的平移运动。在这种情况中，如图3所示，沿着第一水平轴x对齐的第一对的第一和第三驱动质量块2a、2c通过相应的第一和第三弹性锚具元件4a、4c被限制为沿着第二水平轴y移动，而沿着第二水平轴y对齐的第二对的第二和第四驱动质量块2b、2d通过相应的第二和第四弹性锚具元件4b、4d被限制为沿着第一水平轴x移动。
特别地，图3中说明的弹性耦合元件12a-12d的布置使得沿着第一和第二水平轴x、y的驱动运动彼此同相。
相反，以一种根据前面的讨论而显而易见的方式，图4中说明的弹性耦合元件12a-12d的布置使得沿着第一和第二水平轴x、y的驱动运动彼此反相。
应当注意的是，在任何情况下，由于弹性耦合元件12a-12d的存在，单个驱动运动足以将所有的驱动质量块2a-2d，以及相应的感测质量块设置在运动中，并且因此使得能够感测偏转、侧滚和俯仰的角速度(且因此能够实现三轴陀螺仪)。特别地，所述微机械结构使得能够使用单个施力回路以使所有驱动质量块2a-2d保持在运动中。因此，例如，由于借助于弹性耦合元件12a-12d，其他对的驱动质量块被置于运动中(被一起拉动)，耦合适当的驱动电极到仅一对驱动质量块(例如，由沿着第一水平轴x移动的第一和第三驱动质量块2a、2c构成的那对)就足够了。
现在将更详细地描述MEMS陀螺仪1的一些结构性图示或布局。在这些布局中，还提供了一种感测耦合结构，该结构被布置在空白空间5的中心以机械地彼此连接各感测质量块，基本上如以本申请人名义在2009年5月11日提交的No.TO2009A000371专利申请中所描述的那样。如在该专利申请中详细说明的那样，感测耦合结构被配置以仅允许感测同一对感测质量块的反相感测运动(即，有关相同的角速度的感测)，需要该感测来读取相应的角速度，以及相反地屏蔽由于外部干扰而引起的相同感测质量块的同相运动。
如图5所说明的那样，在MEMS陀螺仪1的第一实施例中，驱动质量块2a-2d具有形状像“U”或者类似于翻转或上下颠倒的“U”的框架构造，进而在它们内部限定了朝向空白空间5敞开的各自的容纳开口6a-6d，该空白空间5相对于整个微机械结构被设置在中心。借助于被设计用以仅允许在各自驱动方向上运动的折叠型的一对弹性锚具元件4a-4d，每个驱动质量块2a-2d都被锚定在MEMS陀螺仪1的下面的基底(在此未示出)。基本上根据针对图1的微机械结构所描述的方案，驱动质量块2a-2d还借助于弹性耦合元件12a-12d被彼此耦合。
驱动电极的各自的组件13被耦合到第一和第三驱动质量块2a、2c以引起其沿着第一轴x的驱动运动(在任何情况下都显而易见的是，可替换地或者附加地，类似的驱动组件13能够被耦合到第二和第四驱动质量块4b、4d)。
每个驱动组件13都包括相对于基底(未示出)固定的固定驱动电极14，以及耦合到各自的驱动质量块2a、2c的移动驱动电极15。固定的和移动的驱动电极14、15被以梳齿结构布置并彼此电容耦合，以在被适当地偏置时产生相互吸引/排斥并引起各个驱动质量块2a、2c沿着第一水平轴x的运动。
更详细地，借助于第一弹性支撑元件16(沿着第二水平轴y延伸且是直线类型的)，第一和第三驱动质量块2a、2c被机械地耦合到各自的侧滚感测质量块9a、9c，侧滚感测质量块9a、9c在水平平面xy内具有基本上呈矩形的形状(沿着第一水平轴x延伸)。第一弹性支撑元件16以如下方式从各自的侧滚感测质量块9a、9c的一端开始延伸(该侧滚感测质量块的主体因此以悬臂的方式从相同的第一弹性支撑元件16延伸)，该方式使得侧滚感测质量块9a、9c能够关于由弹性支撑元件16限定的轴自由旋转出水平平面xy，因此改变相对于与设置在基底上、侧滚感测质量块9a、9c之下的相应侧滚感测电极18的距离(因此引起最终的电容性改变)。
借助于第二弹性支撑元件19(具有沿着第二水平轴y的延伸轴的折叠型的)，第二和第四驱动质量块2b、2d被机械地耦合到各自的偏转感测质量块8b、8d，偏转感测质量块8b、8d在水平平面xy内具有基本上呈“U”形的框架。各自的偏转感测移动电极23a还与每个偏转感测质量块8b、8d相关，并且电容性地耦合到各自的偏转感测固定电极23b(后者相对于基底固定)。
例如，在平面xy内具有基本上是矩形形状(沿着第二水平轴y延伸)的各自的俯仰感测质量块10b、10d也被布置在第二和第四驱动质量块2b、2d的容纳开口6b、6d内；借助于沿着第一水平轴x延伸且直线型的第三弹性支撑元件20，俯仰感测质量块10b、10d弹性地连接各自的偏转感测质量块8b、8d。应当注意的是，通过各自的偏转感测质量块8b、8d的插入，俯仰感测质量块10b、10d因此被耦合到各自的驱动质量块2b、2d(为此目的而设想关于驱动运动的相应的第三弹性支撑元件20的适当刚性)。俯仰感测质量块10b、10d以悬臂形式从各自的第三弹性支撑元件20延伸，并且面对每个设置在相同俯仰感测质量块10b、10d之下的基底上的相关的俯仰感测电极24。在任何情况下都显而易见的是，作为沿着第二轴y布置的偏转感测质量块8b、8d的代替或补充，能够进一步提供其他沿着第一水平轴x布置的偏转感测质量块(此前由参考符号8a、8c标出)。
如前面提及的那样，MEMS陀螺仪1进一步包括中心耦合结构25，设置在空白空间5的中心以获得各感测质量块的弹性耦合以例如仅允许每对感测质量块的反相运动并阻止同相运动(每对感测质量块被设计成用于感测关于各自感测轴的相应角速度)。
正如在前述专利申请No.TO2009A000371中详细描述的那样，中心耦合结构25被设置以限定刚性连接元件26，该元件具有借助于各自的第一弹性铰链元件27连接到一对中的第一感测质量块的第一末端和连接到同一对中的第二感测质量块的与第一末端相反的第二末端。
能够理想地被认为关于弯曲具有无限刚性的刚性连接元件26在其位于同一对的相同的感测质量块之间的中间部分(例如其中心部分)处，具有关于感测运动的限制点(即，在感测质量块运动期间被强制保持对于平移基本静止)。特别地，借助于第二弹性铰链元件29，前述中间部分被铰连到MEMS陀螺仪1的基底，特别地在前述限制点处的中心锚具28中。应当注意的是，图5说明了刚性连接元件26的可能的实施例；但是，无疑，其他实施例也是同样可能的。
第一和第二弹性铰链元件27、29被配置以理想地将刚性连接元件26在中心处铰连到基底，并且在其末端铰连到每对的感测质量块，从而基本上执行铰链的功能，该铰链理想地被认为不具有任何扭转刚性且对平移不服从(即，具有无限刚性)。第一和第二弹性铰链元件27、29因此被以如下方式配置，该方式允许刚性连接元件26相对于与基底的限制点或者各自的感测质量块旋转但不允许其(沿着第一水平轴x或者第二水平轴y)平移。
特别地，为了实现第一和第二弹性铰链元件27、29(在各自的铰链点处具有铰链功能)，采用了一种解决方案，其以两个具有纵向延伸(沿着第一水平轴x或者第二水平轴y)的可能是折叠的弹簧的使用作为主要部分，该弹簧被设置成从各自的铰链点开始一个作为另一个的延长，以便于在感测质量块的反相运动期间在水平平面xy(传感器的平面)内弯曲中或者在扭转中工作，以及在同相运动过程中在拉伸/压缩中或者在弯曲出水平平面xy中工作。假定这些弹簧具有比关于在平面内弯曲/扭转的形变的刚性高得多的关于拉伸/压缩/弯曲出平面的形变的刚性，则这对柔性元件的行为和放置于具有纵向延伸的弹簧的共同末端的接触点的铰链非常近似。
在使用中，因为第一和第二弹性铰链元件27、29的结构以及它们的弹性形变(在水平平面xy内弯曲或者扭转出水平平面xy)，所以刚性连接元件26关于限制中心点(中心锚具28)既能够在水平平面xy内自由旋转，该旋转方式允许偏转感测质量块8b、8d沿着第一水平轴x的反相运动，又能够旋转到相同的水平平面xy外，该旋转方式允许侧滚感测质量块9a、9c的反相运动和俯仰感测质量块10b、10d的反相运动。
相反，第一和第二弹性铰链元件27、29的结构使得刚性连接元件26不能在水平平面xy内或者沿着垂直轴z平移，从而阻碍感测质量块的同相运动。
在第二实施例中(见图6)，为了改进空间的利用并简化在此由1’代表的MEMS陀螺仪的微机械结构，驱动质量块2a-2d还与各感测质量块相一致(换句话说，为了使得能够感测各自的角速度，除了各自的驱动运动之外，驱动质量块2a-2d还能够执行一个或多个感测运动)。在这种情况中，存在于本结构中的弹性元件的个数被减少，但是这些弹性元件在任何情况中都必须能实现对于MEMS陀螺仪1’的操作有用的所有的运动，并且必须尽可能多地排除假的振动模式。此外，在这个实施例中，如此前对于图1的微机械结构描述的那样，实现驱动运动的方案。
详细地，且如图6说明的那样，在这种情况下，第一和第三驱动质量块2a、2c具有水平平面xy内的全矩形形状，并面对设置在基底(未示出)顶部的各自的滚转感测电极18。在这种情况下，各自的第一和第三弹性锚具元件4a、4c被配置成允许沿着第一水平轴x的驱动运动以及沿着垂直轴z的感测运动。特别地，例如，弹性锚具元件4a、4c由彼此垂直设置的折叠型的两个弹簧构成：延伸轴沿着第二水平轴y的第一弹簧，具有耦合到至基底的相应锚具的第一末端；以及延伸轴沿着第一水平轴x的第二弹簧，具有耦合到相应驱动质量块2a、2c的相应第一末端(两个弹簧还具有共同的各自的第二末端)。
第二和第四驱动质量块2b、2d还具有在水平平面xy内基本上是矩形的形状，但是在它们内部限定了各自的容纳开口6b、6d，其中设置有偏转感测移动电极23a(相对于各自的驱动质量块2b、2d固定)以及偏转感测固定电极23b(相对于基底固定)。第二和第四驱动质量块2b、2d还面对设置在基底上的各自的俯仰感测电极24。各自的第二和第四弹性锚具元件4b、4d是基本上如第一和第三弹性锚具元件4a、4c那样获得的，并且在这种情况下被配置成使得允许沿着第二水平轴y的驱动运动以及沿着垂直轴z的俯仰感测运动和沿着第一水平轴x的偏转感测运动。
第三实施例，如图7说明的那样，再次设想了至少一些驱动质量块(例如，第二和第四驱动质量块2b、2d)与感测质量块相一致(基本上如参考图6所述)，并且还设想了将驱动电极从感测质量块去耦合以使得减少对待测量角速度(例如，偏转角速度)的读取的驱动干扰，尽管在驱动方向上产生了期望的力。
在此处通过1”代表的MEMS陀螺仪中，借助于具有沿着第一水平轴x定向的延伸轴的弹性去耦合元件32，第一和第三驱动质量块2a、2c(其具有，例如，在水平平面xy内的完全矩形形状)被连接到各自的第一和第三感测质量块9a、9c。在这种情况中，弹性耦合元件12a-12d被直接连接到第一和第三感测质量块9a、9c以及第二和第四驱动质量块2b、2d(后者还执行感测质量块的功能)。
弹性去耦合元件32关于沿着第一水平轴x的驱动运动是刚性的，以便于驱动质量块2a、2c引起各个感测质量块9a、9c运动，该感测质量块9a、9c又调动第二和第四驱动质量块2b、2d，该第二和第四驱动质量块借助于弹性耦合元件12a-12d与感测质量块9a、9c机械地耦合。
此外，通过在偏转感测振荡期间限制(驱动电极组件13的)驱动电极的运动，弹性去耦合元件32基本上能够使第二和第四驱动质量块2b、2d的偏转感测运动与驱动运动去耦合。弹性去耦合元件32因此使得能够排除由在偏转感测方向上的相同驱动电极引起的可能的非期望力(换句话说，防止驱动力能够激励水平平面xy内的偏转感测振荡的模式)。特别地，当存在偏转感测运动时，弹性去耦合元件32允许驱动电极关于相应的重力中心的旋转运动，即，例如为了不在偏转角速度的感测中引起干扰的运动)。
在未说明的方式中，借助于适当的弹性去耦合元件，还可能在需要时以类似的方式也获得驱动运动与离开平面的感测运动(滚转感测和俯仰感测运动)去耦合。
根据本发明的MEMS陀螺仪的优点清楚地出现在前面的描述中。
特别地，再次强调的是驱动质量块的机械耦合的特别解决方案使得能够实现驱动振动的单个模式，该模式能够调动所有移动驱动和感测质量块。在驱动电子电路中，因此，只出现了用于控制振荡的单个反馈控制回路。除了更大的结构性简化之外，存在单个驱动控制回路使得能够消除干扰，否则该干扰可能出现在处于彼此相近频率的多个控制回路之间。
所述的微机械结构使得能够耦合所有移动质量块，耦合方式使得它对于主要的外部干扰(例如由于环境噪声或者其他性质的噪声)基本上不敏感，并且仅使能对读取角速度有用的振荡模式。
所描述的微机械结构是相当紧凑的，使得能够以集成技术获得三轴MEMS陀螺仪，在该陀螺仪中占用空间被降低到最小。
基本上，前述特征使得MEMS陀螺仪1、1’、1”特别地适合集成在电子装置40中，如图8说明的那样，该装置能够被用于多个电子系统中，例如在惯性导航系统中、在汽车系统中或者在便携类型的系统中，诸如例如：PDA(个人数字助理)；便携式计算机；手机；数字音频播放器；照相机；或者视频摄像机。电子装置40通常能够处理、存储、传输和接收信号和信息。
电子装置40包括：驱动电路41，被配置成用于在各驱动质量块2a-2d上传递驱动运动，以及将偏置信号提供给微机电结构(以已知方式，在此未详细说明该方式)；读取电路42，可操作地耦合于与移动质量块相关的感测电容，以检测相同移动质量块的位移量并因此确定作用于结构上的角速度；以及电子控制单元44，例如，微处理器、微控制器或类似的计算工具，与读取电路42连接并被设计成例如基于所检测的和确定的角速度管理电子装置40的总体操作。
最后，很明显，在不背离如所附权利要求定义的本发明的范围的前提下，可以对在此已经被描述和说明的内容做出修改和变化。
特别地，显而易见的是，所描述的为了获得驱动质量块之间的弹性耦合元件的解决方案不应被理解成是限制，而为了这个目的能够等同地设想其他解决方案。特别地，能够提供更多或者更少数量的弹簧，和/或在一些构造性的情况中，可以使用具有不同几何形状和/或相对于第一水平轴x和第二水平轴y具有不同倾斜的弹簧。
在一些情况中，例如为了优化可用空间，还能够设置相对于水平轴x，y倾斜某个角度(例如45°)的两个驱动运动的主轴。显而易见，弹性耦合元件12a-12d还能够被以非45°倾角布置，在任何情况下获得期望的机械耦合(具有不同于理想比率1∶1的驱动运动的传输率)。在这方面，应当强调的是所描述的结构使得能够根据例如设计需要实现沿着第一和第二水平轴x，y布置的驱动质量块之间的均等或不同幅度的运动。
此外，驱动和感测电极的布置和结构可以相对于已经在前面被说明和描述的内容而变化(例如，能够存在驱动电极的单个组件13)。
虽然在此说明的MEMS陀螺仪的微机械结构的布局设想了基本上参照图1所讨论的那样的驱动质量块的运动，但是显而易见的是可以在驱动质量块的不同运动(和弹性耦合元件12a-12d的不同结构)的情况下应用相同的考虑。
此外，用已知方式，能够使用除了电容性技术以外的技术，例如通过磁力的感测来获得移动质量块的位移，并且能够用不同的方式，例如借助于平行板电极或者通过磁激励来产生驱动运动。

Claims (17)

1.一种集成MEMS陀螺仪(1；1’；1”)，包括：
-至少第一驱动质量块(2a)，被设计成当驱动电极的组件(13)偏置时，被驱动为具有沿着第一轴(x)的第一驱动运动，所述第一驱动运动设计成当存在所述集成MEMS陀螺仪(1；1’；1”)的旋转时，产生至少一感测运动；以及
-至少第二驱动质量块(2b)，设计成被驱动为具有沿着垂直于所述第一轴(x)的第二轴(y)的第二驱动运动，所述第二驱动运动被设计成当存在所述集成MEMS陀螺仪(1；1’；1”)的旋转时，产生至少一个相应的感测运动，
其特征在于，包括被配置成弹性地耦合所述第一驱动质量块(2a)和所述第二驱动质量块(2b)的第一弹性耦合元件(12a)，所述耦合的方式使得以给定运动比率耦合所述第一驱动运动到所述第二驱动运动。
2.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述第一驱动运动被设计成作为科里奥利力的结果，响应于所述集成MEMS陀螺仪(1；1’；1”)以偏转角速度关于正交于所述第一轴(x)和所述第二轴(y)的垂直轴(z)的旋转，产生沿着所述第二轴(y)的感测运动，以及响应于所述集成MEMS陀螺仪(1；1’；1”)的以侧滚角速度关于所述第二轴(y)的旋转，产生沿着所述垂直轴(z)的感测运动；以及其中所述第二驱动运动被设计成作为科里奥利力的结果，响应于所述集成MEMS陀螺仪(1；1’；1”)以所述偏转角速度关于所述垂直轴(z)的旋转产生沿着所述第一轴(x)的感测运动，以及响应于所述集成MEMS陀螺仪(1；1’；1”)以俯仰角速度关于所述第一轴(x)的旋转，产生沿着所述垂直轴(z)的感测运动。
3.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述第一弹性耦合元件(12a)被配置成使所述第二驱动质量块(2b)根据所述给定运动比率被所述第一驱动质量块(2a)引入所述第二驱动运动中。
4.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述第一弹性耦合元件(12a)具有相对于所述第一轴(x)以非零值的倾斜角(α)倾斜的方向上的延伸轴，并被配置成在所述第一驱动质量块(2a)和所述第二驱动质量块(2b)之间沿着所述延伸轴传递相对运动。
5.根据权利要求4的陀螺仪，其中所述倾斜角(α)是45°，且所述运动比率基本上是1∶1的比率；即，所述第一驱动质量块(2a)的位移对应所述第二驱动质量块(2b)的基本上相等的位移。
6.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述第一弹性耦合元件(12a)是折叠型的。
7.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述第一弹性耦合元件(12a)被配置以使得所述第一驱动运动和第二驱动运动是彼此同步的振荡运动。
8.根据权利要求1的陀螺仪，其中所述驱动电极的组件(13)仅被连接到所述第一驱动质量块(2a)而不被连接到所述第二驱动质量块(2b)。
9.根据权利要求1的陀螺仪，包括：第一弹性锚具元件(4a)，该元件被连接在所述第一驱动质量块(2a)和所述集成MEMS陀螺仪(1；1’；1”)的基底(3)之间，且被配置以限制所述第一驱动质量块(2a)来沿着所述第一轴(x)执行所述第一驱动运动；以及第二弹性锚具元件(4b)，该元件被连接在所述第二驱动质量块(2b)和所述基底(3)之间，且被配置以限制所述第二驱动质量块(2b)来沿着所述第二轴(y)执行所述第二驱动运动。
10.根据权利要求9的陀螺仪，进一步包括：第三驱动质量块(2c)，该驱动质量块被设计成当所述驱动电极的组件(13)偏置时，被驱动为具有沿着所述第一轴(x)的第三驱动运动，且借助于第三弹性锚具元件(4c)被锚定到所述基底(3)；第四驱动质量块(2d)，该驱动质量块设计成被驱动为具有沿着所述第二轴(y)的第四驱动运动，并借助于第四弹性锚具元件(4d)锚定到所述基底(3)；以及其他弹性耦合元件(12b-12d)，与所述第一弹性耦合元件(12a)一起被配置，以使得弹性地耦合所述第一驱动质量块(2a)、第二驱动质量块(2b)、第三驱动质量块(2c)和第四驱动质量块(2d)，以使所述第一驱动运动和第三驱动运动是同步的并且彼此反相，且所述第二和第四驱动运动是同步的并且彼此反相。
11.根据权利要求10的陀螺仪，其中所述第二弹性锚具元件(4b)和第四弹性锚具元件(4d)被配置成使得所述第二驱动质量块(2b)和所述第四驱动质量块(2d)还能够响应于所述集成MEMS陀螺仪(1；1’；1”)以同一角速度的同一旋转，分别执行各自的感测运动；还包括感测耦合结构(25)，被配置以便以使得所述各自的感测运动彼此反相的方式使所述第二驱动质量块(2b)和第四驱动质量块(2d)弹性地彼此耦合，并且以便于抑制所述第二驱动质量块(2b)和第四驱动质量块(2d)的同相运动。
12.根据权利要求11的陀螺仪，其中所述感测耦合结构(25)包括：刚性元件(26)，该刚性元件使所述第二驱动质量块(2b)和第四驱动质量块(2d)彼此连接，具有在它们中间的位置的限制点；以及弹性耦合装置(27)，设计成连接所述刚性元件(26)的各自的末端到所述第二驱动质量块(2b)和第四驱动质量块(2d)；所述限制点对于平移基本上是静止的。
13.根据权利要求10的陀螺仪，其中所述第二弹性锚具元件(4b)和所述第四弹性锚具元件(4d)被配置成使得所述第二驱动质量块(2b)和所述第四驱动质量块(2d)分别能够响应于所述集成MEMS陀螺仪(1；1’；1”)以俯仰角速度关于所述第一轴(x)的旋转，执行沿着所述垂直轴(z)的第一感测运动，以及响应于所述集成MEMS陀螺仪(1；1’；1”)以偏转角速度关于所述垂直轴(z)的旋转，执行沿着所述第一轴(x)的第二感测运动。
14.根据权利要求13的陀螺仪，进一步包括第一感测质量块(9a)，经由弹性去耦合元件(32)连接到所述第一驱动质量块(2a)并经由所述第一弹性耦合元件(12a)连接到所述第二驱动质量块(2b)；其中所述弹性去耦合元件(32)关于所述第一驱动运动是刚性的并且还被配置以便于使所述第二驱动质量块(2b)和第四驱动质量块(2d)的所述第二感测运动从所述第一驱动运动去耦合。
15.根据权利要求1的陀螺仪，进一步包括借助于各自的弹性支撑元件(16、20)，与所述第一驱动质量块(2a)和所述第二驱动质量块(2b)分别弹性地耦合的至少一个第一感测质量块(9a)和至少一个第二感测质量块(10b)；所述各自的弹性支撑元件(16、20)被配置成使得分别在所述第一驱动运动和第二驱动运动期间，所述第一感测质量块(9a)和所述第二感测质量块(10b)分别相对于所述第一驱动质量块(2a)和所述第二驱动质量块(2b)固定，而且还具有便于执行各自的感测运动的另外的运动自由度。
16.一种电子装置(40)，包括根据权利要求1的集成MEMS陀螺仪(1；1’；1”)，而且还包括可操作地耦合到所述集成MEMS陀螺仪(1；1’；1”)用于向所述驱动电极的组件(13)提供电气偏置信号从而驱动所述第一驱动质量块(2a)和所述第二驱动质量块(2b)的驱动级(41)。
17.根据权利要求16的装置，其中所述驱动级(40)包括用于控制驱动所述第一驱动质量块(2a)和所述第二驱动质量块(2b)的单个反馈控制回路。
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