振动陀螺速度传感器 【技术领域】
本发明涉及用于感应在轴上所施加的速度的速度传感器。
背景技术
使用具有各种不同结构、例如振动结构陀螺仪的速度传感器是公知的。所述结构包括杆、音叉、圆筒、半球壳和环。所有这些结构设计的一个共同特征是：它们保持了共振载体模式振动。这就提供了线性动量，从而在陀螺仪围绕一恰当的轴转动时，产生Coriolis力。
已经有人提出：通过将载体的共振频率和响应模式相匹配来提高这些结构的敏感度。由于具有精确匹配的频率，响应模式振动的振幅就被所述结构的机械质量因子Q放大。这就不可避免地要求结构公差更加严格。实践中，可能有必要在合适位置通过增加或去除材料来精确调节振动结构或共振器的平衡。例如如涉及平面环形结构的GB-A-2292606申请中所公开的。这就调节了用于各模式的质量参数或刚度，从而细微地改变了模式频率。当这些频率不相匹配时，就不产生Q放大，同时敏感元件必需要被制得足够敏感以提供满意地陀螺仪性能。
以环形结构完美对称的共振器存在有两个退化(degenerate)振动模式。其中之一作为载体模式被激活。所有振动都发生在环形平面内。当所述结构围绕垂直于环形平面的轴(Z轴)转动时，Coriolis力将能量耦合到响应模式中。实际上，共振器结构沿径向和切向运动。通常，仅可以检测到径向的运动。在没有施加的速度时，将不会有响应模式运动。当装置围绕Z轴转动时，在环形周围产生了Coriolis力，其将退化振动模式设置成振动。产生的运动振幅正比于转动速度。
如果载体和响应模式频率被精确平衡时可获得增强的敏感度。选择具有沿径向各向同性特性的材料非常有利于获得这种平衡。然而，仍旧需要附加的制造后的精确调节来实现所需的精确度。
在利用退化Cos3θ模式的单轴Coriolis速度传感器中使用环形结构共振器是公知的。这种装置的实施例公开在GB 0001775.6中。这种装置利用了两个退化Cos3θ模式。
在所有的示范性的装置中，要求载体和响应模式频率名义上相同。支承所述环形结构的支柱结构具有作用在环连接位置点的单个弹簧体的效果。这样，所述支柱结构可局部地改变重量和刚度，从而改变模式频率。所述支承结构的数量和位置应使载体和响应模式的动态特性不受丝毫干扰。对于合理构造的支柱，对于单轴Cos3θ装置来说，在载体和响应模式频率都改变时，会产生等量的改变，且不会产生分频。本文中可以获得上述目的所需支柱的数量为4n，其中n为节点直径(nodal diameters)的数量(Cos3θ模式下n＝3)，且角间隔为90°/n。
当使用Cos3θ振动模式对时，如本申请同时待审的申请GB0001775.6中所指出的，在角间隔30°位置处，通常应用十二个支柱(＝4n，其中n＝3)。所述支柱结构用来悬挂环形结构但也允许环形结构以基本无阻尼振动地摆动。图1示出了这样一种设置。在该设置中，中央凸台26形成在支承框架14上。支柱9在中央凸台26和共振器16之内圆周24之间延伸。值得注意的是，图3中支柱的线性部分22′和22″的相对长度有所不同，这是可由本领域技术人员理解的普通设计变化中的一部分。也可以理解的是，在图1中设置所述中央凸台26同样是共振器16的径向外部支承的一种公知替换方案。这些设置可彼此互换，而无论所使用的支柱的数量是多少。
对于前述装置，所述支柱的径向和切向刚度应明显地小于环自身的刚度，以便由环形结构控制模式振动。径向刚度主要由支柱的拱形部分22的长度所控制。支柱的直线(线性)部分22′和22″控制切向刚度。由于支柱结构的弧角受到临近的相邻支柱的限制，为实现所述支柱的设计、特别是为获得以上所述的径向刚度，维持环与支柱的柔性比变得愈加困难。这就需要对支柱的机械设计有更多的限制，并且要求必须使用相对环边缘而言很薄(在环的平面上)的支柱结构。这种尺寸的减小使所述结构更易在机械结构生产过程中受到尺寸公差的影响。这将导致所述支柱元件的质量和刚度的变化，从而会干扰模式动态特性的对称性，并因此会在Cos3θ振动模式对之间产生分频。
现有技术中所述的结构可以通过许多工艺、由各种材料制成。当这些装置由金属制造时，可以使用线腐蚀技术以传统工艺、以高精确度地机加工所述装置，以获得所需的精确尺寸公差。这种工艺涉及在每个支柱的边缘周围以及环形结构周围顺序地将材料切割下来。从而，机加工时间和生产成本相对支柱的数量成比例地增加。因此，使支柱的数量最小化是非常有益的。类似的考虑同样适用于利用替代工艺由其他材料制成的结构。
【发明内容】
希望能设计出如下的平面环形结构：即该平面环形结构相对具有较多支柱的现有技术设置而言，仅需要较小数量的支柱，但又不会影响到所述环形结构在更大范围内的振动。
根据本发明的第一方面，提供有一种单轴速度传感器，包括具有基本环形或圈形结构的基本上平面振动共振器，所述环形或圈形结构具有绕一共同轴线延伸的内圆周和外圆周；用于使所述共振器以Cos3θ振动模式振动的驱动装置；用于感应所述共振器响应于所述驱动装置的运动的载体模式敏感元件装置；用于感应所述响应于速度传感器围绕所述感应轴之转动而产生的共振器运动的敏感元件装置；用于使所述运动指零的驱动装置；以及一支承装置，用于柔性支承所述共振器、并且允许所述共振器响应于驱动装置和所施加的转动、相对于该支承装置振动。其中所述支承装置仅包括L个支承杆，其中L≠3×2k-1，L＞2和K＝1，2或3。例如，可以是四个、五个或七个支承杆。
优选地，为简化制造工艺，设有少于十二个的支承杆。
每一个支承杆可包括从拱形部分的相对两端延伸的第一和第二线性部分。
在该实施例中，支承杆基本被等角间隔开。
有利地，所述支承装置包括具有凸台的底座，所述大致环形或圈形结构的内圆周通过所述支承杆连接到所述凸台上，所述支承杆从所述环形或圈形结构的内圆周延伸到所述凸台上，从而使环形或圈形结构与底座间隔开。
在该实施例中，支承杆的总刚度小于环形或圈形结构的共振器的刚度。
通过对环形或圈形结构动态特性、包括支柱运动的影响的详细分析，已经获得如上所述的公式。本发明可提供改善的设计灵活性，以便允许更大的支柱柔性(相对环形结构而言)，同时应用更大的支柱尺寸(在环平面内)。这种设计可减少对尺寸公差影响的敏感度，且可允许更经济地制造。
【附图说明】
为更好地理解本发明以及说明本发明的实施方式，现结合附图并通过示例进行说明，其中：
图1是并非依据本发明的、具有十二个支柱的振动结构陀螺仪的平面图；
图2是图1中实施例的边缘视图；
图3A和3B示出了在对称的共振器或振动结构中作为载体模式的两个退化Cos3θ模式；
图4A和4B示出了根据本发明的、分别具有四个和五个支柱的振动结构陀螺仪的平面图。
【具体实施方式】
现参考图1和图2，描述现有技术的角速度传感器装置。传感器装置10包括微加工的振动结构陀螺仪，并且可以如前所述的Sin3θ和Cos3θ振动模式对工作。更具体地，图3A和3B示出了所述Cos3θ载体和Sin3θ响应模式的模型。
利用这些模式的装置10结合有如前述共同申请的GB 9817347.9中所公开的相类似的静电驱动换能器和电容性驱动换能器。该结构的制造工艺同样与所述GB 9828478.9中公开的制造工艺相同，因此在本申请中没有做进一步的具体说明。
图1和图2中所述装置10是由作为阳极(anodically)结合到玻璃基板14上的[100]硅导电层12形成。装置10的主要元件为环形结构共振器16、6个电容性驱动换能器(transducer)18、以及6个敏感元件电容换能器20。所述共振器16以及电容性驱动换能器18和敏感元件电容换能器20，由穿过硅层12形成沟槽的深层反应离子蚀刻(DRIE)工艺形成。该制造工艺与直接在硅器件层12上的微电子器件(未示出)的制造工艺完全相同。这类制造中所涉及的技术是众所周知的，在此不再说明。
图1是平面示意图，示出了装置10的设计，图2是横跨装置10结构的截面示意图。所述环形结构共振器16在其中部通过柔性支柱22支承。所述支柱22在连接点位置具有作用在环形结构共振器16上的弹簧体的效果。一个单独支柱22本身会微小地扰动产生分频的Sin3θ和Cos3θ模式的动态特性。为确保支柱22的净效应不引起任何分频，通常使支柱22的数量和位置与对称模式相匹配。方便地，在正常的30°角间隔处设置有十二个相同的支柱22。这些支柱22在一端与环形结构共振器16的内部24相连，并在另一端与中央支承部分(凸台)26相连。随后，所述中央支承部分(轮轴)26牢固地与绝缘玻璃基板14相结合。在环形结构共振器16的边缘和柔性支柱22下方的玻璃基板14中设置有空腔28，以允许环形结构共振器16自由运动。
在环形结构共振器边缘的外圆周周围设有十二个不连续的曲形板30，这样，在面对环形结构共振器16的曲形板30的表面和环形结构共振器自身的外圆周表面之间，每一块曲形板30形成一个电容器。曲形板30牢固地结合在玻璃基板14上，并与环形结构共振器16电隔离开。曲形板30以规则的30°角间隔设置在环形结构共振器16的四周，且每一块曲形板30对向弦弧角(subtend)为25°角。方便地，以相对固定参考轴线R分别为0°、120°和240°的间隔角的三个曲形板30用作载体驱动元件32。利用相对固定参考轴线R位于60°，180°和300°的间隔角的位置处的曲形板30来检测载体运动模式，该曲形板30用作敏感元件换能器34。在转动的情况下，Coriolis力将能量耦合到响应模式中。这种运动通过响应模式敏感元件换能器36来检测，所述响应模式敏感元件换能器36设置在相对固定参考轴线R为30°，150°和270°的间隔角的位置处。为允许装置10在力反馈模式响应模式(force feedback mode response mode)下运行，驱动元件38以90°，210°和330°的间隔角相对固定参考轴线R设置。在每一个驱动和敏感元件换能器18和20上设置有电结合衬垫40，以允许连接至控制电路(未示出)。
运行时，驱动电压以共振频率施加到载体驱动元件32上。将环形结构共振器16维持在固定偏置电压，在小的电容间隙偏移的情况下，所述固定偏置电压导致与所施加电压呈线性关系的作用力。利用设置在中央部分26上的结合衬垫41形成环形结构共振器16的电连接，以便通过支柱22的导电硅连接到环形结构共振器16上。感应运动导致载体模式敏感元件换能器34的电容分隔间隙的变化。这就产生了穿过间隙的电流，该电流可被放大以便给出一个与运动成正比的信号。可类似地检测出响应模式敏感元件换能器36中的转动感应运动。在力反馈模式中，将驱动电压施加到响应模式驱动换能器38，以便利用直接正比于转动速度的施加驱动电压使所述该运动指零(nulling)。直接将驱动信号电容耦合至敏感元件换能器20、34和36，会有助于输出杂散(寄生)信号，该杂散信号可能会作为偏压输出出现并降低驱动性能。为减小这种误差，在电容板30周围除了面对环形结构共振器16以外的所有侧面上都设有屏蔽层42。该屏蔽层42与接地电位相连，所述接地电位使驱动和敏感元件换能器18和20彼此紧密靠近。
针对环形结构的动态特性、包括支柱运动的影响的详细分析，已经使提出简单易行的公式成为可能，该公式在大致均匀分隔放置并为维持与理想的振动模式对相匹配的频率所需的支柱数量方面，规定了可行的选择范围。
所述分析指出，对支柱数量的要求与以前所公开的要求相比更加不受限制。已经得出一个简单的公式，用来指出针对给定数量并且均匀分隔设置的支柱，哪一个模式会产生分频。这些公式适用于平面内和平面外的CosNθ模式，其中N为模式阶次(等级)，并在L＞2时有效。如果L≤2，则所有模式都被分频。对于偶数数量的支柱L，阶次模式N的分频仅仅在下述条件满足时产生：
N＝LK/2
其中K是整数。当K＝1时，产生最大分频，并且随着K的增加而减小。如果支柱的数量L为奇数，那么仅仅当N＝LK时产生分频。
K＝1时再次产生最大分频，并随着K值的增加而减小。
将这些一般原则应用到现有技术中的单轴平面环形结构共振器设计中时，施加Cos3θ模式，得到支柱的数量无需被限制为十二个的结论。也可以构造成具有符合下述公式的支柱结构的平面环形结构共振器：
L≠N×2k-1
其中N为模式阶次(Cos3θ模式时＝3)，K是值为1，2或3的整数。所述支柱应等角间隔开。可被利用的支柱结构例如图4A和4B所示由以90°的间隔放置的四个支柱、以72°放置的五个支柱等构成，该支柱结构保证了所需模式频率的匹配，并适用于Coriolis速度传感器。尽管设有十二个或更多的支柱可确保模式频率的匹配，但是考虑到前述原因，设有更小数量的支柱是有利的。
在所有的共振器设计中，支柱的结合刚度要小于环形结构的刚度。这就确保了模式振动由环形结构控制，并有助于共振器免受通过轮轴26耦合到所述结构的热感应应力的影响，因为所述热感应应力会不利地影响到结构的性能。当应用较少的支柱时，所需的支柱与环之间的柔性比可通过使用具有增加宽度的更长支柱结构来维持。这就使这些结构不易于受到制造过程中的尺寸公差误差的影响。这种误差导致在Sin3θ和Cos3θ模式之间的分频，这对传感器性能是有害的。这就通常要求使用机械修整工艺，以便获得所需的性能标准。因此，考虑到成本和制造时间，极其希望减少对这种机械修整工艺的需要。