[发明专利]频率调制MEMS三轴陀螺仪

说明书

一种频率调制MEMS三轴陀螺仪(10)，具有：两个可移动质量块(11A，11B)；第一和第二驱动体(31A，31B)，该第一和第二驱动体通过弹性元件(41A，41B)联接至这些可移动质量块(11A，11B)，这些弹性元件在第一方向(X)上是刚性的并且在横向于该第一方向的第二方向(Y)上是柔顺的；以及第三和第四驱动体(32A，32B)，该第三和第四驱动体通过弹性元件(42A，42B)联接至这些可移动质量块，这些弹性元件在该第二方向上是刚性的并且在该第一方向(X)上是柔顺的。第一和第二驱动元件(59A)联接至该第一和第二驱动体(31A，31B)，用于使得这些可移动质量块在该第一方向上反相地平移。第三和第四驱动元件(63A)联接至该第三和第四驱动体(32A，32B)，用于使得这些可移动质量块在该第二方向上且反相地平移。平面外驱动元件(68A)联接至该第一和第二可移动质量块，用于使得在第三方向(Z)上反相地平移。移动感测电极(60A，64A，69A)根据外部角速度生成频率信号。

技术领域

本发明涉及一种频率调制MEMS三轴陀螺仪。

背景技术

众所周知，使用MEMS(微电子机械系统)技术获得的半导体材料的集成陀螺仪利用科里奥利加速度(Coriolis acceleration)基于相对加速度原理工作。具体地，当对以近似恒定角速度转动的可移动质量块(还称为“检验质量块”)施加线性加速度时，该可移动质量块“感觉到”明显的力(被称为科里奥利力)，该力确定该可移动质量块在垂直于该线性速度并垂直于旋转轴的方向上的移位。通过检测在该明显的力的方向上的这个移位，因而可以间接地测量角速度。

所提出的MEMS陀螺仪基于两种不同原理工作：幅度调制和频率调制。

在幅度调制陀螺仪中，在与驱动方向垂直的方向(即，在对可移动质量块施加的预设线性速度的方向)上测量可移动质量块的移位幅度。具体地，在这种类型的陀螺仪中，以近似恒定速度绕第一笛卡尔轴(例如笛卡尔参考系的Z轴)转动的可移动质量块在驱动方向(例如平行于X轴)上被驱动。在这种情形下，科里奥利力引起在垂直于前两个方向的感测方向(例如在此平行于Y轴)上的移位。在感测方向上的移位与驱动性移动的幅度(其为已知的)成比例，并与外部角速度成比例，因而可以通过测量该移位来确定该外部角速度。

在QFM(正交频率调制)类型的和LFM(李萨如频率调制)类型的频率调制陀螺仪中，测量由于科里奥利力所造成的频率变化。

为了得到对上文更深的理解，可以参照QFM类型的理想频率调制陀螺仪，以便测量绕Z轴的角速度分量。在这种情况下，质量块m的可移动惯性体通过具有刚度k_x和k_y并允许在X和Y这两个方向上平移的弹簧系统连接至基板，并在平面的这两个方向X和Y上被驱动。

为了简单起见，假定该体为点状的并且忽略任何摩擦，由于分别沿着X轴和Y轴作用的力F_x和F_y而在这两个方向上被投影的惯性系统中的运动方程为：

这两个方向上的固有振荡频率ω_ox和ω_oy为：

如果ω_ox＝ω_oy，则共振运动是环形的，如QFM类型的操作所要求的。

当存在外部角速度Ω_z(被假定为在测量间隔内以可忽略的方式变化)时，这些方程由于科里奥利力的存在而被更改并且变成：

其中，项和是由科里奥利力引起的，并且因此运动发生变化。具体地，频率变成ω_x和ω_y，并且可以用以下形式表达理想最简单情况下的解决方案：