[发明专利]双轴和三轴惯性传感器及惯性感测方法

说明书

技术领域

本发明涉及惯性传感器及使用微机械惯性传感器进行惯性传感方法。具体地，本发明涉及可以很容易制造的并且仅使用单个悬挂的检验质量块(proof mass)能够在两个或三个正交方向进行传感的惯性传感器。

背景技术

基于轻阻尼微机械谐振器的振荡器以其生产稳定、低噪音频率输出的性能而闻名。而这些特征使得它们在通信系统中作为稳定的定时/频率参考有价值，这些特征也使得它们在用作传感器方面具有吸引力。通过定义，谐振传感器是输出频率是测量的输入的函数的振荡器。换句话说，谐振传感器的输出对应于机械微观结构的谐振频率的偏移，机械微观结构的谐振频率的变化是根据待测物理/化学量的变化获得调整。伴随着经频移的输出信号的高灵敏度和稳定性，这种传感器中的输出信号的准数字(quasi-digital)性质已经引起这种微机械谐振传感器从生物分子和化学诊断到高精度力、质量、张力(strain)并且甚至电荷感测范围的多种应用中的广泛使用。

对于谐振传感器的特殊情况，在过去的几年高精度微机械“全硅”谐振微加速计的发展中具有增加的兴趣。参见例子：US5969249；US4851080；US2011/0056294；CN101303365。这种兴趣被触发，是由于最近在航空航天、汽车行业及家用电子市场中对于微型高精度运动传感器的需求的增长。使用硅微机械技术制造的谐振微加速计呈现出许多显著优点，最大的优点是经济性。相对于它们更传统的基于具有类似装置封装配对物的电容式检测，这些硅谐振微加速计不仅具有更高的灵敏度和分辨率，而且还示出提供增强的动态范围，这使得它们在识别市场(identified market)内的许多运动感测应用中的潜在应用中成为理想的候选者。

但是，这些传感器的大部分仍然保持单轴或双轴的，因此对于那些不需要复杂的三维(3D)运动控制的应用限制了它们的功能和实用性。同时，三个单轴的、正交定向的谐振微加速计可以潜在的被应用于精确的三维频率偏移加速度/运动读出，这种实施相应地增加了设备的成本、尺寸和功率需求。

本发明的目的是提供一种微机械硅谐振加速计，其允许仅使用单个悬挂的检验质量块进行二维和三维加速度读出。

发明内容

本发明在随附独立权利要求中限定，应该参考独立权利要求。优选的特征在从属权利要求中陈述。

在本发明的第一方面中，提供一种惯性传感器，该惯性传感器包括：

框架；

检验质量块，该质量块悬挂于所述框架；

第一谐振元件对，该第一谐振元件对电耦合至所述检验质量块或电耦合至中间组件，该中间组件机械耦合至所述质量块的，每个第一谐振元件相对于另一个第一谐振元件耦合至所述质量块的对侧，所述第一谐振元件实质上是彼此相同的并且当所述传感器不加速时，具有实质上相同的与所述检验质量块的静电耦合；

其中，所述第一谐振元件和检验质量块实质上位于一个平面内，并且其中所述检验质量块正交于所述平面的相对于所述第一谐振元件的运动改变所述检验质量块和所述第一谐振元件之间的静电耦合；

驱动装置，该驱动装置耦合至所述第一谐振元件，用于使所述第一谐振元件中的每一者振动；以及

传感器组件，用于检测所述第一谐振元件中的每一者的谐振频率的偏移；以及

处理装置，用于对所述第一谐振元件中的每一者的偏移的求和以提供与第一轴平行的所述检验质量块的加速度的测量，所述第一轴与所述平面正交。

在所述检验质量块和谐振元件之间的静电耦合的任何改变导致该谐振元件的有效刚度的改变，其改变了所述谐振元件的谐振频率。在本文中，“检测所述谐振频率的偏移”应当被理解为包括直接检测谐振频率的偏移和通过检测谐振元件的谐振频率的在另一方面的改变来间接检测谐振频率的偏移。

对谐振频率偏移求和消除了来自朝向或远离所述谐振元件的所述检验质量块的平面移动的贡献，使得平面外加速度可以被解耦和确定。由于所述第一谐振元件的每一者被安装在所述检验质量块的对侧，任何平面移动将导致在每个谐振元件上相同幅度但是相反方向的偏移。优选地，所述检验质量块和谐振元件被配置以使与所述第一谐振元件相切的所述检验质量块的移动不改变所述静电耦合。例如，所述第一谐振元件所耦合的所述检验质量块的侧面可以具有均匀厚度并且平行于切线方向延伸，并在所述切线方向超出所述第一谐振元件。

任何合适的谐振元件可以被使用，例如双端音叉谐振器。