一种双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪

摘要

一种双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪主要由静齿、动齿、两个质量块、两个外框架、两对杆杆和两个音叉谐振器组成。第一质量块和第二质量块分别通过四个内折叠梁连接在第一外框架和第二外框架上，两外框架分别通过外支撑梁固连在锚点上，两外框架之间通过一对折叠梁相连。第一外框架左右两侧通过反方向力放大杠杆与两个音叉谐振器自由端相连，第二外框架左右两侧通过同方向力放大杠杆与两个音叉谐振器自由端相连。通过测得两端音叉谐振器的谐振频率差计算外部输入转速。该陀螺仪减小了器件的振动噪声，消除了外界加速度引起的误差，提高了器件性能，可应用于微小型系统、智能武器的惯性导航系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪，可应用于微小型系统的导航及控制，并可以应用于工作时间短、成本低、动态范围大的战术武器的惯性导航系统。

背景技术

陀螺仪是一种惯性转速传感器，可用来测量载体的运动角速度，利用三个陀螺仪和三个加速度计组成的IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)可以为载体提供位置、姿态信息，被广泛应用于惯性导航领域。从20世纪80年代末开始，随着MEMS(Micro-Electromechanical System，微机电系统)技术的发展，各种传感器实现了微小型化，以MEMS技术为基础的陀螺仪相对于传统的机械及光学陀螺仪而言，具有成本低、体积小、功耗低、可与电路集成等优点，具有广泛的应用前景，受到了各国的高度重视，先后投入巨资加以研究。

从检测原理上讲，目前MEMS陀螺仪普遍采用电容检测方式，通过检测哥氏力产生位移的大小来间接估计转速。当器件的结构尺寸缩小到一定程度时，电容检测的灵敏度大大降低，严重影响陀螺仪的性能，同时电容式检测必须附加复杂的闭环电路，增加了器件的设计、加工难度，并且受一定的电-机耦合的影响，仪器的信噪比相对比较小。为此，人们一直在探索新的结构及检测方式，1998年美国加利福尼亚大学伯克利分校的T.A.W.Roessig提出了调谐输出式硅MEMS加速度计，为MEMS陀螺仪的谐振式检测奠定了基础。2002年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的A.A.Seshia等人首次提出了调谐输出式硅MEMS陀螺仪，采用一个高频振动的质量块作为敏感单元，音叉谐振器作为检测单元，并成功研制了原理样机。该陀螺仪将敏感角速率产生的哥氏力转换成音叉谐振器谐振频率的变化，通过测量两端音叉谐振器谐振频率差来计算转速的大小，陀螺仪输出是准数字信号，易于数字电路集成，具有动态范围大、灵敏度较高、输出线性度好优点。然而由于单质量块的高频振动，引起了器件干扰噪声，增加了机械损耗；理想陀螺仪仅敏感输入轴向的角速度，然而单质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪不仅敏感输入轴向的角速度，同时敏感外部加速度，引入了加速度干扰误差，从而导致器件的测量误差。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有调谐输出式硅MEMS陀螺仪振动噪声大、无法消除外部加速度引起的误差等不足，提出一种双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪。

本发明的技术解决方案为：一种双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪，其特征在于：主要由静齿、动齿、第一质量块、第二质量块、第一外框架、第二外框架、杠杆41、42、51、52和两个音叉谐振器81、82组成。静齿和动齿构成了电容式极板，第一质量块通过四个内折叠梁11、12、13、14连接在第一外框架上，第二质量块通过四个内折叠梁71、72、73、74连接在第二外框架上，第一外框架通过外支撑梁31、32固连在锚点21、22上，第二外框架通过外支撑梁61、62固连在锚点23、24上，第一外框架和第二外框架之间通过折叠梁361、362相连；第一外框架左右两侧分别通过杠杆41、42与音叉谐振器81、82自由端相连，第二外框架左右两侧分别通过杠杆51、52与音叉谐振器81、82自由端相连；锚点411、421分别是杠杆41、42的支撑点，锚点511、521分别是杠杆51、52的支撑点，音叉谐振器81、82固定端分别与锚点91、92相连，通过测得两端音叉谐振器的谐振频率差计算外部输入转速。

所述的第一质量块和第二质量块结构完全相同，内部嵌入梳状动齿，第一质量块和第二质量块沿Y轴做同频、等幅、反相振动；

所述的第一外框架左右两侧的杠杆41、42和第二外框架左右两侧的杠杆51、52的放大比例是通过调节杠杆支撑点位置设置的，实现哥氏力的放大功能，杠杆41、42、51、52的放大比例相同；

所述的杠杆41与杠杆42实现的力放大方向相同，杠杆51与杠杆52实现的力放大方向相同；

所述的杠杆41、42与杠杆51、52实现的力放大方向相反。

本发明的原理如图1所示，静齿与动齿间构成了电容极板，在静齿上施加直流偏置电压和U₀和频率为ω_p的等频、反相交流电压，动齿上施加0伏电压，动齿与静齿间产生静电驱动力，该静电驱动力驱动第一质量块和第二质量块沿Y轴做频率为ω_p的等幅、反相振动。当垂直于芯片平面(Z)轴有外部转速Ω输入时，两质量块产生沿X轴方向的反相哥氏力，且分别通过内折叠梁传递到第一外框架和第二外框架上，第一外框架承载的哥氏力通过杠杆反方向放大后沿轴向作用到音叉谐振器自由端，第二外框架承载的反相哥氏力通过杠杆同方向放大后沿轴向作用到音叉谐振器自由端，实现了差分效应。当哥氏力作用在音叉谐振器一端时，谐振梁承受正弦变化的压缩和拉伸力，从而周期地调制音叉谐振器的谐振频率f，通过测得两端音叉谐振器的谐振频率差Δf，计算出作用在器件上的外部输入转速Ω。

双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪每一个质量块内的静齿与动齿间的电容为：

$C=2\mathrm{nϵ}\frac{{(L-y)}^t}{d_0}+(2n-1)ϵ\frac{\mathrm{bt}}{y},---\left(1\right)$

式中，n为静齿数，ε为介电常数，L为静、动齿的长度，d₀为齿间距，t为齿厚，b为尺宽，y为动(静)齿端与静(动)齿根间的间距。由静电场理论可知，静电驱动力与成正比，对式(1)求偏导：

$\frac{\partial C}{\partial y}=-\frac{2\mathrm{nϵt}}{d_0}-\frac{(2n-1)\mathrm{ϵbt}}{y^2},---\left(2\right)$

在工作过程中，y的变化量对静电力影响相对很小，动静齿间的静电力可近似写成：

$F_d=\frac{1}{2}\frac{\partial C}{\partial y}{U}_D^2\approx -\frac{1}{2}\mathrm{ϵt}(\frac{2n}{d_0}+(2n-1)\frac{b}{y_0^2})U_D^2,---\left(3\right)$

式中，y₀为静止时动(静)齿端与静(动)齿根间的间距。该静电力可近似为一常值，式中U_D表示在静齿上施加的直流偏置电压U_o、交流驱动电压U_i之和，第一质量块所受的静电力可表示为：

$F_{d1}\approx 2\mathrm{ϵt}(\frac{2n}{d_0}+(2n-1)\frac{b}{y_0^2})U_0{U}_i\sin \left({\omega }_{p}t\right),---\left(4\right)$

式中，ω_D卢为交流驱动电压的频率。同理，第二质量块所受的静电力为：

$F_{d2}\approx -2\mathrm{ϵt}(\frac{2n}{d_0}+(2n-1)\frac{b}{y_0^2})U_0{U}_i\sin \left({\omega }_{p}t\right),---\left(5\right)$

由式(4)和式(5)可知，质量块所受静电驱动力大小、频率相等，方向相反，耦合到支撑结构的能量相互转换抵消，减小了结构的振动噪声及器件的能量损耗，提高了陀螺仪的性能。

为降低陀螺仪驱动模态的刚度，同时不加大结构平面尺寸，采用折叠梁结构，该梁可近似为四个悬臂梁串联，悬臂梁刚度可表示为：

$K_c=\frac{3\mathrm{EI}}{L_b^3},---\left(6\right)$

式中，E为硅材料的弹性模量；I为梁转动惯量：L_b为梁的长度。折叠梁相当四个悬臂梁串联，其刚度可表示为：

$K_t=\frac{3\mathrm{EI}}{4L_b^3},---\left(7\right)$

陀螺仪每个质量块通过四个相同的内折叠梁与外框架相连，每个质量块沿驱动模态的总刚度可表示为：

$\left(\begin{array}{cc}K=4K,=\frac{3\mathrm{EI}}{L_b^3},& I=\frac{{\mathrm{hw}}^3}{12},---\left(8\right)\end{array}\right)$

式中，h为结构的厚度；w为内折叠梁的宽度。驱动模态自然频率可近似为：

$f\approx \frac{\sqrt{K/(m+0.375m_l)}}{2\pi }=\frac{1}{4\pi }\sqrt{\frac{E{w}^3}{\rho (S+0.375S_l)L_b^3}},---\left(9\right)$

式中，m为每个质量块的有效质量；m_l为四个内折叠梁的总质量；ρ为硅材料的密度；S为每个质量块的表面积；S_l为四个内折叠梁的总表面积，驱动模态固有角速率可近似为：

${\omega }_d=2\mathrm{\pi f}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{E{w}^3}{\rho (S+0.375S_l)L_b^3}},---\left(10\right)$

第一质量块在静电力F_d1作用下沿驱动方向做恒幅振动，调制驱动交流电压角速率ω_p与驱动模态固有角速率ω_d一致时，第一质量块振幅最大，振动运动方程可表示为：

$y_1=Q\frac{F_{d1}}{K}=\frac{Q}{K}2\mathrm{ϵt}(\frac{2n}{d_0}+(2n-1)\frac{b}{y_0^2})U_0{U}_i\sin \left({\omega }_{p}t\right),---\left(11\right)$

式中，Q为系统品质因子，表示驱动频率等于系统谐振频率的运动被放大了Q倍。同理，第二质量块的振动运动方程可表示为：

$y_2=Q\frac{F_{d2}}{K}=-\frac{Q}{K}2\mathrm{ϵt}(\frac{2n}{d_0}+(2n-1)\frac{b}{y_0^2})U_0{U}_i\sin \left({\omega }_p\text{t}\right),---\left(12\right)$

由方程(11)可知，第一质量块的运动速度为：

${\stackrel{·}{y}}_1=\frac{{\mathrm{Q\omega }}_P}{K}2\mathrm{ϵt}(\frac{2n}{d_0}+(2n-1)\frac{b}{y_0^2})U_0{U}_i\sin \left({\omega }_p\text{t}\right),---\left(13\right)$

由方程(12)可知，第二质量块的运动速度为：

${\stackrel{·}{y}}_2=-\frac{Q{\omega }_P}{K}2\mathrm{ϵt}(\frac{2n}{d_0}+(2n-1)\frac{b}{y_0^2})U_0{U}_i\cos \left({\omega }_p\text{t}\right),---\left(14\right)$

当垂直陀螺仪平面的Z轴有角速度Ω输入时，两质量块敏感Ω，产生沿X轴的哥氏力，第一质量块产生的哥氏力为：

$F_{c1}=2\mathrm{m\Omega }{\stackrel{·}{y}}_1=\frac{4\mathrm{m\Omega Q}{\omega }_P\mathrm{ϵt}}{K}(\frac{2n}{d_0}+(2n-1)\frac{b}{y_0^2})U_0{U}_i\cos \left({\omega }_{p}t\right),---\left(15\right)$

第二质量块产生的哥氏力为：

$F_{c2}=2\mathrm{m\Omega }{\stackrel{·}{y}}_2=-\frac{4\mathrm{m\Omega Q}{\omega }_P\mathrm{ϵt}}{K}(\frac{2n}{d_0}+(2n-1)\frac{b}{y_0^2})U_0{U}_i\cos \left({\omega }_{p}t\right),---\left(16\right)$

两质量块产生的哥氏力F_c1和F_c2分别通过两对杠杆放大后传递到外框架两侧的两个音叉谐振器轴向上。

$F_1=\frac{1}{2}{C}_1{F}_{c1},$$F_2=\frac{1}{2}{C}_2{F}_{c2},$C₁＝-C₂，    (17)

式中，C₁为第一外框架左右两侧杠杆的放大系数，C₂分别为第二外框架左右两侧杠杆的放大系数，两质量块作用到每个音叉谐振器轴向自由端的哥氏力矢量和为：

$F=F_1+F_2=\frac{1}{2}{C}_1(F_{c1}-F_{c2})=\frac{4C_1\mathrm{m\Omega Q}{\omega }_P\mathrm{ϵt}}{K}(\frac{2n}{d_0}+(2n-1)\frac{b}{y_0^2})U_0{U}_i\cos \left({\omega }_{p}t\right),---\left(18\right)$

由于两个质量块产生的哥氏力通过杠杆差分后输入音叉谐振器，消除了外界加速度引起的误差，提高了器件性能。

音叉谐振器受到轴向时变哥氏力作用，弹性系数随之被调制，音叉运动方程可表示为：

m_rq+c_rq+(k_r+k_lcos(ω_pt))q＝F_r，    (19)

式中，m_r为音叉谐振器的质量，c_r为音叉谐振器的阻尼系数，k_r为音叉谐振器在未受哥氏力作用时系统的弹性系数，k_l为余弦轴向力对结构产生的调制弹性系数，F_r为外加在音叉谐振器上的驱动力。当考虑k_l调制作用，且k_l<<k_r时，音叉谐振器谐振频率为：

${\omega }_r=\sqrt{\frac{k_r+k_l\cos \left({\omega }_{P}t\right)}{m_r}}={\omega }_{r0}+\frac{{\omega }_{r0}}{2}\frac{k_l}{k_r}\cos \left({\omega }_{P}t\right)-\frac{{\omega }_{r0}}{8}{\left(\frac{k_1}{k_r}\cos \left({\omega }_{p}t\right)\right)}^2+···,---\left(20\right)$

式中，ω_r0为音叉谐振器初始谐振角速度，忽略二阶小量得：

${\omega }_r\approx {\omega }_{r0}+\frac{{\omega }_{r0}}{2}\frac{k_l}{k_r}\cos \left({\omega }_{p}t\right),---\left(21\right)$

其中：

$\frac{k_l}{k_r}=F{S}_r=0.293\frac{F{L}_r^2}{E{t}_b{w}_b^3},---\left(22\right)$

式中，L_r为音叉谐振器中梁的长度，t_b为音叉谐振器中梁的厚度，w_b为音叉谐振器中梁的宽度，S_r为轴向力对音叉谐振器的调制系数。F为作用到音叉谐振器每个梁轴上的哥氏力。由调频技术的理论可知，在调制信号为单频正弦信号时，调频波的最大频偏与调制信号的振幅有关，与调制信号的频率无关，每个音叉谐振器的输出频率是在其谐振频率f_r0左右摆动，因哥氏力以等幅反相的形式作用在两个音叉谐振器上，构成差分输出，所以任一瞬时，左侧音叉谐振器频偏Δf₁大小等于右侧音叉谐振器频偏Δf₂，方向相反，即有：Δf₁＝-Δf₂，两个音叉谐振器的谐振频率差：

$\mathrm{\delta f}={\mathrm{\Delta f}}_1+{\mathrm{\Delta f}}_2=\frac{0.586}{\pi }{S}_r{\omega }_{r0}\frac{C_1\mathrm{m\Omega Q}{\omega }_P\mathrm{ϵt}}{K}·(\frac{2n}{d_0}+(2n-1)\frac{b}{y_0^2})U_0{U}_i\cos \left({\omega }_{p}t\right)·\Omega ---\left(23\right)$

外部转速与两音叉谐振器谐振频率差之间关系可表示为：

Ω＝S·δf

$S=1/(\frac{0.586}{\pi }{S}_r{\omega }_{r0}\frac{C_1\mathrm{m\Omega Q}{\omega }_P\mathrm{ϵt}}{K}·(\frac{2n}{d_0}+(2n-1)\frac{b}{y_0^2})U_0{U}_i\cos \left({\omega }_{p}t\right))---\left(24\right)$

式中，S为双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪的标度因数。当垂直陀螺仪平面Z轴有角速度Ω输入时，两质量块产生的哥氏力通过杠杆放大后输入到音叉谐振器的自由端，周期变化的压缩、拉伸力对音叉谐振器的谐振频率进行调解，两个音叉谐振器的谐振频率可以通过音叉谐振器的测量静齿端测出，通过测得两端音叉谐振器的谐振频率差的大小来计算外部转速。

本发明与现有技术相比的优点在于：双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪采用两块同频、等幅、反相振动的质量块作为敏感单元，两个高频振动质量块耦合到支撑结构的能量相互抵消，可以减小器件的振动噪声和能量损耗；杠杆差分效应消除了外界加速度引起的误差，提高了器件性能。

附图说明

图1为双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪工作原理框图；

图2为双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪结构图；

图3为双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪静齿和动齿结构图。

具体实施方式

本发明技术解决方案的具体实施结构如图2和图3所示，一种双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪主要由静齿101、动齿102、第一质量块1、第二质量块7、第一外框架3、第二外框架6、杠杆41、42、51、52和两个音叉谐振器81、82组成。静齿101和动齿102构成了电容式极板，第一质量块1和第二质量块7内部嵌入梳状动齿，结构完全相同，两质量块沿Y轴做同频、等幅、反相振动，第一质量块1通过四个内折叠梁11、12、13、14连接在第一外框架3上，第二质量块7通过四个内折叠梁71、72、73、74连接在第二外框架6上，考虑陀螺仪功耗及灵敏度，设计两质量块沿Y轴的固有频率为1000～10000Hz，本实施方案设计两质量块沿Y轴的固有频率为2000Hz，第一外框架3通过外支撑梁31、32固连在锚点21、22上，第二外框架6通过外支撑梁61、62固连在锚点23、24上，第一外框架3和第二外框架6之间通过折叠梁361、362相连。第一外框架3左右两侧分别通过反方向力放大杠杆41、42与音叉谐振器81、82自由端相连，第二外框架6左右两侧分别通过同方向力放大杠杆51、52与音叉谐振器81、82自由端相连，锚点411、421分别为杠杆41、42支撑点，锚点511、521分别为杠杆51、52支撑点，通过调节支撑点位置设置杠杆的放大比例，实现哥氏力的放大功能，杠杆41、42、51、52放大比例相同，杠杆41、42与杠杆51、52实现的哥氏力放大方向相反，在结构尺寸约束下，设计两杠杆的放大倍数为10～100，本实施方案设计两杠杆的放大倍数为50，音叉谐振器81、82固定端分别与锚点91、92相连。双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪采用LIGA技术制备而成，是通过溅射、刻蚀等工艺制备的整体硅结构。为了保证产生适合的静电驱动力，本实施方案在静齿101上施加12伏直流偏置电压和角频率为2000Hz的等频、反相交流12伏电压，动齿102上施加0伏电压，动齿与静齿间产生的静电驱动力驱动第一质量块1和第二质量块7沿Y轴做角频率为ω_p的反相、等幅振动，为了保证静齿端不与动齿根相碰，提高器件工作可靠性，设计质量块振幅小于静齿端到动齿根距离的五分之一至三分之一，本实施方案设计质量块振幅小于静齿端到动齿根距离的五分之一。当垂直于芯片平面(Z)轴有外部转速Ω输入时，两质量块产生沿X轴方向的反方向哥氏力，第一质量块1通过四个内折叠梁11、12、13、14将哥氏力传递到第一外框架3上，第二质量块7通过四个内折叠梁71、72、73、74将哥氏力传递到第二外框架6上，第一外框架3承载的哥氏力通过反方向力放大杠杆41、42放大后轴向作用到音叉谐振器81、82自由端，第二外框架6承载的哥氏力通过同方向力放大杠杆51、52放大后轴向作用到音叉谐振器81、82自由端，实现了差分效应。由谐波检测原理可知，音叉谐振器81、82的固有频率应大于第一质量块1和第二质量块7振动频率一个数量级以上，本实施方案设计的音叉谐振器81、82的固有频率为30000Hz，当哥氏力作用在音叉谐振器81、82一端时，谐振梁承受正弦变化的压缩和拉伸力，从而周期地调制音叉谐振器81、82的谐振频率f，通过测得两端音叉谐振器的谐振频率差Δf，计算出作用在器件上的外部输入转速Ω。

该双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪克服了现有调谐输出式硅MEMS陀螺仪振动噪声大、外部加速度引起的测量误差大等的不足，具有振动噪声和能量损耗小、无外界加速度引起的误差，精度高等优点可应用于微小型系统的导航及控制，并可以应用于工作时间短、成本低、动态范围大的战术武器的惯性导航系统。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。