一种单锚定点四质量块MEMS谐振式陀螺仪

摘要

本发明涉及一种单锚定点四质量块MEMS谐振式陀螺仪，该陀螺仪包括基板层和位于基板层上方的结构层，结构层包括：中心对称结构的支撑架，一端键合到基板层上、另一端固定连接于支撑架对称中心的锚定支撑柱和以锚定支撑柱为中心对称均匀分布在支撑架四周、并分别通过悬臂梁连接到支撑架上的四个质量块，每个质量块均能够在支撑架平面内产生“主模态”振动，或“次模态”振动，或同时产生“主模态”和“次模态”振动；基板层上还设置有固定电容极板，每个质量块内部设置有可动电容极板，固定电容极板与可动电容极板对应组合，形成与每个质量块相对应的驱动电容、驱动检测电容、检测电容和/或力平衡电容。本发明在角速度传感器领域有很高的应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种单锚定点四质量块MEMS谐振式陀螺仪。

背景技术

MEMS(Micro Electromechanical System，微机电系统)科氏振动陀螺因其纯固 态、高可靠性、小尺寸及低成本等特点，在国防领域有着广阔的应用前景。

如图1所示，一个典型的MEMS科氏振动陀螺表头内部结构可简化成一个能沿x、 y方向振动的“敏感质量-弹簧-阻尼系统”。其中，将驱动轴运动方向定义为x轴，检 测轴运动方向定义为y轴，定义z轴为外界施加的角速度方向，x、y、z三轴互相正 交。当向驱动装置施加交变的驱动轴驱动电压后，驱动装置可产生沿x轴方向的交变 驱动轴驱动力，该驱动轴驱动力将迫使敏感质量M沿x轴方向振动，将敏感质量M沿 x轴的振动称为驱动运动；为使敏感质量M在x轴方向上的振幅尽可能大，通常调节 驱动电压的频率等于敏感质量M在x方向振动的机械谐振频率，以使敏感质量M在x 轴方向谐振；为保证驱动运动振幅稳定，通过检测部件将驱动运动的位移检测出来， 转换为驱动运动检测电压，根据驱动运动检测电压的大小来调节驱动轴驱动电压的大 小，以使驱动运动振幅恒定。如果此时整个系统绕z轴旋转(即沿z轴有角速度输入)， 则根据科里奥利力原理，敏感质量M将受到沿y轴的科里奥利力作用，从而迫使敏感 质量M沿y轴振动，且该科里奥利力的大小与外界输入角度大小成正比，将敏感质量 M沿y轴的振动称为检测运动；通过检测部件测量出检测运动位移的大小，即可反映 出外界输入角速度的大小。直接由检测运动输出电压大小得到外界输入角速度大小的 工作方式称为开环工作方式；如果在检测运动方向上通过驱动装置施加一个检测轴驱 动力，来抵消敏感质量M的检测运动，通过计算检测轴驱动力的大小来反映外界输入 角速度大小的方式被称为力平衡工作方式。在力平衡工作方式下，敏感质量M检测轴 运动的二阶模型误差可以被有效抑制，从而提高陀螺的输出稳定性。MEMS科氏振动陀 螺的环境适应性直接影响器件的实用性。

传统MEMS线振动陀螺使用多键合点对谐振子结构进行支撑，将硅陀螺结构固定在 玻璃基板上，在工作状态下陀螺的x、y轴振动会受到机械结构、气体阻尼及环境温度 变化的影响，因此虽然线振动陀螺的检测电容较大，信噪比可靠，但由于振动能量耗 散，品质因数低，很难进一步提高陀螺性能。

MEMS振动环陀螺是一种新型陀螺仪结构形式，它通过单支撑锚定柱与基座相连， 能量耗散只能通过锚定柱和封装氛围进行传递，与传统MEMS线振动陀螺相比，MEMS 振动环陀螺继承了高精度半球陀螺的特性，其角速度检测建立在两相同形式模态能量 转换的基础上，模态频率特性随温度变化一致，精度高、抗干扰性强。近年来，英国 宇航局、密歇根大学、波音公司等机构相继提出了环形微机械陀螺的设计。但同时， 振动环陀螺由于其工作原理限制，存在谐振子质量较轻，谐振频率高，振幅小，电容 变化不利于检测等弊端，在目前的工艺水平下，进一步提升信噪比存在技术难度。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种既同时利用传统MEMS线振动陀螺和振动 环陀螺的优点，又克服两者各自技术缺点的单锚定点四质量块MEMS谐振式陀螺仪。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种单锚定点四质量块MEMS谐振 式陀螺仪，其特征在于，该陀螺仪包括基板层和位于所述基板层上方的结构层，所述 结构层包括：中心对称结构的支撑架，一端键合到所述基板层上、另一端固定连接于 所述支撑架的对称中心的锚定支撑柱，和以所述锚定支撑柱为中心对称均匀分布在所 述支撑架四周，并分别通过悬臂梁连接到所述支撑架上的四个质量块，所述质量块能 够在所述支撑架平面内产生“主模态”振动，或者产生“次模态”振动，或者同时产 生“主模态”和“次模态”振动；所述基板层上还设置有固定电容极板，所述质量块 内部设置有可动电容极板，所述固定电容极板与所述可动电容极板相对应组合，形成 与所述质量块相对应的驱动电容、驱动检测电容、检测电容和/或力平衡电容。

所述“主模态”振动是指：通过所述驱动电容主动使所述质量块产生的振动；所 述“次模态”振动是指：当垂直于所述支撑架平面方向有角速度输入时，所述质量块 受到科式力的作用，在所述支撑架平面内产生垂直于所述“主模态”振动方向的振动。

所述质量块为中心对称结构，存在两个互相垂直的对称轴；所述陀螺仪的工作模 式包括“对称模式”和“解耦模式”，通过调整所述悬臂梁的刚度配置，能改变所述陀 螺仪的工作模式；所述“对称模式”既可工作在“速率模式”下，也可工作在“速率 积分模式”下；其中，所述“对称模式”的“主模态”振动为四个所述质量块沿以所 述锚定支撑柱为中心的圆的径向振动，并且相邻两所述质量块同一时刻的运动方向相 反；其“次模态”振动为四个所述质量块沿以所述锚定支撑柱为中心的圆的切向振动， 并且相邻两所述质量块在同一时刻运动方向相反；所述“解耦模式”的“主模态”振 动为两个相对称的所述质量块沿所述锚定支撑柱为中心的圆的径向振动，且同一时刻 的运动方向相反，而另两个所述质量块静止不动；其“次模态”振动为四个所述质量 块沿以所述锚定支撑柱为中心的圆的切向振动，并且相邻两所述质量块在同一时刻运 动方向相反；所述“速率模式”是通过所述驱动电容施加激励力，使所述质量块在“主 模态”下振动，当有外界角速度输入时，通过检测所述质量块的“次模态”运动位移 大小来反映外界输入角速度大小；所述“速率积分模式”是将所述陀螺仪的“主模态” 和“次模态”谐振频率配置为相同，所述质量块自由振动，振动频率为谐振频率，当 有外界角度输入时，通过测量所述质量块自由振动振型与所述基板层基准方向的夹角 来反映外界输入的角度。

所述基板层上、靠近所述质量块两端分别设置有两个止挡机构，所述止挡机构或 者所述质量块上设置有分别与所述质量块的“主模态”和“次模态”振动方向相对应 的第一限位凸起和第二限位凸起。

所述悬臂梁为“几”字形结构，两个所述“几”字形悬臂梁的一端分别与所述质 量块的两端固定连接，与相邻两质量块端部固定连接的两所述悬臂梁的另一端先连接， 再通过一段小短梁与所述支撑架的一角固定连接，形成“Y”字形连接部分。

所述支撑架中部开设有中心对称于所述锚定支撑柱的“田”字形减重孔。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的单锚定点四质量 块MEMS谐振式陀螺仪，由于采用梳齿状排布的电极结构，保留了线振动陀螺仪大检测 电容、信噪比高的优点。2、本发明由于采用中心对称的四质量块谐振子结构，可以使 用差分方式对检测信号进行降噪处理，检测灵敏度高、品质因数高。3、本发明由于采 用单独的锚定支撑柱与基板层相连，使能量耗散只能通过锚定支撑柱和封装氛围进行 传递，模态频率特性随温度变化一致，陀螺仪能量耗散小、精度高、抗干扰性强、环 境适应性强。4、本发明的“对称模式”既可工作在“速率模式”下，也可工作在“速 率积分模式”下。5、本发明的“解耦模式”能够降低陀螺仪耦合量，大幅提升检测精 度，提高陀螺仪性能。6、本发明在角速度传感器领域有很高的应用价值。

附图说明

图1是典型MEMS谐振器的原理示意图；

图2是本发明单锚定点四质量块MEMS谐振式陀螺仪的结构示意图；

图3是本发明质量块的放大结构示意图；

图4是本发明工作在“对称模式”下的主模态示意图；

图5是本发明工作在“对称模式”下的次模态示意图；

图6是本发明工作在“解耦模式”下的主模态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图2、图3所示，本发明提供的单锚定点四质量块MEMS谐振式陀螺仪，其包括 玻璃(仅以此为例，并不限于此)基板层(图中未示出)与结构层，结构层包括：锚 定支撑柱1、支撑架2和四个质量块3，基板层位于结构层下方，锚定支撑柱1一端键 合到基板层上，支撑架2为中心对称结构，锚定支撑柱1另一端固定连接到支撑架2 的对称中心；四个质量块3沿以锚定支撑柱1为中心的圆周对称均匀分布在支撑架2 的四周，并分别通过悬臂梁4连接到支撑架2上，且相互对称的两个质量块3完全相 同，每个质量块3均可在支撑架2平面内相对于支撑架2运动；梳齿状排布(仅以此 为例，并不限于此)的固定电容极板键合固定在基板层上(键合点在附图3中以网格 线标示出)，每个质量块3内部均设置有梳齿状排布的一种或多种可动电容极板，固定 电容极板和可动电容极板相对应组合，可以形成与每个质量块3相对应的驱动电容、 驱动检测电容、检测电容和/或力平衡电容。

在驱动电容上施加驱动电压，可以驱动质量块3在支撑架2平面内相对于支撑架 2靠近或者远离运动，当驱动电压为交变电压时，则质量块3在支撑架2平面内相对 于支撑架2产生振动，调整交变电压频率与质量块3机械谐振频率一致，可以使质量 块3谐振。通过驱动电容人为主动使质量块3产生的振动，称为“主模态”振动；使 四个质量块在“主模态”下工作，当在垂直于支撑架平面方向有角速度输入时，根据 科氏力原理，质量块3将受到垂直于“主模态”振动方向的科式力，质量块3将被迫 在支撑架平面内产生垂直于“主模态”方向的振动，称其为“次模态”振动。

上述实施例中，如图4、图5、图6所示，本发明单锚定点四质量块MEMS谐振式 陀螺仪的工作模式有两种：

一种为“对称模式”，其“主模态”为四个质量块沿以锚定支撑柱为中心的圆的径 向振动，即远离或靠近锚定支撑柱，并且相邻两质量块在同一时刻的运动方向相反， 即一个质量块做靠近锚定支撑柱运动时，另一个质量块做远离锚定支撑柱的运动；其 “次模态”为四个质量块沿以锚定支撑柱为中心的圆的切向振动，并且相邻两质量块 在同一时刻运动方向相反，即同时相互靠近或远离。

另一种为“解耦模式”，其“主模态”为两个相对称的质量块沿锚定支撑柱为中心 的圆的径向振动，且同一时刻的运动方向相反，即同时远离或靠近锚定支撑柱，而另 外两个质量块静止不动；其“次模态”为四个质量块沿以锚定支撑柱为中心的圆的切 向振动，即保持与锚定支撑柱距离不变的圆周振动，并且相邻两质量块在同一时刻运 动方向相反，即同时相互靠近或远离。

上述实施例中，“对称模式”既可工作在“速率模式”下，即通过驱动电容人为施 加激励力，使质量块3在“主模态”下振动，当有外界角速度输入时，通过检测“次 模态”的运动位移大小来反映外界输入角速度大小；也可工作在“速率积分模式”下， 即将陀螺仪的“主模态”和“次模态”谐振频率配置为相同，而质量块3工作在自由 振动模式，其振动频率为谐振频率，当有外界角度输入时，通过测量质量块3自由振 动振型与基板层基准方向的夹角来反映外界输入的角度。

上述实施例中，每个质量块3均为中心对称结构，存在两个互相垂直的对称轴， 以保证陀螺仪在各个工作状态下的“主模态”和“次模态”振动频率相同。

上述实施例中，如图3所示，在基板层上、靠近每个质量块3的两端分别设置有 两个“L”形(仅以此为例，并不限于此)止挡机构5，且位于质量块3一端部的两止 挡机构5对称布置在质量块3对称轴的两侧

上述实施例中，在止挡机构5上设置有分别与质量块3的“主模态”和“次模态” 振动方向相对应的第一限位凸起51和第二限位凸起52，当陀螺仪过载时，质量块3 会和止挡机构5的第一限位凸起51或第二限位凸起52接触，从而保护质量块3的内 部结构不受损坏，同时质量块3在运动时固定电容极板和可动电容极板不会发生粘连； 或者，在质量块3上设置有分别与质量块3的“主模态”和“次模态”振动方向相对 应的第一限位凸起51和第二限位凸起52，当陀螺仪过载时，止挡机构5会和质量块3 的第一限位凸起51或第二限位凸起52接触，从而保护质量块3的内部结构不受损坏， 同时质量块3在运动时固定电容极板和可动电容极板不会发生粘连。

上述实施例中，如图2所示，悬臂梁4为“几”字形结构，两个“几”字形悬臂 梁4的一端分别与质量块3的两端固定连接，且连接点在质量块3的对称轴上，与相 邻两质量块3端部连接的悬臂梁4的另一端先连接，再通过一段小短梁6与支撑架2 的一角固定连接，从而形成“Y”字形连接部分，以保证相邻质量块3的振动耦合性。

上述实施例中，支撑架2中部开设有中心对称于锚定支撑柱1的“田”字形减重 孔21，以减小支撑架的整体质量和工作状态下的应力集中；支撑架2的四条外边均为 圆弧形，四角均倒角。

上述实施例中，调整悬臂梁4刚度，可实现陀螺仪谐振频率的调节，通过调整悬 臂梁4的刚度配置，可使陀螺仪的工作状态在“对称模式”或“解耦模式”下。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置、及其连接方式 等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均 不应排除在本发明的保护范围之外。