[发明专利]一种单锚定点四质量块MEMS谐振式陀螺仪

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。