[发明专利]一种具有嵌入式磁源的MEMS陀螺仪

说明书

本发明公开了一种具有嵌入式磁源的MEMS陀螺仪，包括质量块、驱动单元和检测单元，所述驱动单元位于质量块的X方向，所述检测单元包括蓄热器、导线和磁传感器，所述质量块位于衬底上方，所述蓄热器安装在质量块上且位于质量块底部，所述导线安装在蓄热器内，所述磁传感器安装在衬底上且位于衬底上端。本发明的有益效果是：通过磁传感器检测质量块在Y方向的位移，测量准确，提高了角速度的精确性；蓄热器隔绝了通电导线产生的焦耳热，避免了质量块的形变、温漂及噪声。

技术领域

本发明涉及MEMS陀螺仪领域，具体而言，是一种具有嵌入式磁源的MEMS陀螺仪。

背景技术

陀螺仪也称角速度传感器，它和加速度传感器都属于惯性传感器，是一类重要的力学MEMS器件，广泛用于汽车工业、大地测量、生物工程、机器人控制、矿山开采、武器导弹等领域，因受到普遍的重视而快速发展起来。MEMS陀螺仪是基于科里奥利效应，科里奥利效应是指当一个质点相对于惯性系做直线运动时，相对于旋转体系，其轨迹是一条曲线，立足于旋转体系，我们认为有一个驱使质点运动轨迹形成曲线的力，这个力就是科里奥利力F_c，其中F_c＝-2mv×Ω其中v表示相对于转动参考系质点的运动速度(矢量)，Ω表示旋转体系角速度(矢量)，m表示质点的质量，科里奥利力是研究MEMS陀螺仪的基础，当存在绕驱动轴做高频振动的微机械陀螺仪敏感轴的角速度时，其检测质量块内各质点的科里奥利力会在输出轴方向存在科氏惯性力矩，这种惯性力矩即为陀螺力矩。由于科里奥利力和陀螺力矩的存在，在理想情况下，MEMS陀螺仪的输出信号正比于敏感轴输入信号，因此通过测量科里奥利力和运动物体的速度，就可以得到系统转动的角速度Ω。

振动式MEMS陀螺仪可以分为两个独立的简谐振动即驱动和检测两个振动模态，这两个振动模态均可看作是弹簧-质量块-阻尼系统在周期性外力作用下的振动行为，如图1所示，其中x方向为陀螺仪的驱动振动方向，y方向为陀螺仪的检测振动方向，MEMS陀螺仪正常工作在谐振振动下，需要在驱动方向施加简谐驱动力作为外在的动力源，MEMS陀螺仪的驱动方式多种多样，如热驱动、电磁驱动、压电驱动和静电驱动等，由于制作静电驱动的电容结构比较简单、功耗低、灵敏度高、受温度的影响小，因此成为MEMS陀螺仪的主要驱动方式；MEMS陀螺仪的检测方式主要有电容检测方式、压阻检测方式、压电检测方式、光学检测方式和隧道电流检测方式等，其中压电检测方式具有高的电-机械耦合因子、高阻抗和温度稳定性；压阻检测方式具有相对低的阻抗，良好的线性，接口电路也很简单，但是这种检测方式具有较高的温度灵敏度；电容检测方式线性度低、温漂大、调零调满未能分离而相互影响等。

MEMS陀螺仪不需要与外界物理接触，因此可以气密封装，进行真空封装可以避免振动结构的空气阻尼，提高使用寿命；其次是对于一般的MEMS结构和电路封装，散热是必须给予充分重视的，高温下器件失效的可能性会大大增加。

现在的MEMS陀螺仪一般由质量块、衬底、支撑梁和锚点组成，如图2所示，质量块位于衬底上方；质量块通过电容梳驱动，即在质量块的X方向增加电容梳，使得质量块沿着X方向运动，质量块的检测同样通过电容梳驱动，即在质量块的Y方向增加电容梳，使得质量块在Y方向运动，其中X和Y在质量块所在的平面内互相垂直，如图3所示，在工作的时候，质量块在共振频率下沿X方向振动，当有一个垂直X和Y的Z方向的角速度Ω时，质量块会在Y方向产生振动，该角速度Ω可以通过质量块在X方向的位移计算出来，质量块在X方向的位移通过检测X方向的电容来得到，但是MEMS陀螺仪是微米/纳米技术，检测电容梳在进行检测的时候会产生空气阻尼，使得检测结果存在误差，线性度差；其次是质量块是导电材料，那么质量块的导热性能也比较好，容易产生温漂，产生噪音。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的中的检测方式的线性度差，存在温漂以及产生噪音的缺点，提供一种具有嵌入式磁源的MEMS陀螺仪。