[发明专利]一种解耦式双框架微陀螺

说明书

本发明公开了一种解耦式双框架微陀螺，其包括：左驱动质量块组、右驱动质量块组、左哥氏质量块组和右哥氏质量块组，其均为一侧开口的半包围结构，且所述左驱动质量块组和右驱动质量块组的开口相对设置，所述左驱动质量块组和右驱动质量块组对称分布；所述左哥氏质量块组和右哥氏质量块组的开口相对设置；所述左哥氏质量块组和所述左驱动质量块组依次套设在左检测质量块的外围；所述右哥氏质量块组和所述右驱动质量块组依次套设在右检测质量块的外围。本发明所述的解耦式双框架微陀螺实现了检测电容的差分放大，提高了该结构的灵敏度，抑制了微陀螺的机械耦合，提高了微陀螺的检测精度。

技术领域

本发明涉及微机械系统技术领域，尤其涉及一种具有高检测精度的解耦式双框架微陀螺。

背景技术

陀螺是用于测量角速率的传感器，是惯性技术的核心器件之一，在现代工业控制、航空航天、国防军事及消费电子等领域发挥着重要作用。

陀螺的发展大致可分为三个阶段：

第一阶段是传统的机械转子陀螺，它精度很高，在核潜艇、洲际战略导弹等军用战略武器上发挥着不可替代的作用，但它的体积较大、制造过程复杂、价格昂贵、周期长且不适合批量化生产；第二阶段是光学检测陀螺，主要包括激光陀螺和光纤陀螺，主要利用萨格纳克效应，其优点是无旋转部件、精度较高，在航海和航空航天方面发挥着重要作用，但仍面临着体积较大、成本较高、不易集成的问题；第三阶段是微机械陀螺，发展于20世纪90年代，其研究起步较晚，但凭借着体积小、功耗小、重量轻、可批量生产、价格低、抗过载能力强和可集成的独特优点发展迅速，适用于飞机导航、汽车制造、数码电子、工业器械等民用领域和无人机、战术导弹、智能炸弹、军用瞄准系统等现代国防军事领域，其具有广泛的应用前景，越来越受到人们的关注。

目前，微机械陀螺常用的驱动方式有压电式、电磁式、静电式等；检测方式有压阻式、压电式、共振隧穿式、电子隧道效应式、电容式等。

对于驱动方式，压电驱动具有精度高、误差小的优点，但其对陀螺结构设计要求高，不易加工制作；电磁驱动幅值大，但难以稳定控制；静电驱动虽驱动幅值小但具有稳定性好的优点。

对于检测方式，其中压阻效应检测，灵敏度较低，温度系数大，因而限制了检测精度的进一步提高；压电效应检测的灵敏度易漂移，需要经常校正，归零慢，不宜连续测试；共振隧穿效应的灵敏度较硅压阻效应高一个数量级，但检测灵敏度较低，存在的问题是偏置电压容易因陀螺驱动而漂移，导致陀螺不能稳定工作；电子隧道效应式器件制造工艺极其复杂，检测电路也相对较难实现，成品率低，难以正常工作，不利于集成，特别是很难控制隧道结隧尖和电极板之间的距离在纳米级，无法保障传感器正常工作。

而电容检测采用梳齿结构，位移分辨率较高，电容结构适用于MEMS工艺加工，现如今静电驱动、电容检测仍为微陀螺加工的主流工艺。

然而现有加工技术中微陀螺的检测精度一直无法得到提高，究其原因主要有两点：其一是由于陀螺仪结构设计、加工工艺等误差，使得驱动模态和检测模态存在着较大的机械耦合，导致微陀螺输出信号中耦合有正交误差干扰信号；其二是由于陀螺仪无法避免外界线性加速度的影响，导致微陀螺输出信号中耦合有同频同向的干扰信号。

参见中国发明专利CN109737943A，其公开了一种高精度MEMS陀螺仪，该专利所公开的微陀螺结构为框架结构，且其创新点在于通过所述干扰模态隔离结构将质量块内框相连，使得干扰模态远离工作模态，但同时该结构微陀螺驱动模态和检测模态存在较大的机械耦合，会带来很大的正交误差。继续参见中国发明专利CN108507555A，其公开了一种MEMS微机械全解耦闭环陀螺仪，该专利公开的微陀螺结构驱动沿X方向，检测沿Y方向，且考虑到了结构解耦，但其无法避免外界线性加速度的影响，此外，其也无法使微陀螺检测时共模干扰模态远离反向工作模态，这样最终会导致微陀螺输出信号受到影响，影响检测精度。

因此，亟需提出一种新的技术方案来解决现有技术中微陀螺的检测精度低的问题。

发明内容