CN102155944A - 一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器及其应用方法，该惯性传感器能够同时测量三维空间坐标中运动物体的三轴加速度和三轴角加速度。该传感器采用MEMS工艺在硅片上刻蚀微结构：振子、弹性梁和外框架，利用振子的惯性力测量三轴加速度和三轴角加速度，通过在振子表面粘接平衡质量块和非平衡质量块的方法实现加速度信号和角加速度信号的解耦，采用半导体掺杂工艺在弹性梁上制作力敏电阻，通过特殊的力敏电阻组桥方法和信号处理方法，得到运动物体的三轴加速度和三轴角加速度。本发明主要应用在车辆、船舶等中等精度要求的导航。

Description

一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器及其应用方法

技术领域：

本发明涉及车辆、船舶等的导航用途的惯性传感器领域，特别涉及一种能够同时测量三轴加速度和三轴角加速度的传感器结构，以及采用粘接平衡质量块和非平衡质量块方法实现加速度信号和角加速度信号解耦的一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器。

背景技术：

车辆、船舶等运动物体的导航需要运动物体的位移、方向、速度、姿态等信息，这些信息依靠运动物体上的惯性测量单元(IMU，Inertial MeasurementUnit)获得。惯性测量单元包括加速度计和陀螺仪，加速度计用来测量运动物体的线加速度，陀螺仪用来测量运动物体的角加速度或角速度，根据加速度和角加速度信息，通过数据处理可以得到运动物体的位移、方向、速度、姿态等信息。

微机电惯性传感器是指利用微机电制造技术加工而成的，用来测量运动物体加速度、角加速度等惯性参数的微型机电系统(MEMS，Microelectro-mechanical System)，主要包括在硅片上制作微机械加速度计、微机械陀螺。微机电惯性传感器的研究始于20世纪70年代，由于微机电惯性传感器具有体积小、功耗低、可靠性高、成本低和易于批量化生产的优点，因此，微机电惯性传感器是惯性传感器领域的研究热点。

微机械加速度计是发展比较早、比较成熟的惯性传感器，主要采用质量块产生的惯性力测量加速度，采用压阻式、压电式、电容式和谐振式等原理进行检测。目前，市场上的微机械加速度计主要是单轴和三轴的，代表性的产品有美国模拟器件(ADI)公司的ADXL系列微机械电容式加速度计。

微机械陀螺仪的研究始于20世纪80年代末期，目前微机械陀螺仪主要采用振动式原理工作，借助哥氏(Coriolis)加速度效应测量角加速度或角速度。微机械陀螺仪主要采用静电驱动、电磁驱动、压电驱动等驱动方式实现振子的振动。采用电容检测、压阻检测、压电检测等方式检测哥氏加速度效应。目前，市场上的微机械加速度计主要是单轴，代表性的产品有美国模拟器件(ADI)公司的IMEMS系列陀螺仪。

六轴加速度计陀螺仪的集成是惯性传感器的重要研究方向之一，而目前市场上销售的六轴惯性传感器的价格十分昂贵，市场需要一款低成本的、用于车辆船舶等导航用途的、中等精度要求的六轴惯性传感器。

发明内容：

本发明的目的是：提供一种新型结构的微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，实现三轴加速度和三轴角加速度的测量，以满足低成本的、中等精度的车辆、船舶等导航要求。

本发明的技术方案是：一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，包括：两个相同的硅微结构，平衡质量块和非平衡质量块。硅微结构包括正方形振子、4个弹性梁，正方形外框架。平衡质量块和非平衡质量块分别粘接在硅微结构的正方形振子上。

采用MEMS工艺在硅片上刻蚀微结构：正方形振子、4个弹性梁和正方形外框架。在微结构底面，采用半导体掺杂工艺在弹性梁上制造出12个力敏电阻。在每个弹性梁的两端分别制作一个力敏电阻，在力敏电阻R5和R9的两端分别平行等距的制作两个力敏电阻。在电阻R10旁、远离弹性梁处，制作相同的力敏电阻R13，作为参考电阻。

因为微结构中振子的质量很小，其惯性力也很小，导致输出信号微弱，难以测量。采用粘接方法，在振子上粘接质量块，增加惯性力，增大输出信号。因为加速度信号和角加速度信号耦合在一起，设计了两种不同的质量块进行信号解耦。

平衡质量块：在振子的上下两面，粘接结构关于振子底面完全对称的质量块，这样会使带有平衡质量块的振子的重心集中在含有电阻的振子底面中心，因此会消除由离心力产生的角加速度信号。

非平衡质量块：在振子的顶面，粘接“蘑菇”形的质量块。采用“蘑菇”形的质量块会增大振子的转动惯量，增大离心力，因此会增大角加速度信号。

带有平衡质量块振子的传感器的组桥方案：电阻R1、R3、R5、R7组成电桥1，其输出电压U1反映加速度ax；电阻R2、R4、R6、R8组成电桥2，其输出电压U2反映加速度ay，电阻R9、R10、R13组成电桥3，其输出电压U3反映加速度az。

带有非平衡质量块振子的传感器的组桥方案：电阻R2、R4、R8、R6组成电桥4，其输出电压U4反映角加速度αx和加速度ay，电阻R1、R3、R7、R5组成电桥5，其输出电压U5反映角加速度αy和加速度ax，电阻R9、R10、R11、R12组成电桥6，输出电压U6反映角加速度αz。

对于带有非平衡质量块振子的传感器的加速度、角加速度解耦方法：并列相邻安装带有平衡质量块振子的传感器和带有非平衡质量块振子的传感器，即六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，采用数字信号处理器对输出电压U1、U2、U3、U4、U5、U6进行计算，用U1、U2、U3计算出加速度ax、ay、az，再由U4、U5、U6和ax、ay、az解耦出角加速度

αz。

本发明的有益效果是：与振动式、“科氏加速度”测量原理的微机械陀螺仪相比，微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器采用非振动式，惯性力测量原理测量加速度和角加速度，其传感器结构简单、制作工艺简单。由于采用压阻式测量原理，信号检测电路简单。因此，本发明的成本低，与其它微机械陀螺仪相比，具有明显的价格优势。

本发明制作工艺简单，易于国内厂家大批量的生产。因为其刻蚀微结构的MEMS制作工艺与目前国内大量生产销售的硅微压阻式压力传感器的制作工艺接近，且制作工艺简单，降低了生产成本，所以本发明有利于国内硅微压阻式压力传感器的制造商大批量的生产。

附图说明：

图1是六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器示意图；

图2是微结构的顶视图；

图3是力敏电阻分布(微结构底视图)示意图；

图4是粘接有平衡质量块的加速度计的三视图和侧视图；

图5是粘接有非平衡质量块的陀螺仪的三视图和侧视图；

图6是电桥1示意图；

图7是电桥2示意图；

图8是电桥3示意图；

图9是电桥4示意图；

图10是电桥5示意图；

图11是电桥6示意图；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

图1是六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器示意图，它由带有平衡质量块振子的加速度计和带有非平衡质量块振子的陀螺仪组成。传感器工作时，并列相邻安装加速度计和陀螺仪，由加速度计得到三轴加速度信号，再由陀螺仪得到的三个电桥输出电压通过数字信号处理器解算出三轴角加速度信号。

图2是微结构的顶视图。在硅片上，采用等离子体刻蚀和各向异性腐蚀方法得到微结构：正方形振子、4个弹性梁和正方形外框架。4个弹性梁连接振子和外框架，且关于结构中心对称分布。

图3是力敏电阻分布(微结构底视图)示意图。2.在微结构底面，采用半导体掺杂工艺在弹性梁上制造出12个力敏电阻，在每个弹性梁的两端分别制作一个力敏电阻，在力敏电阻5和9的两端分别平行等距的制作两个力敏电阻。在电阻10旁、远离弹性梁处，制作相同的力敏电阻13，作为参考电阻。

图4是粘接有平衡质量块的加速度计的三视图和侧视图。图4a是主视图，图4b是俯视图，图4c是左视图，图4d是侧视图。在振子的上下两面，粘接结构关于振子底面完全对称的质量块。这样会使带有平衡质量块的振子的重心集中在含有电阻的振子底面中心，因此会消除由离心力产生的角加速度信号。

图5是粘接有非平衡质量块的陀螺仪的三视图和侧视图。图5a是主视图，图5b是右视图，图5c是俯视图，图5d是侧视图。在振子的顶面，粘接“蘑菇”形的质量块。采用“蘑菇”形的质量块会增大振子的转动惯量，增大离心力，因此会增大角加速度信号。

图6是电桥1示意图。带有平衡质量块振子的加速度计上，电阻R1、R3、R5、R7组成电桥1，其输出电压U1反映加速度ax。

图7是电桥2示意图。带有平衡质量块振子的加速度计上，电阻R2、R4、R6、R8组成电桥2，其输出电压U2反映加速度ay。

图8是电桥3示意图。带有平衡质量块振子的加速度计上，电阻R9、R10、R13组成电桥3，其输出电压U3反映加速度az。

图9是电桥4示意图。带有非平衡质量块振子的加速度计上，电阻R2、R4、R8、R6组成电桥4，其输出电压U4反映角加速度x和加速度ay。

图10是电桥5示意图。带有非平衡质量块振子的加速度计上，电阻R1、R3、R7、R5组成电桥5，其输出电压U5反映角加速度y和加速度ax。

图11是电桥6示意图。带有非平衡质量块振子的加速度计上，电阻R9、R10、R11、R12组成电桥6，输出电压U6反映角加速度z。

在晶面为(001)、厚度为500um的硅片采用等离子体刻蚀和各向异性腐蚀方法得到微结构：正方形振子、4个弹性梁和正方形外框架。正方形外框架的外边长为10000um，正方形振子的边长为7000um，厚度都为500um。4个弹性梁关于结构中心对称分布，弹性梁横截面尺寸为50×50um，长度为500um。微结构的顶视图如图2所示。在微结构上建立坐标系，坐标原点定在顶视图结构中心，横轴为x轴，纵轴为y轴，z轴垂直于xy平面。x轴取向为硅片的晶向<1-10>，y轴取向为硅片的晶向<110>。

在微结构底面，采用半导体掺杂工艺在弹性梁上制造出12个力敏电阻，力敏电阻分布如图3所示。在每个弹性梁的两端分别制作一个力敏电阻，在力敏电阻5和9的两端分别平行等距的制作两个力敏电阻。在电阻10旁、远离弹性梁处，制作相同的力敏电阻13，作为参考电阻。

因为微结构中振子的质量很小，其惯性力也很小，导致输出信号微弱，难以测量。作者采用粘接方法，在振子上粘接质量块，增加惯性力，增大输出信号。因为加速度信号和角加速度信号耦合在一起，作者设计了两种不同的质量块进行信号解耦。

平衡质量块：在振子的上下两面，粘接结构关于振子底面完全对称的质量块，如图4所示。这样会使带有平衡质量块的振子的重心集中在含有电阻的振子底面中心，因此会消除由离心力产生的角加速度信号。

非平衡质量块：在振子的顶面，粘接“蘑菇”形的质量块，如图5所示。采用“蘑菇”形的质量块会增大振子的转动惯量，增大离心力，因此会增大角加速度信号。

带有非平衡质量块振子的传感器的组桥方案：电阻R2、R4、R8、R6组成电桥4，其输出电压U4反映角加速度x和加速度ay，电阻R1、R3、R7、R5组成电桥5，其输出电压U5反映角加速度y和加速度ax，电阻R9、R10、R11、R12组成电桥6，输出电压U6反映角加速度z。

对于带有非平衡质量块振子的传感器的加速度、角加速度解耦方法：并列相邻安装带有平衡质量块振子的传感器和带有非平衡质量块振子的传感器，即六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，采用数字信号处理器对输出电压U1、U2、U3、U4、U5、U6进行计算，用U1、U2、U3计算出加速度ax、ay、az，再由U4、U5、U6和ax、ay、az解耦出角加速度

αz。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (8)

1.一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，其特征在于：所述惯性传感器两个相同的硅微结构；所述硅微结构包括正方形振子、4个弹性梁和正方形外框架；所述振子表面分别粘接平衡质量块和非平衡质量块；所述弹性梁上制作有力敏电阻。

2.如权利要求1所述一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，其特征在于：所述加速度计的振子正反表面粘接有平衡质量块；所述陀螺仪的振子顶面粘接有非平衡质量块；所述非平衡质量块是类似蘑菇形。

3.如权利要求1所述一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，其特征在于：所述弹性梁上设置有12个力敏电阻，该力敏电阻采用半导体掺杂工艺在弹性梁上制造获得；所述每个弹性梁两端分别制作一个力敏电阻。

4.如权利要求1所述一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，其特征在于：所述上方弹性梁的中间设置第四电阻R4和第八电阻R8、下方弹性梁的中间设置第二电阻R2和第六电阻R6、左侧弹性梁的中间设置第七电阻R7和第三电阻R3、右侧弹性梁的中间设置第一电阻R1和第五电阻R5；在第八电阻R8两侧对应设置第十一电阻R11和第十二电阻R12；在第五电阻R5两侧对应设置第九电阻R9和第十电阻R10，第十电阻R10的外侧设置有第十三电阻R13。

5.如权利要求1所述一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器的应用方法，其特征在于：采用MEMS工艺在硅片上刻蚀出：振子、弹性梁和外框架；利用振子的惯性力测量三轴加速度和三轴角加速度，采用半导体掺杂工艺在弹性梁上制作力敏电阻、并将力敏电阻组成电桥，外框架固定在被测物体上。

6.如权利要求5所述一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器的应用方法，其特征在于：所述的粘接平衡质量块的方法是指：在微结构振子的上下两面，粘接结构关于振子底面完全对称的质量块，构成加速度计，测量三轴的加速度；

7.如权利要求5所述一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器的应用方法，其特征在于：所述的粘接非平衡质量块的方法是指：在振子的顶面，粘接蘑菇形的质量块，构成陀螺仪，测量三轴的角加速度。

8.如权利要求5所述一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器的应用方法，其特征在于：加速度计的电阻组桥方案：电阻R1、R3、R5、R7组成电桥1，其输出电压U1反映加速度ax；电阻R2、R4、R6、R8组成电桥2，其输出电压U2反映加速度ay，电阻R9、R10、R13组成电桥3，其输出电压U3反映加速度az；陀螺仪的电阻组桥方案：电阻R2、R4、R8、R6组成电桥4，其输出电压U4反映角加速度αx和加速度ay，电阻R1、R3、R7、R5组成电桥5，其输出电压U5反映角加速度αy和加速度ax，电阻R9、R10、R11、R12组成电桥6，输出电压U6反映角加速度αz；

所述的信号处理方法是指：采用数字信号处理器对输出电压U1、U2、U3、U4、U5、U6进行计算，用加速度计输出电压U1、U2、U3计算出加速度ax、ay、az，再由陀螺仪输出电压U4、U5、U6和加速度ax、ay、az解耦出角加速度αx，αy，αz。

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