CN102175236B - 一种可调整降低正交误差的微陀螺仪 - Google Patents

Abstract

一种可调整降低正交误差的微陀螺仪，涉及一种陀螺仪。设有下层为衬底，衬底表面设有悬浮结构层准备的深槽；上层为单晶硅整体制作通过局部刻蚀形成陀螺机械结构，包括驱动框架、检测质量块、悬浮检测电极质量块、电隔离梁、驱动支承梁、检测支承梁、检测电极支承梁、检测电极和驱动电极，检测质量块与外围的驱动框架相连，驱动框架左右两侧对称分布着梳齿，梳齿与外侧驱动电极的梳齿交错分布形成驱动电容，外围的驱动框架通过驱动支撑梁与硅基底相连；检测电极质量块一侧与驱动框架通过电隔离梁连接并分布在检测质量块内侧4个角，另一侧与检测电极相连。能实现驱动模态和检测模态解耦、驱动框架振动方向和检测质量块振动方向之间相对角度可调。

Description

一种可调整降低正交误差的微陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种陀螺仪，特别是一种可调整降低正交误差的微陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是一种可检测角速度或者角度的测量装置。微机械陀螺仪通过微电子机械系统加工工艺技术可以使陀螺仪具有体积小、重量轻、功耗低、抗过载能力强、能适用于较为恶劣的环境条件等优点。近几年市场对微机械陀螺仪的需求日益增加，譬如在汽车工业、移动通讯终端方面、民用惯性导航系统、消费电子类产品等，实际应用产品有防翻滚速率传感器、空中姿态保持系统、自主导航系统、手机移动终端、3D鼠标、游戏手柄、游戏机、数码产品图像防抖以及玩具等。

微机械陀螺仪基于哥式效应，通过微机械加工工艺实现，通过检测检测质量块与检测电极间相对位移，再由外部电路处理，最终得到物体角速度或角度信息。微硅陀螺仪机械结构悬浮部分为一个整体，工作时存在驱动模态以及检测角速度的检测模态。理想状态下，驱动模态谐振方向与检测模态谐振方向正交。然而在实际工作中，由于机械结构悬浮部分为互相连接的一个整体，驱动模态运动无法避免的会影响检测模态的运动，即在没有外界角速度输入时，检测模态仍然会产生信号，由于该干扰信号与实际信号相差90°的相位，因此该干扰信号引起的误差通常称作正交误差。引起正交误差的主要原因有：1弹性支承梁同时提供两个方向，即驱动方向和检测模态谐振方向的刚度，从而无法避免的产生驱动模态刚度与检测模态刚度间的相互串扰；2由于制作误差使得驱动质量块与检测质量块运动方向偏离原设计方向，且驱动模态谐振方向与检测模态谐振方向无法保持正交。在无角速度输入时，检测质量块被驱动质量块带动引起干扰。2002年德国微机械及信息技术研究所(IMIT，Institute ofMicromachining and Information Technology)的W.Geiger教授(W.Geiger et al.，Decoupledmicrogyros and the design principle DAVED，Sensors and Actuators A 95，2002，239-249)提出了关于解耦式陀螺的分类以及发展。

振动式微硅陀螺通过使用半解耦以及全解耦的结构设计对模态间串扰进行抑制，在半解耦全解耦设计中，其结构至少包含两个质量块，其驱动模态和检测模态的弹性支承梁只是提供单一方向的刚度，同时限制该模态质量块沿另一个模态的运动，该方法的优点在于减小驱动模态和检测模态间的刚度耦合。该设计虽然减小模态间的刚度耦合，但是其在驱动质量块与检测质量块运动方向偏离原设计方向引起的正交误差无法克服。1998年，美国加州大学伯克利分校的William A.Clark(William A.Clark et al.，Surface micromachined Z-axis vibratoryrate gyroscope，Technical Digest.Solid-State Sensor and Actuator Workshop，1996，283-287)提出通过外部电路施加静电力产生扭矩从而矫正偏离设计方向的质量块谐振方向的方案，但是在该设计中驱动模态弹性支承梁与检测模态弹性支承梁共用，刚度耦合大，因此该陀螺仪的性能受到制约。

中国专利200310101017.8公开一种可调整克服外界平动加速度的微陀螺仪，将检测电极设计为悬浮检测，但是该设计无法克服正交误差的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可调整降低正交误差的微陀螺仪。本发明能实现驱动模态和检测模态解耦、驱动框架振动方向和检测质量块振动方向之间相对角度可调，其悬浮检测电极质量块与驱动框架同步运动并由检测质量块梳齿相对检测电极梳齿沿感测方向产生位移来感测角速度信号，从而降低微陀螺驱动模态对检测模态的干扰，大幅抑制正交误差。

本发明设有上下两层，下层为衬底，衬底表面设有悬浮结构层准备的深槽；上层为单晶硅整体制作通过局部刻蚀形成陀螺机械结构，所述陀螺机械结构包括驱动框架、检测质量块、悬浮检测电极质量块、电隔离梁、驱动支承梁、检测支承梁、检测电极支承梁、检测电极和驱动电极，所述检测质量块位于中心呈“王”字形，检测质量块通过检测支承梁与外围的驱动框架相连，驱动框架呈“口”字形且左右两侧对称分布着梳齿，所述梳齿与外侧驱动电极的梳齿交错分布形成驱动电容，外围的驱动框架通过驱动支撑梁与硅基底相连，检测电极质量块一侧与驱动框架通过电隔离梁连接并分布在检测质量块内侧4个角，检测电极质量块另一侧通过检测电极支承梁与检测电极相连。

所述驱动框架、检测质量块、悬浮检测电极质量块、电隔离梁、驱动支承梁、检测支承梁和检测电极支承梁最好对应于衬底的深槽位置并悬浮在衬底之上。

所述衬底可采用玻璃衬底。

所述驱动电极、检测电极和硅基底一起与衬底形成键合，并与其他陀螺机械部分分离。

本发明是一种检测模态不易受到驱动模态干扰的微陀螺仪，通过固连在驱动框架上可随驱动框架同步运动的悬浮检测电极感测检测质量块相对悬浮检测电极在感测方向产生的位移，将传统微硅陀螺中感测检测质量块位移改进为感测检测质量块与悬浮检测电极在感测方向的相对位移，使感测信号更易分离和读取。与现有技术相比，本发明具有以下突出优点：

1)悬浮检测电极质量块通过电隔离梁与驱动框架结构上连接，但在电学上隔离。悬浮检测电极质量块与驱动框架在X轴方向同步运动。当有Z轴方向角速度介入时，悬浮检测电极梳齿与检测质量块梳齿在X轴方向同步运动的同时在Y轴方向产生相对位移从而产生信号；

2)一种可调整降低正交误差的微陀螺仪包含4对检测电极，且各自相互独立。通过施加偏压，可调整悬浮的驱动框架谐振方向与悬浮的检测质量块谐振方向之间的相对角度，该方法在解耦设计的基础上，同时可以实现调整补偿由制作误差引起的驱动质量块与检测质量块运动方向偏离原设计方向所产生的正交误差。

附图说明

图1是本发明实施例的结构组成俯视图。

图2是图1中的A-A剖面图。

图3是图1中的B-B剖面图。

图4是本发明实施例的驱动框架和驱动梳齿的结构组成俯视图。

图5是本发明实施例的检测质量块和检测质量块梳齿的结构组成俯视图。

图6是本发明实施例的悬浮检测电极部分的结构组成俯视图。

图7是本发明实施例的正交误差调整示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明实施例用于测量Z轴方向即垂直于陀螺仪结构平面的角速率。本发明实施例设有上下两层，下层为玻璃衬底15，玻璃衬底15表面设有悬浮结构层准备的深槽16；上层为单晶硅整体制作通过局部刻蚀形成陀螺机械结构，所述陀螺机械结构包括驱动框架4，检测质量块5，悬浮检测电极质量块6a、6b、6c、6d，电隔离梁10a、10b、10c、10d，驱动支承梁7a、7b、7c、7d，检测支承梁8a、8b、8c、8d、8e、8f，检测电极支承梁9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h，检测电极2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2h和驱动电极1a、1b、1c、1d。所述检测质量块5位于中心呈“王”字形，检测质量块5通过检测支承梁8a、8b、8c、8d、8e、8f与外围的驱动框架4相连，驱动框架4呈“口”字形且左右两侧对称分布着驱动框架梳齿11。外围的驱动框架4通过驱动支撑梁7a、7b、7c、7d与硅基底3相连，检测电极质量块6a、6b、6c、6d一侧与驱动框架4通过电隔离梁10a、10b、10c、10d连接并分布在检测质量块5内侧4个角，检测电极质量块6a、6b、6c、6d另一侧通过检测电极支承梁9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h与检测电极2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2h相连；驱动电极1a、1b、1c、1d，检测电极2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2h和硅基底3一起与玻璃衬底15形成键合，并与其他陀螺机械部分分离；驱动框架4，检测质量块5，悬浮检测电极质量块6a、6b、6c、6d，电隔离梁10a、10b、10c、10d，驱动支承梁7a、7b、7c、7d，检测支承梁8a、8b、8c、8d、8e、8f和检测电极支承梁9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h对应于玻璃衬底15的深槽位置并悬浮在玻璃衬底15之上。

其中检测支承梁8a、8b、8c、8d、8e、8f为折叠柔性梁，其被弹性地设计为限制检测质量块5仅在Y轴方向振荡；驱动框架4的内侧通过检测支承梁8a、8b、8c、8d、8e、8f与检测质量块5相连，驱动框架4的外侧通过中心对称分布的驱动支承梁7a、7b、7c、7d与硅基底3相连，其中驱动支承梁7a、7b、7c、7d为折叠柔性梁，其被弹性地设计为限制驱动框架4仅沿X轴方向振荡；悬浮检测电极质量块6a、6b、6c、6d通过电隔离梁10a、10b、10c、10d与驱动框架4相连并与驱动框架4同步振荡，同时其通过检测电极支承梁9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h与检测电极2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2h相连，检测电极支承梁9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h为折叠梁，其被弹性地设计为限制检测悬浮检测电极质量块6a、6b、6c、6d仅沿X轴方向振荡。电隔离梁10a、10b、10c、10d在硅基底上加工制成，在结构上电隔离梁10a、10b、10c、10d连接驱动框架4与悬浮检测电极质量块6a、6b、6c、6d，但在电学上电隔离梁10a、10b、10c、10d将驱动框架4与悬浮检测电极质量块6a、6b、6c、6d隔离，所述电隔离梁10a、10b、10c、10d在硅基底上加工制成，所述加工制成的工艺可以是通过氧化工艺将该部分氧化为二氧化硅材料形成绝缘，也可以通过深槽填充氮化硅最后刻蚀除去硅材料形成绝缘隔离梁，只要使用绝缘材料将悬浮检测电极质量块6a、6b、6c、6d与驱动框架4连接起来的设计均在保护范围之内。驱动框架4、检测质量块5、悬浮检测电极质量块6a、6b、6c、6d对应的玻璃衬底15区域有10μm左右深的深槽16用于悬浮结构。驱动框架4，检测质量块5，悬浮检测电极质量块6a、6b、6c、6d一起悬浮在玻璃衬底15表面的深槽16位置的上方；驱动电极1a、1b、1c、1d与其它陀螺机械结构隔开并固定在玻璃衬底15上，驱动电极1a、1b、1c、1d与驱动框架4接近的侧面具有驱动电极梳齿12，所述驱动电极梳齿12与驱动框架4上的驱动框架梳齿11交错构成梳齿电容用以驱动驱动框架4沿X轴方向振荡。

参见图2和3，检测电极2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2h、硅基底3a、3b、3c、3d以及驱动电极1a、1b、1c、1d的底部固定在玻璃衬底15上；驱动框架4a、4b及其驱动框架梳齿12a、12b、检测质量块5a、5b、5c以及具有检测电极梳齿13a、13b、13c、13d的悬浮检测电极质量块6a、6b、6c、6d一起悬浮在玻璃衬底15表面的深槽之上。

参见图4～6，当有外界角速度Ω输入时，检测质量块5以谐振频率为f_s在驱动框架4振荡方向的垂直方向即Y轴方向上振荡，通过检测电极梳齿13a、13b、13c、13d和检测质量块梳齿14a、14b、14c、14d形成的检测电容检测检测质量块5沿Y轴方向的运动。

见图1和6，其中4组检测电极2a和2b、2c和2d、2e和2f、2g和2h之间相互独立，在对称分布的驱动电极左侧1a、1b和右侧1c、1d上分别施加交流带直流偏置，相位相差180°的交流电压，实现陀螺仪的静电推拉式驱动。

本发明采用推拉式静电驱动和电容检测的工作方式。在驱动电极1a、1b施加含直流偏置电压的交流电压V_DC-V_ac，所述V_DC为直流偏置V_ac为交流偏置电压，在驱动电极1c、1d施加含直流偏置电压的交流电压V_DC+V_ac，产生交变的静电力，静电驱动力F_d为：

$F_d=4\frac{\mathrm{N\ϵt}}{g}{V}_{\mathrm{DC}}{v}_{\mathrm{ac}}\sin \mathrm{\ωt}---\left(1\right)$

式中，N为谐振器活动梳齿数，ε为介电常数，t为结构的厚度，g为梳齿间距，v_acsinωt为交流电压，ω为交流电压的角频率。

陀螺仪整个活动结构包括驱动框架4，检测质量块5，悬浮检测电极质量块6a、6b、6c、6d在静电驱动力的作用下沿X轴作线振动，该陀螺被设计为驱动角频率与检测角频率存在一定差别，检测角频率大于驱动角频率，通过分别在检测电极2a、2b、2c、2d和2e、2f、2g、2h施加电压调谐检测模态固有角频率，从而使驱动模态与检测模态达到共振状态，整个活动结构其线振动位移为：

$x=4\frac{\mathrm{N\ϵt}}{g}{V}_{\mathrm{DC}}{v}_{\mathrm{ac}}\frac{Q_d}{k_d}\cos \mathrm{\ωt}---\left(2\right)$

式中，Q_d为驱动模态的品质因数，k_d为驱动模态的弹性刚度。

其线速度为：

$v_d=-4\frac{\mathrm{N\ϵt}}{g}{V}_{\mathrm{DC}}{v}_{\mathrm{ac}}\frac{Q_d}{k_d}\mathrm{\ω}\sin \mathrm{\ωt}---\left(3\right)$

当陀螺仪受到外界输入沿Z轴方向角速度Ω时，根据哥氏加速度表达式：

${\stackrel{\→}{a}}_{\mathrm{coriolis}}=2\stackrel{\→}{V}\×\stackrel{\→}{\mathrm{\Ω}}---\left(4\right)$

式中向量

为线速度，向量

为外界角速度。

式(3)代入式(4)中可得到检测质量在Y轴即输出轴方向受到哥氏力的作用，其大小为：

$F_{\mathrm{coriolis}}=m_s{a}_{\mathrm{coriolis}}=-8\frac{\mathrm{N\ϵt}}{g}{V}_{\mathrm{DC}}{v}_{\mathrm{ac}}\frac{Q_d}{k_d}\mathrm{\ω}{m}_s\mathrm{\Ω}\sin \mathrm{\ωt}---\left(5\right)$

式中m_s为检测模态的有效质量。

在哥氏力F_coriolic的作用下，检测质量块5沿Y轴做简谐振动，同时与驱动框架4和悬浮检测电极质量块6a、6b、6c、6d沿X轴做简谐振动。线振动的幅值取决于输入角速率的大小，线振动的相位取决于输入角速率的方向，从而得到角速度的信息。

参见图7，在实际制作过程中，驱动模态的谐振方向与检测模态的谐振方向不完全正交，导致驱动模态对检测模态的串扰。驱动框架4，检测质量块5，悬浮检测电极质量块6a、6b、6c、6d全部为悬浮结构。工作时，对检测电极2a`、2b`、2c`、2d`施加不同电压，改变检测电极梳齿13与检测质量块梳齿14之间的静电力，其中检测电极2a`可以看作为发明实施例图1中2a和2b的整体；2c`可以看做为发明实施例图1中2c和2d的整体；2e`可以看做为发明实施例图1中2e和2f的整体；2g`可以看做为发明实施例图1中2g和2h的整体。相应的在原理图中检测电极支承梁9a`、9c`、9e`、9g`连接检测电极2a`、2b`、2c`、2d`和检测质量块5，检测支承梁8a`、8b`、8c`、8d`连接检测质量块5和驱动框架4。电隔离梁10a、10b、10c、10d，连接悬浮检测质量块6a、6b、6c、6d和驱动框架4。通过对检测电极2a`施加电压V<sub>1</sub>，对电极2b`施加电压-V₂，对电极2c`施加电压-V<sub>1</sub>，对电极2d`施加电压V₂，其中V₁＞V₂，此时，检测质量块5相对驱动框架4产生顺时针旋转。同样，当对检测电极2a`施加电压V<sub>2</sub>，对电极2b`施加电压-V₁，对电极2c`施加电压-V<sub>2</sub>，对电极2d`施加电压V₁时，则检测质量块5会相对驱动框架4产生逆时针旋转，通过该方法可以对驱动模态谐振方向进行调整，使驱动模态谐振方向与检测模态谐振方向正交化，从而降低了驱动模态对检测模态的影响，进而降低正交误差对微陀螺的影响。

Claims (3)

1.一种可调整降低正交误差的微陀螺仪，其特征在于设有上下两层，下层为衬底，衬底表面设有为悬浮结构层准备的深槽；上层为单晶硅整体制作，上层的中央部分通过局部刻蚀形成陀螺机械结构，所述陀螺机械结构的外围为硅基底，所述陀螺机械结构包括驱动框架、检测质量块、悬浮检测电极质量块、电隔离梁、驱动支承梁、检测支承梁、检测电极支承梁、检测电极和驱动电极，所述检测质量块位于中心呈“王”字形，检测质量块通过检测支承梁与外围的驱动框架相连，驱动框架呈“口”字形且左右两侧对称分布着梳齿，所述梳齿与外侧驱动电极的梳齿交错分布形成驱动电容，外围的驱动框架通过驱动支撑梁与上层相连，悬浮检测电极质量块一侧与驱动框架通过电隔离梁连接并分布在检测质量块内侧4个角，悬浮检测电极质量块另一侧通过检测电极支承梁与检测电极相连。

2.如权利要求1所述的一种可调整降低正交误差的微陀螺仪，其特征在于所述衬底为玻璃衬底。

3.如权利要求1所述的一种可调整降低正交误差的微陀螺仪，其特征在于所述驱动电极、检测电极和硅基底一起与衬底形成键合，并与其他陀螺机械部分分离。

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