CN105606083B - 一种外支撑四质量块mems谐振式陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种外支撑四质量块MEMS谐振式陀螺仪，该陀螺仪包括基板层和位于基板层上方的结构层，结构层包括拥有四对称轴的八边形平面框架结构的支撑架，四根沿以支撑架对称中心为圆心的圆周对称均匀分布在支撑架外侧的锚定支撑柱，四个沿以支撑架对称中心为圆心的圆周对称均匀分布在支撑架内侧的质量块，四个分别设置在四个质量块与支撑架之间的驱动检测单元和四个分别设置在四个质量块远离支撑架一侧的驱动单元；相对的两个质量块完全相同，每个质量块接近支撑架的一侧设置有驱动检测电容可动极板、远离支撑架的一侧设置有驱动电容可动极板，质量块能在支撑架平面内产生“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。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种外支撑四质量块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。
现有技术中有一种单锚定点四质量块MEMS谐振式陀螺仪，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，单锚定点四质量块MEMS谐振式陀螺仪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；并且单锚定点四质量块MEMS谐振式陀螺仪克服了振动环陀螺的缺点，谐振子质量大，谐振频率高，振幅大，具有很高信噪比。但该结构也存在一些缺点：单锚定点四质量块MEMS谐振式陀螺仪由于其工作原理限制，在工作过程中，由于基板上固定梳齿加力时产生的反作用力，仍有部分能量通过基板耗散，限制了品质因数的进一步提升；同时，由于整体支撑采取了单锚定点结构，Z轴稳定性欠佳，产生了抗高过载性能较差，Z轴敏感性较差等问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能进一步提高品质因数，同时提升Z轴稳定性的外支撑四质量块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：一种外支撑四质量块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：拥有四对称轴的八边形平面框架结构的支撑架，四根沿以所述支撑架对称中心为圆心的圆周对称均匀分布在所述支撑架外侧的锚定支撑柱，四个沿以所述支撑架对称中心为圆心的圆周对称均匀分布在所述支撑架内侧的质量块，四个分别设置在四个所述质量块与所述支撑架之间的驱动检测单元，和四个分别设置在四个所述质量块远离所述支撑架一侧的驱动单元；
其中，所述支撑架上不相邻的两组对边外侧的中间位置处各设置有一组外侧凸起，所述支撑架上不相邻的另外两组对边内侧的中间位置处各设置有一组内侧凸起；
所述锚定支撑柱一端键合固定在所述基板层上、另一端分别与一所述外侧凸起固定连接，所述锚定支撑柱与所述基板层的键合位置位于经过所述外侧凸起的支撑架对称轴上；
所述质量块通过悬臂梁连接到所述支撑架上，且相对的两个所述质量块完全相同，每个所述质量块接近所述支撑架的一侧设置有驱动检测电容可动极板、远离所述支撑架的一侧设置有驱动电容可动极板，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；
所述驱动检测单元一端键合固定在所述基板层上、另一端设置驱动检测电容固定极板，所述驱动检测电容固定极板与所述驱动检测电容可动极板对应组合，形成与每个所述质量块相对应的驱动检测电容，所述驱动检测单元与所述基板层的键合位置位于经过所述外侧凸起的支撑架对称轴上；
所述驱动单元一端键合固定在所述基板层上、另一端设置驱动电容固定极板，所述驱动电容固定极板与所述驱动电容可动极板对应组合，形成与每个所述质量块相对应的驱动电容，所述驱动单元与所述基板层的键合位置位于所述支撑架的对称中心。
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。
所述质量块为中心对称结构，存在两个互相垂直的对称轴；所述陀螺仪的工作模式包括“对称模式”和“解耦模式”，通过调整所述悬臂梁的刚度配置，能改变所述陀螺仪的工作模式；所述“对称模式”既能够工作在“速率模式”下，也能够工作在“速率积分模式”下；其中，
所述“对称模式”的“主模态”振动为四个所述质量块沿以所述支撑架对称中心为圆心的圆的径向振动，并且相邻两所述质量块同一时刻的运动方向相反；其“次模态”振动为四个所述质量块沿以所述支撑架对称中心为圆心的圆的切向振动，并且相邻两所述质量块在同一时刻运动方向相反；
所述“解耦模式”的“主模态”振动为两个相对称的所述质量块沿以所述支撑架对称中心为圆心的圆的径向振动，且同一时刻的运动方向相反，而另两个所述质量块静止不动；其“次模态”振动为四个所述质量块沿以所述支撑架对称钟形为圆心的圆的切向振动，并且相邻两所述质量块在同一时刻运动方向相反；
所述“速率模式”是通过所述驱动电容施加激励力，使所述质量块在“主模态”下振动，当有外界角速度输入时，通过检测所述质量块的“次模态”运动位移大小来反映外界输入角速度大小；
所述“速率积分模式”是将所述陀螺仪的“主模态”和“次模态”谐振频率配置为相同，所述质量块自由振动，振动频率为谐振频率，当有外界角度输入时，通过测量所述质量块自由振动振型与所述基板层基准方向的夹角来反映外界输入的角度。
所述基板层上、靠近所述质量块两端分别设置有两个止挡机构，所述止挡机构或者所述质量块上设置有分别与所述质量块的“主模态”和“次模态”振动方向相对应的第一限位凸起和第二限位凸起。
所述悬臂梁为“几”字形结构，两个所述悬臂梁“几”字形的一端分别与所述质量块的两端固定连接，且连接点在所述质量块的对称轴上，与相邻两所述质量块端部连接的所述悬臂梁的另一端先连接，再通过一段小短梁与所述内侧凸起固定连接，形成“个”字形连接部分。
所述支撑架的所述外侧凸起与所述锚定支撑柱的连接位置开设有轴对称的矩形孔。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的外支撑四质量块MEMS谐振式陀螺仪，由于将驱动电容的固定极板设置于陀螺仪的结构中心，使得通过振动传递到基板层的能量很小，品质因数得到大幅提升。2、本发明通过设置外侧凸起，增强Z轴稳定性的同时，可对支撑架加工或热变形产生的应力进行释放，提升环境适应性。3、本发明由于采用支撑架的振动不动点与基板层相连，使能量耗散只能通过锚定支撑柱和封装氛围进行传递，模态频率特性随温度变化一致，陀螺仪能量耗散小，精度高，抗干扰性和环境适应性强。4、本发明由于采用梳齿状排布的电极结构，具有检测电容大、信噪比高的优点；5、本发明由于采用中心对称的四质量块谐振子结构，可以使用差分方式对检测信号进行降噪处理，检测灵敏度高。6、本发明的“对称模式”即可工作在“速率模式”下，测量抑制检测模态振动的反馈电压，也可工作在“速率积分模式”下，直接测量检测模态振动，从而提升陀螺仪的量程。7、本发明的“解耦模式”能够将陀螺的“主模态”和“次模态”分离，降低耦合量，大幅提升检测精度。8、本发明在角速度传感器领域有很高的应用价值。
附图说明
图1是典型MEMS谐振器的原理示意图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明局部的放大结构示意图；
图4是本发明静止状态下的示意图；
图5是本发明工作在“对称模式”下的主模态示意图；
图6是本发明工作在“对称模式”下的次模态示意图；
图7是本发明工作在“解耦模式”下的主模态示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图2、图3和图4所示，本发明提供的外支撑四质量块MEMS谐振式陀螺仪，其包括玻璃(仅以此为例，并不限于此)基板层(图中未示出)与结构层，基板层位于结构层下方，结构层包括支撑架1、锚定支撑柱2、四个质量块3、驱动检测单元4和驱动单元5；其中，支撑架1为拥有四对称轴的八边形平面框架结构，支撑架1上不相邻的两组对边外侧的中间位置处各设置有一组外侧凸起11，支撑架1上不相邻的另外两组对边内侧的中间位置处各设置有一组内侧凸起12。
四根锚定支撑柱2沿以支撑架1对称中心为圆心的圆周对称均匀分布在支撑架1的外侧，且一端键合(键合点在图2和图3中以网格线标示出)固定在基板层上、另一端分别与一外侧凸起11固定连接，锚定支撑柱2与基板层的键合位置21位于经过支撑架1的外侧凸起11的对称轴上。
四个质量块3沿以支撑架1对称中心为圆心的圆周对称均匀分布在支撑架1的内侧，并分别通过悬臂梁6连接到支撑架1上，且相对的两个质量块3完全相同，每个质量块3均可在支撑架1平面内相对于支撑架1运动，每个质量块3接近支撑架1的一侧设置有梳齿状排布(仅以此为例，并不限于此)的驱动检测电容可动极板31、远离支撑架1的一侧设置有梳齿状排布的驱动电容可动极板32。
四个驱动检测单元4分别设置在四个质量块3与支撑架1之间，且一端键合固定在基板层上、另一端设置梳齿状排布的驱动检测电容固定极板41，驱动检测电容固定极板41与质量块3上的驱动检测电容可动极板31对应组合，形成与每个质量块3相对应的驱动检测电容，驱动检测单元4与基板层的键合位置42位于经过支撑架1的外侧凸起11的对称轴上。
四个驱动单元5分别设置在四个质量块3远离支撑架1的一侧，且一端键合固定在基板层上、另一端设置梳齿状排布的驱动电容固定极板51，驱动电容固定极板51与质量块3上的驱动电容可动极板32对应组合，形成与每个质量块3相对应的驱动电容，驱动单元5与基板层的键合位置52位于支撑架1的对称中心。
在驱动电容上施加驱动电压，可以驱动质量块3在支撑架1平面内相对于支撑架1靠近或者远离运动，当驱动电压为交变电压时，则质量块3在支撑架1平面内相对于支撑架1产生振动，调整交变电压频率与质量块3机械谐振频率一致，可以使质量块3谐振。通过驱动电容人为主动使质量块3产生的振动，称为“主模态”振动；使四个质量块在“主模态”下工作，当在垂直于支撑架平面方向有角速度输入时，根据科氏力原理，质量块3将受到垂直于“主模态”振动方向的科式力，质量块3将被迫在支撑架平面内产生垂直于“主模态”方向的振动，称其为“次模态”振动。
上述实施例中，如图5、图6、图7所示，本发明外支撑四质量块MEMS谐振式陀螺仪的工作模式有两种：
一种为“对称模式”，其“主模态”为四个质量块3沿以支撑架1对称中心为圆心的圆的径向振动，即远离或靠近支撑架1，并且相邻两质量块3在同一时刻的运动方向相反，即一个质量块3做靠近支撑架1运动时，另一个质量块3做远离支撑架1的运动；其“次模态”为四个质量块3沿以支撑架1对称中心为圆心的圆的切向振动，并且相邻两质量块3在同一时刻运动方向相反，即同时相互靠近或远离。
另一种为“解耦模式”，其“主模态”为两个相对称的质量块3沿以支撑架1对称中心为圆心的圆的径向振动，且同一时刻的运动方向相反，即同时远离或靠近支撑架1，而另外两个质量块3静止不动；其“次模态”为四个质量块3沿以支撑架1对称中心为圆心的圆的切向振动，即保持与支撑架距离不变的圆周振动，并且相邻两质量块3在同一时刻运动方向相反，即同时相互靠近或远离。
上述实施例中，“对称模式”既可工作在“速率模式”下，即通过驱动电容人为施加激励力，使质量块3在“主模态”下振动，当有外界角速度输入时，通过检测“次模态”的运动位移大小来反映外界输入角速度大小；也可工作在“速率积分模式”下，即将陀螺仪的“主模态”和“次模态”谐振频率配置为相同，而质量块3工作在自由振动模式，其振动频率为谐振频率，当有外界角度输入时，通过测量质量块3自由振动振型与基板层基准方向的夹角来反映外界输入的角度。
上述实施例中，每个质量块3均为中心对称结构，存在两个互相垂直的对称轴，以保证陀螺仪在各个工作状态下的“主模态”和“次模态”振动频率相同。
上述实施例中，如图3所示，在基板层上、靠近每个质量块3的两端分别设置有两个“L”形(仅以此为例，并不限于此)止挡机构7，且位于质量块3一端部的两止挡机构7对称布置在质量块3对称轴的两侧。
上述实施例中，在止挡机构7上设置有分别与质量块3的“主模态”和“次模态”振动方向相对应的第一限位凸起71和第二限位凸起72，当陀螺仪过载时，质量块3会和止挡机构7的第一限位凸起71或第二限位凸起72接触，从而保护质量块3的内部结构不受损坏，同时质量块3在运动时固定电容极板和可动电容极板不会发生粘连；或者，在质量块3上设置有分别与质量块3的“主模态”和“次模态”振动方向相对应的第一限位凸起71和第二限位凸起72，当陀螺仪过载时，止挡机构7会和质量块3的第一限位凸起71或第二限位凸起72接触，从而保护质量块3的内部结构不受损坏，同时质量块3在运动时固定电容极板和可动电容极板不会发生粘连。
上述实施例中，如图2所示，悬臂梁6为“几”字形结构，两个悬臂梁6“几”字形的一端分别与质量块3的两端固定连接，且连接点在质量块3的对称轴上，与相邻两质量块3端部连接的悬臂梁6的另一端先连接，再通过一段小短梁8与支撑架1的内侧凸起12固定连接，从而形成“个”字形连接部分，以保证相邻质量块3的振动耦合性。
上述实施例中，支撑架1的外侧凸起11与锚定支撑柱2的连接位置开设有轴对称的矩形孔13，以减小加工或受热时产生的应力集中，同时起到减振作用。
上述实施例中，调整悬臂梁6刚度，可实现陀螺仪谐振频率的调节，通过调整悬臂梁6的刚度配置，可使陀螺仪的工作状态在“对称模式”或“解耦模式”下。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置及其连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (10)
1.一种外支撑四质量块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：
拥有四对称轴的八边形平面框架结构的支撑架，
四根沿以所述支撑架对称中心为圆心的圆周对称均匀分布在所述支撑架外侧的锚定支撑柱，
四个沿以所述支撑架对称中心为圆心的圆周对称均匀分布在所述支撑架内侧的质量块，
四个分别设置在四个所述质量块与所述支撑架之间的驱动检测单元，和
四个分别设置在四个所述质量块远离所述支撑架一侧的驱动单元；
其中，所述支撑架上不相邻的两组对边外侧的中间位置处各设置有一组外侧凸起，所述支撑架上不相邻的另外两组对边内侧的中间位置处各设置有一组内侧凸起；
所述锚定支撑柱一端键合固定在所述基板层上、另一端分别与一所述外侧凸起固定连接，所述锚定支撑柱与所述基板层的键合位置位于经过所述外侧凸起的支撑架对称轴上；
所述质量块通过悬臂梁连接到所述支撑架上，且相对的两个所述质量块完全相同，每个所述质量块接近所述支撑架的一侧设置有驱动检测电容可动极板、远离所述支撑架的一侧设置有驱动电容可动极板，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；
所述驱动检测单元一端键合固定在所述基板层上、另一端设置驱动检测电容固定极板，所述驱动检测电容固定极板与所述驱动检测电容可动极板对应组合，形成与每个所述质量块相对应的驱动检测电容，所述驱动检测单元与所述基板层的键合位置位于经过所述外侧凸起的支撑架对称轴上；
所述驱动单元一端键合固定在所述基板层上、另一端设置驱动电容固定极板，所述驱动电容固定极板与所述驱动电容可动极板对应组合，形成与每个所述质量块相对应的驱动电容，所述驱动单元与所述基板层的键合位置位于所述支撑架的对称中心。
2.如权利要求1所述的一种外支撑四质量块MEMS谐振式陀螺仪，其特征在于，
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。
3.如权利要求1或2所述的一种外支撑四质量块MEMS谐振式陀螺仪，其特征在于，所述质量块为中心对称结构，存在两个互相垂直的对称轴；所述陀螺仪的工作模式包括“对称模式”和“解耦模式”，通过调整所述悬臂梁的刚度配置，能改变所述陀螺仪的工作模式；所述“对称模式”既能够工作在“速率模式”下，也能够工作在“速率积分模式”下；其中，
所述“对称模式”的“主模态”振动为四个所述质量块沿以所述支撑架对称中心为圆心的圆的径向振动，并且相邻两所述质量块同一时刻的运动方向相反；其“次模态”振动为四个所述质量块沿以所述支撑架对称中心为圆心的圆的切向振动，并且相邻两所述质量块在同一时刻运动方向相反；
所述“解耦模式”的“主模态”振动为两个相对称的所述质量块沿以所述支撑架对称中心为圆心的圆的径向振动，且同一时刻的运动方向相反，而另两个所述质量块静止不动；其“次模态”振动为四个所述质量块沿以所述支撑架对称中心为圆心的圆的切向振动，并且相邻两所述质量块在同一时刻运动方向相反；
所述“速率模式”是通过所述驱动电容施加激励力，使所述质量块在“主模态”下振动，当有外界角速度输入时，通过检测所述质量块的“次模态”运动位移大小来反映外界输入角速度大小；
所述“速率积分模式”是将所述陀螺仪的“主模态”和“次模态”谐振频率配置为相同，所述质量块自由振动，振动频率为谐振频率，当有外界角度输入时，通过测量所述质量块自由振动振型与所述基板层基准方向的夹角来反映外界输入的角度。
4.如权利要求1或2所述的一种外支撑四质量块MEMS谐振式陀螺仪，其特征在于，所述基板层上、靠近所述质量块两端分别设置有两个止挡机构，所述止挡机构或者所述质量块上设置有分别与所述质量块的“主模态”和“次模态”振动方向相对应的第一限位凸起和第二限位凸起。
5.如权利要求3所述的一种外支撑四质量块MEMS谐振式陀螺仪，其特征在于，所述基板层上、靠近所述质量块两端分别设置有两个止挡机构，所述止挡机构或者所述质量块上设置有分别与所述质量块的“主模态”和“次模态”振动方向相对应的第一限位凸起和第二限位凸起。
6.如权利要求1或2或5所述的一种外支撑四质量块MEMS谐振式陀螺仪，其特征在于，所述悬臂梁为“几”字形结构，两个所述悬臂梁“几”字形的一端分别与一所述质量块的两端固定连接，且连接点在该所述质量块的对称轴上；与相邻两所述质量块端部连接的两所述悬臂梁的另一端先连接，再通过一段小短梁与所述内侧凸起固定连接，形成“个”字形连接部分。
7.如权利要求3所述的一种外支撑四质量块MEMS谐振式陀螺仪，其特征在于，所述悬臂梁为“几”字形结构，两个所述悬臂梁“几”字形的一端分别与一所述质量块的两端固定连接，且连接点在该所述质量块的对称轴上；与相邻两所述质量块端部连接的两所述悬臂梁的另一端先连接，再通过一段小短梁与所述内侧凸起固定连接，形成“个”字形连接部分。
8.如权利要求4所述的一种外支撑四质量块MEMS谐振式陀螺仪，其特征在于，所述悬臂梁为“几”字形结构，两个所述悬臂梁“几”字形的一端分别与一所述质量块的两端固定连接，且连接点在该所述质量块的对称轴上；与相邻两所述质量块端部连接的两所述悬臂梁的另一端先连接，再通过一段小短梁与所述内侧凸起固定连接，形成“个”字形连接部分。
9.如权利要求1或2或5或7或8所述的一种外支撑四质量块MEMS谐振式陀螺仪，其特征在于，所述支撑架的所述外侧凸起与所述锚定支撑柱的连接位置开设有轴对称的矩形孔。
10.如权利要求6所述的一种外支撑四质量块MEMS谐振式陀螺仪，其特征在于，所述支撑架的所述外侧凸起与所述锚定支撑柱的连接位置开设有轴对称的矩形孔。
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