CN106441261B - 一种微机械陀螺仪 - Google Patents

Abstract

一种微机械陀螺仪，涉及陀螺仪。设有中间层、上层盖、封装盖帽层，在中间层上设有驱动电极、驱动耦合环形结构、转向杠杆、驱动导向谐振器、敏感质量块、驱动检测电极、检测导向谐振器、检测耦合环形结构、检测电极和锚点结构；驱动电极置于结构的正中央，驱动耦合环形结构置于驱动电极的外侧，驱动耦合环形结构外侧放置四个中心对称的转向杠杆，转向杠杆与敏感质量块相邻一侧的驱动导向谐振器连接，敏感质量块位于驱动耦合环形结构的上、下、左、右；敏感质量块内外两侧各放置以自身对称检测导向谐振器；检测导向谐振器外侧设置检测耦合环形结构，检测耦合环形结构外侧设置中心对称的检测电极；上层盖上设有支撑结构、导电材料、检测电极。

Description

一种微机械陀螺仪

技术领域

本发明涉及陀螺仪，尤其是涉及自免疫外界振动/冲击、降低温度漂移的一种微机械陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是一种将旋转物体的角速度或角度转换成与之对应电信号的测量传感器。伴随着微机械系统(MEMS)技术的发展，20世纪90年代初诞生了基于哥氏效应的电容式MEMS陀螺仪，实现了小型化和批量化的目标。相比于传统商业化的光学以及动力调谐陀螺仪，具有成本低、体积小、重量轻、功耗小和容易集成等优点，广泛应用于电子消费类产品中。但是由于正交误差，外界的冲击，温度的变化等限制，微机械陀螺仪始终无法应用于精度要求较高的场合。

根据微机械陀螺仪的工作原理，可以将微机械陀螺仪的工作状态分为驱动模态振动和检测模态振动。微机械陀螺仪工作时两个模态同时振动，不可避免的会引入正交耦合误差，导致陀螺仪的零位漂移，影响检测信号的可靠性。正交耦合误差主要是由制作工艺的误差引起。微机械陀螺仪的制造采用体硅或表面硅的表面加工技术，其结构一次成形，很难进行对此辅助的结构尺寸调整，其相对精度低于传统加工加工方法的加工精度，容易出现工艺误差如梁厚度不均匀，刻蚀不对称等。陀螺仪结构大多采用对称设计，而这些工艺误差会导致质心与敏感轴不重合、谐振器内机械和静电力的干扰等，引入正交耦合误差。可以看出，优化设计陀螺仪结构，提高陀螺仪驱动模态和检测模态的解耦度是提升陀螺仪精度，降低正交耦合误差的一个重要方法。

另外，外界振动/冲击会使微机械陀螺仪会导致传感器会造成零位漂移以及器件失效。而针对于器件失效，缓冲结构设计是一类有效有降低冲击干扰的方法。而外界振动/冲击会使微机械陀螺仪引入额外的零位输出，这些误差会被累加至敏感输出之中，这会极大降低的陀螺仪偏置稳定性。针对这类测试幅值型惯性传感器，常用解决方案的是依据对称模态运动，差分剔除冲击/振动漂移影响。此外，结构还应辅助额外多个单轴加速度传感器进行数据补偿，实现最终的冲击/振动影响消除[Trusov A A,Prikhodko I P,Zotov SA,et al.Ultra-high Q silicon gyroscopes with interchangeable rate and wholeangle modes of operation[C]//Sensors,2010 IEEE.IEEE,2010:864-867.]。所以，就陀螺仪而言，可以通过陀螺仪驱动/检测模态全对称设计，抑制X方向、Y方向以及Z轴转动方向的冲击/振动漂移，并且还需要考虑到后端用以补偿加速度的传感器数量与算法。

温度漂移误差则是另一类影响微机械陀螺仪性能关键环境源。微机械陀螺仪主要构成材料为硅，硅对温度非常敏感。环境温度的变化会造成陀螺仪驱动与检测两方向谐振器频率漂移，品质因数下降，最终体现为灵敏度下降，增大零位漂移。因此减低温度误差是提升微机械陀螺仪性能的重要一环[Prikhodko I,Zotov S,Trusov A,et al.Thermalcalibration of silicon MEMS gyroscopes[C]//IMAPS international conference andexhibition on device Packaging.Fountain Hills,AZ.2012.]。

总而言之，提高抗冲击能力，降低温度漂移是高性能微机械陀螺仪制备关键技术环节。

发明内容

本发明的目的在于提供能够简单而有效抑制正交耦合误差，削弱振动/冲击干扰，降低陀螺仪谐振频率温度漂移的一种微机械陀螺仪。

本发明设有中间层、上层盖、封装盖帽层，所述中间层设于上层盖和封装盖帽层之间，在中间层上设有驱动电极、驱动耦合环形结构、转向杠杆、驱动导向谐振器、敏感质量块、驱动检测电极、检测导向谐振器、检测耦合环形结构、检测电极和锚点结构；

所述驱动电极置于结构的正中央，驱动耦合环形结构置于驱动电极的外侧，所述驱动耦合环形结构外侧放置四个中心对称的转向杠杆，所述转向杠杆与敏感质量块相邻一侧的驱动导向谐振器连接，所述敏感质量块位于驱动耦合环形结构的上、下、左、右；所述敏感质量块内外两侧各放置以自身对称检测导向谐振器；所述检测导向谐振器外侧设置检测耦合环形结构，所述检测耦合环形结构外侧设置中心对称的检测电极；

所述上层盖上设有支撑结构、导电材料、检测电极。

本发明采用中心对称设计，实现了一种中心对称的驱动运动模态以及中心对称的检测模态。驱动检测电极以及检测电极通过对输出的差分处理，实现对外界冲击/振动偏置的消除。

本发明采用驱动、检测共圆耦合，保证在不均匀的温度下，四个陀螺仪结构的驱动、检测模态能够耦合实现实时同频率振动，降低由于频率不对称造成的振动不对称。此外，陀螺仪外部集成恒温装置，通过加热片使整个芯片处于高于环境温度的状态。其中，由温度传感器敏感芯片实时检测环境温度，加热片通过PID反馈控制加热功率，使芯片工作在恒定温度点。

与现有技术相比，本发明有以下优点：

环形差分驱动与环形差分检测，保证结构驱动与检测位移的等大同相位，降低陀螺仪的零漂、正交误差以及倍频误差；根据采用了中心对称的结构布置，可以保证整个系统的动量与角动量恒为0，同样由于其结构对称式运动，对振动/冲击漂移自免疫，对线振动与角振动，结构完全免疫。采用真空封装技术，提高成品率、降低成本。并且通过采用外部恒温装置，减小温度漂移。

附图说明

图1是本发明圆形结构振动模态视图。

图2是本发明整体爆炸视图。

图3是本发明结构的正视图。

图4是本发明整体的结构图。

图5是本发明剖视图。

图6是本发明受Y方向加速度冲击后电容变化图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，对微机械陀螺仪的工作原理做出说明。

在驱动模态下，驱动耦合环形结构受到静电力的作用，产生沿如图1所示的交变的环形振动；所述中心对称的转向杠杆通过杠杆原理将所述驱动耦合环形结构的运动转向成为了所述中心对称的驱动导向谐振器以及敏感质量块的交变线振动，所述中心对称的驱动导向谐振器以及敏感质量块沿以中心为圆点的圆周的切向方向振动；在检测模态下，当有角速度输入的时候，所述中心对称四个敏感质量块受到哥氏力的作用，沿垂直于驱动模态下运动方向振动，所述中心对称检测导向谐振器受所述中心对称四个敏感质量块的作用，所述检测耦合环形结构与所述检测导向谐振器连接，作如图1所示的交变的环形振动。所述检测电极通过检测所述检测耦合环形结构的位移，实现差分检测。

参见图2～5，本发明实施例设有中间层1、上层盖2、封装盖帽层3，所述中间层1设于上层盖2和封装盖帽层3之间，在中间层1上设有驱动电极101、驱动耦合环形结构102、转向杠杆103、驱动导向谐振器104、敏感质量块105、驱动检测电极106、检测导向谐振器107、检测耦合环形结构108、检测电极109和锚点结构110。

所述驱动电极101置于结构的正中央，驱动耦合环形结构102置于驱动电极101的外侧，所述驱动耦合环形结构102外侧放置四个中心对称的转向杠杆103，所述转向杠杆103与敏感质量块105相邻一侧的驱动导向谐振器104连接，所述敏感质量块105位于驱动耦合环形结构102的上、下、左、右；所述敏感质量块105内外两侧各放置以自身对称检测导向谐振器107；所述检测导向谐振器107外侧设置检测耦合环形结构108，所述检测耦合环形结构108外侧设置中心对称的检测电极109。

所述上层盖2上设有支撑结构201、导电材料202、检测电极203。

在Z轴方向施加一个角速度，本发明体现了两种运动模态：驱动模态与检测模态；在驱动模态下，驱动电极101对称地设置四个且相对圆心对称，驱动耦合环形结构102对称地设置在驱动电极101的外侧，驱动电极101与驱动耦合环形结构102之间形成梳齿电容。在四个驱动电极101各施加一定相位的交流电压(要求相邻驱动电极施加相位差90度的交流电压，相对驱动电极施加相位差180度的交流电压)，驱动耦合环形结构受到静电力的作用，产生如图1所示的交变的环形振动。梳齿电容振动在实际情况下不能完全一致，驱动耦合环形结构102使振幅小的梳齿电容振动幅度更大，使振幅大的梳齿电容振动幅度更小，起到耦合的作用，四个梳齿电容的线性振动被耦合到驱动耦合环形结构交变的环形振动，形成环形差分驱动；转向杠杆103一端连接着驱动耦合环形结构102，转向杠杆103另一端连接驱动导向谐振器104，支点铰接于锚点结构110中；转向杠杆103通过杠杆原理传递了驱动耦合环形结构102的环形振动；驱动导向谐振器104对称地设置敏感质量块105两侧，通过直梁连接；敏感质量块105始终沿其所在圆周的切向的振动；驱动模态下检测导向谐振器107处于零状态；驱动检测电极106设置在驱动导向谐振器104的一侧，检测敏感质量块105的振动情况；在检测模态下，敏感质量块105受到了哥式力，该哥氏力垂直于驱动模态下的敏感质量块105的运动方向，敏感质量块105做垂直于驱动模态下运动方向的振动；检测导向谐振器107对称地设置在敏感质量块105内外两侧，通过直梁连接，直梁具有良好刚性，检测导向谐振器107作径向振动；检测耦合环形结构108设置在四个检测导向谐振器107的外侧，检测导向谐振器107与检测耦合环形结构108连接；检测耦合环形结构108起耦合作用，四个检测导向谐振器107的径向振动被耦合成检测耦合环形结构108如图1所示的环形振动；检测耦合环形结构108外侧设置四个检测电极109，四个检测电极109通过检测电容量的变化测出陀螺仪角速度，实现了环形差分检测。

从结构来看，本发明的四质量中心对称陀螺仪组合结构实现了更大的品质因数。在驱动与检测模态下，对称分布的四个任意活动部件的动量和为零；同样，对称分布的四个任意部件的角动量和为零，这样可以降低运动部件与基底间的能量耗散，具有更低的锚点损失。

从封装角度来看，本发明采用了真空封装技术。参照图2为本发明封装后的爆炸视图，包括：中间层1、上层盖2、封装盖帽层3。参照图4为本发明封装后的结构图，包括支撑结构201。参照图5为本发明封装后的剖视图，包括导电材料202、检测电极203。

从解耦度来看，本发明的内部实现驱动方向与检测方向正交解耦。驱动状态下，转向杠杆103与驱动导向谐振器104通过直梁连接；转向杠杆103端点以支点为圆心的作圆周振动。直梁在只在垂直长度方向能够实现运动，起到解耦的作用，将转向杠杆103端点的圆周振动分解传递，驱动导向谐振器104做线性振动；在检测模态下，驱动导向谐振器104的振动与驱动模态下的振动垂直。从抗振动冲击性能来看，本发明的陀螺仪结构可以实现差分消除线振动以及角振动误差。以结构受到Y方向加速度为例，参照图6本发明的电容变化图，其中C1’、C2’、C3’、C4’分别为中心对称的驱动模态检测电容，C1、C2、C3、C4分别为中心对称的检测模态电容。此时，陀螺仪检测电极最终输出为⊿C＝k(⊿C₁’-⊿C₃’)+(⊿C₂-⊿C₄)，其中k为陀螺仪哥氏效应增益。由于设计陀螺仪中心对称，因此经过⊿C这一差分运算后总电容输出为0，即整个陀螺仪对Y方向振动/冲击免疫。同理，可以证明本发明同样免疫X方向振动/冲击，以及绕Z轴的角振动/冲击。

从温度角度而言，本发明所述陀螺仪采用驱动、检测共圆耦合，保证在不均匀的温度下，对称分布的四个任意活动部件实现实时同频率振动，降低由于频率不对称所造成的振动不对称。此外，陀螺仪外部集成恒温装置，通过加热片使整个芯片处于高于环境温度的状态。其中，由温度传感器敏感芯片实时检测环境温度，加热片通过PID控制器反馈控制加热功率，使芯片工作在恒定温度点。

Claims (1)

1.一种微机械陀螺仪，其特征在于设有中间层、上层盖、封装盖帽层，所述中间层设于上层盖和封装盖帽层之间，在中间层上设有驱动电极、驱动耦合环形结构、转向杠杆、驱动导向谐振器、敏感质量块、驱动检测电极、检测导向谐振器、检测耦合环形结构、检测电极和锚点结构；

所述驱动电极置于驱动耦合环形结构的中央，所述驱动耦合环形结构外侧放置四个中心对称的转向杠杆，所述转向杠杆与中间层的敏感质量块相邻一侧的驱动导向谐振器连接，所述敏感质量块位于驱动耦合环形结构的上、下、左、右；所述敏感质量块内外两侧各放置以自身对称检测导向谐振器；所述检测导向谐振器外侧设置检测耦合环形结构，所述检测耦合环形结构外侧设置中心对称的检测电极；

所述上层盖上设有支撑结构、导电材料、检测电极。