CN106500732A - 一种微机械陀螺仪正交误差补偿结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微机械陀螺仪正交误差补偿结构，所述补偿结构包括：2个梳齿结构，梳齿结构包括：定齿、定齿、动齿、连接件，其中，定齿与动齿之间加载有直流电压V_DC，实现了结构设计合理，简单的实现了补偿正交误差的技术效果。

Description

一种微机械陀螺仪正交误差补偿结构

技术领域

本发明涉及微机械陀螺仪研究领域，具体地，涉及一种微机械陀螺仪正交误差补偿结构。

背景技术

微机械陀螺仪结构基于Coriolis力原理工作，外界角速度将驱动方向的能量耦合到检测方向上引起检测质量块运动，从而实现角速度测量。但是，由于加工误差的存在，导致驱动运动直接耦合到检测方向上而不经过角速度的作用(如图1、图2所示)，因此产生的是误差信号。该误差信号的相位与驱动位移相同，与Coriolis信号相差90度，因此称为正交误差。为了提高微机械陀螺仪的精度，需要对正交误差进行补偿或抑制。

由于正交误差与Coriolis信号相差90度，因此可以通过相敏解调来抑制正交误差，但是实际中由于解调信号与正交误差之间的相位不可能刚好相差90度，导致部分正交误差残留，且从电路上实现精确的相位控制会付出非常大的代价。

电荷注入是补偿正交误差的另一种方法，该方法通过解调出正交误差信号，再将该信号反馈回检测前端运放，从而实现正交误差补偿。该方法的缺点同上，由于解调相位的偏差导致部分正交误差残留。

另一种补偿正交误差的方法是，在驱动或检测质量块上增加施力电极，在施力电极上加载与正交误差运动反相的交流电压，产生交变力，从而使正交误差运动被抵消掉。该方法从根源上消除了正交误差，但是施力电极上加载电压的相位的精确控制决定了该方法的效果，这种方法实现非常困难。

综上所述，本申请发明人在实现本申请发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：

在现有技术中，现有的微机械陀螺仪正交误差补偿存在成本较高，或难于实现，或具有正交误差残留的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种微机械陀螺仪正交误差补偿结构，解决了现有的微机械陀螺仪正交误差补偿存在成本较高，或难于实现，或具有正交误差残留的技术问题，实现了结构设计合理，简单的实现了补偿正交误差的技术效果。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种微机械陀螺仪正交误差补偿结构，所述补偿结构包括：

梳齿结构(1)和梳齿结构(2)，梳齿结构(1)包括：定齿(3)、定齿(4)、动齿(5)、连接件(6)，梳齿结构(2)包括：定齿(7)、定齿(8)、动齿(9)、连接件(10)；定齿(3)一端与连接件(6)的右上端连接，定齿(4)一端与连接件(6)的右下端连接，动齿(5)一端延伸至定齿(3)与定齿(4)之间，动齿(5)另一端质量块(11)的左侧连接；定齿(7)一端与连接件(10)的左下端连接，定齿(8)一端与连接件(6)的左上端连接，动齿(9)一端延伸至定齿(7)与定齿(8)之间，动齿(9)另一端质量块(11)的左侧连接；其中，电气上，动齿(5)、动齿(9)与质量块(11)具有相同电位，定齿(3)、定齿(4)、定齿(7)、与定齿(8)具有相同电位，动齿(5)、动齿(9)、质量块(11)与定齿(3)、定齿(4)、定齿(7)、定齿(8)之间具有一直流电压V_DC，该电压可通过外部电路加载并可调整其大小。

其中，本发明提出了一种补偿微机械陀螺仪正交误差的结构，该结构产生的补偿静电力与正交误差自动保持反相，没有相位控制的问题，该结构只需调整一个直流电压的大小就可以实现对不同大小正交误差的补偿，控制简单，大大降低了后续信号处理的复杂度，并且方便了器件的校准，有利于提高器件良品率，降低生产成本。

进一步的，该结构可由掺杂的单晶硅、多晶硅、金属等微机械加工材料加工而成，梳齿结构(1)和梳齿结构(2)均为导体，且连接件(6)、连接件(10)均固定在衬底上。

进一步的，定齿3和动齿5之间的间距、定齿4和动齿5之间的间距、定齿7与动齿9之间的间距、定齿8与动齿9之间的间距均相等,此设计可增加微结构的匹配性，减小工艺误差的影响。

进一步的，定齿3、动齿5、定齿7、动齿9的厚度相同，定齿4、定齿8的厚度相同，定齿4的厚度小于定齿3的厚度，从而在动齿5与动齿9上产生垂直于梳齿方向的静电力，且动齿5与动齿9上作用的力方向相反。

进一步的，质量块(11)受到的总的静电力大小为：

其中，ε为空气介电常数，t₁为定齿3的厚度，t₂为定齿4的厚度，x₀为梳齿静止时定齿与动齿的重叠长度，Δx为质量块的驱动位移，d₀为梳齿间间隙。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明中的微机械陀螺仪正交误差补偿结构，在梳齿的动齿和定齿施加一个直流电压后就可以在动齿上产生与正交误差反相的静电力，从而补偿正交误差，避免了传统的成本较高或难于实现的方式，简单低成本的实现了补偿正交误差。

进一步的，本发明中的结构能够通过改变直流电压的大小可以改变静电力的大小，从而补偿不同大小的正交误差，方便器件的校准。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请中角速度为0，无正交误差时质量块运动情况示意图；

图2是本申请中角速度为0，有正交误差时质量块运动情况示意图；

图3是本申请中微机械陀螺仪正交误差补偿结构的结构示意图；

图4是本申请中梳齿结构1的剖面图；

图5是本申请中梳齿结构2的剖面图；

图6是本申请中梳齿结构1的放大俯视图；

图7是本申请中梳齿结构2的放大俯视图；

图8是本申请中补偿结构作用示意图及该作用下质量块运动情况示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种微机械陀螺仪正交误差补偿结构，解决了现有的微机械陀螺仪正交误差补偿存在成本较高，或难于实现，或具有正交误差残留的技术问题，实现了结构设计合理，简单的实现了补偿正交误差的技术效果。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图3-图6，以单质量块微机械陀螺仪为例说明本发明，但本发明的结构不限于使用在该类型微机械陀螺仪结构上，其它类型微机械陀螺仪同样适用。

本发明的结构由梳齿结构1和梳齿结构2组成，图3中梳齿结构为一个单元示意图，根据需要可以增加若干组同类单元。

结构1由定齿3，定齿4，动齿5以及连接件6组成。连接件6固定在衬底上并与定齿3，定齿4结构上相连，连接件6为良导体实现定齿3和定齿4电气上相连。如图4所示，定齿3和动齿5以及定齿4和动齿5之间的间距相等。如图4所示，定齿3和动齿5的厚度相同，定齿4的厚度比定齿3、动齿5小。动齿5与质量块11相连，可以随质量块11一起运动。在定齿3、定齿4与动齿5之间加载一直流电压V_DC，动齿5受到定齿3向上的静电力：

以及动齿5受到定齿4向下的静电力：

动齿5受到的总的静电力：

其中，ε为空气介电常数，t₁为定齿3、动齿5的厚度，t₂为定齿4的厚度，x₀为梳齿静止时的重叠长度，Δx为质量块的驱动位移，即梳齿重叠长度变化量，d₀为梳齿间间隙。

结构2由定齿7，定齿8，动齿9以及连接件10组成。连接件10固定在衬底上并与定齿7，定齿8结构上相连，连接件10为良导体实现定齿7和定齿8电气上相连。如图5所示，定齿7和动齿9以及定齿8和动齿9之间的间距相等。如图5所示，定齿7和动齿9的厚度相同，定齿8的厚度比定齿7、动齿9小。动齿9与质量块11相连，可以随质量块11一起运动。在定齿7、定齿8与动齿9之间加载一直流电压V_DC，动齿9受到定齿7向下的静电力：

以及动齿9受到定齿8向上的静电力：

动齿9受到的总的静电力：

质量块11受到的总的静电力为动齿5和动齿9所受静电力之和：

从上式可知，正交误差补偿静电力F始终保持与驱动位移Δx反相，而无需任何相位控制系统。由于正交误差与驱动位移Δx同相，因此该静电力能够补偿正交误差。从上式进一步可知，通过调整V_DC可以改变F的大小，从而满足补偿不同大小的正交误差的需要，有利于器件的校准。

综上所述，本发明提出的结构可以利用一直流电压产生与正交误差相位完全同步的补偿力，从而非常有利于MEMS陀螺仪零偏的校准，有利于提高器件性能。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明中的微机械陀螺仪正交误差补偿结构，在梳齿的动齿和定齿施加一个直流电压后就可以在动齿上产生与正交误差反相的静电力，从而补偿正交误差，避免了传统的成本较高或难于实现的方式，简单低成本的实现了补偿正交误差。

进一步的，本发明中的结构能够通过改变直流电压的大小可以改变静电力的大小，从而补偿不同大小的正交误差，方便器件的校准。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种微机械陀螺仪正交误差补偿结构，其特征在于，所述补偿结构包括：

梳齿结构(1)和梳齿结构(2)，梳齿结构(1)包括：定齿(3)、定齿(4)、动齿(5)、连接件(6)，梳齿结构(2)包括：定齿(7)、定齿(8)、动齿(9)、连接件(10)；定齿(3)一端与连接件(6)的右上端连接，定齿(4)一端与连接件(6)的右下端连接，动齿(5)一端延伸至定齿(3)与定齿(4)之间，动齿(5)另一端质量块(11)的左侧连接；定齿(7)一端与连接件(10)的左下端连接，定齿(8)一端与连接件(6)的左上端连接，动齿(9)一端延伸至定齿(7)与定齿(8)之间，动齿(9)另一端质量块(11)的左侧连接；其中，动齿(5)、动齿(9)与质量块(11)具有相同电位，定齿(3)、定齿(4)、定齿(7)、与定齿(8)具有相同电位，动齿(5)、动齿(9)、质量块(11)与定齿(3)、定齿(4)、定齿(7)、定齿(8)之间具有一直流电压V_DC。

2.根据权利要求1所述的微机械陀螺仪正交误差补偿结构，其特征在于，梳齿结构(1)和梳齿结构(2)均为导体，且连接件(6)、连接件(10)均固定在衬底上。

3.根据权利要求1所述的微机械陀螺仪正交误差补偿结构，其特征在于，定齿3和动齿5之间的间距、定齿4和动齿5之间的间距、定齿7与动齿9之间的间距、定齿8与动齿9之间的间距均相等。

4.根据权利要求1所述的微机械陀螺仪正交误差补偿结构，其特征在于，定齿3、动齿5、定齿7、动齿9的厚度相同，定齿4、定齿8的厚度相同，定齿4的厚度小于定齿3的厚度。

5.根据权利要求1所述的微机械陀螺仪正交误差补偿结构，其特征在于，质量块(11)受到的总的静电力为：

$F=-\frac{\mathrm{\ϵ}(t_1-t_2){\mathrm{\ΔxV}}_{DC}^2}{d_0^2}$

其中，ε为空气介电常数，t₁为定齿(3)的厚度，t₂为定齿(4)的厚度，x₀为梳齿静止时定齿与动齿的重叠长度，Δx为质量块的驱动位移，d₀为梳齿间间隙。