CN107356240B - 具有驱动频率调节结构的mems陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有驱动频率调节结构的MEMS陀螺仪，属于传感器芯片设计技术领域，具体是将MEMS陀螺仪的两个可动质量块通过驱动弹簧组件连接在两组驱动频率调节结构的质量块锚点上，两个可动质量块沿Y轴方向对称分布，驱动频率调节电极的固定电极部分制作在紧邻质量块锚点的调节电极锚点上，驱动频率调节电极的可动电极部分沿X轴对称分布于驱动弹簧组件两侧，可动电极部分与固定电极部分构成驱动频率调节电容，这样就减少了衬底不对称形变对质量块锚点与驱动电极锚点间距的影响，也就是稳定了驱动频率调节静电力，改进MEMS陀螺仪性能，提高了MEMS陀螺仪在不同温度下、不同应力环境中的稳定性。

Description

具有驱动频率调节结构的MEMS陀螺仪

技术领域

本发明属于传感器芯片设计技术领域，具体是一种具有驱动频率调节结构的MEMS陀螺仪。

背景技术

MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写，MEMS芯片的制造利用微细加工技术，特别是半导体圆片制造技术，制造出各种微型机械结构，结合专用控制集成电路(ASIC)，组成智能化的微传感器、微执行器、微光学器件等MEMS元器件。MEMS陀螺仪是用于测量物体旋转速度的传感器，高性能的MEMS陀螺仪器件一般由一个单轴MEMS芯片和一个专用控制集成电路(ASIC)芯片封装而成，其基本原理是科里奥利效应，即在三维空间中当一个可动质量块沿第一个方向运动时，如果在第二个方向有旋转运动，则根据转动惯量守恒定律，质量块沿第三个方向产生相应的移动。具体到MEMS陀螺仪的微机械结构，以一个最简单的模型为例，质量块通过弹簧固定到锚点上；驱动电极组由固定在衬底上的固定驱动电极和质量块上的可动电极构成，固定驱动电极组通过静电力驱动质量块沿Y轴方向以其谐振频率(Fd)和一定值的振幅振动；检测电极组由固定在衬底上的固定检测电极和质量块上的可动电极构成，当MEMS结构沿Z轴方向旋转时，质量块在X方向产生位移，由检测电极组转化为电容变化值，专用控制集成电路(ASIC)将电容变化值转换为电压值，再用驱动频率解耦，得到Z轴方向的旋转角速度值。

MEMS陀螺仪通常应用在惯性测量单元(IMU)中，一个高性能的6轴IMU由3个单轴MEMS陀螺仪和3个单轴MEMS加速度计构成，当三个MEMS陀螺仪工作在相同或很相近的频率Fd时，它们之间会有信号相互干扰的问题。现有的解决方法是利用MEMS圆片加工工艺的不均匀性，在同一种MEMS陀螺仪器件中挑选三只驱动频率Fd不同的器件，组装成一只惯性测量单元(IMU)；或者设计三种不同驱动频率Fd的MEMS陀螺仪芯片，封装成三种MEMS陀螺仪器件，各选一只组装成一只惯性测量单元(IMU)。这二种方法中，前者存在挑选困难、成品率低、生产管理困难的问题；后者存在MEMS芯片生产成本高、三种产品不同成品率产生成品数量不匹配而引起的多余库存问题。

解决上述问题最方便的方法是使用同一种MEMS芯片封装而成的MEMS陀螺仪器件，在MEMS陀螺仪器件制造的最后一个步骤校准测试的时候，调节MEMS陀螺仪的驱动频率Fd，也就是工作频率，根据要求设定不同参数，并将设定参数固化在ASIC芯片的存储单元内，将同一批器件分为工作频率不同的三类产品。这样就可以批量制造MEMS芯片，批量封装MEMS陀螺仪器件作为货架产品，根据订单校准测试成不同工作频率的产品，不但可以快速交货，而且大大降低了制造、管理成本。

调节MEMS陀螺仪微机械结构的频率的方法是在MEMS衬底上制作固定电极，在可动质量块或与其附属结构上制作可动电极，在固定电极和可动电极间施加静电力，将MEMS结构的谐振频率调低。具体到单轴高性能MEMS陀螺仪结构，其最重要的二个谐振频率是驱动频率Fd和检测频率Fs，MEMS陀螺仪器件的灵敏度、角速度频率检测范围、稳定性均与Fd与Fs数值有关，特别是与二者的差值ΔF＝Fd-Fs有关，因此经常需要调节此差值。通常MEMS陀螺仪的可动质量块在驱动方向的位移幅度在2～20微米，在检测方向的位移幅度则小于0.1微米，如果采用闭环检测方法，则在检测方向的位移幅度几乎为0，所以质量块在检测方向的位移幅度远远小于驱动方向，因此MEMS陀螺仪微机械结构设计中，一般通过调节检测频率Fs来调节频率差ΔF＝Fd-Fs，因为在检测方向起调节作用的平行板电极的间距几乎不变，而且静电力比叉指式电极大，容易控制。但调节检测频率Fs只能改变灵敏度、角速度频率检测范围等性能，但不能改变MEMS陀螺仪的工作频率。通常调节频率的方法是在质量块或弹簧上施加静电力，改变弹簧的弹性系数。谐振频率

m为质量块的质量，k为弹簧的弹性系数。

在现有技术中，US 2007062282 A1、JP2002-039759和JP2005-043098都提到了关于检测频率可调节的MEMS陀螺仪结构，JP2000074676还公开了关于二个对称质量块的振动频率调节的技术，但是都没有提到驱动频率的调节方法。

专利US 5945599 A提到了制作频率调节电极在MEMS陀螺仪结构的外框两侧，在与驱动方向垂直的方向加静电引起外框和弹簧形变而调节驱动频率，由于静电力不是直接施加在驱动弹簧上，而且频率调节电极的锚点距离支撑质量块的锚点较远，在实际工作中，由于温度变化或者其他外部应力的影响，引起锚点下的衬底热胀冷缩而产生形变，从而使固定在衬底上的频率调节电极与外框间距产生变化，导致相同静电电压情况下，不同温度时静电力相差大，频率差ΔF不稳定，而且实际情况中，衬底形变是不可能完全均匀的，这就使二个方向的静电力不平衡，引起驱动方向与检测方向结构的不垂直，结果表现为MEMS陀螺仪性能恶化。

相似地，中国专利CN201080012253.0中实例一所公开的MEMS陀螺仪的驱动频率调节电极在可动质量块的四周，相互距离远，同样存在衬底形变时静电力不平衡的问题，此问题是影响MEMS陀螺仪产品性能的关键因素之一。专利CN201080012253.0中实例二所公开的MEMS陀螺仪的驱动频率调节电极在质量块中心，挤占了最宝贵的检测电极的面积，更重要的是由单根弹簧支撑MEMS质量块，抗环境震动能力差，实际上并不可行；其二个方向驱动频率调节电极的锚点与支撑质量块的锚点之间还是有一定距离，还是存在衬底形变时静电力不平衡的问题。另外，此该专利采用叉指式驱动频率调节电极，静电力较平行板式电极小，驱动频率调节范围小。

因此驱动频率调节电极受环境温度和应力影响时，静电力不稳定或不平衡而引起的MEMS陀螺仪性能劣化的问题是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种具有驱动频率调节结构的MEMS陀螺仪，改进了MEMS陀螺仪的性能，提高了MEMS陀螺仪在不同温度下、不同应力环境中的稳定性。

本发明采用的技术方案是：具有驱动频率调节结构的MEMS陀螺仪，包括固定在同一衬底上的第一单元和第二单元，第一单元与第二单元相互对称，第一单元与第二单元通过耦合弹簧连接在一起，其中第一单元通过第一连接杆与耦合弹簧连接，第二单元通过第二连接杆与耦合弹簧连接；

第一单元和第二单元都包括可动质量块、驱动电极、驱动检测电极、检测电极和驱动频率调节结构；驱动电极位于可动质量块的外侧，驱动电极上的固定驱动叉指与可动质量块上的可动驱动叉指形成叉指式驱动电容；驱动检测电极位于第一单元和第二单元之间，驱动检测电极上的固定驱动检测叉指与可动质量块上的可动驱动检测叉指形成叉指式驱动检测电容；检测电极位于可动质量块的中心位置，检测电极上的固定检测叉指与可动质量块上的可动检测叉指形成叉指式检测电容；每个可动质量块的延伸臂通过驱动弹簧组件连接在两组驱动频率调节结构的质量块锚点上，所述的两组驱动频率调节结构沿Y方向对称分布在可动质量块两侧；

所述的驱动频率调节结构包括驱动弹簧组件、质量块锚点、调节电极锚点及驱动频率调节电极，所述的驱动弹簧组件包括内弹簧、外弹簧及把内弹簧和外弹簧连接起来的连接杆，两组驱动弹簧组件沿Y轴对称分布，并通过两根连接杆固定在质量块锚点两侧；两个调节电极锚点沿X轴对称分布于质量块锚点两侧，并固定在衬底上；所述的驱动频率调节电极包括可动电极部分和固定电极部分，固定电极部分连接在两个调节电极锚点上，可动电极部分沿X轴对称分布于驱动弹簧组件两侧，可动电极部分与固定电极部分组成驱动频率调节电容。

为简单说明问题起见，以下对本发明所述的具有驱动频率调节结构的MEMS陀螺仪均简称为本MEMS陀螺仪。

本MEMS陀螺仪基于Coriolis效应，其结构由完全对称的第一单元和第二单元组成，第一单元和第二单元共用同一个衬底，通过耦合弹簧相连接，用于产生差模信号；每个单元主要由以下几个部分构成：可动质量块、质量块锚点、连接可动质量块和质量块锚点的驱动弹簧组件、调节电极锚点和驱动频率调节电极；在本MEMS陀螺仪工作时，驱动电极通过静电力驱动第一单元和第二单元的两个质量块以驱动谐振频率沿相反方向往复运动，假定驱动方向为Y轴方向，则当整个MEMS陀螺仪结构跟随衬底沿Z轴方向旋转时，两个质量块沿X轴的相反方向产生位移，通过检测电极将此位移转换为电信号。每个质量块通过两组对称的驱动弹簧组件悬挂在驱动频率调节结构的质量块锚点上，紧邻质量块锚点制作有驱动频率调节电极，在驱动频率调节电极的固定电极部分加上电压，即可在可动电极部分和固定电极部分之间产生静电力，引起驱动弹簧组件的形变，从而改变其弹性系数，达到调节驱动频率的目的。

作为本发明的一个实施例，所述的固定电极部分为两个固定调节电极，固定调节电极两侧都具有固定调节叉指，可动电极部分为四根悬臂，悬臂上有可动调节叉指，两个固定调节电极分别连接在两个调节电极锚点上，四根悬臂沿X方向对称连接在内弹簧与外弹簧之间的连接杆上，固定调节叉指与可动调节叉指构成四组叉指式驱动频率调节电容。为达到静电力对称的目的，在质量块锚点的左右两侧各有一组驱动频率调节电极，驱动频率调节电极的固定电极部分(固定调节电极上的固定调节叉指)与可动电极部分(悬臂上的可动调节叉指)组成叉指式驱动频率调节电容，所产生的静电力与驱动方向在同一个轴向，即Y轴方向。

作为本发明的另一个实施例，所述的固定电极部分为四个固定调节电极，可动电极部分为四个可动调节电极，四个固定调节电极分别连接在两个调节电极锚点上，四个可动调节电极分别通过四根连接臂沿X轴对称地连接在内弹簧上，四个可动调节电极与四固定调节电极构成四组平行板式驱动频率调节电容。为达到静电力对称的目的，在质量块锚点的左右各有一组频率调节电极，驱动频率调节电极的可动电极部分(可动调节电极)和固定电极部分(固定调节电极)组成平行板式驱动频率调节电容，所产生的静电力与检测方向在同一个轴向，即X轴方向。

本MEMS陀螺仪将两个质量块分别通过两根连接杆连接在两个驱动频率调节结构的质量块锚点上，两个质量块沿Y轴方向对称分布，驱动频率调节结构的固定调节电极制作在紧邻质量块锚点的调节电极锚点上，减少了衬底不对称形变对调节电极锚点与质量块锚点间距的影响，而且两个方向的固定调节电极制作在同一个锚点上，消除了衬底形变对它们的影响，改进了MEMS陀螺仪的性能，提高了MEMS陀螺仪在不同温度下、不同应力环境中的稳定性。

附图说明

图1是实施例一的具有驱动频率调节结构的MEMS陀螺仪的结构示意图。

图2是实施例一的MEMS陀螺仪中驱动频率调节结构的结构示意图。

图3是图2的C—C剖示图。

图4是实施例二的具有驱动频率调节结构的MEMS陀螺仪的结构示意图。

图5是实施例二的MEMS陀螺仪中驱动频率调节结构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例一

具有驱动频率调节结构的MEMS陀螺仪，如图1所示，由两个完全对称的第一单元和第二单元构成，目的是将它们的产生的正负信号相减，以除去包含各种无用的寄生信号的共模信号，得到真正有用但相对微弱的差模信号。第一单元和第二单元通过耦合弹簧40连接在一起，第一单元通过第一连接杆48与耦合弹簧40连接，第二单元通过第二连接杆47与耦合弹簧40连接；驱动检测电极41、42位于第一单元和第二单元之间，驱动检测电极41、42上有固定驱动检测叉指43，与第一单元的可动质量块21和第二单元的可动质量块22上的可动驱动检测叉指44构成叉指式驱动检测电容，当可动质量块21朝+Y方向运动、可动质量块22朝-Y方向运动时，可动驱动检测叉指44与固定驱动检测叉指43之间的重叠部分减少，它们构成的叉指式驱动检测电容的电容值也减小；反之则重叠部分增加，电容值也增加，利用驱动检测电极41和42的信号，MEMS陀螺仪的控制芯片(ASIC)可以计算出可动质量块21、22的振动幅度，反馈到驱动回路，自动调节驱动电压，保证可动质量块21、22的振幅稳定。

正驱动电极61和62制作在可动质量块21的+Y方向外侧；负驱动电极63和64制作在可动质量块22的-Y方向外侧；正驱动电极61和62的正固定驱动叉指65与制作在可动质量块21上的正可动驱动叉指66构成叉指式正驱动电容；负驱动电极63和64的负固定驱动叉指67与制作在可动质量块22上的负可动驱动叉指68构成叉指式负驱动电容；当在驱动电极61、62、63、64上施加直流+交流的驱动电压时，可动质量块21、22会沿Y轴方向作反向运动，ASIC芯片会自动锁定驱动谐振频率Fd。

可动质量块21通过延伸臂11、12、13、14连接在驱动频率调节结构31、32的两端；可动质量块22通过延伸臂15、16、17、19连接在驱动频率调节结构33、34的两端；检测电极51和52位于可动质量块21中央，检测电极53和54位于可动质量块22中央。检测电极51上的固定检测叉指55b和可动质量块21上的可动检测叉指55a构成第一单元的负叉指式检测电容；检测电极52上的固定检测叉指56b和可动质量块21上的可动检测叉指56a构成第一单元的正叉指式检测电容；检测电极53上的固定检测叉指57b和可动质量块22上的可动检测叉指57a构成第二单元的负叉指式检测电容；检测电极54上的固定检测叉指58b和可动质量块22上的可动检测叉指58a构成第二单元的正叉指式检测电容。驱动第一半周期，当可动质量块21以驱动频率向+Y方向运动，可动质量块22以驱动频率向-Y方向运动时，如果MEMS陀螺仪在Z方向存在顺时针转动，则可动质量块21向-X方向运动，可动检测叉指55a与固定检测叉指55b之间的间距增大，电容值变小，检测电极51输出负信号S₅₁；可动检测叉指56a与固定检测叉指56b之间的间距变小，电容值变大，检测电极52输出正信号S₅₂；则可动质量块22向+X方向运动，可动检测叉指57a与固定检测叉指57b之间的间距增大，电容值变小，检测电极53输出负信号S₅₃；可动检测叉指58a与固定检测叉指58b之间的间距变小，电容值变大，检测电极54输出正信号S₅₄；这时MEMS陀螺仪的原始信号S＝(S₅₂+S₅₄)-(S₅₁+S₅₃)为正值。在驱动第二半周期，当可动质量块21以驱动频率向-Y方向运动，可动质量块22以驱动频率向+Y方向运动时，则各检测电极的输出信号与驱动第一半周期正负反向，S＝(S₅₂+S₅₄)-(S₅₁+S₅₃)为负值。

驱动频率调节结构31、32、33、34是完全相同的结构，具体结构请见图2，包括驱动弹簧组件307a、307b、308a、308b；连接杆305、306；悬臂301、302、303、304；质量块锚点309；调节电极锚点317、318以及固定调节电极317a、318a。驱动弹簧组件307a、307b与308a、308b沿Y轴对称分布，通过连接杆305和306固定在质量块锚点309两侧，与衬底无接触，质量块锚点309固定在衬底上；连接杆305的端部305a和连接杆306的端部306a连接可动质量块21、22的延伸臂11、12、13、14、15、16、17、18；悬臂301、302沿X方向对称连接在连接杆305上、悬臂303、304沿X方向对称连接在连接杆306上；调节电极锚点317、318沿X轴对称分布于质量块锚点309两侧，并固定在衬底上；调节电极锚点317、318与质量块锚点309的间距W很小，一般在1～5μm，目的是减少衬底形变对驱动频率调节电极叉指间距的影响。内弹簧307b和308b位于悬臂301、302和303、304围成的区间内侧；相反，外弹簧307a和308a位于悬臂301、302和303、304围成的区间外侧；内弹簧307b、308b和外弹簧307a、308a的形状可以一样，也可以不一样。固定调节电极317a连接在调节电极锚点317上，固定调节电极318a连接在调节电极锚点318上，固定调节电极317a与悬臂301、303共同组成驱动频率调节电极，固定调节电极318a与悬臂302、304共同组成驱动频率调节电极。固定调节电极317a、318a上的固定调节叉指311b、312b、313b、314b与悬臂301、302、303、304上的可动调节叉指311a、312a、313a、314a构成四组叉指式驱动频率调节电容。

当在固定调节电极317a和318a上施加一个相同的调节电压V时，制作在悬臂301上的可动调节叉指311a与制作在固定调节电极317a上的固定调节叉指311b间产生静电力，制作在悬臂302上的可动调节叉指312a与制作在固定调节电极318a上的固定调节叉指312b间产生相同静电力，如果静电力是拉力，拉动悬臂301和302向-Y方向移动，从而压缩内弹簧307b，拉伸外弹簧307a，使驱动弹簧组件发生形变，引起驱动频率变化。与此同时，制作在悬臂303上的可动调节叉指313a与制作在固定调节电极317a上的固定调节叉指313b间产生与静电力，制作在悬臂304上的可动调节叉指314a与制作在固定调节电极318a上的固定调节叉指314b间产生相同静电力，拉动悬臂303和304向+Y方向移动，从而压缩内弹簧308b，拉伸外弹簧308a，使驱动弹簧组件发生形变，引起驱动频率变化。四组叉指式驱动频率调节电容的静电力相同，产生的静电力方向相反，可以是拉力，也可以是推力。

图3为图2的C—C的剖示图，质量块锚点309和调节电极锚点317、318和固定调节电极317a、318a都是由同一结构层材料制作，质量块锚点309和调节电极锚点317、318通过键合柱72固定在衬底70上，它们之间的间距W≤5μm；固定调节电极317a、318a分别连接在调节电极锚点317、318上，它们悬空在衬底70上，与衬底70之间有一空间71；所以衬底70的形变对驱动频率调节电极的影响只局限于质量块锚点309和调节电极锚点317、318区域，面积非常小，通常在100×100μm左右，由可能存在的衬底70的不对称形变引起的调节电极间距的不对称量非常小，这就使得频率调节静电力比较稳定，而且对称，不会产生正交误差(正交误差是指MEMS陀螺仪的驱动轴和检测轴方向不垂直程度，是影响MEMS陀螺仪性能的关键因素之一)。

实施例二

具有驱动频率调节结构的MEMS陀螺仪与，如图4所示，由两个完全对称的第一单元和第二单元构成，目的是将它们的产生的正负信号相减，以除去包含各种无用的寄生信号的共模信号，得到真正有用但相对微弱的差模信号。第一单元和第二单元通过耦合弹簧40连接在一起，第一单元通过第一连接杆48与耦合弹簧40连接，第二单元通过第二连接杆47与耦合弹簧40连接；驱动检测电极41、42位于第一单元和第二单元之间，驱动检测电极41、42上有固定驱动检测叉指43，与第一单元的可动质量块21和第二单元的可动质量块22上的可动驱动检测叉指44构成叉指式驱动检测电容，当可动质量块21朝+Y方向运动、可动质量块22朝-Y方向运动时，可动驱动检测叉指44与固定驱动检测叉指43之间的重叠部分减少，它们构成的叉指式驱动检测电容的电容值也减小；反之则重叠部分增加，电容值也增加，利用驱动检测电极41和42的信号，MEMS陀螺仪的控制芯片(ASIC)可以计算出可动质量块21、22的振动幅度，反馈到驱动回路，自动调节驱动电压，保证可动质量块21、22的振幅稳定。

正驱动电极61和62制作在可动质量块21的+Y方向外侧；负驱动电极63和64制作在可动质量块22的-Y方向外侧；正驱动电极61和62的正固定驱动叉指65与制作在可动质量块21上的正可动驱动叉指66构成叉指式正驱动电容；负驱动电极63和64的负固定驱动叉指67与制作在可动质量块22上的负可动驱动叉指68构成叉指式负驱动电容；当在驱动电极61、62、63、64上施加直流+交流的驱动电压时，可动质量块21、22会沿Y轴方向作反向运动，ASIC芯片会自动锁定驱动谐振频率Fd。

可动质量块21通过延伸臂11、12、13、14连接在驱动频率调节结构81、82的两端；可动质量块22通过延伸臂15、16、17、19连接在驱动频率调节结构83、84的两端；检测电极51和52位于可动质量块21中央，检测电极53和54位于可动质量块22中央。检测电极51上的固定检测叉指55b和可动质量块21上的可动检测叉指55a构成第一单元的负叉指式检测电容；检测电极52上的固定检测叉指56b和可动质量块21上的可动检测叉指56a构成第一单元的正叉指式检测电容；检测电极53上的固定检测叉指57b和可动质量块22上的可动检测叉指57a构成第二单元的负叉指式检测电容；检测电极54上的固定检测叉指58b和可动质量块22上的可动检测叉指58a构成第二单元的正叉指式检测电容。驱动第一半周期，当可动质量块21以驱动频率向+Y方向运动，可动质量块22以驱动频率向-Y方向运动时，如果MEMS陀螺仪在Z方向存在顺时针转动，则可动质量块21向-X方向运动，可动检测叉指55a与固定检测叉指55b之间的间距增大，电容值变小，检测电极51输出负信号S₅₁；可动检测叉指56a与固定检测叉指56b之间的间距变小，电容值变大，检测电极52输出正信号S₅₂；则可动质量块22向+X方向运动，可动检测叉指57a与固定检测叉指57b之间的间距增大，电容值变小，检测电极53输出负信号S₅₃；可动检测叉指58a与固定检测叉指58b之间的间距变小，电容值变大，检测电极54输出正信号S₅₄；这时MEMS陀螺仪的原始信号S＝(S₅₂+S₅₄)-(S₅₁+S₅₃)为正值。在驱动第二半周期，当可动质量块21以驱动频率向-Y方向运动，可动质量块22以驱动频率向+Y方向运动时，则各检测电极的输出信号与驱动第一半周期正负反向，S＝(S₅₂+S₅₄)-(S₅₁+S₅₃)为负值。

驱动频率调节结构81、82、83、84是完全相同的结构，如图5所示，包括驱动弹簧组件807a、807b、808a、808b；连接杆805、806；连接臂801、802、803、804；质量块锚点809；调节电极锚点817、818；固定调节电极811b、812b、813b、814b以及可动调节电极811a、812a、813a、814a。驱动弹簧组件807a、807b与808a、808b沿Y轴对称分布，通过连接杆805和806固定在质量块锚点809两侧，与衬底无接触，质量块锚点809固定在衬底上；连接杆805的端部805a和连接杆806的端部806a连接可动质量块21、22的延伸臂11、12、13、14、15、16、17、18。连接臂801、802沿X方向对称连接在内弹簧807b上，连接臂803、804沿X方向对称连接在内弹簧808b上；可动调节电极811a通过连接臂801与内弹簧807b相连；可动调节电极812a通过连接臂802与内弹簧807b相连；可动调节电极813a通过连接臂803与内弹簧808b相连；可动调节电极814a通过连接臂804与内弹簧808b相连。调节电极锚点817、818沿X轴对称分布于质量块锚点809两侧，并固定在衬底上；调节电极锚点817、818与质量块锚点809的间距W很小，一般在1～5μm，目的是减少衬底形变对驱动频率调节电极平板间距的影响。固定调节电极811b、812b沿Y方向对称连接在调节电极锚点817上，与衬底无接触；固定调节电极813b、814b沿Y方向对称连接在调节电极锚点818上，与衬底无接触，固定调节电极811b、812b、813b、814b与可动调节电极811a、812a、813a、814a构成四组平板式驱动频率调节电容；内弹簧和外弹簧的形状可以一样，也可以不一样。

当在固定调节电极811b、812b、813b、814b上施加一个相同的调节电压V时，假设可动调节电极和固定调节电极间的电压极性相反，可动调节电极811a与固定调节电极811b间产生静电力，拉动连接臂801向+X方向移动；可动调节电极812a与固定调节电极812b间产生静电力，拉动连接臂802向-X方向移动；可动调节电极813a与固定调节电极813b间产生静电力，拉动连接臂803向+X方向移动；可动调节电极814a与固定调节电极814b间产生静电力，拉动连接臂804向-X方向移动；从而拉伸内弹簧807b和808b，同时也拉伸外弹簧807a和808a，驱动弹簧组件发生形变，引起驱动频率变化。四组平行板电容的静电力相同，产生的静电力方向相反，可以是拉力，也可以是推力。

在不考虑边缘效应的情况下，叉指电容的静电驱动力

其中n为叉指数，t为结构层厚度，一般在20～100μm，ε为介电常数，V为施加的电压，d为叉指间距，一般在1～3μm；虽然静电驱动力与叉指长度无关，但考虑到驱动幅度，叉指长度一般要大于40μm。平板式电容的静电驱动力

其中t为结构层厚度，l为平行板长度，ε为介电常数，V为施加的电压，d为平板电极间距。通常电极厚度t与长度l比电极间距要大一个数量级以上，由上述公式可以看出，面积相等的两个电容，叉指式电容的静电驱动力要小于平板式电容的静电驱动力，本实施例采用平行板电容结构产生静电力，增加驱动弹簧组件的形变量，从而改变驱动频率。

需要说明的是，本发明所述的驱动电极、检测电极、驱动检测电极和固定调节电极相对于衬底都是固定不动的。

Claims (4)

1.一种具有驱动频率调节结构的MEMS陀螺仪，其特征在于：包括固定在同一衬底上的第一单元和第二单元，第一单元与第二单元相互对称，第一单元与第二单元通过耦合弹簧连接在一起，其中第一单元通过第一连接杆与耦合弹簧连接，第二单元通过第二连接杆与耦合弹簧连接；

第一单元和第二单元都包括可动质量块、驱动电极、驱动检测电极、检测电极和驱动频率调节结构；驱动电极位于可动质量块的外侧，驱动电极上的固定驱动叉指与可动质量块上的可动驱动叉指形成叉指式驱动电容；驱动检测电极位于第一单元和第二单元之间，驱动检测电极上的固定驱动检测叉指与可动质量块上的可动驱动检测叉指形成叉指式驱动检测电容；检测电极位于可动质量块的中心位置，检测电极上的固定检测叉指与可动质量块上的可动检测叉指形成叉指式检测电容；每个可动质量块的延伸臂通过驱动弹簧组件连接在两组驱动频率调节结构的质量块锚点上，所述的两组驱动频率调节结构沿Y方向对称分布在可动质量块两侧；

所述的驱动频率调节结构包括驱动弹簧组件、质量块锚点、调节电极锚点及驱动频率调节电极，所述的驱动弹簧组件包括内弹簧、外弹簧及把内弹簧和外弹簧连接起来的连接杆，两组驱动弹簧组件沿Y轴对称分布，并通过两根连接杆固定在质量块锚点两侧；两个调节电极锚点沿X轴对称分布于质量块锚点两侧，并固定在衬底上；所述的驱动频率调节电极包括可动电极部分和固定电极部分，固定电极部分连接在两个调节电极锚点上，可动电极部分沿X轴对称分布于驱动弹簧组件两侧，可动电极部分与固定电极部分构成驱动频率调节电容；

所述的固定电极部分为两个固定调节电极，固定调节电极两侧都具有固定调节叉指，可动电极部分为四根悬臂，悬臂上有可动调节叉指，两个固定调节电极分别连接在两个调节电极锚点上，四根悬臂沿X方向对称连接在内弹簧与外弹簧之间的连接杆上，固定调节叉指与可动调节叉指构成四组叉指式驱动频率调节电容。

2.根据权利要求1所述的具有驱动频率调节结构的MEMS陀螺仪，其特征在于：调节电极锚点与质量块锚点之间的间距≤5μm。

3.一种具有驱动频率调节结构的MEMS陀螺仪，其特征在于：包括固定在同一衬底上的第一单元和第二单元，第一单元与第二单元相互对称，第一单元与第二单元通过耦合弹簧连接在一起，其中第一单元通过第一连接杆与耦合弹簧连接，第二单元通过第二连接杆与耦合弹簧连接；

第一单元和第二单元都包括可动质量块、驱动电极、驱动检测电极、检测电极和驱动频率调节结构；驱动电极位于可动质量块的外侧，驱动电极上的固定驱动叉指与可动质量块上的可动驱动叉指形成叉指式驱动电容；驱动检测电极位于第一单元和第二单元之间，驱动检测电极上的固定驱动检测叉指与可动质量块上的可动驱动检测叉指形成叉指式驱动检测电容；检测电极位于可动质量块的中心位置，检测电极上的固定检测叉指与可动质量块上的可动检测叉指形成叉指式检测电容；每个可动质量块的延伸臂通过驱动弹簧组件连接在两组驱动频率调节结构的质量块锚点上，所述的两组驱动频率调节结构沿Y方向对称分布在可动质量块两侧；

所述的驱动频率调节结构包括驱动弹簧组件、质量块锚点、调节电极锚点及驱动频率调节电极，所述的驱动弹簧组件包括内弹簧、外弹簧及把内弹簧和外弹簧连接起来的连接杆，两组驱动弹簧组件沿Y轴对称分布，并通过两根连接杆固定在质量块锚点两侧；两个调节电极锚点沿X轴对称分布于质量块锚点两侧，并固定在衬底上；所述的驱动频率调节电极包括可动电极部分和固定电极部分，固定电极部分连接在两个调节电极锚点上，可动电极部分沿X轴对称分布于驱动弹簧组件两侧，可动电极部分与固定电极部分构成驱动频率调节电容；

所述的固定电极部分为四个固定调节电极，可动电极部分为四个可动调节电极，四个固定调节电极分别连接在两个调节电极锚点上，四个可动调节电极分别通过四根连接臂沿X轴对称地连接在内弹簧上，四个可动调节电极与四固定调节电极构成四组平行板式驱动频率调节电容。

4.根据权利要求3所述的具有驱动频率调节结构的MEMS陀螺仪，其特征在于：调节电极锚点与质量块锚点之间的间距≤5μm。

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