CN109737943B - 高精度mems陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种高精度MEMS陀螺仪，包括硅基底及两个质量块，两个所述质量块对称设置于所述硅基底上，还包括一干扰模态隔离结构，两个所述质量块均为框架结构、由质量块外框及质量块内框组合而成，两个所述质量块外框分别与所述硅基底上的锚点相连接，两个所述质量块内框借助所述干扰模态隔离结构相连接。本发明采用了一种组合梁式干扰模态隔离结构，将目前具有解耦框架和差分结构的MEMS陀螺仪的内框架进行了连接，从而提高了驱动模态与检测模态间的同向模态固有频率，使驱动模态与检测模态相邻，实现了隔离干扰模态的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种陀螺仪设备，尤其涉及一种具备干扰模态隔离结构的高精度MEMS陀螺仪，属于微机电系统技术领域。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写，MEMS芯片的制造主要利用的是微细加工技术、特别是半导体圆片制造技术，通过制造出各种微型机械结构，再结合专用控制集成电路(ASIC)，进而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陀螺仪是一种用于测量角速度的元件，这类微机械振动陀螺仪的基本工作原理依赖于敏感质量的振动和角速度输入的组合所产生的正弦科氏力。敏感质量由柔性梁系统悬挂在硅基底上方，使敏感质量在两个正交方向（驱动方向和检测方向）上自由振荡。整个动力系统可以简化为两个自由度(2-dof)质量弹簧阻尼器系统，其中由旋转角速度引起的科氏力会将能量从驱动模态传递到检测模态，这个能量与输入的旋转角速度成正比。
具体到MEMS陀螺仪的微机械结构，以一个最简单的模型为例，质量块通过弹性梁固定到锚点上；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X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Y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。
现今的MEMS陀螺仪几乎都采用的是双模态耦合谐振式原理，它依赖于两种振动模式之间的能量传递，其中一种被称为“驱动模态”，另外一种被称为“检测模态”，但是激发“检测模态”的科氏力是非常弱小的。MEMS陀螺仪一般有多种振动模态，在具体实践环境中，这种“检测模态”很容易被其他“干扰模态”所覆盖，这使得模态定阶工作变得非常困难。当驱动模态与检测模态间存在干扰模态时，会严重影响陀螺仪的输出信号品质，降低陀螺仪的输出精度。针对上述问题，现有的解决方式是设计高性能电路来解调出所需信号，但是这样的解决方案不仅增加了装置的加工成本、而且也并不能显著提升陀螺仪的输出精度，因此并不能解决根本性问题。
综上所述，如何提供一种能够有效隔离干扰模态的高精度MEMS陀螺仪，从而显著提升陀螺仪的输出精度，就成为了本领域内技术人员所亟待解决的问题。
发明内容
鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明的目的是提出一种高精度MEMS陀螺仪，包括硅基底及两个质量块，两个所述质量块对称设置于所述硅基底上，还包括一干扰模态隔离结构，两个所述质量块均为框架结构、由质量块外框及质量块内框组合而成，两个所述质量块外框分别与所述硅基底上的锚点相连接，两个所述质量块内框借助所述干扰模态隔离结构相连接。
优选地，以整个所述高精度MEMS陀螺仪的中心点为原点，以两个所述质量块中心点连线所在的直线为X轴，以经过原点且垂直于X轴方向的直线为Y轴建立二维坐标系，所述高精度MEMS陀螺仪的整体结构分别关于X轴、Y轴对称。
优选地，两个所述质量块整体关于Y轴对称。
优选地，所述硅基底上设置有四个外侧锚点及两个中心锚点，四个所述外侧锚点及两个所述中心锚点均分别关于X轴、Y轴对称；两个所述质量块外框均悬挂设置于所述硅基底上，两个所述质量块外框相背一侧的两顶角均分别借助一根外侧U型驱动折叠梁与一所述外侧锚点相连接，两个所述质量块外框相向一侧的两顶角均分别借助一根内侧U型驱动折叠梁与一所述中心锚点相连接。
优选地，所述硅基底上固定设置有固定驱动梳齿，所述质量块外框上固定设置有驱动梳齿，所述固定驱动梳齿与所述驱动梳齿二者交错设置、共同配合形成驱动电容。
优选地，所述质量块内框的四个顶角均连接有一根U型检测折叠梁，每个所述质量块内框均借助其顶角位置的四根所述U型检测折叠梁设置于一所述质量块外框内部。
优选地，所述硅基底上固定设置有固定检测梳齿，所述质量块内框上固定设置有检测梳齿，所述固定检测梳齿与所述检测梳齿二者交错设置、共同配合形成检测电容。
优选地，所述干扰模态隔离结构为一组合梁式结构，所述干扰模态隔离结构由两根T型梁及四根U型梁组成，两根所述T型梁关于X轴对称，四根所述U型梁分别关于X轴、Y轴对称。
优选地，所述干扰模态隔离结构整体分别关于X轴、Y轴对称。
优选地，每根所述T型梁均包括一个长连接端及两个短连接端，两根所述T型梁上的长连接端分别与一所述中心锚点相连接，两根所述T型梁的两短连接端分别与一所述U型梁的端部相连接，所述U型梁上的剩余端部均与相邻的所述质量块内框相连接，每个所述质量块内框上均连接有两根所述U型梁。
与现有技术相比，本发明的优点主要体现在以下几个方面：
本发明所提供的高精度MEMS陀螺仪，采用了一种组合梁式干扰模态隔离结构，将目前具有解耦框架和差分结构的MEMS陀螺仪的内框架进行了连接，从而提高了驱动模态与检测模态间的同向模态固有频率，使驱动模态与检测模态相邻，实现了隔离干扰模态的效果。
此外，本发明也为同领域内的其他技术方案提供了参考依据，可以以此为基础进行拓展延伸，运用于其他与MEMS陀螺仪有关的技术方案中，具体很高的使用及推广价值。
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中所述干扰模态隔离结构的结构示意图；
图3是现有技术的整体结构示意图；
图4是本发明与现有技术的有限元模态仿真实验结果对比图；
其中：1、质量块外框；2、质量块内框；3、外侧锚点；4、中心锚点；5、外侧U型驱动折叠梁；6、内侧U型驱动折叠梁；7、U型检测折叠梁；8、固定驱动梳齿；9、驱动梳齿；10、固定检测梳齿；11、检测梳齿；12、T型梁；13、U型梁。
具体实施方式
如图1所示，本发明揭示了一种高精度MEMS陀螺仪，包括硅基底及两个质量块，两个所述质量块对称设置于所述硅基底上，还包括一干扰模态隔离结构，两个所述质量块均为框架结构、由质量块外框1及质量块内框2组合而成，两个所述质量块外框1分别与所述硅基底上的锚点相连接，两个所述质量块内框2借助所述干扰模态隔离结构相连接。
以整个所述高精度MEMS陀螺仪的中心点为原点，以两个所述质量块中心点连线所在的直线为X轴，以经过原点且垂直于X轴方向的直线为Y轴建立二维坐标系，所述高精度MEMS陀螺仪的整体结构分别关于X轴、Y轴对称。两个所述质量块的内、外框结构整体关于Y轴对称。
所述硅基底上设置有四个外侧锚点3及两个中心锚点4，四个所述外侧锚点3及两个所述中心锚点4均分别关于X轴、Y轴对称；两个所述质量块外框1均悬挂设置于所述硅基底上，两个所述质量块外框1相背一侧的两顶角均分别借助一根外侧U型驱动折叠梁5与一所述外侧锚点3相连接，两个所述质量块外框1相向一侧的两顶角均分别借助一根内侧U型驱动折叠梁6与一所述中心锚点4相连接。
所述硅基底上固定设置有固定驱动梳齿8，所述质量块外框1上固定设置有驱动梳齿9，所述固定驱动梳齿8与所述驱动梳齿9二者交错设置、共同配合形成驱动电容。
所述质量块内框2的四个顶角均连接有一根U型检测折叠梁7，每个所述质量块内框2均借助其顶角位置的四根所述U型检测折叠梁7设置于一所述质量块外框1内部。
所述硅基底上固定设置有固定检测梳齿10，所述质量块内框2上固定设置有检测梳齿11，所述固定检测梳齿10与所述检测梳齿11二者交错设置、共同配合形成检测电容。
本发明中能够抑制驱动模态与检测模态间的同向模态的所述干扰模态隔离结构如图2所示，具体而言，所述干扰模态隔离结构为一组合梁式结构。所述干扰模态隔离结构由两根T型梁12及四根U型梁13组成，两根所述T型梁12关于X轴对称，四根所述U型梁13分别关于X轴、Y轴对称。所述干扰模态隔离结构整体分别关于X轴、Y轴对称。
每根所述T型梁12均包括一个长连接端及两个短连接端，两根所述T型梁12上的长连接端分别与一所述中心锚点4相连接，两根所述T型梁12的两短连接端分别与一所述U型梁13的端部相连接，所述U型梁13上的剩余端部均与相邻的所述质量块内框2相连接，每个所述质量块内框2上均连接有两根所述U型梁13。
由于本发明的高精度MEMS陀螺仪为差分振动，目的是将其产生的正负信号相减，以除去工模信号。所以本发明的高精度MEMS陀螺仪的驱动模态与检测模态都是相向运动，上述的结构设计增加了左右两个所述质量块内框2同向运动梁的等效刚度，抑制了左右两个所述质量块内框2的同向运动，从而使得左右两个所述质量块内框2的相对运动更易被激发，进而起到了隔离干扰模态的作用。
图3是市面上具有解耦框架和差分结构的一般MEMS陀螺仪，其并不具备本发明中的所述干扰模态隔离结构，它的前4阶模态为：质量块外框的同向运动（第一阶）、质量块外框的相对运动（第二阶）、质量块内框的同向运动（第三阶）、质量块内框的相对运动（第四阶）。其中，质量块外框的相对运动为驱动模态，质量块内框的相对运动为检测模态。它们中间存在质量块内框的同向运动这个干扰模态。
对本发明及现有技术的MEMS陀螺仪进行有限元模态仿真的对比实验，试验结果如图4所示。由图中可以看出，现有技术的MEMS陀螺仪同向干扰模态为13161Hz，在检测模态13168Hz前；而本发明的高精度MEMS陀螺仪同向干扰模态为24575Hz，在检测模态21394Hz后，这可以证明，本发明的高精度MEMS陀螺仪能够有效的抑制质量块内框的同向运动，即提高质量块内框的同向运动的固有频率，从而使质量块内框相对运动的的固有频率相对更小、达到模态隔离的作用。
本发明所提供的高精度MEMS陀螺仪，采用了一种组合梁式干扰模态隔离结构，将目前具有解耦框架和差分结构的MEMS陀螺仪的内框架进行了连接，从而提高了驱动模态与检测模态间的同向模态固有频率，使驱动模态与检测模态相邻，实现了隔离干扰模态的效果。
此外，本发明也为同领域内的其他技术方案提供了参考依据，可以以此为基础进行拓展延伸，运用于其他与MEMS陀螺仪有关的技术方案中，具体很高的使用及推广价值。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (2)
1.高精度MEMS陀螺仪，包括硅基底及两个质量块，两个所述质量块对称设置于所述硅基底上，两个所述质量块均为框架结构、由质量块外框（1）及质量块内框（2）组合而成，两个所述质量块外框（1）分别与所述硅基底上的锚点相连接；以整个所述高精度MEMS陀螺仪的中心点为原点，以两个所述质量块中心点连线所在的直线为X轴，以经过原点且垂直于X轴方向的直线为Y轴建立二维坐标系，所述高精度MEMS陀螺仪的整体结构分别关于X轴、Y轴对称；
两个所述质量块整体关于Y轴对称；
所述硅基底上设置有四个外侧锚点（3）及两个中心锚点（4），四个所述外侧锚点（3）及两个所述中心锚点（4）均分别关于X轴、Y轴对称；两个所述质量块外框（1）均悬挂设置于所述硅基底上，两个所述质量块外框（1）相背一侧的两顶角均分别借助一根外侧U型驱动折叠梁（5）与一所述外侧锚点（3）相连接，两个所述质量块外框（1）相向一侧的两顶角均分别借助一根内侧U型驱动折叠梁（6）与一所述中心锚点（4）相连接；
所述硅基底上固定设置有固定驱动梳齿（8），所述质量块外框（1）上固定设置有驱动梳齿（9），所述固定驱动梳齿（8）与所述驱动梳齿（9）二者交错设置、共同配合形成驱动电容；
所述质量块内框（2）的四个顶角均连接有一根U型检测折叠梁（7），每个所述质量块内框（2）均借助其顶角位置的四根所述U型检测折叠梁（7）设置于一所述质量块外框（1）内部；
所述硅基底上固定设置有固定检测梳齿（10），所述质量块内框（2）上固定设置有检测梳齿（11），所述固定检测梳齿（10）与所述检测梳齿（11）二者交错设置、共同配合形成检测电容；
其特征在于：还包括一分别关于X轴、Y轴对称的干扰模态隔离结构，两个所述质量块内框（2）借助所述干扰模态隔离结构相连接，所述干扰模态隔离结构为一组合梁式结构，所述干扰模态隔离结构由两根T型梁（12）及四根U型梁（13）组成，两根所述T型梁（12）关于X轴对称，四根所述U型梁（13）分别关于X轴、Y轴对称。
2.根据权利要求1所述的高精度MEMS陀螺仪，其特征在于：每根所述T型梁（12）均包括一个长连接端及两个短连接端，两根所述T型梁（12）上的长连接端分别与一所述中心锚点（4）相连接，两根所述T型梁（12）的两短连接端分别与一所述U型梁（13）的端部相连接，所述U型梁（13）上的剩余端部均与相邻的所述质量块内框（2）相连接，每个所述质量块内框（2）上均连接有两根所述U型梁（13）。
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