CN109839104B - 单芯片多敏感单元的中心轴对称mems陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单芯片多敏感单元的中心轴对称MEMS陀螺仪，包括中心轴对称谐振陀螺仪本体，所述中心轴对称谐振陀螺仪本体包括至少两个敏感单元，所述敏感单元包括谐振环和电极，所述敏感单元呈径向分布且几何中心重合，所述敏感单元通过锚点连接，所述敏感单元的直径不同，所述敏感单元工作于不全相同的工作模式和振动模态，对每个敏感单元输出的信号进行分别处理，然后再进行数据融合。在一个芯片中集成多个敏感单元，各个敏感单元基于各自的工作模式分别工作于各自的振动模态，可以对输出信息进行融合或合并，从而大大提高性能。

Description

单芯片多敏感单元的中心轴对称MEMS陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种中心轴对称谐振陀螺仪，具体涉及一种单芯片多敏感单元的中心轴对称MEMS陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是测量载体相对惯性空间旋转运动的传感器，是运动测量、平台稳定、惯性导航、制导控制等领域的核心器件。基于微机电系统技术的MEMS 陀螺仪因纯固态、小体积、低功耗、高可靠性、低成本、易集成等特点，在大批量、小体积的工业和武器装备中广泛应用。

中心轴对称MEMS陀螺是目前新一代高精度微陀螺研究领域中热门选项之一。具有对称性好，灵敏度高，抗环境变量能力强等优点。

中心轴对称MEMS陀螺有两种工作模式，一种是力平衡模式（角速率输出），另一种叫全角模式（角速率积分输出）。前者具有精度高的优点，缺点是量程和带宽受到一定限制，另外刻度因子温度系数较大；后者的优缺点正好相反，量程和带宽都很大，可以直接输出角度，刻度因子是一个仅与结构相关的常量，温度系数很小，刻度因子稳定性好，但缺点是灵敏度分辨率受限于结构对称性，也就是工艺加工精度，零偏稳定性不如力平衡模式。如果把二者结合起来，相互取长补短，可以得到高精度、宽量程、宽频带性能较为完美的陀螺。

目前，基于半导体平面工艺的典型具有模态匹配特性的中心轴对称的微陀螺结构主要有四质量音叉结构和多环圆盘结构。其中，多环圆盘结构因具有较多的工作模态可选而被广泛研究。

对于多环圆盘结构而言，常用的工作模态有四节点模态和六节点模态二种。由于其四节点模态相比六节点模态具有更高角增益、更大模态质量等优点，使得四节点模态被较多地用作工作模态。但是，MEMS陀螺通常采用各向异性的硅材料制作，即便是采用(111)硅片，不可避免的晶向偏差仍对四节点模态的频率失配影响相对较大，而六节点模态则可以很好的避免该问题，因而六节点模态具有更小频率失配的优势。

发明内容

针对上述技术问题，本发明目的是：提供一种能单芯片多敏感单元的中心轴对称MEMS陀螺仪，在一个芯片中集成多个敏感单元，各个敏感单元基于各自的工作模式分别工作于各自的振动模态，对输出信息进行融合或合并，从而大大提高性能。

本发明的技术方案是：

一种单芯片多敏感单元的中心轴对称MEMS陀螺仪，包括中心轴对称谐振陀螺仪本体，所述中心轴对称谐振陀螺仪本体包括至少两个敏感单元，所述敏感单元包括谐振环和电极，所述敏感单元呈径向分布且几何中心重合，所述敏感单元通过锚点连接，所述敏感单元的直径不同，所述敏感单元工作于不全相同的工作模式和振动模态，对每个敏感单元输出的信号进行分别处理，然后再进行数据融合。

优选的技术方案中，所述敏感单元包括第一敏感单元和第二敏感单元，所述第一敏感单元的内环直径大于第二敏感单元的外环直径，且通过共用一个环形锚点固定，第一敏感单元位于环形锚点的外侧，第二敏感单元位于环形锚点的内侧，所述第一敏感单元采用四节点模态作为振动模态，所述第二敏感单元采用四节点或者六节点模态作为振动模态，所述第二敏感单元的模态频率高于第一敏感单元的模态频率。

优选的技术方案中，所述第一敏感单元采用正十六边形盘状结构或正三十二边形盘状结构，所述正十六边形盘状结构由多个正十六边形谐振环和辐条构成，所述正三十二边形盘状结构由多个正三十二边形谐振环和辐条构成，所有谐振环呈径向分布且几何中心重合，相邻的两个谐振环由周向均匀分布的辐条相连接。

优选的技术方案中，当所述第一敏感单元采用正十六边形盘状结构时，所述第二敏感单元采用正十六边形边盘状结构或者正十二边形盘状结构或者正二十四边形盘状结构，当所述第一敏感单元采用正三十二边形盘状结构时，所述第二敏感单元采用正十六边形边盘状结构，所述正十六边形盘状结构由多个正十六边形谐振环和辐条构成，所述正十二边形盘状结构由多个正十二边形谐振环和辐条构成，所述正二十四边形盘状结构由多个正二十四边形谐振环和辐条构成，所有谐振环呈径向分布且几何中心重合，相邻的两个谐振环由周向均匀分布的辐条相连接。

优选的技术方案中，将环形锚点外侧敏感单元工作在力平衡模式，环形锚点内侧的敏感单元工作于全角模式，共用一个多通道信号处理芯片。

优选的技术方案中，所述第二敏感单元中嵌套有第三敏感单元，所述第三敏感单元的直径小于第二敏感单元的内直径，所述第三敏感单元的锚点位于陀螺仪的中心位置，所述第三敏感单元的谐振频率高于第一、二敏感单元的谐振频率，所述第三敏感单元的谐振频率作为第一、二敏感单元的载波频率，或者将其输出的信号处理后与第一、二敏感单元输出的信号进行数据融合。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明的多个敏感单元既可以分别工作于具有某种互补特性的两个工作模式，如闭环速率(力平衡)模式、速率积分(全角)模式，也可分别工作于具有某种互补特性的两个振动模态，如四节点振动模态、六节点振动模态等。通过对两工作模式的陀螺输出信息进行融合或合并，使得多工作模式正多边形盘式陀螺具有以下优点：（1）实现自校准，提高某些性能指标，如稳定性，重复性，提高系统对外界环境变化，如振动，冲击等和内部环境变化，如温度，应力等的适应性；（2）拓展输出限制，可以得到一个量程大、又能保证低量程精度的输出，从而进一步拓展输出限制。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为内侧敏感单元选用第二敏感单元（正二十四边形）、外侧敏感单元选用第一敏感单元（正十六边形）的陀螺仪的结构示意图；

图2为外侧敏感单元的两振动模态图；

图3为内侧敏感单元的两振动模态图；

图4为具有三个敏感单元的陀螺仪的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例：

一种单芯片多敏感单元的中心轴对称MEMS陀螺仪，包括中心轴对称谐振陀螺仪本体，中心轴对称谐振陀螺仪本体包括至少两个敏感单元，敏感单元包括谐振环和电极，敏感单元呈径向分布且几何中心重合，敏感单元通过锚点连接，敏感单元的直径不同，敏感单元工作于不全相同的工作模式和振动模态，对每个敏感单元输出的信号进行分别处理，然后再进行数据融合。

敏感单元分为两种：第一类敏感单元、第二类敏感单元。第一类敏感单元采用四节点模态作为其工作模态；第二敏感单元可以采用四节点模态或者六节点模态作为其工作模态。

敏感单元可以是第一类敏感单元、第二类敏感单元的任意组合。通常，采用同类敏感单元时，工作于不同的工作模式，分别工作于闭环速率模式和速率积分模式，闭环速率模式也叫力平衡模式，速率积分模式也叫全角模式；采用异类敏感单元时，可以工作于相同的工作模式或者不同的工作模式，即可均工作于闭环速率模式，或分别工作于闭环速率模式和全角模式。

第一类敏感单元，通常采用正十六边形盘状结构或正三十二边形盘状结构。具体的结构举例说明如下，正十六边形盘状结构由多个正十六边形谐振环和辐条构成。所有谐振环呈径向分布且几何中心重合，相邻的两个谐振环由周向均匀分布的八根辐条相连接，径向相邻的辐条周向相差22.5度。正十六边形盘状结构整体关于中心轴呈八分之一旋转对称。正三十二边形盘状结构也具有类似的结构。

第一类敏感单元周向设置有16个电极，包括施力/检测电极、调频电极、正交消除电极。

第二类敏感单元，通常采用正十六边形盘状结构，当然正十二边形盘状结构或者正二十四边形盘状结构也行。当第一类敏感单元采用正十六边形盘状结构时，第二类敏感单元采用正十六边形边盘状结构或者正十二边形盘状结构或者正二十四边形盘状结构都可以，当第一类敏感单元采用正三十二边形盘状结构时，第二类敏感单元采用正十六边形边盘状结构，正十六边形盘状结构由多个正十六边形谐振环和辐条构成，正十二边形盘状结构由多个正十二边形谐振环和辐条构成，正二十四边形盘状结构由多个正二十四边形谐振环和辐条构成，具体的结构举例说明如下，正二十四边形盘状结构由多个正二十四边形谐振环和辐条构成。所有谐振环呈径向分布且几何中心重合，相邻的两个谐振环由周向均匀分布的十二根辐条相连接，径向相邻的辐条周向相差15度。正二十四边形盘状结构整体关于中心轴呈十二份之一旋转对称。正十六边形盘状结构可以与第一类敏感单元的正十六边形盘状结构相同，正十二边形盘状结构或者正二十四边形盘状结构也具有类似的结构。

第二类敏感单元设置有24个电极，包括施力/检测电极、调频电极、正交消除电极。

如图1所示，陀螺仪包括外侧敏感单元1、内侧敏感单元2和环形锚点3，外侧敏感单元1采用正十六边形盘状结构。外侧敏感单元1的内环直径大于内侧敏感单元2的外环直径，且通过共用一个环形锚点3固定，外侧敏感单元1位于环形锚点3的外侧，内侧敏感单元2位于环形锚点3的内侧，外侧敏感单元1采用四节点模态作为振动模态，内侧敏感单元2采用四节点或者六节点模态作为振动模态，内侧敏感单元2的模态频率高于外侧敏感单元1的模态频率。正十六边形盘状结构由多个正十六边形谐振环11和辐条12构成。所有正十六边形谐振环11呈径向分布且几何中心重合，相邻的两个谐振环11由周向均匀分布的八根辐条12相连接，径向相邻的辐条12周向相差22.5度。正十六边形盘状结构整体关于中心轴呈八分之一旋转对称。

外侧敏感单元以四节点振动模态作为工作模态，如图2所示，两个模态的轴向相差45度。科氏振动陀螺的工作原理均是以科里奥利效应为桥梁的两振动模态之间能量的相互转化。根据控制方式的不同，其可以工作在闭环速率模式，也可以工作在全角模式。工作在闭环速率模式时，驱动模态稳幅谐振，检测模态受静电反馈力束缚作微小振动，该静电反馈力的大小正比于输入角速度；工作在全角模式时，则通过相位差检测法得出谐振结构的进动角，进动角与输入角速度成一恒定比例关系，该比例即为正十六边形盘状结构的进动因子K。

闭环速率模式下，陀螺的灵敏度由振幅、频率等决定，振幅、频率受外界因素（温度、振动等）影响较大，这使闭环速率模式的精度受限。而全角模式的进动因子K通常受外界因素影响小，可实现更高精度，但其工作前提是模态匹配，模态失配将降低其漂移性能。

对于MEMS硅微陀螺，硅材料的各向异性属性，使得晶向偏差等不可避免的因素导致了盘式陀螺四节点模态的频率失配相对较大，而六节点模态较好地避免了该问题，从而具备更小的频率失配。因而本实施例中外侧敏感单元采用闭环速率模式。

外侧敏感单元1的外围周向设置有16个电极13，包括驱动模态的施力电极、检测电极、调频电极，敏感模态施力电极、检测电极、调频电极，以及正交消除电极。

内侧敏感单元2采用了正二十四边形盘状结构。正二十四边形盘状结构由多个正二十四边形谐振环21和辐条22构成。所有谐振环21呈径向分布且几何中心重合，相邻的两个谐振环21由周向均匀分布的十二根辐条22相连接，径向相邻的辐条22周向相差15度。正二十四边形盘状结构整体关于中心轴呈十二分之一旋转对称。

内侧敏感单元以六节点振动模态作为工作模态，如图3所示，两个模态的轴向相差30度。

为改善敏感结构的抗振动、抗干扰等特性，敏感结构需要最优的模态次序，最优模态次序即工作模态位于低频，其余模态频率均高于工作模态。常用的八分之一中心轴旋转对称结构的六节点模态频率高于四节点模态，通过将结构设计成十二分之一旋转对称结构，可实现六节点模态频率低于四节点模态。

内侧敏感单元2内侧周向设置有24个电极23，包含有驱动模态的施力电极、检测电极、调频电极，敏感模态施力电极、检测电极、调频电极，以及正交消除电极。

内侧敏感单元可被控制工作于全角模式，而外侧敏感单元被控制工作于闭环速率模式。两工作模式之间具有某些互补的特性，比如全角陀螺的量程和带宽远大于速率陀螺，而速率陀螺的灵敏度高于全角陀螺；又比如全角陀螺的环境适应性优于速率陀螺。因此两陀螺的输出信息可以相互参考，通过融合、合并等算法实现自校准，并拓宽输出限制。最终达到改善陀螺性能的目的。

当然，敏感单元的个数也可以为3个、4个、5个等等，图4所示为3个敏感单元的MEMS陀螺仪，该陀螺结构由3个敏感单元和2个锚点，最外侧的敏感单元的谐振环是一个正16边形蜘蛛网式谐振环31，该谐振环的特点是结构对称性对工艺精度的依赖性较小，其平均频差比通常的频率相同圆环式谐振陀螺要小7倍左右，蜘蛛网式谐振环外侧是一圈16个电极32，包含四个驱动电极，四个力平衡检测电极，四个正交误差调节电极和四个频差调谐电极，正16边形蜘蛛网式谐振环31和外侧是一圈16个电极32组成最外侧的敏感单元。中间位置有一圈环形锚点33，支撑着内外2个谐振环，环形锚点33的外侧悬挂的是上面所述的蜘蛛网式谐振环31，内侧悬挂了另一个谐振环（可以是圆环结构，也可以是正多边形结构），这个内悬式谐振环34的特点是第一谐振模态就是工作模态（n=2,即四节点振动模态），与寄生模态的频差大，模态耦合阻尼小，模态能量损耗小，可以用作全角工作模式。内悬式谐振环34内侧还有一个直径较小的谐振环（可以是圆环结构，也可以是正多边形结构），其锚点在中心位置的中心锚点4，称之为外悬式谐振环35。内悬式谐振环34和外悬式谐振环35这两个谐振环之间是一组共用电极36，共用电极36可以是16个电极，用于n=2工作模态，其电极的功能与外圈电极一样。也可以是12个电极用于六节点振动模态（n=3）工作模态。n=3模态的特点是对称性很好，几乎不要另加频率调谐电极。内悬式谐振环34和外悬式谐振环35（中心）共用这一组电极。当然，也可以在这一组电极基础上，再增加一组背靠背电极，把两个谐振环的信号进行分别的控制和处理。内悬式谐振环34和共用电极36组成中间的敏感单元，外悬式谐振环35和共用电极36组成内侧的敏感单元。

三个谐振环的谐振频率不一样。最外面的谐振环直径大，谐振频率较低，一般几个kHz至十几个kHz。中间内悬谐振环的谐振频率一般在几十个kHz，而中心谐振环35的谐振频率最高，为数百kHz至1MHz。内部两个谐振环虽然用的是公共电极，但是因为工作频率不一样，可以用带通滤波器分开。而多个谐振子的输出信号可以互为参考信号，通过一定数据融合可以消除零偏误差和刻度因子误差。

中心谐振环35的频率还可以当作外环谐振子的载波频率，即最外环的信号被内环的谐振频率所调制。共用一个多通道信号处理芯片，不仅可以有效地消除低频噪声，还可以抑制外部振动引起的信号变化，这是因为高频谐振器对于低频振动不敏感，其输出信号可以作为低频谐振器的参考信号，通过一定的算法自动剔除低频谐振器感应到的振动响应信号。

多谐振子陀螺的中间内悬谐振环工作在全角模式下，其刻度因子是一个与温度无关的常量，可以用全角模式的刻度因子去自动修正力平衡模式的刻度因子。采用刻度因子自交准方法，再通过数据融合对输出信号进行处理，即保留力平衡模式的高零偏稳定性的特点，又保留全角模式的刻度因子稳定性好的优点。另外，通过数据融合还可以实现低量程（力平衡模式）与高量程（全角模式）之间的自动切换。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (2)

1.一种单芯片多敏感单元的中心轴对称MEMS陀螺仪，包括中心轴对称谐振陀螺仪本体，其特征在于，所述中心轴对称谐振陀螺仪本体包括至少两个敏感单元，所述敏感单元包括谐振环和电极，所述敏感单元呈径向分布且几何中心重合，所述敏感单元通过锚点连接，所述敏感单元的直径不同，所述敏感单元工作于不全相同的工作模式和振动模态，对每个敏感单元输出的信号进行分别处理，然后再进行数据融合；

所述敏感单元包括第一敏感单元和第二敏感单元，所述第一敏感单元的内环直径大于第二敏感单元的外环直径，且通过共用一个环形锚点固定，第一敏感单元位于环形锚点的外侧，第二敏感单元位于环形锚点的内侧，所述第一敏感单元采用四节点模态作为振动模态，所述第二敏感单元采用四节点或者六节点模态作为振动模态，所述第二敏感单元的模态频率高于第一敏感单元的模态频率；

所述第一敏感单元采用正十六边形盘状结构或正三十二边形盘状结构，所述正十六边形盘状结构由多个正十六边形谐振环和辐条构成，所述正三十二边形盘状结构由多个正三十二边形谐振环和辐条构成，所有谐振环呈径向分布且几何中心重合，相邻的两个谐振环由周向均匀分布的辐条相连接；

当所述第一敏感单元采用正十六边形盘状结构时，所述第二敏感单元采用正十六边形边盘状结构或者正十二边形盘状结构或者正二十四边形盘状结构，当所述第一敏感单元采用正三十二边形盘状结构时，所述第二敏感单元采用正十六边形边盘状结构，所述正十六边形盘状结构由多个正十六边形谐振环和辐条构成，所述正十二边形盘状结构由多个正十二边形谐振环和辐条构成，所述正二十四边形盘状结构由多个正二十四边形谐振环和辐条构成，所有谐振环呈径向分布且几何中心重合，相邻的两个谐振环由周向均匀分布的辐条相连接；

将环形锚点外侧敏感单元工作在力平衡模式，环形锚点内侧的敏感单元工作于全角模式，共用一个多通道信号处理芯片。

2.根据权利要求1所述的单芯片多敏感单元的中心轴对称MEMS陀螺仪，其特征在于，所述第二敏感单元中嵌套有第三敏感单元，所述第三敏感单元的直径小于第二敏感单元的内直径，所述第三敏感单元的锚点位于陀螺仪的中心位置，所述第三敏感单元的谐振频率高于第一、二敏感单元的谐振频率，所述第三敏感单元的谐振频率作为第一、二敏感单元的载波频率，或者将其输出的信号处理后与第一、二敏感单元输出的信号进行数据融合。

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