CN115235442B - 具有音叉式驱动机构的解耦型双质量硅微机械陀螺仪结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有音叉式驱动机构的解耦型双质量硅微机械陀螺仪结构，用于测量垂直于基座水平的角速率测量仪器，由上层单晶硅、中间层单晶硅、下层单晶硅构成，上层单晶硅为布置有信号输入/出的引线的硅微机械振动陀螺仪封装盖板，中间层单晶硅片上制作的为硅微机械振动陀螺仪机械结构，下层单晶硅为布置有固定基座的硅微机械振动陀螺仪衬底，中间层单晶硅密封在由上层单晶硅和下层单晶硅形成的密闭空腔。本发明机械耦合误差小、机械灵敏度高、振动灵敏度低和温度灵敏度低，能实现驱动结构与检测结构运动解耦、大幅度振动和检测输出解耦。

Description

具有音叉式驱动机构的解耦型双质量硅微机械陀螺仪结构

技术领域

本发明属于微电子机械系统和微惯性测量技术，特别是一种具有音叉式驱动机构的解耦型双质量硅微机械陀螺仪结构。

背景技术

硅微机械陀螺是一种测量转动角速率的惯性传感器，采用微机械加工技术实现结构加工，并可以与其测控电路完全集成在一个硅片上，从而具有体积小、成本低、重量轻、可靠性高等优点，在军民两用领域有着重要的应用价值。

目前，我国硅微机械陀螺仪实验室环境下的性能已从普通车用级发展到了接近战术级水平(1°/h)。硅微机械陀螺从实验室走向实际应用场合所要解决的两个关键问题是振动环境适应性和温度环境适应性。南京理工大学研制的工字型结构的硅微机械振动陀螺(201511004405.3)在振动量级为7.0grms时，振动变化量<10°/h，全温范围内的零偏稳定性接近10°/h，具备了工程化应用能力。在研究中发现，在目前工艺水平下，硅微机械陀螺的机械耦合误差较大，正交耦合误差小于300°/s和同相耦合误差小于10°/s的结构芯片约有40.3％。机械耦合误差对硅微机械振动陀螺性能有很大的影响，其中正交耦合误差将限制硅微机械陀螺的量程，而同相耦合误差则影响温度特性。机械耦合误差主要来源于驱动结构，陀螺结构驱动结构与检测结构运动解耦可以大大降低耦合误差。南京理工大学(202110014421.X)提出了一种解耦型双质量硅微机械陀螺结构，与其他解耦型陀螺结构相比，驱动结构布置在单质量块的中间，减小了因驱动结构分散而造成的刻蚀误差，从而降低了耦合误差及其温度系数。双质量陀螺实际上是一个整体结构，左右质量块构成一个驱动谐振器。左右质量块的驱动结构隔得较远，仍然存在一定的刻蚀差异。此外，该结构的质量块为框架式结构，则易造成质量块分布不均，从而影响力/力矩不平衡，产生耦合误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对工艺误差灵敏低、机械耦合误差小、振动灵敏度低和温性能优异的硅微机械振动陀螺，同时实现驱动结构与检测结构的运动解耦和大幅度振动。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种具有音叉式驱动机构的解耦型双质量硅微机械陀螺仪结构，包括上层单晶硅，下层单晶硅，密封在由上层单晶硅和下层单晶硅之间的中间层单晶硅；

设置在中间层单晶硅上的硅微机械振动陀螺仪机械结构，包括一个驱动结构、四个检测结构、多根连接梁、两根横梁和两根扭杆；其中驱动结构包括了音叉式驱动机构、两个质量块、多个检测隔离梁、两个连接块和多根驱动梁；

所述音叉式驱动机构位于驱动结构的中间，两个质量块分别位于音叉式驱动机构左右两侧；所述质量块的内侧通过检测隔离梁与音叉式驱动机构相连，外侧通过检测隔离梁与连接块相连；所述连接块通过其上下两侧的驱动梁与固定基座相连；所述质量块上下两侧通过驱动梁与位于其上下的检测结构相连；所述检测结构的一端通过检测梁与固定基座相连，另一端通过连接梁与横梁相连；所述横梁中间通过扭杆与位于音叉式驱动机构侧端中间的固定基座相连；所有的固定基座与上层单晶硅和下层单晶硅的固定基座相连，使中间层单晶硅的机械结构悬空在上层单晶硅与下层单晶硅之间。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)音叉式驱动机构位于整个硅微机械振动陀螺结构中间，用于驱动位于其左右的结构，在工艺上，大大提高了驱动梳齿刻蚀的均匀性，从而降低机械耦合误差；(2)音叉式驱动机构锚点位于结构中间，则大大减小了温度变化造成的锚点位移变化，从而减小了同相耦合误差和正交耦合误差的温度系数，则提高了硅微机械振动陀螺在温度环境下的性能；(3)左右质量块的驱动结构采用紧凑型的音叉式驱动机构，结构尺寸均匀性好，且左右结构的运动一致性和同步性好；(4)两个质量块为整体结构，质量分布均匀性好，则由工艺误差造成的非理想力/力矩小，产生的耦合误差则小；(5)两个质量块与检测结构之间以及质量块与音叉式驱动机构之间通过合理的支撑梁连接，实现了音叉式驱动机构运动与检测结构运动的解耦，从而大大降低了非理想情况下音叉式驱动机构运动耦合到检测结构。

附图说明

图1是本发明一种具有音叉式驱动机构的解耦型双质量硅微机械陀螺仪结构剖面示意图。

图2是本发明一种具有音叉式驱动机构的解耦型双质量硅微机械陀螺仪结构示意图。

图3是本发明硅微机械振动陀螺仪结构的驱动结构示意图。

图4是本发明硅微机械振动陀螺仪结构的变间距检测结构示意图。

图5是本发明硅微机械陀螺仪结构的变面积检测结构示意图。

图6是本发明硅微机械陀螺仪结构的开环检测方案的梳齿结构示意图。

图7是本发明硅微机械陀螺仪结构的闭环检测方案的梳齿结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

本发明的一种具有音叉式驱动机构的解耦型双质量硅微机械陀螺仪结构，用于测量垂直于基座水平的角速率测量仪器，由上层单晶硅101、中间层单晶硅102和下层单晶硅103构成，上层单晶硅101为布置有信号输入/出的引线104、吸气剂105以及固定基座106的硅微机械振动陀螺封装盖板，中间层单晶硅102上制作的为硅微机械振动陀螺仪机械结构，下层单晶硅103为布置有固定基座107的硅微机械振动陀螺仪衬底，中间层单晶硅102密封在由上层单晶硅101和下层单晶硅103形成的密闭空腔中。

中间层单晶硅102的硅微机械振动陀螺仪机械结构包括一个驱动结构、四个检测结构、多根连接梁、两根横梁和两根扭杆，其中驱动结构包括了音叉式驱动机构、两个质量块、多个检测隔离梁、两个连接块和多根驱动梁。音叉式驱动机构位于驱动结构的中间，两个质量块分别位于音叉式驱动机构左右两侧，质量块的一侧通过检测隔离梁与音叉式驱动机构相连，另一侧通过检测隔离梁与连接块相连，连接块通过其上下两侧的驱动梁与固定基座相连。质量块上下两侧通过驱动梁与位于其上下的检测结构相连，检测结构的一端通过检测梁与固定基座相连，检测结构的另一端通过连接梁与横梁相连，横梁中间再通过扭杆与固定基座相连。所有的固定基座与上层单晶硅和下层单晶硅的固定基座相连，使中间层单晶硅的机械结构悬空在上层单晶硅与下层单晶硅之间。整个结构呈中心十字对称。

具体的，结合图2和图3，本实施例的一种具有音叉式驱动机构的解耦型双质量硅微机械陀螺仪结构的中间层单晶硅片上的硅微机械振动陀螺机械结构由驱动结构200、第一检测结构300a、第二检测结构300b、第三检测结构400a、第四检测结构400b、第一连接梁5a、第二连接梁5b、第三连接梁5c、第四连接梁5d、第一横梁6a、第二横梁6b、第一扭杆7a、第二扭杆7b、第一检测梁8a、第二检测梁8b、第三检测梁8c、第四检测梁8d、第五检测梁8e、第六检测梁8f、第七检测梁8g、第八检测梁8h、第一固定基座9a、第二固定基座9b、第三固定基座9c、第四固定基座9d、第五固定基座9e和第六固定基座9f组成。

驱动结构200由音叉式驱动机构201、第一质量块211、第二质量块221、第一检测隔离梁212a、第二检测隔离梁212b、第三检测隔离梁212c、第四检测隔离梁212d、第五检测隔离梁222a、第六检测隔离梁222b、第七检测隔离梁222c、第八检测隔离梁222d、第一驱动梁213a、第二驱动梁213b、第三驱动梁213c、第四驱动梁213d、第五驱动梁213e、第六驱动梁213f、第七驱动梁223a、第八驱动梁223b、第九驱动梁223c、第十驱动梁223d、第十一驱动梁223e、第十二驱动梁223f、第一连接块214、第二连接块224、第七固定基座9g、第八固定基座9h、第九固定基座9i和第十固定基座9j组成。

音叉式驱动机构201位于驱动结构200的中间，通过第一检测隔离梁212a、第二检测隔离梁212b与布置在其左边的第一质量块211相连，通过第五检测隔离梁222a、第六检测隔离梁222b与布置在其右边的第二质量块221相连。

第一质量块211左边通过第三检测隔离梁212c、第四检测隔离梁212d与第一连接块214相连(第三检测隔离梁212c、第四检测隔离梁212d分别与第一检测隔离梁212a、第二检测隔离梁212b的位置正对，横向和纵向两两对齐)，第一连接块214上下两端分别通过第三驱动梁213c、第四驱动梁213d与第七固定基座9g、第八固定基座9h相连；第一质量块211的上端通过对称的第一驱动梁213a、第二驱动梁213b与位于其上方的第一检测结构300a相连，第一检测结构300a上端中间通过其上方的第一连接梁5a与第一横梁6a相连，第一检测结构300a下端中间通过对称设置的第一检测梁8a、第二检测梁8b与第三固定基座9c相连，第一检测梁8a、第二检测梁8b与第三固定基座9c位于第一检测结构300a与第一质量块211之间。第一质量块211下端通过对称的第五驱动梁213e、第六驱动梁213f与位于其下方的第二检测结构300b相连(第五驱动梁213e、第六驱动梁213f与第一驱动梁213a、第二驱动梁213b的位置正对，横向和纵向两两对齐)，第二检测结构300b下端中间通过位于其下方的第四连接梁5d与第二横梁6b相连，第二检测结构300b上端中间通过位于其上方的对称设置的第三检测梁8c、第四检测梁8d与第四固定基座9d相连，第三检测梁8c、第四检测梁8d与第四固定基座9d位于第二检测结构300b与第一质量块211之间。

第二质量块221与第一质量块211对称设置，第二质量块221右边通过对称设置的第七检测隔离梁222c、第八检测隔离梁222d与第二连接块224相连，第二连接块224上下两端分别通过第九驱动梁223c、第十驱动梁223d与第九固定基座9i、第十固定基座9j相连；第二质量块221上端通过第七驱动梁223a、第八驱动梁223b与位于其上方的第三检测结构400a相连，第三检测结构400a上端通过其上方的第二连接梁5b与第一横梁6a相连，第三检测结构400a下端通过第五检测梁8e、第六检测梁8f与第五固定基座9e相连，第五检测梁8e、第六检测梁8f与第五固定基座9e位于第三检测结构400a与第二质量块221之间。第二质量块221下端通过第十一驱动梁223e、第十二驱动梁223f与位于其下方的第四检测结构400b相连，第四检测结构400b下端通过位于其下方的第三连接梁5c与第二横梁6b相连，第四检测结构400b上端通过位于其上方的第七检测梁8g、第八检测梁8h与第六固定基座9f相连，第七检测梁8g、第八检测梁8h与第六固定基座9f位于第四检测结构400b与第二质量块221之间。

第一横梁6a中间通过第一扭杆7a与位于音叉式驱动机构上端中间第一固定基座9a相连，第二横梁6b中间通过第二扭杆7b与位于音叉式驱动机构下端中间第二固定基座9b相连。第一固定基座9a、第二固定基座9b、第三固定基座9c、第四锚点固定基座9d、第五固定基座9e、第六固定基座9f、第七固定基座9g、第八固定基座9h、第九固定基座9i和第十固定基座9j与上、下层单晶硅上对应的固定基座键合。

结合图3，本发明一种具有音叉式驱动机构的解耦型双质量硅微机械陀螺仪结构的音叉式驱动机构201包括第一驱动框202a、第二驱动框202b、第十三驱动梁203a、第十四驱动梁203b、第十五驱动梁203c、第十六驱动梁203d、第十七驱动梁203e、第十八驱动梁203f、第十九驱动梁203g、第二十驱动梁203h、第一基梁204a、第二基梁204b、第一锚点梁205a、第二锚点梁205b、第三锚点梁205c、第四锚点梁205d、第十一固定基座9k、第一驱动梳齿固定电极206a、第二驱动梳齿固定电极206b、第三驱动梳齿固定电极206c、第四驱动梳齿固定电极206d、第一驱动检测梳齿固定电极207a、第二驱动检测梳齿固定电极207b、第三驱动检测梳齿固定电极207c、第四驱动检测梳齿固定电极207d、第五驱动检测梳齿固定电极207e、第六驱动检测梳齿固定电极207f、第七驱动检测梳齿固定电极207g、第八驱动检测梳齿固定电极207h。

所述第一驱动框202a和第二驱动框202b分别位于第十一固定基座9k的左右两侧，第一驱动框202a的上端通过关于其对称设置第十三驱动梁203a和第十四驱动梁203b与第一基梁204a相连，第一驱动框202a的下端通过第十五驱动梁203c和第十六驱动梁203d与第二基梁204b相连；第二驱动框202b的上端通过第十七驱动梁203e和第十八驱动梁203f与第一基梁204a相连，第二驱动框202b的下端通过第十九驱动梁203g和第二十驱动梁203h与第二基梁204b相连。第一基梁204a中间通过并列布置的第一锚点梁205a和第二锚点梁205b与第十一固定基座9k的上端相连；第二基梁204b通过并列布置的第三锚点梁205c和第四锚点梁205d与第十一固定基座9k的下端相连。第一锚点梁205a、第二锚点梁205b、第三锚点梁205c、第四锚点梁205d和第十一固定基座9k位于音叉式驱动机构201中间。并列布置的锚点梁可以大大增加音叉式驱动机构在检测方向的刚度，从而减小了由于加工误差产生y方向力对质量块及检测结构的影响。

第一驱动框202a上设置了活动梳齿，部分活动梳齿与位于第一驱动框202a中间的第一驱动梳齿固定电极206a和第二驱动梳齿固定电极206b上的固定梳齿构成驱动梳齿电容；部分活动梳齿与位于第一驱动框202a上端的第一驱动检测梳齿固定电极207a、第二驱动测梳齿固定电极207b、位于第一驱动框202a下端的第三驱动检测梳齿固定电极207c和第四驱动检测梳齿固定电极207d上的固定梳齿构成驱动检测梳齿电容；第一驱动梳齿固定电极206a和第二驱动梳齿固定电极206b并排排列，布置在第一驱动框202a的中间，第一驱动检测梳齿固定电极207a和第二驱动测梳齿固定电极207b并排排列，布置在第一驱动框202a的上端，第三驱动检测梳齿固定电极207c和第四驱动检测梳齿固定电极207d并排排列，布置在第一驱动框202a的下端。第二驱动框202b与第一驱动框202a对称设置，其上设置了活动梳齿，部分活动梳齿与第三驱动梳齿固定电极206c和第四驱动梳齿固定电极206d上的固定梳齿构成驱动梳齿电容；部分活动梳齿与第五驱动检测梳齿固定电极207e、第六驱动检测梳齿固定电极207f、第七驱动检测梳齿固定电极207g和第八驱动检测梳齿固定电极207h的固定梳齿构成驱动检测梳齿电容；第三驱动梳齿固定电极206c和第四驱动梳齿固定电极206d并排排列，布置在第二驱动框202b的中间，第五驱动检测梳齿固定电极207e和第六驱动检测梳齿固定电极207f并排排列，布置在第二驱动框202b的上端，第七驱动检测梳齿固定电极207g和第八驱动检测梳齿固定电极207h并排排列，布置在第二驱动框202b的下端。

在第一驱动梳齿固定电极206a和第四驱动梳齿固定电极206d施加带直流偏置的交流电压，在第二驱动梳齿固定电极206b和第三驱动梳齿固定电极206c施加带直流偏置的反相交流电压，形成双边驱动；第一驱动框202a、第二驱动框202b上的部分活动梳齿与第一驱动检测梳齿固定电极207a、第四驱动检测梳齿固定电极207d、第六驱动检测梳齿固定电极207f、第七驱动检测梳齿固定电极207g构成的驱动检测电容，第一驱动框202a、第二驱动框202b上的部分活动梳齿与第二驱动测梳齿固定电极207b、第三驱动检测梳齿固定电极207c、第五驱动检测梳齿固定电极207e和第八驱动检测梳齿固定电极207h构成驱动检测电容，这两组驱动检测电容形成差分电容检测。

本发明一种具有音叉式驱动机构的解耦型双质量硅微机械陀螺仪结构的检测结构可采用梳齿电容的变间距检测和变面积检测两种方案，图4为陀螺检测结构的变间距检测方案。结合图2和图4，第一检测结构300a与第二检测结构300b组成及结构完全相同，且对称布置在第一质量块211的上下两侧。第一检测结构300a包括第一检测框架311a、第一、二检测梳齿固定电极312a、312b、第一检测活动梳齿313a和第一检测固定梳齿314a；第一检测活动梳齿313a布置在第一检测框架311a上，第一检测固定梳齿314a布置在第一、二检测梳齿固定电极312a、312b上。第一检测活动梳齿313a与第一检测固定梳齿314a构成检测梳齿电容，第一检测结构300a与第二检测结构300b的检测梳齿电容构成差分检测。

图5为陀螺检测结构的变面积检测方案，第一检测结构300a包括第一检测框架311a、第一、二检测梳齿固定电极312a、312b、检测活动梳齿臂315、检测活动梳齿316、检测固定梳齿臂317和检测固定梳齿318；第一检测框架上布置检测活动梳齿臂315，检测活动梳齿臂315上布置检测活动梳齿316，检测梳齿固定电极上布置检测固定梳齿臂317，检测固定梳齿臂317上布置检测固定梳齿318，检测活动梳齿316与检测固定梳齿318构成检测梳齿电容。

本发明一种具有音叉式驱动机构的解耦型双质量硅微机械陀螺仪结构可采用开环和闭环两种方案，以梳齿电容的变间距检测结构进行说明。

图6为该陀螺开环检测的检测梳齿结构示意图，由第一、二、三、四检测梳齿固定电极312a、312b、312c、312d、第五、六、七、八检测梳齿固定电极412a、412b、412c、412d、第一、二、三、四固定检测梳齿314a、314b、414a、414b和分别布置在第一、二、三、四检测框311a、311b、411a、411b上的第一、二、三、四活动检测梳齿313a、313b、413a、413b构成陀螺开环检测的检测梳齿结构，第一、二、三、四、五、六、七、八检测梳齿固定电极312a、312b、312c、312d、412a、412b、412c、412d、上的第一、二、三、四固定检测梳齿412a、412b、412c、412d和分别布置在第一、二、三、四检测框311a、311b、411a、411b上的第一、二、三、四活动检测梳齿313a、313b、413a、413b对插组成八组检测梳齿电容；第一、二检测梳齿固定电极312a、312b上的第一固定检测梳齿314a与第一活动检测梳齿313a构成第一、二检测电容D1、D2，第三、四检测梳齿固定电极312c、312d上的第二固定检测梳齿314b与第二活动检测梳齿313b构成第三、四检测电容D3、D4，第一、二检测电容D1、D2与第三、四检测电容D3、D4的梳齿对称排列，构成了差分检测，用于检测第一、二检测框架300a、300b在y轴向的运动位移；第五、六检测梳齿固定电极412a、412b上的第三固定检测梳齿414a与第三活动检测梳齿413a构成第五、六检测电容D5、D6，第七、八检测梳齿固定电极412c、412d上的第四固定检测梳齿414b与第四活动检测梳齿413b构成第二检测电容D7、D8，第五、六检测电容D5、D6与第七、八检测电容D7、D8的梳齿对称排列，构成了差分检测，用于检测第三、四检测框架400a、400b在y轴向的运动位移；第一、二检测电容D1、D2与第五、六检测电容D5、D6的梳齿排列相同，第三、四检测电容D3、D4与第七、八检测电容D7、D8的梳齿排列相同，由于第一、二检测框架300a、300b与第三、四检测框架400a、400b做相向运动，则第一、二检测电容D1、D2与第三、四检测电容D3、D4构成差分检测后，与第五、六检测电容D5、D6与第七、八检测电容D7、D8构成的差分检测再一次形成差分检测，两次差分检测大大抑制了加工误差和同向运动对输出的影响。

闭环检测的检测梳齿结构如附图7所示。由第一、二、三、四检测梳齿固定电极312a、312b、312c、312d、第五、六、七、八检测梳齿固定电极412a、412b、412c、412d、第一、二、三、四施力梳齿固定电极316a、316b、316c、316d、第五、六、七、八施力梳齿固定电极416a、416b、416c、416d、第一、二、三、四固定检测梳齿314a、314b、414a、414b和分别布置在第一、二、三、四检测框311a、311b、411a、411b上的第一、二、三、四活动检测梳齿313a、313b、413a、413b构成陀螺闭环检测的检测梳齿结构，在第一、二施力梳齿固定电极316a、316b上也设置第一固定检测梳齿314a，在第三、四施力梳齿固定电极316c、316d上也设置第二固定检测梳齿314b，在第五、六施力梳齿固定电极416a、416b上也设置第三固定检测梳齿414a，在第七、八施力梳齿固定电极416c、416d上也设置第二固定检测梳齿414b。

第一、二、三、四、五、六、七、八检测梳齿固定电极312a、312b、312c、312d、412a、412b、412c、412d和第一、二、三、四、五、六、七、八施力梳齿固定电极316a、316b、316c、316d、416a、416b、416c、416d上的第一、二、三、四固定检测梳齿314a、314b、414a、414b与分别布置在第一、二、三、四检测框311a、311b、411a、411b上的第一、二、三、四活动检测梳齿313a、313b、413a、413b对插组成八组检测梳齿电容和八组施力电容；第一、二检测梳齿固定电极312a、312b上的第一固定检测梳齿314a与第一活动检测梳齿313a构成第一、二检测电容D1、D2，第三、四检测梳齿固定电极312c、312d上的第二固定检测梳齿314b与第二活动检测梳齿313b构成第三、四检测电容D3、D4，第一、二检测电容D1、D2与第三、四检测电容D3、D4的梳齿对称排列，构成了差分检测，用于检测第一、二检测框架300a、300b在y轴向的运动位移；第五、六检测梳齿固定电极412a、412b上的第三固定检测梳齿414a与第三活动检测梳齿413a构成第五、六检测电容D5、D6，第七、八检测梳齿固定电极412c、412d上的第四固定检测梳齿414b与第四活动检测梳齿413b构成第二检测电容D7、D8，第五、六检测电容D5、D6与第七、八检测电容D7、D8的梳齿对称排列，构成了差分检测，用于检测第三、四检测框架400a、400b在y轴向的运动位移。第一、二检测电容D1、D2与第五、六检测电容D5、D6的梳齿排列相同，第三、四检测电容D3、D4与第七、八检测电容D7、D8的梳齿排列相同，由于第一、二检测框架300a、300b与第三、四检测框架400a、400b做相向运动，则第一、二检测电容D1、D2与第三、四检测电容D3、D4构成的差分检测，与第五、六检测电容D5、D6与第七、八检测电容D7、D8构成的差分检测再一次形成差分检测，两次差分检测大大抑制了加工误差和同向运动对输出的影响。

第一、二施力梳齿固定电极316a、316b上的第一固定检测梳齿314a与第一检测框上的第一活动检测梳齿313a构成第一、二施力电容A1、A2，第三、四施力梳齿固定电极316c、316d上的第二固定检测梳齿314b与第二检测框上的第二活动检测梳齿313b构成第三、四施力电容A3、A4，第五、六施力梳齿固定电极416a、416b上的第三固定检测梳齿414a与第三检测框上的第三活动检测梳齿413a构成第五、六施力电容A5、A6，第七、八施力梳齿固定电极416c、416d上的第四固定检测梳齿414b与第四检测框上的第四活动检测梳齿413b构成第七、八施力电容A7、A8。第一、二施力电容A1、A2与第三、四施力电容A3、A4的梳齿反对称排列，在第一、二施力梳齿固定电极316a、316b和第三、四施力梳齿固定电极316c、316d上施加反相交流电压，产生同向交流力，该交流力与第一质量块211上的哥氏力反向。第五、六施力电容A5、A6与第七、八施力电容A7、A8的梳齿反对称排列，在第五、六施力梳齿固定电极416a、416b和第七、八施力梳齿固定电极416c、416d上施加反相交流电压，产生同向交流力，该交流力与第二质量块221上的哥氏力反向。检测电容D1～D8与施力电容A1～A8形成闭环检测，施力电容产生的交流力与哥氏力相同，从而将第一、二、三、四检测结构300a、300b、400a、400b和第一、二质量块211、221控制在平衡位置。

在音叉式驱动机构201的第一驱动梳齿固定电极206a和第四驱动梳齿固定电极206d施加带直流偏置的交流电压(通过上层单晶硅的输入线输入)，在第二驱动梳齿固定电极206b和第三驱动梳齿固定电极206c施加带直流偏置的反相交流电压(通过上层单晶硅的输入线输入)，分别在第一驱动框202a和第二驱动框202b上产生幅值相等、相差180度的交变静电驱动力，静电驱动力幅值为：

式中，n为驱动活动梳齿数，ε为介电常数，h为陀螺结构的厚度，d为梳齿间距，U_d为驱动电压的直流偏置电压，U_a为交流电压，ω_d为交流电压的角频率。因此，第一第一驱动框202a带着质量块211、第二驱动框202b带着第二质量块221在静电驱动力的作用下，沿驱动轴(x轴)作相向简谐线振动。

第一驱动框202a的部分活动梳齿与第一驱动检测梳齿固定电极207a、第二驱动测梳齿固定电极207b、第三驱动检测梳齿固定电极207c和第四驱动检测梳齿固定电极207d上的固定梳齿构成驱动检测梳齿电容，第二驱动框202b上的部分活动梳齿与第五驱动检测梳齿固定电极207e、第六驱动检测梳齿固定电极207f、第七驱动检测梳齿固定电极207g和第八驱动检测梳齿固定电极207h的固定梳齿构成驱动检测梳齿电容，用于检测驱动振动，并反馈给驱动梳齿电容上使其做出调整，从而实现闭环驱动。

当驱动模态处于谐振时，线振动位移为：

式中，k_x为陀螺驱动轴(x轴)的弹性刚度，Q_x为驱动模态的品质因数，t为时间。线振动速度为：

当陀螺仪有绕z轴的外界输入角速率ω_z时，根据右手定则，陀螺检测轴(Y轴)受到哥氏加速度的作用，其大小为：

式中，为输入角速率和线振动速度之间右旋夹角。

设第一、二质量块211、221质量为m_s，则作用在检测结构上的哥氏力为：

哥氏力的方向与哥氏加速度方向相反，因此，作用在第一质量块211和第二质量块221上的哥氏力方向相反。在哥氏力的作用下，第一质量块211连同第一、二检测框架311a、311b、第二质量块221连同第三、四检测框架411a、411b沿着检测轴(y轴)作相向简谐线振动。这样，使得活动检测梳齿与固定检测梳齿之间的间隙按一定的简谐振动规律变动，电容差值信号通过上层单晶硅的输出线经电子线路处理后，可获得输出电压信号。输出电压信号为第一检测结构300a、第二检测结构300b、第三检测结构400a和第四检测结构400b输出电压信号之和，且输出电压信号的大小正比于输入角速率的大小。通过鉴相器比较输出电压信号与激励信号的相位关系，则可判明输入角速率的方向。

本发明专利一种具有音叉式驱动机构的解耦型双质量硅微机械陀螺仪结构的驱动结构位于整个陀螺结构的中间，减小工艺误差对陀螺性能的影响。本发明专利的一种具有音叉式驱动机构的解耦型双质量硅微机械陀螺仪结构采用了SOI工艺制备，圆片测试数据统计结果表明，本发明专利的陀螺结构正交耦合误差小于100°/s且同相耦合误差小于1°/s的结构芯片约80％，温度下的性能大大提高。相对于其他解耦型陀螺，本发明专利的发明效果显著。

Claims (6)

1.一种具有音叉式驱动机构的解耦型双质量硅微机械陀螺仪结构，包括上层单晶硅，下层单晶硅，密封在由上层单晶硅和下层单晶硅之间的中间层单晶硅；其特征在于：

设置在中间层单晶硅上的硅微机械振动陀螺仪机械结构，包括一个驱动结构、四个检测结构、多根连接梁、两根横梁和两根扭杆；其中驱动结构包括了音叉式驱动机构、两个质量块、多个检测隔离梁、两个连接块和多根驱动梁；

所述音叉式驱动机构位于驱动结构的中间，两个质量块分别位于音叉式驱动机构左右两侧；所述质量块的内侧通过检测隔离梁与音叉式驱动机构相连，外侧通过检测隔离梁与连接块相连；所述连接块通过其上下两侧的驱动梁与固定基座相连；所述质量块上下两侧通过驱动梁与位于其上下的检测结构相连；所述检测结构的一端通过检测梁与固定基座相连，另一端通过连接梁与横梁相连；所述横梁中间通过扭杆与位于音叉式驱动机构侧端中间的固定基座相连；所有的固定基座与上层单晶硅和下层单晶硅的固定基座相连，使中间层单晶硅的机械结构悬空在上层单晶硅与下层单晶硅之间；

所述音叉式驱动机构通过左右设置的两个检测隔离梁分别与左右两侧的质量块内侧相连；所述质量块外侧通过两个检测隔离梁与连接块相连；四个检测隔离梁横向和纵向两两对齐；所述连接块上下两端通过驱动梁对称的连接有一个固定基座；所述质量块的上下两端分别通过两个驱动梁连接有一个检测结构，四个驱动梁横向和纵向两两对齐；所述检测结构外侧中间通过连接梁与一个横梁相连，内侧中间通过两个对称的检测梁与一个固定基座相连；位于音叉式驱动机构上端的两个检测结构通过横梁，与位于音叉式驱动机构上端中间的同一个固定基座相连；位于音叉式驱动机构下端的两个检测结构，通过另一个横梁与位于音叉式驱动机构下端中间的另一个固定基座相连；

所述音叉式驱动机构包括位于整个机构中间的固定基座，位于固定基座左右两侧的驱动框，位于固定基座上下两侧的基梁；

所述驱动框上下两端分别通过对称设置的两个驱动梁与一个基梁相连；所述基梁中间通过并列布置的两个锚点梁与音叉式驱动机构中间的固定基座相连；所述驱动框中间设有驱动梳齿电容，上下两端对称的设有驱动检测梳齿电容。

2.根据权利要求1所述的具有音叉式驱动机构的解耦型双质量硅微机械陀螺仪结构，所述驱动梳齿电容包括两个驱动梳齿固定电极和部分活动梳齿，该两个驱动梳齿固定电极并排排列；所述驱动检测梳齿电容包括两个驱动检测梳齿固定电极和部分活动梳齿，该两个驱动检测梳齿固定电极并排排列；

位于两个驱动框外侧的驱动梳齿固定电极施加带直流偏置的交流电压，位于两个驱动框内侧的驱动梳齿固定电极施加带直流偏置的反相交流电压，形成双边驱动；两个驱动框的驱动检测电容形成差分电容检测。

3.根据权利要求1所述的具有音叉式驱动机构的解耦型双质量硅微机械陀螺仪结构，所述检测结构采用采用梳齿电容的变间距检测结构，包括第一检测框架、第一、二检测梳齿固定电极、第一检测活动梳齿和第一检测固定梳齿；所述第一检测活动梳齿布置在第一检测框架上，第一检测固定梳齿布置在第一、二检测梳齿固定电极上；第一检测活动梳齿与第一检测固定梳齿构成检测梳齿电容，第一检测结构与第二检测结构的检测梳齿电容构成差分检测。

4.根据权利要求3所述的具有音叉式驱动机构的解耦型双质量硅微机械陀螺仪结构，采用开环检测的检测梳齿结构，所述音叉式驱动机构左右同侧的两个检测结构构成了差分检测，用于检测该侧检测框架在y轴向的运动位移；音叉式驱动机构两侧的检测结构形成第两次差分检测。

5.根据权利要求3所述的具有音叉式驱动机构的解耦型双质量硅微机械陀螺仪结构，采用闭环检测的检测梳齿结构，四个检测框上的第一、二、三、四检测活动梳齿与布置在检测梳齿固定电极上的第一、二、三、四固定检测梳齿构成陀螺闭环检测的检测梳齿结构，所述音叉式驱动机构左右同侧的两个检测结构构成了差分检测，用于检测该侧检测框架在y轴向的运动位移；音叉式驱动机构两侧的检测结构形成第两次差分检测；四个检测框上的第一、二、三、四检测活动梳齿与布置在施力梳齿固定电极上的第一、二、三、四固定检测梳齿构成陀螺闭环检测的施力电容，检测结构和施力电容形成闭环检测，在第一、二施力梳齿固定电极和第三、四施力梳齿固定电极上施加反相交流电压，产生同向交流力，该交流力与作用在第一质量块上的哥氏力反向；在第五、六施力梳齿固定电极和第七、八施力梳齿固定电极上施加反相交流电压，产生同向交流力，该交流力与作用在第二质量块上的哥氏力反向，从而将第一、二、三、四检测结构和第一、二质量块控制在平衡位置。

6.根据权利要求1所述的具有音叉式驱动机构的解耦型双质量硅微机械陀螺仪结构，所述检测结构采用梳齿电容的变面积测结构，包括第一检测框架、第一、二检测梳齿固定电极、检测活动梳齿臂、检测活动梳齿、检测固定梳齿臂和检测固定梳齿；所述第一检测框架上布置检测活动梳齿臂，检测活动梳齿臂上布置检测活动梳齿，检测梳齿固定电极上布置检测固定梳齿臂，检测固定梳齿臂上布置检测固定梳齿，检测活动梳齿与检测固定梳齿构成检测梳齿电容。