CN116519977A - 一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及陀螺仪技术领域，公开了一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，包括传感器封装外壳，传感器封装外壳中设置有由至少两组硅微结构组组成的惯性传感器，每组硅微结构组均由第一硅微结构和第二硅微结构组成，且第一硅微结构和第二硅微结构均由外框架和振子构成，振子与外框架之间通过弹性梁连接，弹性梁上设置有力敏电阻组，第一硅微结构和第二硅微结构的振子之间设置有质量块。本发明通过使用两组硅微结构，能够对质量块和振子产生限制，避免质量块和振子偏移过大，且两组硅微结构能够同时进行测量，进而在保证测量精准的同时，也能够对硅微结构本身进行有效的保护，提高传感器的使用寿命。

Description

一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器

技术领域

本发明涉及陀螺仪技术领域，更具体地说，它涉及一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器。

背景技术

六轴集成加速度计陀螺仪是一种常见的传感器组合，同时包含加速度计和陀螺仪两种传感器。这种组合通常用于测量物体的线性加速度和角速度。加速度计是一种测量物体在三个轴上加速度的传感器。它通过感知物体的运动状态来测量线性加速度，例如物体的加速度、减速度或静止状态。加速度计利用微电机制作的微小质量块来测量加速度。当物体加速时，质量块会受到一个力，从而导致微电机产生电压输出。六轴加速度计陀螺仪的集成是惯性传感器的重要研究方向之一。

公开号为CN102155944B的一件中国发明专利公开了一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器及其应用方法，其采用MEMS工艺在硅片上刻蚀微结构：振子、弹性梁和外框架，通过在振子表面粘接平衡质量块和非平衡质量块的方法实现加速度信号和角加速度信号的解耦，但是，由于弹性梁属于微小结构，在振子上增加质量块后，振子的惯性增大，在加速度较大时，由此带动弹性梁产生的形变也相对增大，从而使弹性梁结构容易产生不可逆形变甚至损毁。

发明内容

本发明提供一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，解决相关技术中在振子上增加质量块后振子惯性增加而导致测量加速度较大时结构容易产生不可逆形变的技术问题。

本发明提供了一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，包括传感器封装外壳，传感器封装外壳中设置有由至少两组硅微结构组组成的惯性传感器，每组硅微结构组均由第一硅微结构和第二硅微结构组成，且第一硅微结构和第二硅微结构均由外框架和振子构成，振子与外框架之间通过弹性梁连接，弹性梁上设置有力敏电阻组，第一硅微结构和第二硅微结构的振子之间设置有质量块，质量块的两侧分别与两个振子固定连接。

在一个优选的实施方式中，振子与外框架之间的弹性梁至少设置为四组，外框架与振子之间除弹性梁区域外均为活动空间，第一硅微结构的弹性梁与第二硅微结构的弹性梁之间相互错开设置。

在一个优选的实施方式中，外框架为正方形结构，振子为圆形结构，活动空间为分布在振子周围的等宽弧形结构。

在一个优选的实施方式中，质量块为均质块，均质块为圆盘形实心结构，均质块粘接在两组振子之间，使带有均质块的振子的重心集中在含有电阻的振子底面中心。

在一个优选的实施方式中，质量块也可以为非均质块，非均质块周围固定连接有多组延伸块，延伸块用于改变非均质块的质量分布状态。

在一个优选的实施方式中，延伸块包括延伸臂和加质块，延伸臂固定连接在非均质块的周围，加质块固定连接在延伸臂远离非均质块的一端。

在一个优选的实施方式中，加质块和延伸臂的厚度小于非均质块的厚度，加质块和延伸臂与振子之间留有间隙。

在一个优选的实施方式中，硅微结构组设置为三组，且三组硅微结构组分别分布在相互垂直的三个平面上，以增加测量方位。

在一个优选的实施方式中，第一硅微结构和第二硅微结构均采用MEMS工艺在硅片上刻蚀成型，力敏电阻组采用半导体掺杂工艺成型在弹性梁上，并将力敏电阻组组成电桥。

在一个优选的实施方式中，外框架固定安装在传感器封装外壳中，且传感器封装外壳中适配于振子的位置处设置有大于振子的活动空间，传感器封装外壳固定安装在被测物体上。

本发明的有益效果在于：

本发明通过使用两组硅微结构，能够对质量块和振子产生限制，避免质量块和振子偏移过大，且两组硅微结构能够同时进行测量，进而在保证测量精准的同时，也能够对硅微结构本身进行有效的保护，提高传感器的使用寿命；

本发明通过将第一硅微结构的弹性梁与第二硅微结构的弹性梁之间相互错开设置，使第一硅微结构和第二硅微结构的弹性梁对活动空间进行结构补充，同时，也能增加弹性梁的总体分布方向数量，从而提高对加速度方向的测量精度，对硅微结构提供了进一步的保护。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明单组硅微结构组的组成示意图。

图3是本发明第一硅微结构的主视图。

图4是本发明第二硅微结构的主视图。

图5是本发明单组硅微结构组的右视图。

图6是本发明单组硅微结构组中振子和质量块产生偏转状态分析图。

图7是本发明非均质块的结构示意图。

图8是本发明非均质块联通振子产生扭转状态分析图。

图9是本发明多组单组硅微结构组的组合示意图。

图10是基于第一硅微结构的力敏电阻分布（微结构底视图）示意图。

图11是基于第二硅微结构的力敏电阻分布（微结构底视图）示意图。

图中：100、传感器封装外壳；1、硅微结构组；1a、第一硅微结构；1b、第二硅微结构；11、外框架；12、振子；13、弹性梁；14、活动空间；2、质量块；21、均质块；22、非均质块；23、延伸块；231、延伸臂；232、加质块；3、力敏电阻组。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。应该理解，讨论这些实施方式只是为了使得本领域技术人员能够更好地理解从而实现本文描述的主题，可以在不脱离本说明书内容的保护范围的情况下，对所讨论的元素的功能和排列进行改变。各个示例可以根据需要，省略、替代或者添加各种过程或组件。另外，相对一些示例所描述的特征在其他例子中也可以进行组合。

如图1-图11所示，一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，包括传感器封装外壳100，传感器封装外壳100中设置有由至少两组硅微结构组1组成的惯性传感器，每组硅微结构组1均由第一硅微结构1a和第二硅微结构1b组成，且第一硅微结构1a和第二硅微结构1b均由外框架11和振子12构成，振子12与外框架11之间通过弹性梁13连接，弹性梁13上设置有力敏电阻组3，第一硅微结构1a和第二硅微结构1b的振子12之间设置有质量块2，质量块2的两侧分别与两个振子12固定连接。

需要说明的是，相对于公开号为CN102155944B的对比文件，本发明在使用测量时，质量块2可以增加两组振子12在测量加速度时的惯性，同时，两组硅微结构，也能够对质量块2和振子12产生限制，避免质量块2和振子12偏移过大，且两组硅微结构能够同时进行测量，从而提高测量参数的精准性，进而在保证测量精准的同时，也能够对硅微结构本身进行有效的保护，提高传感器的使用寿命。

振子12与外框架11之间的弹性梁13至少设置为四组，外框架11与振子12之间除弹性梁13区域外均为活动空间14，第一硅微结构1a的弹性梁13与第二硅微结构1b的弹性梁13之间相互错开设置，即第一硅微结构1a的弹性梁13对应第二硅微结构1b的活动空间14设置，第二硅微结构1b的弹性梁13对应第一硅微结构1a的活动空间14设置。

需要说明的是，通过采用上述弹性梁13的分配方式，可以使第一硅微结构1a和第二硅微结构1b的弹性梁13对活动空间14进行结构补充，同时，也能增加弹性梁13的总体分布方向数量，从而提高对加速度方向的测量精度，在测量与振子12平面相互倾斜的加速度时，质量块2连同振子12的角度发生偏转，可以参考附图6，以附图6中上部区域为例，第二硅微结构1b中上方的活动空间14对于第一硅微结构1a中上方的弹性梁13，若此时只有第二硅微结构1b结构（与对比文件中相同），由于活动空间14无法对弹性梁13形成限制，因此，质量块2上部产生向右的倾斜角α时，在活动空间14更加容易产生大幅度偏移，而通过第一硅微结构1a和第二硅微结构1b的组合设置，第一硅微结构1a中的弹性梁13对第二硅微结构1b中的活动空间14进行补充支持，第一硅微结构1a中上方的弹性梁13对振子12提供向左的反作用力F1，第一硅微结构1a中下方的弹性梁13对振子12提供向右的反作用力F2，从而在完成精准测量的同时，也对硅微结构提供了良好的保护。

进一步的，在上述技术方案中，外框架11为正方形结构，振子12为圆形结构，活动空间14为分布在振子12周围的等宽弧形结构，通过上述设置，多组硅微结构组1组合使用时，外框架11更容易组合拼接，而振子12设置为圆形，其本身质量分布更加均匀，降低测量误差。

质量块2为均质块21，均质块21为圆盘形实心结构，均质块21粘接在两组振子12之间，这样会使带有均质块21的振子的重心集中在含有电阻的振子底面中心，可以消除由离心力产生的角加速度信号。同时，质量块2也可以为非均质块22，非均质块22周围固定连接有多组延伸块23，延伸块23用于改变非均质块22的质量分布状态，使其成为质地分布更加分散的结构。

进一步的，延伸块23包括延伸臂231和加质块232，延伸臂231固定连接在非均质块22的周围，加质块232固定连接在延伸臂231远离非均质块22的一端，以增加结构在测量角加速度时产生的角位移量。

进一步的，加质块232和延伸臂231的厚度小于非均质块22的厚度，加质块232和延伸臂231与振子12之间留有间隙，从而避免延伸臂231和加质块232对硅微结构产生摩擦。

需要说明的是，本发明中可至少设置两组硅微结构组1，因此，可以使全部的硅微结构组1均使用非均质块22结构，使硅微结构组1既可以作为加速度计使用，也可以作为陀螺仪使用，同时，也可以设置一组硅微结构组1采用均质块21结构作为不受离心力影响的加速度计使用，另一组硅微结构组1采用非均质块22结构作为陀螺仪使用，而采用更多的硅微结构组1组合使用时，可以根据实际情况进行选择和组合，以提高测量效果。

硅微结构组1设置为三组，且三组硅微结构组1分别分布在相互垂直的三个平面上，以增加测量方位，提高测量效果和测量精度。

第一硅微结构1a和第二硅微结构1b均采用MEMS工艺在硅片上刻蚀成型，利用振子12和质量块2的惯性力测量三轴加速度和三轴角加速度，力敏电阻组3采用半导体掺杂工艺成型在弹性梁13上，并将力敏电阻组3组成电桥。

需要说明的是，为确保振子12和质量块2有活动空间14，外框架11固定安装在传感器封装外壳100中，且传感器封装外壳100中适配于振子12的位置处设置有大于振子12的活动空间14，传感器封装外壳100固定安装在被测物体上。

本发明所采用的单个硅微结构与对比文件中的硅微结构在原理上并无不同，因此关于力敏电阻组3的设置，以及解耦方法，均可参考上述对比文件中的所公开的技术方案，具体方案如下：

硅微结构实际为在硅片上，采用等离子体刻蚀和各向异性腐蚀方法得到微结构：振子12、四个弹性梁13和外框架11。四个弹性梁13连接振子12和外框架11，且关于结构中心对称分布，在微结构底面，采用半导体掺杂工艺在弹性梁13上制造出十二个力敏电阻，在每个弹性梁13的两端分别制作一个力敏电阻，在力敏电阻R5和R9的两端分别平行等距的制作两个力敏电阻。在电阻R10旁、远离弹性梁13处，制作相同的力敏电阻R13。

本发明硅微结构组1采用均质块21结构作为不受离心力影响的加速度计使用时（对应对比文件1中的粘接平衡质量块2的方案），作为参考电阻，电阻R1、R3、R5、R7组成电桥1，其输出电压U1反映加速度ax，电阻R2、R4、R6、R8组成电桥2，其输出电压U2反映加速度ay，电阻R9、R10、R13组成电桥3，其输出电压U3反映加速度az。

本发明硅微结构组1使用非均质块22结构，使硅微结构组1作为陀螺仪使用时（对应对比文件1中的粘接非平衡质量块的方案），电阻R2、R4、R8、R6组成电桥4，其输出电压U4反映角加速度x和加速度ay，电阻R1、R3、R7、R5组成电桥5，其输出电压U5反映角加速度y和加速度ax，电阻R9、R10、R11、R12组成电桥6，输出电压U6反映角加速度z，其中，对于使用非均质块22结构振子12的传感器的加速度、角加速度解耦方法：并列相邻安装带有均质块21振子12的传感器和带有非均质块22振子12的传感器，即六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，采用数字信号处理器对输出电压U1、U2、U3、U4、U5、U6进行计算，用U1、U2、U3计算出加速度ax、ay、az，再由U4、U5、U6和ax、ay、az解耦出角加速度z。

上面对本实施例的实施例进行了描述，但是本实施例并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实施例的启示下，还可做出很多形式，均属于本实施例的保护之内。

Claims (10)

1.一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，包括传感器封装外壳（100），所述传感器封装外壳（100）中设置有由至少两组硅微结构组（1）组成的惯性传感器，其特征在于，每组所述硅微结构组（1）均由第一硅微结构（1a）和第二硅微结构（1b）组成，且所述第一硅微结构（1a）和第二硅微结构（1b）均由外框架（11）和振子（12）构成，所述振子（12）与外框架（11）之间通过弹性梁（13）连接，所述弹性梁（13）上设置有力敏电阻组（3），所述第一硅微结构（1a）和第二硅微结构（1b）的振子（12）之间设置有质量块（2），所述质量块（2）的两侧分别与两个振子（12）固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，其特征在于，所述振子（12）与外框架（11）之间的弹性梁（13）至少设置为四组，所述外框架（11）与振子（12）之间除弹性梁（13）区域外均为活动空间（14），所述第一硅微结构（1a）的弹性梁（13）与第二硅微结构（1b）的弹性梁（13）之间相互错开设置。

3.根据权利要求2所述的一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，其特征在于，所述外框架（11）为正方形结构，所述振子（12）为圆形结构，所述活动空间（14）为分布在振子（12）周围的等宽弧形结构。

4.根据权利要求3所述的一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，其特征在于，所述质量块（2）为均质块（21），所述均质块（21）为圆盘形实心结构，所述均质块（21）粘接在两组振子（12）之间，使带有均质块（21）的振子的重心集中在含有电阻的振子底面中心。

5.根据权利要求3所述的一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，其特征在于，所述质量块（2）也可以为非均质块（22），所述非均质块（22）周围固定连接有多组延伸块（23），所述延伸块（23）用于改变非均质块（22）的质量分布状态。

6.根据权利要求5所述的一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，其特征在于，所述延伸块（23）包括延伸臂（231）和加质块（232），所述延伸臂（231）固定连接在非均质块（22）的周围，所述加质块（232）固定连接在延伸臂（231）远离非均质块（22）的一端。

7.根据权利要求6所述的一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，其特征在于，所述加质块（232）和延伸臂（231）的厚度小于非均质块（22）的厚度，所述加质块（232）和延伸臂（231）与振子（12）之间留有间隙。

8.根据权利要求4或7所述的一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，其特征在于，所述硅微结构组（1）设置为三组，且三组所述硅微结构组（1）分别分布在相互垂直的三个平面上，以增加测量方位。

9.根据权利要求8所述的一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，其特征在于，所述第一硅微结构（1a）和第二硅微结构（1b）均采用MEMS工艺在硅片上刻蚀成型，所述力敏电阻组（3）采用半导体掺杂工艺成型在弹性梁（13）上，并将力敏电阻组（3）组成电桥。

10.根据权利要求9所述的一种微型六轴集成加速度计陀螺仪的惯性传感器，其特征在于，所述外框架（11）固定安装在传感器封装外壳（100）中，且传感器封装外壳（100）中适配于振子（12）的位置处设置有大于振子（12）的活动空间，所述传感器封装外壳（100）固定安装在被测物体上。