CN1766528B - 具有较高灵敏度和带宽的差分式微机械陀螺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了具有较高灵敏度和带宽的差分式微机械陀螺，它以硅作为衬底材料，采用多晶硅或单晶硅材料形成微结构；其特点包括驱动电极、驱动检测电极、检测电极、带驱动梳齿的驱动框架、用于连接驱动框架的柔性杆、驱动框架内带检测梳齿的检测框架、将检测框架与驱动框架相连的柔性杆等；整个结构由柔性杆支撑并悬浮于衬底上方；并采用了直流自动增益控制闭环驱动电路。具有较高灵敏度和带宽，结构紧凑，稳定性好，使用寿命较长等优点。

Description

具有较高灵敏度和带宽的差分式微机械陀螺
技术领域
本发明属于微电子机械技术领域中的微机械陀螺，特别涉及具有较高灵敏度和带宽的差分式微机械陀螺。
技术背景
微机械电子系统(MEMS)是利用微加工技术将电子器件和机械装置集成在同一块硅片上，同时使其具有特定功能的系统。其中电子器件是利用集成电路加工技术制造的，而机械装置是利用与集成电路加工技术兼容的微机械制造工艺加工而成的。因此使得使用标准工艺在单芯片上实现整个系统集成成为可能。
MEMS最广泛的应用就是设计和制造微型传感器。使用传感器的机电部分产生敏感信息，而电子部分则对机电部分产生的信息进行处理。MEMS陀螺就是用于测量角速度的MEMS传感器。
在MEMS陀螺仪中，振动式硅微机械陀螺仪是最常见的一种。这种陀螺利用哥式效应检测角速度的大小。其基本工作原理如下所述：首先使检测质量块沿驱动方向作线振动或者角振动，进入驱动模态；当沿敏感轴方向有角速度输入时，在检测轴方向就会出现哥式力，迫使检测质量块沿检测方向有位移产生。输入角速度和哥式力的大小成正比关系，因此通过检测哥式力引起的位移变化量就可以直接得到输入角速度的信息。
目前，已有多种振动式微机械陀螺的结构，其中差分结构设计的也很多，如《传感技术(Journal of Transducer Technology)1998年第17卷第1期》“硅微机械音叉陀螺检测灵敏度与固有频率的关系”，该文设计的微机械陀螺其检测模态的设计只能满足高灵敏度的要求，无法保证陀螺具有较高带宽。还有专利号为US6837108B公开的美国专利“一种大动态范围的微机械陀螺仪”(Increasing the dynamic range of a MEMS gyroscope)中所述，虽然该微机械陀螺有较大动态测试范围以及灵敏度，但是仍然无法保证其具有较高带宽。由此可以看到，现有设计的大多数微机械陀螺结构都能满足较高灵敏度的要求，而还无法同时满足既有较高灵敏度又有较高带宽的要求。
微机械陀螺的灵敏度和带宽是其重要性能参数，陀螺的灵敏度和带宽是一对矛盾体，即陀螺要想获得较高灵敏度就必须减小其带宽，而如果提高陀螺带宽其灵敏度就会大大降低。目前大多数微机械陀螺结构的设计采用以下两种方法：(1)频率精确匹配法(EFM)：即驱动频率和检测频率完全相同，使用这种方法可以保证陀螺具有较高灵敏度和信噪比，但是陀螺带宽就非常窄；(2)频率近似匹配法(NFM)，即陀螺的驱动频率和感应频率之间存在一定频率差，通过这样的设计方法可以明显提高陀螺的带宽，但是陀螺灵敏度又大大下降了。因此，采用现有的陀螺结构的设计方法都无法同时满足较高的灵敏度和带宽要求。
发明内容
本发明对现有微机械陀螺技术进行系统的分析，其目的是设计同时具有较高灵敏度和带宽的差分式微机械陀螺。
本发明设计的具有较高灵敏度和带宽的差分式微机械陀螺，以Si为衬底、衬底上有以多晶硅或单晶硅为材料的微机械结构；其特点有：
a、在结构中含有驱动电极、驱动检测电极和检测电极、带驱动梳齿的驱动框架、用于连接驱动框架的柔性杆、驱动框架内带检测梳齿的检测框架、及将检测框架与驱动框架相连的柔性杆，整个结构由柔性杆支撑并悬浮于衬底上方；
b、沿驱动轴方向具有较小刚度系数的柔性杆将两个对称分布的驱动框架连接起来，同时其它柔性杆通过锚点将驱动框架支撑并悬浮在衬底上；在驱动力作用下驱动框架以相同的频率相向运动；
c、两个检测框架分别被柔性杆固定连接在两个驱动框架内，并且每个检测框架具有各自的检测频率；
d、驱动框架左、右两侧有驱动检测电极，用于拾取陀螺在驱动方向上电容的变化；
e、驱动框架上、下两侧有驱动电极，作用在驱动电极上的电压产生陀螺的静电驱动力；
f、检测框架内有固定检测电极，用于拾取陀螺在检测方向上电容的变化用于检测陀螺所受哥式力的大小，驱动框架内检测框架的振动方向与陀螺驱动方向相互垂直；驱动电极与驱动检测电极形成闭环回路激励陀螺进入驱动模态。
以上所述微机械陀螺的结构采用解耦设计，同时陀螺驱动电极，驱动检测电极和检测电极都是梳齿结构。驱动框架及柔性杆保证两个驱动框架以相同驱动频率fd相向运动。
以上所述的每一个检测框架由四根对称分布于框架四个顶角的梁支撑并与驱动框架连接，两个驱动框架由四根对称分布的梁支撑，并使用柔性杆将两个驱动框架连接在一起，同时这四根梁和一根柔性杆将整个陀螺结构支撑并悬浮于衬底上。
以上所述的用于连接两个驱动框架的柔性杆和支撑驱动框架的柔性杆使两个驱动框架以相同驱动频率fd相向运动，即相位差为180°，同时该谐振频率在10～20Hz的范围内。
以上所述的两个驱动框架内的两个检测框架的结构与支撑检测框架的柔性杆结构有差异，使得两个检测框架在检测y轴方向的固有频率分别为fs1和fs2，驱动框架的驱动频率为fd，同时满足fs1≤fd≤fs2的条件；则陀螺输出信号的带宽BW≈fs2-fs1。
本发明设计的具有较高灵敏度和带宽的差分式微机械陀螺，还包括驱动、检测电路；陀螺采用直流自动增益控制闭环驱动电路激励，当某一个驱动框架受静电驱动力作用后沿水平方向运动，另一个驱动框架上的驱动检测梳齿就会检测到电容的变化的电容信号，变化的电容信号经过连接的前置电容/电压转换器产生驱动检测电压电信号，检测电压电信号通过连接的带通滤波器、放大器、相位调整器后，一部分检测电压信号通过连接的限幅电路，产生限幅方波信号；另一部分检测电压信号通过分电路连接的整流器、低通滤波器，并与参考电压相减，再通过连接的放大器放大后产生直流信号；而直流信号与方波信号相加后作为静电驱动电压作用在陀螺驱动梳齿上，驱动整个驱动框架在某一幅度范围内，以角速度ωd振动。
检测框架在哥式力作用下振动，检测电容输出的检测信号通过连接的放大电路与C/V转换电路转换成电压检测信号，电压检测信号再通过连接的带通滤波器BPF滤波后，并将经过带通滤波器BPF滤波后的电压检测信号，经过连接的相位调整器相移的驱动电压信号进行相位敏感解调，此时，经过解调的信号通过再放大和相移运算后，输出包含输入角速度信息的信号。
本发明设计一种具有较高灵敏度和带宽的差分式微机械陀螺相比背景技术，突出的实质性特点及显著进步为：
1、采用差分式近似频率匹配(DNFM)的方法设计微机械陀螺结构，保证陀螺具有较高灵敏度；
2、检测框架具有不同固有频率保证了这种结构的微机械陀螺具有较高的带宽。
3、陀螺的结构紧凑，稳定性好，使用寿命较长。
附图说明
图1是差分式微机械陀螺俯视图；
图2是差分式微机械陀螺驱动；
图3是检测电路示意图；
图4是差分式微机械陀螺输出信号幅频特性图；
图5是分别采用EFM、NFM、DNFM方法时的幅频特性曲线。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
图1所示，具有较高灵敏度和带宽的差分式微机械陀螺，以硅为衬底、衬底上有以多晶硅或单晶硅为材料的微机械结构；其结构组成和特点有：
a、在结构中包括驱动电极1、驱动检测电极2、检测电极3、带驱动梳齿4的驱动框架5、用于连接驱动框架的柔性杆6、驱动框架内带检测梳齿7的检测框架8、及将检测框架与驱动框架相连的柔性杆11，整个结构由柔性杆支撑并悬浮于衬底上方；
b、沿驱动轴方向具有较小刚度系数的柔性杆将两个对称分布的驱动框架连接起来，同时其它柔性杆通过锚点9将驱动框架支撑并悬浮在衬底10上；在驱动力作用下驱动框架以相同的频率相向运动；
c、两个检测框架分别被柔性杆固定连接在两个驱动框架内，并且每个检测框架具有各自的检测频率；
d、驱动框架左、右两侧有驱动检测电极，用于拾取陀螺在驱动方向上电容的变化；
e、驱动框架上、下两侧有驱动电极，作用在驱动电极上的电压产生陀螺的静电驱动力；
f、检测框架内有固定检测电极，用于拾取陀螺在检测方向上电容的变化，用于检测陀螺所受哥式力的大小，驱动框架内检测框架的振动方向与陀螺驱动方向相互垂直；驱动电极与驱动检测电极形成闭环回路激励陀螺进入驱动模态。
g、所述的质量块的质量是含有驱动框架、检测框架、驱动框架与检测框架上的梳齿、支撑并连接检测框架与驱动框架的柔性杆等的质量总和；
h、两驱动框架的柔性杆采用解耦结构梁；支撑检测框架的四根柔性杆采用蟹形梁，对称分布在检测框架的四个顶角；支撑驱动框架采用两对弓形梁，并对称分布驱动框架。
i、以上所述的每一个检测框架由四根对称分布于框架四个顶角的梁支撑并与驱动框架连接，两个驱动框架由四根对称分布的梁支撑，并使用柔性杆将两个驱动框架连接在一起，同时这四根梁和一根柔性杆将整个陀螺结构支撑并悬浮于衬底上。
以上所述的用于连接两个驱动框架的柔性杆和支撑驱动框架的柔性杆使两个驱动框架以相同驱动频率fd相向运动，即相位差为180°，同时该谐振频率在10～20Hz的范围内。
以上所述的两个驱动框架内的两个检测框架的结构与支撑检测框架的柔性杆结构有差异，使得两个检测框架在检测y轴方向的固有频率分别为fs1和fs2，驱动框架的驱动频率为fd，同时满足fs1≤fd≤fs2的条件；则陀螺输出信号的带宽BW≈fs2-fs1。
图2和图3所示，差分式微机械陀螺驱动与是检测电路示意图。
具有较高灵敏度和带宽的差分式微机械陀螺还包括驱动、检测电路。陀螺采用直流自动增益控制闭环驱动电路激励，当某一个驱动框架受静电驱动力作用后沿水平方向运动，另一个驱动框架上的驱动检测梳齿就会检测到电容的变化量DRS1，DRS2，变化的电容信号经过连接的前置电容/电压(C/V)转换器产生驱动检测电压，驱动检测电压信号通过连接的带通滤波器、放大器、相位调整器后，一部分检测电压信号通过连接的限幅电路，产生频率为ωd的限幅方波信号；另一部分检测电压信号通过分电路连接的整流器、低通滤波器，并与参考电压相减，再通过连接的放大器后放大产生直流信号；而直流信号与方波信号相加后作为静电驱动电压作用在陀螺驱动梳齿上；驱动整个驱动框架在1～10μm幅度范围内，以角速度ωd振动。在驱动模态下，Z轴方向有输入的角速度，检测框架将在哥式力的作用下按照4～20Hz频率在Y轴方向上下振动，此时检测梳齿上的电容CS1，CS2，CS3，CS4将会发生变化。将检测电容上变化的电容检测信号通过连接的放大电路与C/V转换电路转换成电压检测信号，然后，再通过连接的带通滤波器BPF滤波，将经过带通滤波器BPF滤波后的电压检测信号，并将这个检测梳齿上检测信号输如给连接的相位调整器，而由驱动检测电压信号通过连接的带通滤波器、放大器后抽头且经过相移器把驱动信号也输入给连接的相位调整器，由相位调整器进行相位敏感解调，此时，经过相位调整器解调的信号再通过连接的放大器、相移器的放大及相移运算后，便输出包含输入角速度信息的信号。
图4所示，为具有较高灵敏度和带宽的差分式微机械陀螺的输出信号幅频特性图。图中线101表示检测框架的幅频曲线，线102表示检测框架的幅频曲线，曲线的峰值表明了对应框架结构的固有频率，由此可知检测框架的固有频率为fs1，检测框架的固有频率为fs2；检测框架幅频曲线的交接点处为驱动框架的驱动频率fd；线103表示检测框架幅频曲线的拟合曲线。从图中可以看出，采用近似频率匹配法设计的微机械陀螺，它的带宽为(fs1-fd)或(fd-fs2)，而利用差分式近似频率匹配设计的微机械陀螺的带宽约为|fs1-fs2|≈2(fs1-fd)≈2(fd-fs2)。所以，采用差分式结构设计可以有效提高陀螺带宽。
图5所示，为具有较高灵敏度和带宽的差分式微机械陀螺分别采用EFM、NFM、DNFM方法时的幅频曲线。从图中可以看到，采用EFM法陀螺的灵敏度很高，但是带宽却很低；采用NFM方法设计的陀螺带宽可以达到很高但是相应地其灵敏度却非常低；采用DNFM方法，当(fs1-fs2)＝40Hz(60Hz)时，其带宽比采用EFM法时明显提高，其灵敏度又介于EFM和NFM之间，说明采用DNFM方法可以有效解决陀螺灵敏度和带宽之间的矛盾。
本发明是具有较高灵敏度和带宽的差分式微机械陀螺仪，衬底为硅材料，采用多晶硅或单晶硅材料。是采用微机械表面加工工艺和体硅加工工艺相结合的微机械加工方式加工而成的。

Claims (5)

1.一种具有较高灵敏度和带宽的差分式微机械陀螺，以硅为衬底、衬底上是以多晶硅或单晶硅为材料的微机械结构；其特征在于：
a、在结构中含有驱动电极、驱动检测电极、检测电极、带驱动梳齿的驱动框架、用于连接驱动框架的柔性杆、驱动框架内带检测梳齿的检测框架、及将检测框架与驱动框架相连的柔性杆；整个结构由柔性杆支撑并悬浮于衬底上方；
b、沿驱动轴方向具有较小刚度系数的柔性杆将两个对称分布的驱动框架连接起来，同时其它柔性杆通过锚点将驱动框架支撑并悬浮在衬底上；在驱动力作用下驱动框架以相同的频率相向运动；
c、两个检测框架分别被柔性杆固定连接在两个驱动框架内，并且每个检测框架具有各自的检测频率；
d、驱动框架左、右两侧有驱动检测电极，用于拾取陀螺在驱动方向上电容的变化；
e、驱动框架上、下两侧有驱动电极，作用在驱动电极上的电压产生陀螺的静电驱动力；
f、检测框架内有固定检测电极，用于拾取陀螺在检测方向上电容的变化，驱动框架内检测框架的振动方向与陀螺驱动方向相互垂直。
2.根据权利要求1所述的一种具有较高灵敏度和带宽的差分式微机械陀螺，其特征在于：所述的每一个检测框架由四根对称分布于框架四个顶角的梁支撑并与驱动框架连接，两个驱动框架由四根对称分布的梁支撑，并使用柔性杆将两个驱动框架连接在一起，同时这四根梁和一根柔性杆将整个陀螺结构支撑并悬浮于衬底上。
3.根据权利要求1所述的一种具有较高灵敏度和带宽的差分式微机械陀螺，其特征在于：所述的用于连接两个驱动框架的柔性杆和支撑驱动框架的柔性杆使两个驱动框架以相同驱动频率fd相向运动，即相位差为180°，同时该谐振频率在10～20Hz的范围内。
4.根据权利要求1所述的一种具有较高灵敏度和带宽的差分式微机械陀螺，其特征在于：所述的两个驱动框架内的两个检测框架的结构与支撑检测框架的柔性杆结构有差异，使得两个检测框架在检测y轴方向的固有频率分别为fs1和fs2，驱动框架的驱动频率为fd，同时满足fs1≤fd≤fs2的条件；则陀螺输出信号的带宽BW≈fs2-fs1。
5.根据权利要求1所述的一种具有较高灵敏度和带宽的差分式微机械陀螺，其特征在于：还包括驱动、检测电路；陀螺采用直流自动增益控制闭环驱动电路激励，当某一个驱动框架受静电驱动力作用后沿水平方向运动，另一个驱动框架上的驱动检测梳齿就会检测到电容的变化的电容信号，变化的电容信号经过连接的前置电容/电压转换器产生驱动检测电压电信号，检测电压电信号通过连接的带通滤波器、放大器、相位调整器后，一部分检测电压信号通过连接的限幅电路，产生限幅方波信号；另一部分检测电压信号通过分电路连接的整流器、低通滤波器，并与参考电压相减，再通过连接的放大器放大后产生直流信号；而直流信号与方波信号相加后作为静电驱动电压作用在陀螺驱动梳齿上，驱动整个驱动框架在1～10μm幅度范围内，以角速度ωd振动；在驱动模态下，Z轴方向有输入的角速度，检测框架将在哥式力的作用下按照10～20Hz频率在Y轴方向上下振动，此时检测梳齿上的电容(CS1)、(CS2)(CS3)、(CS4)将会发生变化。将检测电容上变化的电容检测信号通过连接的放大电路与C/V转换电路转换成电压检测信号，然后，再通过连接的带通滤波器BPF滤波，将经过带通滤波器BPF滤波后的电压检测信号，并将这个检测梳齿上检测信号输入给连接的相位调整器，而由驱动检测电压信号通过连接的带通滤波器、放大器后抽头且经过相移器把驱动信号也输入给连接的相位调整器，由相位调整器进行相位敏感解调，此时，经过相位调整器解调的信号再通过连接的放大器、相移器的放大及相移运算后，便输出包含输入角速度信息的信号。
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Gadola et al. 600 µdps/√ Hz, 1.2 mm2 MEMS Pitch Gyroscope

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