CN220153593U - 一种可实现干扰模态隔离的解耦型音叉硅微机械陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种可实现干扰模态隔离的解耦型的音叉硅微机械陀螺仪，包括基底、驱动质量块、检测质量块、耦合结构、转动框架、弹簧梁。驱动质量块和检测质量块由弹簧梁支撑悬浮在XY平面内，驱动模态下陀螺左右侧边的驱动质量块带动检测质量块分别沿Y轴方向反相振动；当有Z轴角速度输入时，左右侧边的检测质量块受科氏力作用分别沿X轴方向反相振动；转动框架实现驱动质量块间耦合，使驱动质量块在XY平面内振动，并限制其他方向上的位移；耦合结构可以抑制检测质量块的同相运动。本申请提出的陀螺能降低工艺误差对陀螺产生的影响，提高陀螺的鲁棒性和热稳定性，抑制机械耦合干扰，增强抗线加速度响应能力，实现陀螺性能和可靠性的提升。
Description
技术领域
本实用新型属于微机电系统MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)领域，具体涉及一种Z轴MEMS陀螺仪。
背景技术
硅微机械陀螺是一种采用微纳加工技术在硅半导体上制作而成的惯性传感器，可用于测量角速度或者角位移。与传统光学陀螺、机械转子式陀螺相比，MEMS陀螺具有体积小、可靠性高、重量小、功耗低、可批量生产等优点，目前被广泛的运用在汽车、工业控制、导航系统、消费电子等诸多领域，具有非常大的市场前景和发展潜力。
面向市场的MEMS陀螺仪主要为电容式振动陀螺仪，其主体包括驱动质量块、检测质量块、弹簧梁，这些结构在弹簧梁的连接和支撑下处于悬浮可动状态。驱动信号作用下，驱动质量块带动检测质量块在驱动方向上振动；当有与陀螺的XY平面垂直方向的角速度输入时，检测质量块在科氏力作用下沿检测方向振动，使检测电容发生变化，通过检测其差分电容变化量可以测得输入角速度。
音叉式微机械陀螺的音叉结构两端的一致性要求很高。根据国内加工一致性的条件，谐振梁的宽度误差在0.1um左右。而谐振频率对尺寸等非常敏感，这就造成两端结构的谐振频率很难一致。当两端结构存在差异时，会导致陀螺仪的整体性能下降，稳定性变差。
另外，当工艺误差导致音叉结构两端的驱动质量不对称时，现有的驱动耦合结构，如转动横梁，会出现转动中心偏离，导致共模误差增大。即使横梁中间受短固支梁约束强制使转动中心回到中心位置，但由于短固支梁面内刚度大导致陀螺的驱动模态的位移减小。
特别地，传统音叉陀螺两端的检测质量块互不相关，检测质量块的同相模态和反相模态的频率相差过小，两个模态间容易出现耦合干扰。陀螺工作过程中无法有效隔离同相干扰模态，检测质量块也容易受外界线加速度的影响，造成震动输出误差。针对以上问题，以下提出一种解决方案。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种可实现干扰模态隔离的解耦型的音叉硅微机械陀螺仪，通过左右侧边的驱动质量块和检测质量块分别进行耦合，降低陀螺的工艺误差灵敏度，提高鲁棒性和热稳定性；左右侧边的检测质量块间的耦合结构能够增大干扰模态和检测模态间的频率差，降低两者之间的相互影响；微机械陀螺的驱动模态和检测模态解耦，降低模态间的相互干扰。
为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：
提出了一款MEMS陀螺仪，包其包括基底、驱动质量块、检测质量块、耦合结构、转动框架、弹簧梁；所述陀螺仪的平面结构关于所述X轴方向和所述Y轴方向对称；
进一步地，所述驱动质量块至少通过一组驱动梁和固定锚点相连接，从而使其能够保持于所述XY平面内；所述驱动质量块上设置驱动活动电极和驱动检测活动电极，能够和对应的设置在锚点上的驱动固定电极和驱动检测固定电极构成驱动电容和驱动检测电容；
进一步地，所述的转动框架通过十字支撑梁和固定锚点相连接，从而使其能在XY平面内绕固定锚点振动，同时限制其它方向的位移；所述转动框架通过连接梁和左右两侧的驱动质量块相连，从而实现驱动力的耦合；
进一步地，所述的检测质量块至少通过检测隔离梁和驱动质量块相连，从而使其能够跟随驱动质量块沿Y轴方向活动；所述左右侧边的检测质量块之间通过内侧耦合结构进行连接；检测隔离梁和耦合结构使检测质量块能够悬浮于所述XY平面内并保持可动状态；所述检测质量块上设置有检测电极的活动电极，能够和对应的设置在锚点上的固定电极构成可变检测电容；
进一步地，所述耦合结构由若干弹簧梁组成，所述若干弹簧梁沿所述X轴方向和/或Y轴方向延伸；
进一步地，所述耦合结构不仅能够抑制检测质量块在X轴方向的同相运动，还能实现检测质量块在X轴方向运动和Y轴方向运动的解耦；
进一步地，所述的调节固定电极与设置在检测质量块上的调节活动电极构成调节电容；在所述调节电容上施加合适的电压能够减小因工艺误差造成的检测质量块偏转，从而减小正交误差；在所述调节电容上施加合适的电压能够调节检测频率；
进一步地，所述陀螺仪的驱动模态为向所述驱动电容施加有一定频率的交直流电压产生交变的静电驱动力，在该静电力的驱动下，所述左右侧边的驱动质量块带动所述检测质量块分别沿Y轴方向反相振动；所述陀螺仪能够通过驱动检测电容检测驱动模态的运动状态；
进一步地，当所述陀螺仪处于所述驱动工作模态时，若外界向陀螺仪施加沿Z轴方向的角速度，则所述左右侧边的检测质量块将受科氏力作用分别沿X轴方向反相振动；所述陀螺仪能够通过检测电容检测检测模态的位移，从而获得Z轴方向的角速度信息；
优选的，所述驱动梳齿为变间距梳齿电极或变面积梳齿电极；两组所述驱动电容输入幅值相同、相位相反的信号，实现差分驱动；
优选的，所述检测梳齿为变间距梳齿电极或变面积梳齿电极；两组所述检测电容输出幅值相同、相位相反的信号，实现差分输出；
优选的，所述驱动检测梳齿为变间距梳齿电极或变面积梳齿电极；两组所述驱动检测电容输出幅值相同、相位相反的信号，实现差分输出；
优选的，所述结构可以采用一种耦合结构。所述耦合结构由若干沿所述X轴方向、Y轴方向的弹簧梁和在XY平面内延伸的斜弹簧梁，耦合结构整体关于Y轴对称。所述结构可以将同相模态和反相模态的频率区分开来，抑制模态间的干扰；提高陀螺X轴方向的抗冲击性。
本实用新型的优点是：
陀螺结构在面内关于X轴和Y轴对称，当加工或者封装过程中引入残余应力及封装应力时，对称结构能够有效地抵消外界应力，降低陀螺的工艺误差灵敏度，特别地，对称结构能降低由环境温度变化所引入的热应力的影响，提高陀螺的热稳定性。
陀螺采用具有锚点的转动框架，相较于传统无锚点的转动框架，可以使得转动中心位于框架的中心位置，保证驱动质量块的反相等幅运动，提高驱动精度。转动框架通过弹簧梁和固定锚点连接，分别沿X轴和Y轴延伸的弹簧梁使框架转动的同时限制沿其它方向的位移，实现了驱动模态与其它干扰模态的分离，大大降低外界线加速度对驱动结构的影响。
驱动质量块采用紧凑型的音叉式驱动结构，驱动运动的一致性和同步性好；驱动质量块和检测质量块集中于中间两侧并呈块状分布，结构尺寸均匀性好，降低陀螺工作时由质量不对等引入的同相耦合干扰。
左右侧边的检测质量块间通过耦合结构进行耦合，抑制检测质量块在检测方向的同相振动，提高检测精度。该耦合结构利用沿X轴方向和Y轴方向的刚度差可实现驱动模态和检测模态解耦，实现检测模态耦合的同时并不影响驱动运动，降低陀螺的机械耦合误差。
本实用新型提出了一种耦合结构，该耦合结构通过改变中间斜梁的倾斜角度可进行同相运动和反相运动刚度的调节，实现结构在检测方向上运动的调谐，将同相模态和反相模态的频率区分开来，达到检测模态和其它干扰模态分离的目的，抑制模态间的干扰，提高检测输出抗外界震动的能力。
附图说明
图1为本实用新型实施例的MEMS陀螺仪结构示意图。
图2为MEMS陀螺仪的驱动模态和检测模态的示意图。
图3为MEMS陀螺仪的耦合结构的结构示意图。
图4为本实用新型实施例中使用一种优选的耦合结构的MEMS陀螺仪结构示意图。
图5为MEMS陀螺仪的一种优选的耦合结构的结构示意图。
图6为驱动方向共模误差对转动框架有无固定锚点的两种MEMS陀螺仪的影响。
具体实施方式
在本实用新型的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“X”、“Y”、“Z”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对实用新型的限制。附图为原理图或者概念图，各部分厚度与宽度之间的关系，以及各部分之间的比例关系等等，与其实际值不完全一致。
图1所示是的本实例的Z轴陀螺仪，其中包括固定锚点A1至A5、弹簧梁S1至S4、质量块M1至M2、转动框架F1、耦合结构C1。固定锚点A1至A5与基底(图中未示出)相连，被固定在基底上。
2个质量块M1为驱动质量块，2个质量块M2为检测质量块。固定锚点A1为支撑锚点。固定锚点A2至A5上分别设置有电极。
驱动质量块M1上设置有驱动活动电极与固定锚点A2上的驱动固定电极构成驱动电容，其中固定锚点A2.1与驱动质量块M1组成驱动电容CDR+，固定锚点A2.2与驱动质量块M1组成驱动电容CDR-。
检测质量块M2上设置有检测活动电极与固定锚点A3上的检测固定电极构成检测电极，其中固定锚点A3.1与检测质量块M2组成检测电容CSS+，固定锚点A3.2与检测质量块M2组成检测电容CSS-。
检测质量块M2上设置有调节活动电极与固定锚点A4上的调节固定电极构成调节电极CADJ。
驱动质量块M1上设置有驱动检测活动电极与固定锚点A5上的驱动检测固定电极构成驱动检测电极，其中固定锚点A5.1与驱动质量块M1组成驱动检测电容CDS+，固定锚点A5.2与驱动质量块M1组成驱动检测电容CDS-。
驱动质量块M1、检测质量块M2和转动框架F1通过驱动梁S1、检测隔离梁S2、连接梁S3、十字支撑梁S4等弹簧梁连接到固定锚点A1上，构成陀螺仪的可动部分。
具体的，驱动质量块M1通过驱动梁S1连接到固定锚点A1上，通过检测隔离梁S2和检测质量块M2相连，通过连接梁S3和转动框架F1相连。检测质量块M2通过耦合结构C1连接到固定锚点A1，并通过耦合结构C1实现检测质量块M2间耦合。转动框架F1除了通过连接梁S3和驱动质量块M1相连，还通过十字支撑梁S4和固定锚点A1相连。
上述Z轴陀螺仪的工作原理可分为驱动和Z轴角速度检测两个部分。
如图2中的驱动模态所示，在驱动电容CDR+和CDR-的两端，分别施加一定频率的交直流电压会产生交变静电力，使得左右两侧的驱动质量块M1分别沿Y轴方向反相振动；在十字支撑梁S4的作用下，转动框架F1将绕固定锚点A1振动，实现驱动力的耦合，限制驱动质量块除反相运动外的位移；在检测隔离梁S2的带动下检测质量块M2也在Y轴方向往复运动。
如图2中的检测模态所示，当Z轴方向有角速度输入时，在科氏效应的作用下，左右两侧的检测质量块M2将分别沿X轴方向反相运动。由于检测隔离梁S2具有解耦作用，因此检测质量块M2沿X轴方向运动时，其运动导致的位移不会传递至驱动质量块M1，有助于增加驱动质量块M1的稳定性。耦合结构C1将改变X轴方向的刚度，使得同相和反相运动的谐振频率存在频率差，避免了两个模态的相互干扰。
在上述运动状态下，检测电容CSS+和CSS-的电容值相应的会产生相反的变化，如当检测电容CSS+的电容值增大时，检测电容CSS-的电容值则减小，通过差分可以得到检测电容ΔC＝ΔCSS+-ΔCSS-。检测电容ΔC和外界角速度成比例关系，通过测量ΔC就可以得到输入的角速度。
驱动质量块M1在Y轴方向上运动，使得驱动检测电容CDS+和CDS-的电容值相应的会产生反相的变化，例如当驱动检测电容CDS+的电容值增大时，检测电容CDS-的电容值则减小，通过差分可以得到检测电容ΔCD＝ΔCDS+-ΔCDS-。检测电容ΔCD和驱动质量块的位移成比例关系，通过测量ΔCD就可以得到驱动质量块的位移。
图3为本实用新型提出的一种耦合结构，其中包括Y轴方向的弹簧梁C1.1和C1.2，和X轴方向的弹簧梁C1.3组成，整体沿Y轴对称分布。弹簧梁C1.3为解耦梁连接两侧的检测质量块。弹簧梁C1.2可以减小陀螺Y轴方向的运动对耦合结构的影响。当两侧的检测质量块反相运动时，弹簧梁C1.1不弯曲，实现结构在检测方向上运动的调谐；当两侧的检测质量块同相运动时，弹簧梁C1.2将改变X轴方向的刚度，从而将同相模态和反相模态的频率区分开来，达到检测模态和其它干扰模态分离的目的，抑制模态间的干扰。
图4为一种使用优选的耦合结构的MEMS陀螺仪，其中C2为优选的耦合结构。图5为本实用新型提出的一种优选的耦合结构，其中包括Y轴方向的弹簧梁C2.1，斜弹簧梁C2.2，和X轴方向的弹簧梁C2.3组成，整体沿Y轴对称分布，形状类似于三角型。该耦合结构通过改变中间斜梁的倾斜角度可调节同相运动和反相运动的刚度，实现结构在检测方向上运动的调谐，将同相模态和反相模态的频率区分开来，达到检测模态和其它干扰模态分离的目的，抑制模态间的干扰，提高检测输出抗外界震动的能力。
其中弹簧梁C2.2连接固定锚点，弹簧梁C2.3为解耦梁连接左右两侧的检测质量块。弹簧梁C2.3可以减小陀螺Y轴方向的运动对耦合结构的影响。当两侧的检测质量块反相运动时弹簧梁C2.2不弯曲，实现结构在检测方向上运动的调谐；当两侧的检测质量块同相运动时，斜弹簧梁C2.2将提高X轴方向的刚度，从而提高陀螺的抗冲击性，提高检测输出抗外界震动的能力；将同相模态和反相模态的频率区分开来，达到检测模态和其它干扰模态分离的目的，抑制模态间的干扰。
受到加工工艺的限制，检测质量块M2可能会发生偏转，导致驱动模态和检测模态相互影响，产生正交误差。通过在CADJ上施加合适的电压所产生的静电力可以扭转检测质量块M2，减小驱动模态对它们的影响。
在CADJ上施加合适的电压所产生的静电力可以调节X轴方向的刚度，当陀螺工作在模态分离时，改变检测模态的谐振频率，可以优化陀螺的带宽；陀螺工作于模态匹配时，使驱动模态和检测模态的谐振频率相等。
本实施例的Z轴陀螺仪具有以下优点：
1.转动框架使用了锚点，当有线加速度时，十字支撑梁S4增大了X轴和Y轴方向的弹性刚度，降低了外界震动对结构的影响；同时驱动运动与其它非理想运动的巨大刚度差也可将驱动模态频率与其它干扰模态频率区分开，降低干扰模态与陀螺驱动的影响。
2.转动框架的转动中心位于框架的中间位置，保证左右侧边的驱动质量块M1反相运动，提高测试精度。如图6所示，没有锚点时，驱动模态受到共模误差的影响下，旋转中心发生了明显的偏移。
3.驱动质量块M1采用紧凑型的音叉式驱动结构，结构尺寸均匀性好，且左右结构的运动一致性和同步性好。
4.两个检测质量块M2间使用耦合结构进行耦合，该耦合结构能够可以将检测模态和干扰模态的谐振频率区分开，从而抑制检测质量块同相运动，进而降低共模误差。
5.耦合结构能够使驱动模态与检测结构模态解耦，从而大大降低了非理想情况下两个模态间的耦合。
6.耦合结构能够避免陀螺因工艺误差所产生的两端结构谐振频率不同的问题，提高陀螺的稳定性和鲁棒性，降低陀螺的工艺误差灵敏度。
7.优选的耦合结构在遇到冲击时将有更高的刚度，增强陀螺的抗线加速度能力。
8.两个检测质量块M2上的检测电容构成差分，从而消除检测方向上外界加速度信号引起的干扰，提高了系统的抗干扰性，而角速度信号是差模信号，提高了灵敏度。
以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种可实现干扰模态隔离的解耦型音叉硅微机械陀螺仪，包括基底、驱动质量块、检测质量块、耦合结构、转动框架和弹簧梁，陀螺仪关于X轴和Y轴对称，其特征在于，基底上固设有若干固定锚点，所述转动框架通过十字型支撑梁与固定锚点连接，以实现两侧驱动质量块间耦合，位于左右侧边的所述检测质量块通过耦合结构耦合。
2.如权利要求1所述的一种可实现干扰模态隔离的解耦型音叉硅微机械陀螺仪，其特征在于，所述驱动质量块通过支撑梁与固定锚点连接，所述检测质量块通过检测隔离梁与驱动质量块相连,以使驱动质量块和检测质量块保持在XY平面内，所述驱动质量块和检测质量块上均设置有可动电极，固定锚点上设置有固定电极，所述可动电极与对应的固定电极构成驱动电容、驱动检测电容和检测电容。
3.如权利要求1所述的一种可实现干扰模态隔离的解耦型音叉硅微机械陀螺仪，其特征在于，所述转动框架具有沿X轴方向和Y轴方向的刚度，适用于在XY平面内绕固定锚点振动同时限制其它方向的位移。
4.如权利要求1所述的一种可实现干扰模态隔离的解耦型音叉硅微机械陀螺仪，其特征在于，所述转动框架通过连接梁连接左右两侧的驱动质量块，从而实现驱动力的耦合，所述耦合结构由若干沿XY平面内任意方向延伸的弹簧梁组成，所述耦合结构连接两侧检测质量块。
5.如权利要求1所述的一种可实现干扰模态隔离的解耦型音叉硅微机械陀螺仪，其特征在于，所述固定锚点上设有调节固定电极，所述检测质量块上设有调节活动电极，所述调节固定电极与调节活动电极构成调节电容；通过所述调节电容能够实现驱动模态和检测模态间正交误差的减小和陀螺带宽的优化。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |