[發明專利]一種單錨定點四質量塊MEMS諧振式陀螺儀

有效

• 申請號: 201510362795.5
• 申請日: 2015-06-26
• 公開（公告）號: CN104931032B
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發明（設計）人: 周斌;張嶸;張天;陳志勇
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01C19/574
• 分類號: G01C19/574
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司11245
• 代理人: 徐寧,關暢

技術領域

本發明涉及一種傳感器，尤其涉及一種單錨定點四質量塊MEMS諧振式陀螺儀。

背景技術

MEMS(Micro Electromechanical System，微機電系統)科氏振動陀螺因其純固態、高可靠性、小尺寸及低成本等特點，在國防領域有著廣闊的應用前景。

如圖1所示，一個典型的MEMS科氏振動陀螺表頭內部結構可簡化成一個能沿x、y方向振動的“敏感質量-彈簧-阻尼系統”。其中，將驅動軸運動方向定義為x軸，檢測軸運動方向定義為y軸，定義z軸為外界施加的角速度方向，x、y、z三軸互相正交。當向驅動裝置施加交變的驅動軸驅動電壓后，驅動裝置可產生沿x軸方向的交變驅動軸驅動力，該驅動軸驅動力將迫使敏感質量M沿x軸方向振動，將敏感質量M沿x軸的振動稱為驅動運動；為使敏感質量M在x軸方向上的振幅盡可能大，通常調節驅動電壓的頻率等于敏感質量M在x方向振動的機械諧振頻率，以使敏感質量M在x軸方向諧振；為保證驅動運動振幅穩定，通過檢測部件將驅動運動的位移檢測出來，轉換為驅動運動檢測電壓，根據驅動運動檢測電壓的大小來調節驅動軸驅動電壓的大小，以使驅動運動振幅恒定。如果此時整個系統繞z軸旋轉(即沿z軸有角速度輸入)，則根據科里奧利力原理，敏感質量M將受到沿y軸的科里奧利力作用，從而迫使敏感質量M沿y軸振動，且該科里奧利力的大小與外界輸入角度大小成正比，將敏感質量M沿y軸的振動稱為檢測運動；通過檢測部件測量出檢測運動位移的大小，即可反映出外界輸入角速度的大小。直接由檢測運動輸出電壓大小得到外界輸入角速度大小的工作方式稱為開環工作方式；如果在檢測運動方向上通過驅動裝置施加一個檢測軸驅動力，來抵消敏感質量M的檢測運動，通過計算檢測軸驅動力的大小來反映外界輸入角速度大小的方式被稱為力平衡工作方式。在力平衡工作方式下，敏感質量M檢測軸運動的二階模型誤差可以被有效抑制，從而提高陀螺的輸出穩定性。MEMS科氏振動陀螺的環境適應性直接影響器件的實用性。

傳統MEMS線振動陀螺使用多鍵合點對諧振子結構進行支撐，將硅陀螺結構固定在玻璃基板上，在工作狀態下陀螺的x、y軸振動會受到機械結構、氣體阻尼及環境溫度變化的影響，因此雖然線振動陀螺的檢測電容較大，信噪比可靠，但由于振動能量耗散，品質因數低，很難進一步提高陀螺性能。

MEMS振動環陀螺是一種新型陀螺儀結構形式，它通過單支撐錨定柱與基座相連，能量耗散只能通過錨定柱和封裝氛圍進行傳遞，與傳統MEMS線振動陀螺相比，MEMS振動環陀螺繼承了高精度半球陀螺的特性，其角速度檢測建立在兩相同形式模態能量轉換的基礎上，模態頻率特性隨溫度變化一致，精度高、抗干擾性強。近年來，英國宇航局、密歇根大學、波音公司等機構相繼提出了環形微機械陀螺的設計。但同時，振動環陀螺由于其工作原理限制，存在諧振子質量較輕，諧振頻率高，振幅小，電容變化不利于檢測等弊端，在目前的工藝水平下，進一步提升信噪比存在技術難度。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種既同時利用傳統MEMS線振動陀螺和振動環陀螺的優點，又克服兩者各自技術缺點的單錨定點四質量塊MEMS諧振式陀螺儀。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種單錨定點四質量塊MEMS諧振式陀螺儀，其特征在于，該陀螺儀包括基板層和位于所述基板層上方的結構層，所述結構層包括：中心對稱結構的支撐架，一端鍵合到所述基板層上、另一端固定連接于所述支撐架的對稱中心的錨定支撐柱，和以所述錨定支撐柱為中心對稱均勻分布在所述支撐架四周，并分別通過懸臂梁連接到所述支撐架上的四個質量塊，所述質量塊能夠在所述支撐架平面內產生“主模態”振動，或者產生“次模態”振動，或者同時產生“主模態”和“次模態”振動；所述基板層上還設置有固定電容極板，所述質量塊內部設置有可動電容極板，所述固定電容極板與所述可動電容極板相對應組合，形成與所述質量塊相對應的驅動電容、驅動檢測電容、檢測電容和/或力平衡電容。

所述“主模態”振動是指：通過所述驅動電容主動使所述質量塊產生的振動；所述“次模態”振動是指：當垂直于所述支撐架平面方向有角速度輸入時，所述質量塊受到科式力的作用，在所述支撐架平面內產生垂直于所述“主模態”振動方向的振動。