[發明專利]一種外支撐四質量塊MEMS諧振式陀螺儀

有效

• 申請號: 201610128649.0
• 申請日: 2016-03-08
• 公開（公告）號: CN105606083B
• 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

1.一種外支撐四質量塊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：

擁有四對稱軸的八邊形平面框架結構的支撐架，

四根沿以所述支撐架對稱中心為圓心的圓周對稱均勻分布在所述支撐架外側的錨定支撐柱，

四個沿以所述支撐架對稱中心為圓心的圓周對稱均勻分布在所述支撐架內側的質量塊，

四個分別設置在四個所述質量塊與所述支撐架之間的驅動檢測單元，和

四個分別設置在四個所述質量塊遠離所述支撐架一側的驅動單元；

其中，所述支撐架上不相鄰的兩組對邊外側的中間位置處各設置有一組外側凸起，所述支撐架上不相鄰的另外兩組對邊內側的中間位置處各設置有一組內側凸起；

所述錨定支撐柱一端鍵合固定在所述基板層上、另一端分別與一所述外側凸起固定連接，所述錨定支撐柱與所述基板層的鍵合位置位于經過所述外側凸起的支撐架對稱軸上；

所述質量塊通過懸臂梁連接到所述支撐架上，且相對的兩個所述質量塊完全相同，每個所述質量塊接近所述支撐架的一側設置有驅動檢測電容可動極板、遠離所述支撐架的一側設置有驅動電容可動極板，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；

所述驅動檢測單元一端鍵合固定在所述基板層上、另一端設置驅動檢測電容固定極板，所述驅動檢測電容固定極板與所述驅動檢測電容可動極板對應組合，形成與每個所述質量塊相對應的驅動檢測電容，所述驅動檢測單元與所述基板層的鍵合位置位于經過所述外側凸起的支撐架對稱軸上；

所述驅動單元一端鍵合固定在所述基板層上、另一端設置驅動電容固定極板，所述驅動電容固定極板與所述驅動電容可動極板對應組合，形成與每個所述質量塊相對應的驅動電容，所述驅動單元與所述基板層的鍵合位置位于所述支撐架的對稱中心。

2.如權利要求1所述的一種外支撐四質量塊MEMS諧振式陀螺儀，其特征在于，

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。

3.如權利要求1或2所述的一種外支撐四質量塊MEMS諧振式陀螺儀，其特征在于，所述質量塊為中心對稱結構，存在兩個互相垂直的對稱軸；所述陀螺儀的工作模式包括“對稱模式”和“解耦模式”，通過調整所述懸臂梁的剛度配置，能改變所述陀螺儀的工作模式；所述“對稱模式”既能夠工作在“速率模式”下，也能夠工作在“速率積分模式”下；其中，

所述“對稱模式”的“主模態”振動為四個所述質量塊沿以所述支撐架對稱中心為圓心的圓的徑向振動，并且相鄰兩所述質量塊同一時刻的運動方向相反；其“次模態”振動為四個所述質量塊沿以所述支撐架對稱中心為圓心的圓的切向振動，并且相鄰兩所述質量塊在同一時刻運動方向相反；

所述“解耦模式”的“主模態”振動為兩個相對稱的所述質量塊沿以所述支撐架對稱中心為圓心的圓的徑向振動，且同一時刻的運動方向相反，而另兩個所述質量塊靜止不動；其“次模態”振動為四個所述質量塊沿以所述支撐架對稱中心為圓心的圓的切向振動，并且相鄰兩所述質量塊在同一時刻運動方向相反；

所述“速率模式”是通過所述驅動電容施加激勵力，使所述質量塊在“主模態”下振動，當有外界角速度輸入時，通過檢測所述質量塊的“次模態”運動位移大小來反映外界輸入角速度大小；

所述“速率積分模式”是將所述陀螺儀的“主模態”和“次模態”諧振頻率配置為相同，所述質量塊自由振動，振動頻率為諧振頻率，當有外界角度輸入時，通過測量所述質量塊自由振動振型與所述基板層基準方向的夾角來反映外界輸入的角度。

4.如權利要求1或2所述的一種外支撐四質量塊MEMS諧振式陀螺儀，其特征在于，所述基板層上、靠近所述質量塊兩端分別設置有兩個止擋機構，所述止擋機構或者所述質量塊上設置有分別與所述質量塊的“主模態”和“次模態”振動方向相對應的第一限位凸起和第二限位凸起。

5.如權利要求3所述的一種外支撐四質量塊MEMS諧振式陀螺儀，其特征在于，所述基板層上、靠近所述質量塊兩端分別設置有兩個止擋機構，所述止擋機構或者所述質量塊上設置有分別與所述質量塊的“主模態”和“次模態”振動方向相對應的第一限位凸起和第二限位凸起。