[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

技術領域

本發明涉及一種傳感器，尤其涉及一種外支撐四質量塊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。

現有技術中有一種單錨定點四質量塊MEMS諧振式陀螺儀，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，單錨定點四質量塊MEMS諧振式陀螺儀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；并且單錨定點四質量塊MEMS諧振式陀螺儀克服了振動環陀螺的缺點，諧振子質量大，諧振頻率高，振幅大，具有很高信噪比。但該結構也存在一些缺點：單錨定點四質量塊MEMS諧振式陀螺儀由于其工作原理限制，在工作過程中，由于基板上固定梳齒加力時產生的反作用力，仍有部分能量通過基板耗散，限制了品質因數的進一步提升；同時，由于整體支撐采取了單錨定點結構，Z軸穩定性欠佳，產生了抗高過載性能較差，Z軸敏感性較差等問題。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種能進一步提高品質因數，同時提升Z軸穩定性的外支撐四質量塊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；