本發(fā)明涉及微機(jī)陀螺儀領(lǐng)域，尤其是一種四質(zhì)量塊耦合微機(jī)電陀螺儀。

背景技術(shù)：

隨著微機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，近年來已經(jīng)有越來越多的mems器件實(shí)現(xiàn)了商用甚至軍用。其中，mems慣性傳感器在汽車電子、慣性導(dǎo)航和便攜設(shè)備中取得了很大的成功。

mems陀螺儀本質(zhì)上是通過科里奧利效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的角速度傳感器。它將質(zhì)量塊的受力（即科氏力）與外加角速度聯(lián)系在一起，再通過胡克定律和二階動(dòng)態(tài)系統(tǒng)將受力轉(zhuǎn)化為位移，并且使用一定的位移檢測(cè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)角速度的檢測(cè)。

mems陀螺儀通常包含線性振動(dòng)或者角振動(dòng)的質(zhì)量塊、檢測(cè)質(zhì)量塊以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)裝置。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)于各種外部共模干擾（比如振動(dòng)、加速度和機(jī)械沖擊）的抑制，mems陀螺儀通常有偶數(shù)個(gè)驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)質(zhì)量塊，并且通常呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)。其中，相鄰的質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)方向都相反，從而實(shí)現(xiàn)差分效果,并且四質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)對(duì)于各種共模機(jī)械干擾有更好的抑制效果。

另外一項(xiàng)抑制共模干擾的方式就是將檢測(cè)質(zhì)量塊通過彈簧耦合在一起，這樣就可以在不同檢測(cè)質(zhì)量塊的參數(shù)（主要是彈性系數(shù)）出現(xiàn)失配的情況下大幅度降低它們檢測(cè)位移的失配。

但是由于常見的mems工藝流程只能形成平面結(jié)構(gòu)，如果選擇將檢測(cè)質(zhì)量塊耦合在一起就會(huì)造成驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊無法耦合，也就降低了等效驅(qū)動(dòng)品質(zhì)因數(shù)，從而需要更大的驅(qū)動(dòng)電壓才能實(shí)現(xiàn)相同的驅(qū)動(dòng)幅度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種四質(zhì)量塊耦合微機(jī)電陀螺儀，驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)質(zhì)量同時(shí)耦合的結(jié)構(gòu)以克服驅(qū)動(dòng)電壓較高的缺點(diǎn)，從而改善傳感器對(duì)于電路部分的性能要求。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種四質(zhì)量塊耦合微機(jī)電陀螺儀，包括四個(gè)質(zhì)量塊，每個(gè)質(zhì)量塊被劃分為完全對(duì)稱的四個(gè)單元；每一個(gè)質(zhì)量塊主要由驅(qū)動(dòng)框架和檢測(cè)框架構(gòu)成，四個(gè)驅(qū)動(dòng)框架通過驅(qū)動(dòng)耦合彈簧互連，上排的兩個(gè)檢測(cè)框架通過檢測(cè)耦合彈簧互連下排的連接關(guān)系與上排相同，每對(duì)驅(qū)動(dòng)框架和檢測(cè)框架之間通過驅(qū)動(dòng)彈簧互連。

優(yōu)選的，所述的驅(qū)動(dòng)耦合彈在檢測(cè)模態(tài)的時(shí)候也會(huì)發(fā)生形變。

優(yōu)選的，每個(gè)質(zhì)量塊被劃分為完全對(duì)稱的四個(gè)單元，其中每個(gè)單元把包括：驅(qū)動(dòng)電極、自檢電極、檢測(cè)耦合彈簧、驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極、正交誤差補(bǔ)償電極、交叉結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)彈簧、檢測(cè)電極、框架、檢測(cè)彈簧、共用彈簧和驅(qū)動(dòng)耦合彈簧；

優(yōu)選的，所述的驅(qū)動(dòng)電極和自檢電極采用差分方式排布；檢測(cè)彈簧的一端與框架的檢測(cè)框架連接，另一端連接錨點(diǎn)；檢測(cè)耦合彈簧一端與相鄰檢測(cè)框架的檢測(cè)耦合彈簧相串聯(lián)，另一端連接檢測(cè)框架；驅(qū)動(dòng)耦合彈簧一端與相鄰驅(qū)動(dòng)框架的驅(qū)動(dòng)耦合彈簧相串聯(lián)，另一端連接驅(qū)動(dòng)框架；共用彈簧的一端與驅(qū)動(dòng)框架連接，另一端連接錨點(diǎn)；驅(qū)動(dòng)彈簧連接驅(qū)動(dòng)框架和檢測(cè)框架；正交誤差補(bǔ)償電極與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊形成階梯結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，框架寬度較大的部分設(shè)置了應(yīng)力釋放孔；所述的應(yīng)力釋放孔可以一定程度上降低結(jié)構(gòu)的質(zhì)量并且輔助釋放犧牲層。

優(yōu)選的，所述的驅(qū)動(dòng)電極和驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極采用了梳齒電容，保證運(yùn)動(dòng)方向與梳齒長(zhǎng)度方向相同。

優(yōu)選的，所述的檢測(cè)電極和自檢電極采取平板電容，保證運(yùn)動(dòng)方向與梳齒長(zhǎng)度方向相互垂直。

優(yōu)選的，在質(zhì)量塊發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極和檢測(cè)電極正負(fù)端與質(zhì)量塊之間發(fā)生相反方向的變化，通過差分電路即可檢出質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)。

優(yōu)選的，所述的質(zhì)量塊的上下左右中點(diǎn)處都設(shè)置有共用彈簧和驅(qū)動(dòng)耦合彈簧；每個(gè)共用彈簧或者驅(qū)動(dòng)耦合彈簧均是由第一折疊彈簧、第二折疊彈簧、第一連桿、第二連桿、鉸支點(diǎn)和錨點(diǎn)構(gòu)成。

優(yōu)選的，鉸支點(diǎn)是假想點(diǎn)，第一折疊彈簧的中心點(diǎn)或錨點(diǎn)，它的效果是讓第一連桿和第二連桿以及第一折疊彈簧和錨點(diǎn)之間可以有一定角度。

優(yōu)選的，第二折疊彈簧與錨點(diǎn)的連接點(diǎn)距離錨點(diǎn)頂端的距離應(yīng)盡量小，提高了結(jié)構(gòu)對(duì)稱以后邊界條件的對(duì)稱性。

優(yōu)選的，質(zhì)量塊向下運(yùn)動(dòng)時(shí)受到向右的作用力；相鄰的質(zhì)量塊受到的補(bǔ)償靜電力方向相反，補(bǔ)償力和驅(qū)動(dòng)位移同相位、與正交誤差同相位，實(shí)現(xiàn)正交誤差補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

本發(fā)明的有益效果是：提供一種四質(zhì)量塊耦合微機(jī)電陀螺儀，驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)質(zhì)量同時(shí)耦合的結(jié)構(gòu)以克服驅(qū)動(dòng)電壓較高的缺點(diǎn)，從而改善傳感器對(duì)于電路部分的性能要求，將框架和內(nèi)部質(zhì)量塊都耦合在一起，從而同時(shí)獲得較高的驅(qū)動(dòng)q值、可降低驅(qū)動(dòng)電壓或提升信噪比和較高的共模抑制能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一個(gè)質(zhì)量塊四分之一結(jié)構(gòu)圖；

圖2為驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)工作狀態(tài)圖；

圖3為陀螺儀共用/耦合彈簧結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為交叉結(jié)構(gòu)截面示意圖；

附圖主要元件說明：驅(qū)動(dòng)電極1、自檢電極2、檢測(cè)耦合彈簧3、驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極4、正交誤差補(bǔ)償電極5、交叉結(jié)構(gòu)6、驅(qū)動(dòng)彈簧7、應(yīng)力釋放孔8、第一連桿9、第二連桿10、第一折疊彈簧11、錨點(diǎn)12、第二折疊彈簧13、檢測(cè)電極14、框架15、鉸支點(diǎn)16、檢測(cè)彈簧17、共用彈簧18、驅(qū)動(dòng)框架19、檢測(cè)框架20、驅(qū)動(dòng)耦合彈簧21、距離1l1和距離2l2。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于以下所述。

如圖1所示，一種四質(zhì)量塊耦合微機(jī)電陀螺儀包括四個(gè)質(zhì)量塊，其中相鄰的質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)方向都相反，從而實(shí)現(xiàn)差分效果；每個(gè)質(zhì)量塊被劃分為完全對(duì)稱的四個(gè)部分，單個(gè)質(zhì)量塊的四分之一，它包括：驅(qū)動(dòng)電極1、驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極4、自檢電極2、正交誤差補(bǔ)償電極5、檢測(cè)電極14、驅(qū)動(dòng)彈簧7、檢測(cè)彈簧17、檢測(cè)耦合彈簧3和框架15；

所述的驅(qū)動(dòng)電極1和自檢電極2采用差分方式排布，在施加電壓時(shí)質(zhì)量塊發(fā)生運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極4和檢測(cè)電極14正負(fù)端與質(zhì)量塊之間發(fā)生相反方向的變化，通過差分電路即可檢出質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)彈簧7主要負(fù)責(zé)控制驅(qū)動(dòng)頻率，并且也實(shí)現(xiàn)將驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊產(chǎn)生的哥氏力傳導(dǎo)至檢測(cè)框架20。檢測(cè)彈簧17的一端與檢測(cè)框架20連接，另一端連接錨點(diǎn)，而檢測(cè)耦合彈簧3的另一端則與相鄰的質(zhì)量塊的檢測(cè)耦合彈簧3相串聯(lián)。

框架15寬度較大的部分設(shè)置了應(yīng)力釋放孔8一定程度上降低結(jié)構(gòu)的質(zhì)量并且輔助釋放犧牲層。

正交誤差補(bǔ)償電極5與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊形成階梯結(jié)構(gòu)，由于固定電極右側(cè)的交疊面積更大，在上方電極通電的情況下質(zhì)量塊向上運(yùn)動(dòng)時(shí)受到向左的作用力，質(zhì)量塊向下運(yùn)動(dòng)時(shí)受到向右的作用力。相鄰的質(zhì)量塊受到的補(bǔ)償靜電力方向相反，并且補(bǔ)償力和驅(qū)動(dòng)位移同相位，因而也與正交誤差同相位，因此可以實(shí)現(xiàn)正交誤差補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

所述的驅(qū)動(dòng)電極1和驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極4采用了梳齒電容，保證了運(yùn)動(dòng)方向與梳齒長(zhǎng)度方向相同，克服了電容非線性的問題。

所述的檢測(cè)電極14和自檢電極2采取平板電容，保證了運(yùn)動(dòng)方向與梳齒長(zhǎng)度方向相互垂直，提高了電容變化量，降低所需的驅(qū)動(dòng)電壓和梳齒面積，由于檢測(cè)方向位移比較小，平板電容的非線性問題影響不大。檢測(cè)固定電極兩側(cè)的間距相同則可以使得差分后電路端的輸入電容為零。

在質(zhì)量塊發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極4和檢測(cè)電極14正負(fù)端與質(zhì)量塊之間發(fā)生相反方向的變化，通過差分電路即可檢出質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)。

所述的質(zhì)量塊的上下左右中點(diǎn)處都設(shè)置有共用彈簧18和驅(qū)動(dòng)耦合彈簧21；每個(gè)共用彈簧18或者驅(qū)動(dòng)耦合彈簧21均是由第一折疊彈簧11、第二折疊彈簧13、第一連桿9、第二連桿10、鉸支點(diǎn)和錨點(diǎn)12構(gòu)成。

所述的第二折疊彈簧13與錨點(diǎn)12的連接點(diǎn)距離錨點(diǎn)12頂端的距離應(yīng)盡量小，提高了結(jié)構(gòu)對(duì)稱以后邊界條件的對(duì)稱性。

質(zhì)量塊向下運(yùn)動(dòng)時(shí)受到向右的作用力；相鄰的質(zhì)量塊受到的補(bǔ)償靜電力方向相反，補(bǔ)償力和驅(qū)動(dòng)位移同相位、與正交誤差同相位，實(shí)現(xiàn)正交誤差補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

如圖2所示，其驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)工作狀態(tài)分別為a、b所示。該陀螺采用框架結(jié)構(gòu)，它的工作原理是在相鄰的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊上施加相反的驅(qū)動(dòng)電壓使它們產(chǎn)生差分運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)方向的彈簧包括共用彈簧18，驅(qū)動(dòng)耦合彈簧21和驅(qū)動(dòng)彈簧7，四個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊通過驅(qū)動(dòng)耦合彈簧21相互耦合使它們?cè)趶椈墒鋾r(shí)仍能具有相近并且較高的位移，這樣就可以有效降低所需的驅(qū)動(dòng)電壓。

由于驅(qū)動(dòng)框架的位移兩兩反相，因此在存在輸入z軸角速度的情況下驅(qū)動(dòng)框架受到x方向的哥氏力的作用，并且通過驅(qū)動(dòng)彈簧將這個(gè)力傳導(dǎo)至檢測(cè)框架。連接檢測(cè)框架19的彈簧包括檢測(cè)彈簧17、檢測(cè)耦合彈簧3以及通過驅(qū)動(dòng)彈簧7間接作用的共用彈簧1、2。這樣就實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)四質(zhì)量塊同時(shí)耦合的效果。

如圖3所示，每個(gè)質(zhì)量塊的上下左右中點(diǎn)處都設(shè)置有共用彈簧18和耦合彈簧21。每個(gè)共用彈簧18和驅(qū)動(dòng)耦合彈簧21均是由第一折疊彈簧11、第二疊彈簧13、第一連桿9、第二連桿10、鉸支點(diǎn)和錨點(diǎn)12構(gòu)成，當(dāng)發(fā)生y方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，共用彈簧通過第一折疊彈簧11和第二折疊彈簧13的y方向形變實(shí)現(xiàn)，而耦合彈簧則只能通過第一折疊彈簧11的y方向形變實(shí)現(xiàn)。這雖然降低了結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，但是y方向的耦合仍然可以完全實(shí)現(xiàn)。這種折疊結(jié)構(gòu)與一般陀螺中使用的彈簧類似。

x方向運(yùn)動(dòng)時(shí)連桿1由于寬度較大幾乎不發(fā)生彎曲，第一連桿9與第二連桿10之間通過第一折疊彈簧11形成鉸接關(guān)系，此時(shí)第一折疊彈簧11不再與x軸平行，而是有了一定的夾角。

偏轉(zhuǎn)后的第二連桿10與錨點(diǎn)12和第二折疊彈簧13形成一個(gè)位移放大機(jī)構(gòu)，增加第二連桿10的長(zhǎng)度可以降低彈簧在x方向的彈性系數(shù)。同時(shí)，第二折疊彈簧13與第二連10桿形成的鉸支點(diǎn)16存在使得結(jié)構(gòu)可以獲得完全對(duì)稱的邊界條件。這是因?yàn)槿绻麤]有鉸支點(diǎn)16，非對(duì)稱端的第二連桿10頂端將成為固支邊。

如圖4所示，交叉結(jié)構(gòu)6的截面結(jié)構(gòu)其中，距離1l1的設(shè)置應(yīng)略大于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊在驅(qū)動(dòng)或檢測(cè)方向上的最大位移；距離2l2的設(shè)置則與加工工藝相關(guān)，它的尺寸應(yīng)略大于結(jié)構(gòu)在z軸方向上的形變以免第一連桿9和驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊發(fā)生接觸。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明并非局限于本文所披露的形式，不應(yīng)看作是對(duì)其他實(shí)施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境，并能夠在本文所述構(gòu)想范圍內(nèi)，通過上述教導(dǎo)或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識(shí)進(jìn)行改動(dòng)。而本領(lǐng)域人員所進(jìn)行的改動(dòng)和變化不脫離本發(fā)明的精神和范圍，則都應(yīng)在本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。