一種單錨定點四質(zhì)量塊mems諧振式陀螺儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種傳感器，尤其涉及一種單錨定點四質(zhì)量塊MEMS諧振式陀螺儀。
【背景技術(shù)】
[0002]MEMS (Micro Electromechanical System，微機電系統(tǒng))科氏振動陀螺因其純固態(tài)、高可靠性、小尺寸及低成本等特點，在國防領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]如圖1所示，一個典型的MEMS科氏振動陀螺表頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)可簡化成一個能沿X、I方向振動的“敏感質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)”。其中，將驅(qū)動軸運動方向定義為X軸，檢測軸運動方向定義為I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(qū)動裝置施加交變的驅(qū)動軸驅(qū)動電壓后，驅(qū)動裝置可產(chǎn)生沿X軸方向的交變驅(qū)動軸驅(qū)動力，該驅(qū)動軸驅(qū)動力將迫使敏感質(zhì)量M沿X軸方向振動，將敏感質(zhì)量M沿X軸的振動稱為驅(qū)動運動；為使敏感質(zhì)量M在X軸方向上的振幅盡可能大，通常調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓的頻率等于敏感質(zhì)量M在X方向振動的機械諧振頻率，以使敏感質(zhì)量M在X軸方向諧振；為保證驅(qū)動運動振幅穩(wěn)定，通過檢測部件將驅(qū)動運動的位移檢測出來，轉(zhuǎn)換為驅(qū)動運動檢測電壓，根據(jù)驅(qū)動運動檢測電壓的大小來調(diào)節(jié)驅(qū)動軸驅(qū)動電壓的大小，以使驅(qū)動運動振幅恒定。如果此時整個系統(tǒng)繞z軸旋轉(zhuǎn)(即沿z軸有角速度輸入)，則根據(jù)科里奧利力原理，敏感質(zhì)量M將受到沿y軸的科里奧利力作用，從而迫使敏感質(zhì)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(zhì)量1沿7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(huán)工作方式；如果在檢測運動方向上通過驅(qū)動裝置施加一個檢測軸驅(qū)動力，來抵消敏感質(zhì)量M的檢測運動，通過計算檢測軸驅(qū)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(zhì)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(wěn)定性。MEMS科氏振動陀螺的環(huán)境適應(yīng)性直接影響器件的實用性。
[0004]傳統(tǒng)MEMS線振動陀螺使用多鍵合點對諧振子結(jié)構(gòu)進行支撐，將硅陀螺結(jié)構(gòu)固定在玻璃基板上，在工作狀態(tài)下陀螺的X、y軸振動會受到機械結(jié)構(gòu)、氣體阻尼及環(huán)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(zhì)因數(shù)低，很難進一步提高陀螺性能。
[0005]MEMS振動環(huán)陀螺是一種新型陀螺儀結(jié)構(gòu)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(tǒng)MEMS線振動陀螺相比，MEMS振動環(huán)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(tài)能量轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)上，模態(tài)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(gòu)相繼提出了環(huán)形微機械陀螺的設(shè)計。但同時，振動環(huán)陀螺由于其工作原理限制，存在諧振子質(zhì)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(shù)難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種既同時利用傳統(tǒng)MEMS線振動陀螺和振動環(huán)陀螺的優(yōu)點，又克服兩者各自技術(shù)缺點的單錨定點四質(zhì)量塊MEMS諧振式陀螺儀。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種單錨定點四質(zhì)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(jié)構(gòu)層，所述結(jié)構(gòu)層包括:中心對稱結(jié)構(gòu)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(zhì)量塊，所述質(zhì)量塊能夠在所述支撐架平面內(nèi)產(chǎn)生“主模態(tài)”振動，或者產(chǎn)生“次模態(tài)”振動，或者同時產(chǎn)生“主模態(tài)”和“次模態(tài)”振動；所述基板層上還設(shè)置有固定電容極板，所述質(zhì)量塊內(nèi)部設(shè)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(yīng)組合，形成與所述質(zhì)量塊相對應(yīng)的驅(qū)動電容、驅(qū)動檢測電容、檢測電容和/或力平衡電容。
[0008]所述“主模態(tài)”振動是指:通過所述驅(qū)動電容主動使所述質(zhì)量塊產(chǎn)生的振動；所述“次模態(tài)”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(zhì)量塊受到科式力的作用，在所述支撐架平面內(nèi)產(chǎn)生垂直于所述“主模態(tài)”振動方向的振動。
[0009]所述質(zhì)量塊為中心對稱結(jié)構(gòu)，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(diào)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”既可工作在“速率模式”下，也可工作在“速率積分模式”下；其中，所述“對稱模式”的“主模態(tài)”振動為四個所述質(zhì)量塊沿以所述錨定支撐柱為中心的圓的徑向振動，并且相鄰兩所述質(zhì)量塊同一時刻的運動方向相反；其“次模態(tài)”振動為四個所述質(zhì)量塊沿以所述錨定支撐柱為中心的圓的切向振動，并且相鄰兩所述質(zhì)量塊在同一時刻運動方向相反；所述“解耦模式”的“主模態(tài)”振動為兩個相對稱的所述質(zhì)量塊沿所述錨定支撐柱為中心的圓的徑向振動，且同一時刻的運動方向相反，而另兩個所述質(zhì)量塊靜止不動；其“次模態(tài)”振動為四個所述質(zhì)量塊沿以所述錨定支撐柱為中心的圓的切向振動，并且相鄰兩所述質(zhì)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(qū)動電容施加激勵力，使所述質(zhì)量塊在“主模態(tài)”下振動，當有外界角速度輸入時，通過檢測所述質(zhì)量塊的“次模態(tài)”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(tài)”和“次模態(tài)”諧振頻率配置為相同，所述質(zhì)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(zhì)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。
[0010]所述基板層上、靠近所述質(zhì)量塊兩端分別設(shè)置有兩個止擋機構(gòu)，所述止擋機構(gòu)或者所述質(zhì)量塊上設(shè)置有分別與所述質(zhì)量塊的“主模態(tài)”和“次模態(tài)”振動方向相對應(yīng)的第一限位凸起和第二限位凸起。
[0011]所述懸臂梁為“幾”字形結(jié)構(gòu)，兩個所述“幾”字形懸臂梁的一端分別與所述質(zhì)量塊的兩端固定連接，與相鄰兩質(zhì)量塊端部固定連接的兩所述懸臂梁的另一端先連接，再通過一段小短梁與所述支撐架的一角固定連接，形成“Y”字形連接部分。
[0012]所述支撐架中部開設(shè)有中心對稱于所述錨定支撐柱的“田”字形減重孔。
[0013]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點:1、本發(fā)明的單錨定點四質(zhì)量塊MEMS諧振式陀螺儀，由于采用梳齒狀排布的電極結(jié)構(gòu)，保留了線振動陀螺儀大檢測電容、信噪比高的優(yōu)點。2、本發(fā)明由于采用中心對稱的四質(zhì)量塊諧振子結(jié)構(gòu)，可以使用差分方式對檢測信號進行降噪處理，檢測靈敏度高、品質(zhì)因數(shù)高。3、本發(fā)明由于采用單獨的錨定支撐柱與基板層相連，使能量耗散只能通過錨定支撐柱和封裝氛圍進行傳遞，模態(tài)頻率特性隨溫度變化一致，陀螺儀能量耗散小、精度高、抗干擾性強、環(huán)境適應(yīng)性強。4、本發(fā)明的“對稱模式”既可工作在“速率模式”下，也可工作在“速率積分模式”下。5、本發(fā)明的“解耦模式”能夠降低陀螺儀耦合量，大幅提升檢測精度，提高陀螺儀性能。6、本發(fā)明在角速度傳感器領(lǐng)域有很高的應(yīng)用價值。
【附圖說明】
[0014]圖1是典型MEMS諧振器的原理示意圖；
[0015]圖2是本發(fā)明單錨定點四質(zhì)量塊MEMS諧振式陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖3是本發(fā)明質(zhì)量塊的放大結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖4是本發(fā)明工作在“對稱模式”下的主模態(tài)示意圖；
[0018]圖5是本發(fā)明工作在“對稱模式”下的次模態(tài)示意圖；
[0019]圖6是本發(fā)明工作在“解耦模式”下的主模態(tài)示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。
[0021]如圖2、圖3所示，本發(fā)明提供的單錨定點四質(zhì)量塊MEMS諧振式陀螺儀，其包括玻璃(僅以此為例，并不限于此)基板層(圖中未示出)與結(jié)構(gòu)層，結(jié)構(gòu)層包括:錨定支撐柱1、支撐架2和四個質(zhì)量塊3，基板層位于結(jié)構(gòu)層下方，錨定支撐柱I 一端鍵合到基板層上，支撐架2為中心對稱結(jié)構(gòu)，錨定支撐柱I另一端固定連接到支撐架2的對稱中心；四個質(zhì)量塊3沿以錨定支撐柱I為中心的圓周對稱均勻分布在支撐架2的四周，并分別通過懸臂梁4連接到支撐架2上，且相互對稱的兩個質(zhì)量塊3完全相同，每個質(zhì)量塊3均可在支撐架2平面內(nèi)相對于支撐架2運動；梳齒狀排布(僅以此為例，并不限于此)的固定電容極板鍵合固定在基板層上(鍵合點在附圖3中以網(wǎng)格線標示出)，每個質(zhì)量塊3內(nèi)部均設(shè)置有梳齒狀排布的一種或多種可動電容極板，固定電容極板和可動電容極板相對應(yīng)組合，可以形成與每個質(zhì)量塊3相對應(yīng)的驅(qū)動電容、驅(qū)動檢測電容、檢測電容和/或力平衡電容。
[0022]在驅(qū)動電容上施加驅(qū)動電壓，可以驅(qū)動質(zhì)量塊3在支撐架2平面內(nèi)相對于支撐架2靠近或者遠離運動，當驅(qū)動電壓為交變電壓時，則質(zhì)量塊3在支撐架2平面內(nèi)相對于支撐架2產(chǎn)生振動，調(diào)整交變電壓頻率與質(zhì)量塊3機械諧振頻率一致，可以使質(zhì)量塊3諧振。通過驅(qū)動電容人為主動使質(zhì)量塊3產(chǎn)生的振動，稱為“主模態(tài)”振動；使四個質(zhì)量塊在“主模態(tài)”下工作，當在垂直于支撐架平面方向有角速度輸入時，根據(jù)科氏力原理，質(zhì)量塊3將受到垂直于“主模態(tài)”振動方向的科式力，質(zhì)量塊3將被迫在支撐架平面內(nèi)產(chǎn)生垂直于“主模態(tài)”方向的振動，稱