一种外支撑四质量块MEMS谐振式陀螺仪制造技术

本发明专利技术涉及一种外支撑四质量块MEMS谐振式陀螺仪，该陀螺仪包括基板层和位于基板层上方的结构层，结构层包括拥有四对称轴的八边形平面框架结构的支撑架，四根沿以支撑架对称中心为圆心的圆周对称均匀分布在支撑架外侧的锚定支撑柱，四个沿以支撑架对称中心为圆心的圆周对称均匀分布在支撑架内侧的质量块，四个分别设置在四个质量块与支撑架之间的驱动检测单元和四个分别设置在四个质量块远离支撑架一侧的驱动单元；相对的两个质量块完全相同，每个质量块接近支撑架的一侧设置有驱动检测电容可动极板、远离支撑架的一侧设置有驱动电容可动极板，质量块能在支撑架平面内产生“主模态”振动，或者产生“次模态”振动，或者同时产生“主模态”和“次模态”振动。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种传感器，尤其涉及一种外支撑四质量块MEMS谐振式陀螺仪。
技术介绍
MEMS(MicroElectromechanicalSystem，微机电系统)科氏振动陀螺因其纯固态、高可靠性、小尺寸及低成本等特点，在国防领域有着广阔的应用前景。如图1所示，一个典型的MEMS科氏振动陀螺表头内部结构可简化成一个能沿x、y方向振动的“敏感质量-弹簧-阻尼系统”。其中，将驱动轴运动方向定义为x轴，检测轴运动方向定义为y轴，定义z轴为外界施加的角速度方向，x、y、z三轴互相正交。当向驱动装置施加交变的驱动轴驱动电压后，驱动装置可产生沿x轴方向的交变驱动轴驱动力，该驱动轴驱动力将迫使敏感质量M沿x轴方向振动，将敏感质量M沿x轴的振动称为驱动运动；为使敏感质量M在x轴方向上的振幅尽可能大，通常调节驱动电压的频率等于敏感质量M在x方向振动的机械谐振频率，以使敏感质量M在x轴方向谐振；为保证驱动运动振幅稳定，通过检测部件将驱动运动的位移检测出来，转换为驱动运动检测电压，根据驱动运动检测电压的大小来调节驱动轴驱动电压的大小，以使驱动运动振幅恒定。如果此时整个系统绕z轴旋转(即沿z轴有角速度输入)，则根据科里奥利力原理，敏感质量M将受到沿y轴的科里奥利力作用，从而迫使敏感质量M沿y轴振动，且该科里奥利力的大小与外界输入角度大小成正比，将敏感质量M沿y轴的振动称为检测运动；通过检测部件测量出检测运动位移的大小，即可反映出外界输入角速度的大小。直接由检测运动输出电压大小得到外界输入角速度大小的工作方式称为开环工作方式；如果在检测运动方向上通过驱动装置施加一个检测轴驱动力，来抵消敏感质量M的检测运动，通过计算检测轴驱动力的大小来反映外界输入角速度大小的方式被称为力平衡工作方式。现有技术中有一种单锚定点四质量块MEMS谐振式陀螺仪，是一种新型陀螺仪结构形式，它通过单支撑锚定柱与基座相连，能量耗散只能通过锚定柱和封装氛围进行传递，与传统MEMS线振动陀螺相比，单锚定点四质量块MEMS谐振式陀螺仪继承了高精度半球陀螺的特性，其角速度检测建立在两相同形式模态能量转换的基础上，模态频率特性随温度变化一致，精度高、抗干扰性强；并且单锚定点四质量块MEMS谐振式陀螺仪克服了振动环陀螺的缺点，谐振子质量大，谐振频率高，振幅大，具有很高信噪比。但该结构也存在一些缺点：单锚定点四质量块MEMS谐振式陀螺仪由于其工作原理限制，在工作过程中，由于基板上固定梳齿加力时产生的反作用力，仍有部分能量通过基板耗散，限制了品质因数的进一步提升；同时，由于整体支撑采取了单锚定点结构，Z轴稳定性欠佳，产生了抗高过载性能较差，Z轴敏感性较差等问题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种能进一步提高品质因数，同时提升Z轴稳定性的外支撑四质量块MEMS谐振式陀螺仪。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种外支撑四质量块MEMS谐振式陀螺仪，其特征在于，该陀螺仪包括基板层和位于所述基板层上方的结构层，所述结构层包括：拥有四对称轴的八边形平面框架结构的支撑架，四根沿以所述支撑架对称中心为圆心的圆周对称均匀分布在所述支撑架外侧的锚定支撑柱，四个沿以所述支撑架对称中心为圆心的圆周对称均匀分布在所述支撑架内侧的质量块，四个分别设置在四个所述质量块与所述支撑架之间的驱动检测单元，和四个分别设置在四个所述质量块远离所述支撑架一侧的驱动单元；其中，所述支撑架上不相邻的两组对边外侧的中间位置处各设置有一组外侧凸起，所述支撑架上不相邻的另外两组对边内侧的中间位置处各设置有一组内侧凸起；所述锚定支撑柱一端键合固定在所述基板层上、另一端分别与一所述外侧凸起固定连接，所述锚定支撑柱与所述基板层的键合位置位于经过所述外侧凸起的支撑架对称轴上；所述质量块通过悬臂梁连接到所述支撑架上，且相对的两个所述质量块完全相同，每个所述质量块接近所述支撑架的一侧设置有驱动检测电容可动极板、远离所述支撑架的一侧设置有驱动电容可动极板，所述质量块能够在所述支撑架平面内产生“主模态”振动，或者产生“次模态”振动，或者同时产生“主模态”和“次模态”振动；所述驱动检测单元一端键合固定在所述基板层上、另一端设置驱动检测电容固定极板，所述驱动检测电容固定极板与所述驱动检测电容可动极板对应组合，形成与每个所述质量块相对应的驱动检测电容，所述驱动检测单元与所述基板层的键合位置位于经过所述外侧凸起的支撑架对称轴上；所述驱动单元一端键合固定在所述基板层上、另一端设置驱动电容固定极板，所述驱动电容固定极板与所述驱动电容可动极板对应组合，形成与每个所述质量块相对应的驱动电容，所述驱动单元与所述基板层的键合位置位于所述支撑架的对称中心。所述“主模态”振动是指：通过所述驱动电容主动使所述质量块产生的振动；所述“次模态”振动是指：当垂直于所述支撑架平面方向有角速度输入时，所述质量块受到科式力的作用，在所述支撑架平面内产生垂直于所述“主模态”振动方向的振动。所述质量块为中心对称结构，存在两个互相垂直的对称轴；所述陀螺仪的工作模式包括“对称模式”和“解耦模式”，通过调整所述悬臂梁的刚度配置，能改变所述陀螺仪的工作模式；所述“对称模式”既能够工作在“速率模式”下，也能够工作在“速率积分模式”下；其中，所述“对称模式”的“主模态”振动为四个所述质量块沿以所述支撑架对称中心为圆心的圆的径向振动，并且相邻两所述质量块同一时刻的运动方向相反；其“次模态”振动为四个所述质量块沿以所述支撑架对称中心为圆心的圆的切向振动，并且相邻两所述质量块在同一时刻运动方向相反；所述“解耦模式”的“主模态”振动为两个相对称的所述质量块沿以所述支撑架对称中心为圆心的圆的径向振动，且同一时刻的运动方向相反，而另两个所述质量块静止不动；其“次模态”振动为四个所述质量块沿以所述支撑架对称钟形为圆心的圆的切向振动，并且相邻两所述质量块在同一时刻运动方向相反；所述“速率模式”是通过所述驱动电容施加激励力，使所述质量块在“主模态”下振动，当有外界角速度输入时，通过检测所述质量块的“次模态”运动位移大小来反映外界输入角速度大小；所述“速率积分模式”是将所述陀螺仪的“主模态”和“次模态”谐振频率配置为相同，所述质量块自由振动，振动频率为谐振频率，当有外界角度输入时，通过测量所述质量块自由振动振型与所述基板层基准方向的夹角来反映外界输入的角度。所述基板层上、靠近所述质量块两端分别设置有两个止挡机构，所述止挡机构或者所述质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种外支撑四质量块MEMS谐振式陀螺仪，其特征在于，该陀螺仪包括基板层和位于所述基板层上方的结构层，所述结构层包括：拥有四对称轴的八边形平面框架结构的支撑架，四根沿以所述支撑架对称中心为圆心的圆周对称均匀分布在所述支撑架外侧的锚定支撑柱，四个沿以所述支撑架对称中心为圆心的圆周对称均匀分布在所述支撑架内侧的质量块，四个分别设置在四个所述质量块与所述支撑架之间的驱动检测单元，和四个分别设置在四个所述质量块远离所述支撑架一侧的驱动单元；其中，所述支撑架上不相邻的两组对边外侧的中间位置处各设置有一组外侧凸起，所述支撑架上不相邻的另外两组对边内侧的中间位置处各设置有一组内侧凸起；所述锚定支撑柱一端键合固定在所述基板层上、另一端分别与一所述外侧凸起固定连接，所述锚定支撑柱与所述基板层的键合位置位于经过所述外侧凸起的支撑架对称轴上；所述质量块通过悬臂梁连接到所述支撑架上，且相对的两个所述质量块完全相同，每个所述质量块接近所述支撑架的一侧设置有驱动检测电容可动极板、远离所述支撑架的一侧设置有驱动电容可动极板，所述质量块能够在所述支撑架平面内产生“主模态”振动，或者产生“次模态”振动，或者同时产生“主模态”和“次模态”振动；所述驱动检测单元一端键合固定在所述基板层上、另一端设置驱动检测电容固定极板，所述驱动检测电容固定极板与所述驱动检测电容可动极板对应组合，形成与每个所述质量块相对应的驱动检测电容，所述驱动检测单元与所述基板层的键合位置位于经过所述外侧凸起的支撑架对称轴上；所述驱动单元一端键合固定在所述基板层上、另一端设置驱动电容固定极板，所述驱动电容固定极板与所述驱动电容可动极板对应组合，形成与每个所述质量块相对应的驱动电容，所述驱动单元与所述基板层的键合位置位于所述支撑架的对称中心。...

【技术特征摘要】
1.一种外支撑四质量块MEMS谐振式陀螺仪，其特征在于，该陀螺仪包括基板层
和位于所述基板层上方的结构层，所述结构层包括：
拥有四对称轴的八边形平面框架结构的支撑架，
四根沿以所述支撑架对称中心为圆心的圆周对称均匀分布在所述支撑架外侧的锚
定支撑柱，
四个沿以所述支撑架对称中心为圆心的圆周对称均匀分布在所述支撑架内侧的质
量块，
四个分别设置在四个所述质量块与所述支撑架之间的驱动检测单元，和
四个分别设置在四个所述质量块远离所述支撑架一侧的驱动单元；
其中，所述支撑架上不相邻的两组对边外侧的中间位置处各设置有一组外侧凸起，
所述支撑架上不相邻的另外两组对边内侧的中间位置处各设置有一组内侧凸起；
所述锚定支撑柱一端键合固定在所述基板层上、另一端分别与一所述外侧凸起固
定连接，所述锚定支撑柱与所述基板层的键合位置位于经过所述外侧凸起的支撑架对
称轴上；
所述质量块通过悬臂梁连接到所述支撑架上，且相对的两个所述质量块完全相同，
每个所述质量块接近所述支撑架的一侧设置有驱动检测电容可动极板、远离所述支撑
架的一侧设置有驱动电容可动极板，所述质量块能够在所述支撑架平面内产生“主模
态”振动，或者产生“次模态”振动，或者同时产生“主模态”和“次模态”振动；
所述驱动检测单元一端键合固定在所述基板层上、另一端设置驱动检测电容固定
极板，所述驱动检测电容固定极板与所述驱动检测电容可动极板对应组合，形成与每
个所述质量块相对应的驱动检测电容，所述驱动检测单元与所述基板层的键合位置位
于经过所述外侧凸起的支撑架对称轴上；
所述驱动单元一端键合固定在所述基板层上、另一端设置驱动电容固定极板，所
述驱动电容固定极板与所述驱动电容可动极板对应组合，形成与每个所述质量块相对
应的驱动电容，所述驱动单元与所述基板层的键合位置位于所述支撑架的对称中心。
2.如权利要求1所述的一种外支撑四质量块MEMS谐振式陀螺仪，其特征在于，
所述“主模态”振动是指：通过所述驱动电容主动使所述质量块产生的振动；
所述“次模态”振动是指：当垂直于所述支撑架平面方向有角速度输入时，所述
质量块受到科式力的作用，在所述支撑架平面内产生垂直于所述“主模态”振动方向
的振动。
3.如权利要求1或2所述的一种外支撑四质量块MEMS谐振式陀螺仪，其特征在
于，所述质量块为中心对称结构，存在两个互相垂直的对称轴；所述陀螺仪的工作模

\t式包括“对称模式”和“解耦模式”，通过调整所述悬臂梁的刚度配置，能改变所述陀
螺仪的工作模式；所述“对称模式”既能够工作在“速率模式”下，也能够工作在“速
率积分模式”下；其中，
所述“对称模式”的“主模态”振动为四个所述质量块沿以所述支撑架对称中心
为圆心的圆的径向振动，并且相邻两所述质量块同一时刻的运动方向相反；其“次模
态”振动为四个所述质量块沿以所述支撑架对称中心为圆心的圆的切向振动，并且相
邻两所述质量块在同一时刻运动方向相反；
所述“解耦模式”的“...

【专利技术属性】
技术研发人员：周斌，张嵘，张天，陈志勇，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11