本发明涉及微电子领域，属于微机电系统(mems)中的惯性传感器，具体是一种单片式谐振加速度计陀螺仪结构。
背景技术：
硅微加速度计和陀螺仪是两种非常重要的微型惯性传感器，也是微型惯性导航或制导系统的重要组成部分。由于硅微惯性器件的加工工艺与微电子加工技术兼容，可批量生产，具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高等优势，是当今微机械电子技术领域发展的热点方向之一，在军民领域均有广泛的前景。
在单片结构中同时实现角速度和线加速度的测量可以大大减小惯性测量系统设计和装配的复杂性，有利于惯性导航或制导系统的进一步小型化。现有的单片式加速度计陀螺仪中加速度计主要有两类，一种是电容式的，一种是谐振式的。前者一般利用陀螺仪敏感质量块在加速度作用下产生的位移所导致的电容变化来测量加速度的大小；后者一般将陀螺仪和加速度计分开实现，然后集成于单芯片中。
电容式加速度计陀螺仪的实现方法主要有如下问题：1、角速度与线加速度所产生的响应均反映在质量块的位移上，需要较复杂的信号处理将两种惯性信息分离；2、质量块同时具有面内与面外的运动，对结构加工的对称性要求很高；3、高精度的电容读出电路较为复杂，限制了加速度计的精度。而在目前的谐振式加速度计陀螺仪的实现中，各惯性测量单元的敏感质量块相互独立，增加了结构的总体积和复杂性，不利于系统的微型化，同时增加了制造的成本。
技术实现要素：
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种单片式谐振加速度计陀螺仪结构。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种单片式谐振加速度计陀螺仪结构，包括三框架式全解耦陀螺仪、两个谐振梁构成的谐振式加速度计，谐振式加速度计的输入端水平侧通过解耦梁与锚点固定，竖直侧与陀螺仪通过耦合梁相连接；谐振式加速度计的惯性敏感质量单元由陀螺仪质量构成。
其中，三框架式全解耦陀螺仪包括外框、中框以及内框，外框上设置有水平梳齿架，外框与中框通过水平放置的连接梁连接，中框与内框通过竖直放置的连接梁连接，内框由连接至锚点的解耦梁支撑并且设有竖直梳齿架。
其中，水平梳齿架和竖直梳齿架两侧均设置有固定电极，配置成滑膜梳齿结构。
其中，谐振式加速度计由两个谐振梁构成，每个谐振梁设置有两组梳齿，每组梳齿外侧设置有驱动梳齿电极和检测梳齿电极，谐振梁一端连接锚点，另一端为惯性力敏感输入端。
其中，谐振式加速度计的惯性力敏感输入端水平侧由连接至锚点的解耦梁支撑，纵向通过连接梁连接至陀螺仪外框。
其中，加速度计的惯性力敏感质量单元由三框架式全解耦陀螺仪质量构成，上下两个谐振梁形成差分输出结构。
有益效果：本发明的一种单片式谐振加速度计陀螺仪结构，具有以下有益效果：
1加速度计的惯性敏感单元为陀螺仪的质量，简化了结构设计，有效减小了加速度计陀螺仪的总体积和成本。
2差分频率输出的加速度计有效抑制了温度等外界的共模影响，并且直接的频率输出具有抗干扰强的特点。
3三框架式的陀螺仪设计独立于谐振式加速度计的设计，陀螺仪模态的配置与加速度计的设计无关，降低了集成设计的复杂性。
综上所述，本发明提出的单片式谐振加速度计陀螺仪结构，可以有效测量垂直纸面的角运动和竖直方向的线加速度，并且具有体积小、结构紧凑、设计简单、精度高的优点。
附图说明
图1为本发明的平面结构示意图。
图中，1a、1b均为加速度计谐振梁的固定端锚点；2a、2b均为加速度计谐振梁与锚点连接器；3a、3b、3c、3d均为加速度计谐振梁驱动梳齿固定电极；4a、4b、4c、4d均为加速度计谐振梁检测梳齿固定电极；5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h均为加速度计谐振梁输入端解耦梁的支撑锚点；6a、6b、6c、6d均为加速度计谐振梁输入端解耦梁；7a、7b、7c、7d均为陀螺仪外框驱动梳齿固定电极；8a、8b、8c、8d均为陀螺仪外框梳齿架；9a、9b、9c、9d均为陀螺仪外框检测梳齿固定电极；10a、10b均为加速度计谐振梁与陀螺仪外框连接器；11a、11b均为加速度计输入端与陀螺仪外框连接梁；12a、12b、12c、12d均为陀螺仪外框与中框连接梁；13a、13b、13c、13d均为陀螺仪中框与内框连接梁；14a、14b、14c、14d均为陀螺仪内框解耦梁；15a、15b均为陀螺仪内框解耦梁支撑锚点；16a、16b、16c、16d均为陀螺仪内框检测梳齿固定电极；17a、17b、17c、17d均为陀螺仪内框梳齿架；18a、18b、18c、18d均为陀螺仪内框力反馈梳齿固定电极；19a、19b均为加速度计谐振梁；20为陀螺仪外框；21为陀螺仪中框；22为陀螺仪内框。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明的一种单片式谐振加速度计陀螺仪结构，包括三框架式全解耦陀螺仪、两个谐振梁构成的谐振式加速度计，谐振式加速度计的输入端水平侧通过解耦梁与锚点固定，竖直侧与陀螺仪通过耦合梁相连接；谐振式加速度计的惯性敏感质量单元由陀螺仪质量构成。
其中，谐振式加速度计包括谐振梁19a、19b，固定支撑锚点1a、1b，谐振梁与锚点连接器2a、2b，谐振梁驱动梳齿固定电极3a、3b、3c、3d，谐振梁检测梳齿固定电极4a、4b、4c、4d，谐振梁输入端解耦梁支撑锚点5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h，谐振梁输入端解耦梁6a、6b、6c、6d，谐振梁与陀螺仪外框连接器10a、10b，敏感输入端与陀螺仪外框连接梁11a、11b。三框架式全解耦陀螺仪包括外框20、中框21、内框22，外框与中框连接梁12a、12b、12c、12d，中框与内框连接梁13a、13b、13c、13d，外框梳齿架8a、8b、8c、8d，外框驱动梳齿固定电极7a、7b、7c、7d，外框驱动梳齿检测电极9a、9b、9c、9d，内框梳齿架17a、17b、17c、17d，内框力反馈梳齿固定电极18a、18b、18c、18d，内框检测梳齿固定电极16a、16b、16c、16d，内框解耦梁14a、14b、14c、14d以及内框解耦梁支撑锚点15a、15b。
如图1所示，谐振式加速度计两个谐振梁上下关于水平轴对称，因此，只需对其中一个谐振梁上部谐振梁进行说明即可。所述谐振式加速度计谐振梁19a通过连接器2a由固定锚点1a所固定支撑，其两侧分布有固定的驱动梳齿电极3a、3d以及固定的检测梳齿电极4a、4d。所述驱动梳齿电极3a、3d放置于检测梳齿电极4a、4d上侧。所述谐振梁19a的敏感输入端通过连接器10a与陀螺仪外框连接梁11a连接，并由解耦梁6a、6d连接至固定锚点5a、5b、5g、5h。所述解耦梁6a、6d分别在连接器10a左右两侧，锚点5a、5b、5g、5h在解耦梁6a、6d上下两侧分布。
如图1所示，三框架式全解耦陀螺仪外框20上下侧由连接梁11a、11b连接至上下加速度计输入端连接器10a、10b，并由解耦梁6a、6b、6c、6d和锚点5a、5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h所支撑。陀螺仪中框21通过四个水平放置的连接梁12a、12b、12c、12d悬挂于外框20内部。陀螺仪内框22通过四个竖直放置的连接梁13a、13b、13c、13d悬挂于中框21内部，同时，内框22通过四个水平放置的解耦梁14a、14b、14c、14d连接至固定锚点15a、15b。
所述陀螺仪外框20外侧设置有四组关于水平中心轴和竖直中心轴对称的梳齿架8a、8b、8c、8d。所述外框梳齿架8a、8b、8c、8d与外框20水平边沿垂直放置，其两侧布置有驱动梳齿电极7a、7b、7c、7d和检测梳齿电极9a、9b、9c、9d。陀螺仪内框22内侧设置有同样对称的四组梳齿架17a、17b、17c、17d。所述梳齿架17a、17b、17c、17d与内框22竖直边沿垂直，其两侧布置有力反馈梳齿电极18a、18b、18c、18d和检测梳齿电极16a、16b、16c、16d。
如图1所示，整个结构体关于水平中轴以及竖直中轴对称分布。
本发明的工作原理如下：加速度计的谐振梁19a、19b被其两侧的驱动梳齿3a、3b、3c、3d所驱动至谐振频率，其运动被两侧的检测梳齿4a、4b、4c、4d所读取。当结构体受到竖直方向加速度载荷时了，陀螺仪内中外三框20、21、22的质量以敏感单元的形式将惯性力作用于谐振式加速度计的输入端连接器10a、10b，以此改变加速度计谐振梁19a、19b的谐振频率。谐振梁的频率变化反映了结构体所受到的加速度大小。同时，上下两根谐振梁19a、19b组成了差分输出。陀螺仪外框20在水平梳齿3a、3b、3c、3d的驱动下沿水平方向作简弦运动，外框20的竖直运动被谐振式加速度计的敏感输入端连接器10a、10b所限制。陀螺仪外框20通过连接梁12a、12b、12c、12d带动中框21做水平简弦运动。当结构体受到垂直纸面的角运动时，中框21在哥氏力载荷下同时产生竖直方向的简弦运动，并通过连接梁13a、13b、13c、13d带动陀螺仪内框22沿竖直方向运动，而内框22的水平运动被连接至锚点15a、15b的解耦梁14a、14b、14c、14d限制。内框22的竖直简弦运动被检测梳齿16a、16b、16c、16d读取，其幅度大小反映了结构体受到的角速度大小，并通过在力反馈梳齿电极18a、18b、18c、18d上施加合适的静电力以平衡内框22受到的哥氏力载荷。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。