一种四质量块耦合微机电陀螺仪的制作方法

本发明涉及微机陀螺仪领域，尤其是一种四质量块耦合微机电陀螺仪。

背景技术：

随着微机械技术的发展，近年来已经有越来越多的mems器件实现了商用甚至军用。其中，mems惯性传感器在汽车电子、惯性导航和便携设备中取得了很大的成功。

mems陀螺仪本质上是通过科里奥利效应实现的角速度传感器。它将质量块的受力（即科氏力）与外加角速度联系在一起，再通过胡克定律和二阶动态系统将受力转化为位移，并且使用一定的位移检测机构实现对角速度的检测。

mems陀螺仪通常包含线性振动或者角振动的质量块、检测质量块以及相应的驱动和检测装置。为了实现对于各种外部共模干扰（比如振动、加速度和机械冲击）的抑制，mems陀螺仪通常有偶数个驱动和检测质量块，并且通常呈对称结构。其中，相邻的质量块运动方向都相反，从而实现差分效果,并且四质量块结构对于各种共模机械干扰有更好的抑制效果。

另外一项抑制共模干扰的方式就是将检测质量块通过弹簧耦合在一起，这样就可以在不同检测质量块的参数（主要是弹性系数）出现失配的情况下大幅度降低它们检测位移的失配。

但是由于常见的mems工艺流程只能形成平面结构，如果选择将检测质量块耦合在一起就会造成驱动质量块无法耦合，也就降低了等效驱动品质因数，从而需要更大的驱动电压才能实现相同的驱动幅度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种四质量块耦合微机电陀螺仪，驱动和检测质量同时耦合的结构以克服驱动电压较高的缺点，从而改善传感器对于电路部分的性能要求。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种四质量块耦合微机电陀螺仪，包括四个质量块，每个质量块被划分为完全对称的四个单元；每一个质量块主要由驱动框架和检测框架构成，四个驱动框架通过驱动耦合弹簧互连，上排的两个检测框架通过检测耦合弹簧互连下排的连接关系与上排相同，每对驱动框架和检测框架之间通过驱动弹簧互连。

优选的，所述的驱动耦合弹在检测模态的时候也会发生形变。

优选的，每个质量块被划分为完全对称的四个单元，其中每个单元把包括：驱动电极、自检电极、检测耦合弹簧、驱动检测电极、正交误差补偿电极、交叉结构、驱动弹簧、检测电极、框架、检测弹簧、共用弹簧和驱动耦合弹簧；

优选的，所述的驱动电极和自检电极采用差分方式排布；检测弹簧的一端与框架的检测框架连接，另一端连接锚点；检测耦合弹簧一端与相邻检测框架的检测耦合弹簧相串联，另一端连接检测框架；驱动耦合弹簧一端与相邻驱动框架的驱动耦合弹簧相串联，另一端连接驱动框架；共用弹簧的一端与驱动框架连接，另一端连接锚点；驱动弹簧连接驱动框架和检测框架；正交误差补偿电极与驱动质量块形成阶梯结构。

优选的，框架宽度较大的部分设置了应力释放孔；所述的应力释放孔可以一定程度上降低结构的质量并且辅助释放牺牲层。

优选的，所述的驱动电极和驱动检测电极采用了梳齿电容，保证运动方向与梳齿长度方向相同。

优选的，所述的检测电极和自检电极采取平板电容，保证运动方向与梳齿长度方向相互垂直。

优选的，在质量块发生运动时，驱动检测电极和检测电极正负端与质量块之间发生相反方向的变化，通过差分电路即可检出质量块的运动。

优选的，所述的质量块的上下左右中点处都设置有共用弹簧和驱动耦合弹簧；每个共用弹簧或者驱动耦合弹簧均是由第一折叠弹簧、第二折叠弹簧、第一连杆、第二连杆、铰支点和锚点构成。

优选的，铰支点是假想点，第一折叠弹簧的中心点或锚点，它的效果是让第一连杆和第二连杆以及第一折叠弹簧和锚点之间可以有一定角度。

优选的，第二折叠弹簧与锚点的连接点距离锚点顶端的距离应尽量小，提高了结构对称以后边界条件的对称性。

优选的，质量块向下运动时受到向右的作用力；相邻的质量块受到的补偿静电力方向相反，补偿力和驱动位移同相位、与正交误差同相位，实现正交误差补偿的效果。

本发明的有益效果是：提供一种四质量块耦合微机电陀螺仪，驱动和检测质量同时耦合的结构以克服驱动电压较高的缺点，从而改善传感器对于电路部分的性能要求，将框架和内部质量块都耦合在一起，从而同时获得较高的驱动q值、可降低驱动电压或提升信噪比和较高的共模抑制能力。

附图说明

图1为本发明一个质量块四分之一结构图；

图2为驱动和检测工作状态图；

图3为陀螺仪共用/耦合弹簧结构示意图；

图4为交叉结构截面示意图；

附图主要元件说明：驱动电极1、自检电极2、检测耦合弹簧3、驱动检测电极4、正交误差补偿电极5、交叉结构6、驱动弹簧7、应力释放孔8、第一连杆9、第二连杆10、第一折叠弹簧11、锚点12、第二折叠弹簧13、检测电极14、框架15、铰支点16、检测弹簧17、共用弹簧18、驱动框架19、检测框架20、驱动耦合弹簧21、距离1l1和距离2l2。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种四质量块耦合微机电陀螺仪包括四个质量块，其中相邻的质量块运动方向都相反，从而实现差分效果；每个质量块被划分为完全对称的四个部分，单个质量块的四分之一，它包括：驱动电极1、驱动检测电极4、自检电极2、正交误差补偿电极5、检测电极14、驱动弹簧7、检测弹簧17、检测耦合弹簧3和框架15；

所述的驱动电极1和自检电极2采用差分方式排布，在施加电压时质量块发生运动，驱动检测电极4和检测电极14正负端与质量块之间发生相反方向的变化，通过差分电路即可检出质量块的运动。

驱动弹簧7主要负责控制驱动频率，并且也实现将驱动质量块产生的哥氏力传导至检测框架20。检测弹簧17的一端与检测框架20连接，另一端连接锚点，而检测耦合弹簧3的另一端则与相邻的质量块的检测耦合弹簧3相串联。

框架15宽度较大的部分设置了应力释放孔8一定程度上降低结构的质量并且辅助释放牺牲层。

正交误差补偿电极5与驱动质量块形成阶梯结构，由于固定电极右侧的交叠面积更大，在上方电极通电的情况下质量块向上运动时受到向左的作用力，质量块向下运动时受到向右的作用力。相邻的质量块受到的补偿静电力方向相反，并且补偿力和驱动位移同相位，因而也与正交误差同相位，因此可以实现正交误差补偿的效果。

所述的驱动电极1和驱动检测电极4采用了梳齿电容，保证了运动方向与梳齿长度方向相同，克服了电容非线性的问题。

所述的检测电极14和自检电极2采取平板电容，保证了运动方向与梳齿长度方向相互垂直，提高了电容变化量，降低所需的驱动电压和梳齿面积，由于检测方向位移比较小，平板电容的非线性问题影响不大。检测固定电极两侧的间距相同则可以使得差分后电路端的输入电容为零。

在质量块发生运动时，驱动检测电极4和检测电极14正负端与质量块之间发生相反方向的变化，通过差分电路即可检出质量块的运动。

所述的质量块的上下左右中点处都设置有共用弹簧18和驱动耦合弹簧21；每个共用弹簧18或者驱动耦合弹簧21均是由第一折叠弹簧11、第二折叠弹簧13、第一连杆9、第二连杆10、铰支点和锚点12构成。

所述的第二折叠弹簧13与锚点12的连接点距离锚点12顶端的距离应尽量小，提高了结构对称以后边界条件的对称性。

质量块向下运动时受到向右的作用力；相邻的质量块受到的补偿静电力方向相反，补偿力和驱动位移同相位、与正交误差同相位，实现正交误差补偿的效果。

如图2所示，其驱动和检测工作状态分别为a、b所示。该陀螺采用框架结构，它的工作原理是在相邻的两个驱动质量块上施加相反的驱动电压使它们产生差分运动。驱动方向的弹簧包括共用弹簧18，驱动耦合弹簧21和驱动弹簧7，四个驱动质量块通过驱动耦合弹簧21相互耦合使它们在弹簧失配时仍能具有相近并且较高的位移，这样就可以有效降低所需的驱动电压。

由于驱动框架的位移两两反相，因此在存在输入z轴角速度的情况下驱动框架受到x方向的哥氏力的作用，并且通过驱动弹簧将这个力传导至检测框架。连接检测框架19的弹簧包括检测弹簧17、检测耦合弹簧3以及通过驱动弹簧7间接作用的共用弹簧1、2。这样就实现了驱动和检测四质量块同时耦合的效果。

如图3所示，每个质量块的上下左右中点处都设置有共用弹簧18和耦合弹簧21。每个共用弹簧18和驱动耦合弹簧21均是由第一折叠弹簧11、第二叠弹簧13、第一连杆9、第二连杆10、铰支点和锚点12构成，当发生y方向运动时，共用弹簧通过第一折叠弹簧11和第二折叠弹簧13的y方向形变实现，而耦合弹簧则只能通过第一折叠弹簧11的y方向形变实现。这虽然降低了结构的对称性，但是y方向的耦合仍然可以完全实现。这种折叠结构与一般陀螺中使用的弹簧类似。

x方向运动时连杆1由于宽度较大几乎不发生弯曲，第一连杆9与第二连杆10之间通过第一折叠弹簧11形成铰接关系，此时第一折叠弹簧11不再与x轴平行，而是有了一定的夹角。

偏转后的第二连杆10与锚点12和第二折叠弹簧13形成一个位移放大机构，增加第二连杆10的长度可以降低弹簧在x方向的弹性系数。同时，第二折叠弹簧13与第二连10杆形成的铰支点16存在使得结构可以获得完全对称的边界条件。这是因为如果没有铰支点16，非对称端的第二连杆10顶端将成为固支边。

如图4所示，交叉结构6的截面结构其中，距离1l1的设置应略大于驱动质量块在驱动或检测方向上的最大位移；距离2l2的设置则与加工工艺相关，它的尺寸应略大于结构在z轴方向上的形变以免第一连杆9和驱动质量块发生接触。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。