四质量双解耦陀螺仪的制作方法

本发明涉及一种微机电陀螺仪，特别是具有双解耦结构的四质量微机电陀螺仪。

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陀螺仪在汽车电子、惯性导航和便携电子设备中取得了很大的成功。

mems陀螺仪通过科氏力效应实现角速度测量。它将质量块的运动与外加角速度联系在一起，并且使用一定的位移检测机构实现对角速度的检测，通常为电容、压阻和压电等。

mems陀螺仪通常包含驱动质量、检测质量及相应的驱动和检测装置。为了实现对于共模干扰（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。

传统的单质量结构可以通过连接偶数个单元提高共模抑制能力，但是由于质量块在驱动和检测方向都可以运动，因此这种结构的正交误差非常大。框架结构可以实现驱动或检测模态的解耦，但是它通常只能实现驱动或检测质量的耦合，这会降低共模抑制能力或驱动位移。双解耦结构可以实现两个模态的解耦，但是通常在平面工艺内无法实现多质量块耦合，因此共模抑制能力比较低。

本发明的目的是通过四质量的双解耦结构实现非解耦结构和解耦结构共同的优点，从而提高共模抑制能力并降低正交误差，改善传感器的性能。

技术实现要素：

针对背景技术中传统双解耦结构微机械陀螺仪无法实现多质量块耦合，因而共模抑制能力较弱的缺点，本发明提出一种四质量双解耦陀螺仪，其特征在于,所述四质量双解耦陀螺仪可以划分为完全对称的四个部分，每个部分包括驱动质量、驱动弹簧、驱动解耦弹簧、驱动和驱动检测电极、敏感质量、检测质量、检测弹簧、检测解耦弹簧、检测电极和耦合弹簧，工作过程中，在所述敏感质量上和所述驱动质量上施加相反的驱动电压使它们产生差分运动。

进一步地，所述驱动解耦弹簧用于限制所述驱动质量不能在检测方向上运动，所述检测解耦弹簧用于限制所述检测质量不能在驱动方向上运动。

进一步地，驱动电极采用差分方式排布，在施加电压时会使陀螺仪工作在驱动模态下。

进一步地，所述驱动方向的弹簧包括所述驱动弹簧、所述检测解耦弹簧和所述耦合弹簧，所述驱动模态的质量是所述驱动质量加所述敏感质量。

进一步地，所述驱动和驱动检测电极采用梳齿电容，运动方向与梳齿长度方向相同，解决了电容非线性的问题。

进一步地，所述检测电极采取平板电容，运动方向与梳齿长度方向相互垂直，可以提高电容变化量，降低驱动电压和梳齿面积。

进一步地，所述检测方向的弹簧包括所述检测弹簧、所述驱动解耦弹簧和所述耦合弹簧，检测模态的质量是所述敏感质量和所述检测质量。

进一步地，所述耦合弹簧由第一折叠梁、第二折叠梁、连杆、绞支点和锚点构成。

进一步地，配置耦合弹簧用于两个敏感质量之间的耦合，当相邻两个敏感质量之间相互垂直运动时，主要由所述第二折叠梁发生形变，当两个敏感质量之间水平运动时，陀螺仪的自由度主要通过两侧耦合弹簧的所述绞支点和所述连杆实现。

进一步地，配置耦合弹簧用于敏感质量与固定端之间的连接，当相邻两个敏感质量之间相互垂直运动时，所述第一折叠梁与所述第二折叠梁一同产生形变。

附图说明

图1是四质量双解耦陀螺仪结构；

图2是陀螺的工作模态，左侧为驱动模态，右侧为检测模态；

图3是单个部分的1/4结构；

图4是耦合弹簧的结构；

图5是第一种配置方式-垂直运动；

图6是第一种配置方式-水平运动；

图7是第二种配置方式-垂直运动。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

本发明公开的四质量陀螺仪采用双解耦结构，它的工作原理是在相邻的每个敏感质量块上的驱动质量块上施加相反的驱动电压使它们产生差分运动（沿图2左图中的x方向），该差分运动带动敏感质量块在相同的方向差分运动（沿图2左图中的x方向）。四个驱动和敏感质量块中的左上、右上、左下和右下部分分别沿+x、-x、-x和+x方向运动，从而形成两两差分。

驱动方向的弹簧包括驱动弹簧、检测解耦弹簧和耦合弹簧，四个敏感质量块通过耦合弹簧相互连接并且和四个驱动质量连接并相互耦合，使得存在弹簧失配的情况下四个驱动质量和敏感质量具有基本相等并且比较大的振幅，这样就可以有效降低所需的驱动电压。

由于驱动质量和敏感质量的位移两两反相，因此在图2中的z轴存在输入角速度的情况下驱动质量和敏感质量受到图2中y轴方向哥氏力的作用。但是由于驱动质量块上驱动解耦弹簧的存在，驱动质量块无法在y轴方向运动，因而只有敏感质量可以产生y轴方向的运动。

检测方向的弹簧包括检测弹簧、驱动解耦弹簧和耦合弹簧，四个敏感质量块在收到哥氏力作用时通过检测解耦弹簧将作用力传导至检测质量，使其产生振动。四个敏感质量与四个检测质量相连并通过耦合弹簧相互耦合，使得存在弹簧失配的情况下四个检测质量和敏感质量在相同的哥氏力作用下具有基本相等y轴方向位移，这样可以显著提高传感器的共模抑制能力。

由于驱动解耦弹簧和检测解耦弹簧的存在，驱动质量和检测质量分别不能在检测和驱动方向（即图2中的y轴和x轴）上运动，这样可以降低传感器的正交误差和驱动静电力造成的检测位移，从而降低传感器的加速度敏感性和输出噪声。

图1中的横纵两条点划线将结构分为完全对称的四个部分，而本发明的每个部分又都沿x和y轴（平面内）方向对称并且中心对称。单个部分的四分之一如图3所示。

由图3可知单个部分是由驱动质量、驱动弹簧、驱动解耦弹簧、驱动和驱动检测电极、敏感质量、检测质量、检测弹簧、检测解耦弹簧、检测电极和耦合弹簧构成。其中，驱动工作模态的质量是驱动质量加敏感质量，检测工作模态的质量是敏感质量和检测质量。

驱动电极采用差分方式排布，在施加电压时会使结构以图2左图的模式运动，该运动被驱动检测电极感知并通过驱动环路形成稳定驱动位移。在有输入角速度的情况下检测质量块发生运动，使检测电极正负端与检测质量之间的电容发生变化，通过差分电路即可检出质量块的运动。

驱动和驱动检测电极采用了梳齿电容，即运动方向与梳齿长度方向相同，这种方法的好处是不存在电容非线性的问题。检测电极则采取平板电容，即运动方向与梳齿长度方向相互垂直，这是为了提高电容变化量，从而降低所需的驱动电压/梳齿面积。另外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检测的灵敏度提高接近一倍。

正如上文所说，本发明使用了双解耦的结构，因此正交误差很低不需要设置正交误差补偿电极。

本发明中决定驱动工作模态频率的有驱动弹簧、检测耦合弹簧和耦合弹簧；决定检测工作模态频率的有检测弹簧、驱动耦合弹簧和耦合弹簧。

由于耦合弹簧具有平动和转动两个自由度，因此可以同时工作在驱动和检测模态中。每个耦合弹簧都由第一折叠梁、第二折叠梁、连杆、绞支点和锚点构成，如图4所示。

本发明中耦合弹簧存在两种配置方式，一种用于两个敏感质量之间的耦合，另一种用于一个敏感质量与固定端之间的连接。

对第一种配置方式，当相邻两个敏感质量之间相互垂直运动时主要由第二折叠梁发生形变，此时绞支点和连杆不发挥作用，而第一折叠梁和锚点仅在两侧的第二折叠梁发生失配的情况下起作用，它可以平衡两个敏感质量的位移，如图5所示。

当两个敏感质量之间水平运动时结构的自由度主要通过两侧耦合弹簧的绞支点和连杆实现，如图6所示。相邻两个耦合弹簧的对称点相连，并且与两侧第一折叠梁共同构成一个转轴结构。为了降低该转轴的阻力，第一折叠梁与连杆的接电应尽量靠近耦合弹簧的对称点，同时要避免二者距离过近而使得两侧的第一折叠梁在变形后相互接触。另外一种降低转轴阻力的方式就是增加连杆的长度，这样可以通过杠杆原理降低转轴阻力造成的工作模态频率升高。

当连杆围绕转轴发生旋转时，与敏感质量相连的部分保持不变形，从而使得第二折叠梁形成一个绞支点。该绞支点允许敏感质量的突出部分与连杆产生不同的角度。在水平运动存在弹簧失配时第二折叠梁也可以实现相邻敏感质量的耦合。

对第二种配置方式，耦合弹簧在水平运动时与第一种配置方式基本相同，区别是此时的对称点与接点相互重合。

垂直运动时由于不存在对称点对第一折叠梁形变的阻碍，它会与第二折叠梁一同产生形变，如图7所示。

本发明通过双解耦结构实现驱动与检测的解耦和驱动与驱动、检测与检测的耦合，提高各个单元驱动和检测位移的匹配程度，可以在相同驱动位移的情况下降低驱动电压或在相同驱动电压的情况下获得更大的驱动位移，可以降低对电路工艺的要求或提高信噪比，提高对共模干扰的抑制能力，如加速度和振动，降低驱动模态和检测模态之间的相互影响，很好地抑制了结构的正交误差。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。