CN114264293B - 一种高抗振动型全对称mems陀螺仪传感器结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高抗振动型全对称MEMS陀螺仪传感器结构，传感器结构内、外框质量体分别由驱动轴电极稳定驱动，使其处于差分高频振荡，当有角速度信号输入时，内、外框质量体运动分别由敏感轴电极稳定检测并利用力反馈控制信号实现闭环控制。内、外框频率调节电极、正交补偿电极分别消除因加工误差等因数造成的质量体不对称，提高传感器结构工作效率。内、外框均具备独立陀螺仪效应及功能，合成差分的输出形式，有利提高输入信号的检测效率。该传感器结构能为MEMS陀螺仪信号处理电路提供抗干扰能力强，传感器信号强的基础器件，提升MEMS陀螺仪的性能和抗环境能力。

Description

一种高抗振动型全对称MEMS陀螺仪传感器结构

技术领域

本发明属于惯性传感器领域，特别涉及一种高抗振动型全对称MEMS陀螺仪传感器结构。

背景技术

MEMS陀螺仪传感器结构是MEMS陀螺仪的组成部分，作为MEMS陀螺仪测量载体转动角速度信号的执行结构。传感器结构在控制电路的控制下，会在角速度信号作用时，内部结构会在科里奥利力作用下发生位置变化，再由控制电路解算出角速度信号。现有的MEMS陀螺仪，传感器结构仅提供一组质量体及各功能电极梳齿结构，使得其频率调节、正交补偿仅局限于同一结构，使得MEMS陀螺仪精度难以提高，抗干扰能力差，限制其使用场景。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了改善频率调节和正交补偿单轴调节的缺陷，提供一种高抗振动型全对称MEMS陀螺仪传感器结构。

本发明的技术方案是：一种高抗振动型全对称MEMS陀螺仪传感器结构，包括内框质量体3，外框质量体13、内外框耦合梁结构15、锚点和梳齿结构，

所述梳齿结构包括固定梳齿和活动梳齿，其中固定梳齿分布在锚点上，活动梳齿分布在内框质量体3和外框质量体13上；

所述内框质量体3嵌套在外框质量体13中，并通过内外框耦合梁结构15进行连接；

外框质量体13和内框质量体3上分布若干活动梳齿，且活动梳齿分布位置和锚点上固定梳齿的分布位置相互对应；对应位置处的固定梳齿和活动梳齿相互插接排列，形成梳齿结构；

所述梳齿结构包括外框轴频率消除电极梳齿结构1、外框轴正交补偿电极梳齿结构7、外框驱动轴驱动电极梳齿结构9、外框驱动轴敏感电极梳齿结构11、外框敏感轴敏感电极梳齿结构16和外框敏感轴驱动电极梳齿结构17，以及内框轴频率消除梳齿结构2、内框敏感轴驱动电极梳齿结构4、内框敏感轴敏感电极梳齿结构5、内框轴正交补偿电极梳齿结构6、内框驱动轴驱动电极梳齿结构8和内框驱动轴敏感电极梳齿结构10；

所述外框质量体13上的活动梳齿包括外框轴频率消除电极活动梳齿、外框轴正交补偿电极活动梳齿、外框驱动轴驱动电极活动梳齿、外框驱动轴敏感电极活动梳齿、外框敏感轴敏感电极活动梳齿和外框敏感轴驱动电极活动梳齿；

所述内框质量体3上的活动梳齿包括内框轴频率消除活动梳齿、内框敏感轴驱动电极活动梳齿、内框敏感轴敏感电极活动梳齿、内框轴正交补偿电极活动梳齿、内框驱动轴驱动电极活动梳齿和内框驱动轴敏感电极活动梳齿；

所述内框质量体3的驱动轴与敏感轴的轴向为正交分布；

所述外框质量体13的驱动轴与敏感轴的轴向为正交分布。

本发明进一步的技术方案是：所述外框轴频率消除电极梳齿结构1和外框轴正交补偿电极梳齿结构7分布在外框质量体13的四角，外框敏感轴敏感电极梳齿结构16、外框敏感轴驱动电极梳齿结构17、外框驱动轴驱动电极梳齿结构9和外框驱动轴敏感电极梳齿结构11分布在外框质量体13框体边的中部。

本发明进一步的技术方案是：所述外框轴频率消除电极梳齿结构1在外框质量体13上对称布置，外框轴正交补偿电极梳齿结构7在外框质量体13上对称布置。

本发明进一步的技术方案是：外框敏感轴敏感电极梳齿结构16和外框敏感轴驱动电极梳齿结构17分布在外框相对的两条边的中部，外框驱动轴驱动电极梳齿结构9和外框驱动轴敏感电极梳齿结构11分布在外框另外两条边的中部。

本发明进一步的技术方案是：所述内框轴频率消除梳齿结构2和内框轴正交补偿电极梳齿结构6分布在内框质量体3四角，内框敏感轴驱动电极梳齿结构4、内框敏感轴敏感电极梳齿结构5、内框驱动轴驱动电极梳齿结构8和内框驱动轴敏感电极梳齿结构10分布在内框质量体3框体边的中部。

本发明进一步的技术方案是：所述内框敏感轴驱动电极梳齿结构4和内框敏感轴敏感电极梳齿结构5分布在内框质量体3相对两边的中部，内框驱动轴驱动电极梳齿结构8和内框驱动轴敏感电极梳齿结构10位于另外两边的中部。

本发明进一步的技术方案是：所述外框质量体13由外框支承梁支撑，内框质量体3由内框支承梁支撑。

本发明进一步的技术方案是：所述内框驱动轴驱动电极梳齿结构8与内框驱动轴敏感电极梳齿结构10处于驱动轴方向，内框敏感轴驱动电极梳齿结构4与内框敏感轴敏感电极梳齿结构5处于敏感轴方向，驱动轴方向与敏感轴方向正交。

本发明进一步的技术方案是：所述外框驱动轴驱动电极梳齿结构9与外框驱动轴敏感电极梳齿结构11处于驱动轴方向，外框敏感轴驱动电极梳齿结构17与外框敏感轴敏感电极梳齿结构16处于敏感轴方向，驱动轴方向与敏感轴方向正交。

本发明进一步的技术方案是：所述内框支承梁和外框支承梁采用并联形式形成。

发明效果

本发明的技术效果在于：本结构中的传感器结构内、外框质量体分别由驱动轴电极稳定驱动，使其处于差分高频振荡，当有角速度信号输入时，内、外框质量体运动分别由敏感轴电极稳定检测并利用力反馈控制信号实现闭环控制。内、外框频率调节电极、正交补偿电极分别消除因加工误差等因数造成的质量体不对称，提高传感器结构工作效率。内、外框均具备独立陀螺仪效应及功能，合成差分的输出形式，有利提高输入信号的检测效率。该传感器结构能为MEMS陀螺仪信号处理电路提供抗干扰能力强，传感器信号强的基础器件，提升MEMS陀螺仪的性能和抗环境能力

内框质量体和外框质量体分别在内框驱动轴驱动电极和外框驱动轴驱动电极的作用下，产生幅值相同，相位相反的高频振荡运动。当施加角速度信号时，内框质量体和外框质量体分别在科里奥利力作用下，在与驱动轴正交的方向上产生幅度相同，相位相反的高频振荡运动，内框敏感轴敏感电极梳齿和外框敏感轴敏感电极梳齿分别因高频振荡而产生位置变化从而引起电容变化。内框外框驱动轴频率调节电极与敏感轴频率调节电极分别调节内框外框驱动轴与敏感轴方向的刚度，以使内框外框驱动轴与敏感轴刚度相同。内框外框驱动轴正交补偿电极敏感轴正交补偿电极分别调节内框外框驱动轴和敏感轴正交分布性，已消除因加工带来的误差。通过频率调节和正交补偿的作用，使内外框处于近乎理想的工作状态，从而提高精度。内外框独立的陀螺效应，可独立敏感输入角速度信息，并组合成差分输出信号，提高信号敏感精度和抗干扰能力。

附图说明

图1为传感器结构示意图；

图2为内框传感器结构示意图；

图3为外框传感器结构示意图；

图4为耦合梁结构示意图；

图5为频率调节电极结构示意图；

图6为正交补偿电极结构示意图；

图7为内、外框驱动轴电极结构示意图；

图8为内、外框敏感轴电极结构示意图；

图中，1-外框轴频率消除电极梳齿结构，2-内框轴频率消除梳齿结构，3-内框质量体，4-内框敏感轴驱动电极梳齿结构，5-内框敏感轴敏感电极梳齿结构，6-内框轴正交补偿电极梳齿结构，7-外框轴正交补偿电极梳齿结构，8-内框驱动轴驱动电极梳齿结构，9-外框驱动轴驱动电极梳齿结构，10-内框驱动轴敏感电极梳齿结构，11-外框驱动轴敏感电极梳齿结构，12-内框支承梁，13-外框质量体，14-外框支承梁，15-内外框耦合梁结构，16-外框敏感轴敏感电极梳齿结构，17-外框敏感轴驱动电极梳齿结构。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

参见图1-图8，一种高抗振动型全对称MEMS陀螺仪传感器结构，内框质量体3，内框支承梁12，内框驱动轴驱动电极梳齿结构8，内框驱动轴敏感电极梳齿结构10，内框敏感轴驱动电极梳齿结构4，内框敏感轴敏感电极梳齿结构5，内框轴频率消除梳齿结构2，内框轴正交补偿电极梳齿结构6，外框质量体13，外框支承梁14，外框驱动轴驱动电极梳齿结构9，外框驱动轴敏感电极梳齿结构11，外框敏感轴驱动电极梳齿结构17，外框敏感轴敏感电极梳齿结构16，外框轴频率消除电极梳齿结构1，外框轴正交补偿电极梳齿结构7，内外框耦合梁结构15。

内框质量体3与内框驱动轴驱动电极活动梳齿8，内框驱动轴敏感电极活动梳齿10，内框敏感轴驱动电极活动梳齿4，内框敏感轴敏感电极活动梳齿5，内框轴频率消除电极活动梳齿2，内框轴正交补偿电极活动梳齿6固连，并通过内框支承梁12支承。外框质量体13与外框驱动轴驱动电极活动梳齿9，外框驱动轴敏感电极活动梳齿11，外框敏感轴驱动电极活动梳齿17，外框敏感轴敏感电极活动梳齿16，外框轴频率消除电极活动梳齿1，外框轴正交补偿电极活动梳齿7固连，并通过外框支承梁14支承。内、外框支承梁另一端固定在锚点处。内框质量体与外框质量体通过耦合梁15连接。

内框质量体3由对称分布的多组内框支承梁12支承。内框质量体3与内框驱动轴驱动电极活动梳齿8，内框驱动轴敏感电极活动梳齿10，内框敏感轴驱动电极活动梳齿4，内框敏感轴敏感电极活动梳齿5，内框轴频率调节电极活动梳齿2，内框轴正交补偿电极活动梳齿6固连。

内框支承梁12为组合梁结构或单悬臂梁结构，梁之间的关系为并联。

支承梁12均匀分布在内框质量体四周，且结构尺寸一致，确保支承梁各轴向的刚度一致。

支承梁12按并联方式组合，可提供质量体沿两个方向运动的自由度。

内框驱动轴电极活动梳齿8、10与内框质量体3固连，且在内框质量体某一轴同向分布。

内框敏感轴的电极活动梳齿4、5与内框质量体3固连，且在内框质量体某一轴同向分布，与内框驱动轴电极活动梳齿8、10的轴同向。

内框频率调节电极活动梳齿2、正交补偿电极活动梳齿6与内框质量体3固连，沿质量体对称分布。

内框的驱动轴与敏感轴的轴向为正交分布。内框的驱动轴驱动电极8、敏感电极10与敏感轴轴驱动电极4、敏感电极5轴向分布关系为正交。

外框质量体13由对称分布的多组外框支承梁14支承。外框质量体13与外框驱动轴驱动电极活动梳齿9，外框驱动轴敏感电极活动梳齿11，外框敏感轴驱动电极活动梳齿17，外框敏感轴敏感电极活动梳齿16，外框轴频率调节电极活动梳齿1，外框轴正交补偿电极活动梳齿7固连。

外框的驱动轴与敏感轴的轴向为正交分布。外框的驱动轴驱动电极9、敏感电极11与敏感轴轴驱动电极17、敏感电极16轴向分布关系为正交。

外框支承梁为组合梁结构或单悬臂梁结构，梁之间的关系为并联。

支承梁14均匀分布在外框质量体四周，且结构尺寸一致，确保支承梁各轴向的刚度一致。

支承梁14按并联方式组合，可提供质量体沿两个方向运动的自由度。

外框驱动轴电极活动梳齿9、11与外框质量体13固连，且在外框质量体某一轴同向分布。

外框敏感轴的电极活动梳齿17、16与外框质量体13固连，且在外框质量体某一轴同向分布。

外框频率调节电极活动梳齿1、正交补偿电极活动梳齿17与外框质量体13固连，沿质量体对称分布。

外框的驱动轴与敏感轴的轴向为正交分布。外框的驱动轴驱动电极9、敏感电极11与敏感轴轴驱动电极17、敏感电极16轴向分布关系为正交。

耦合梁15为组合梁，组合方式为并联。多个耦合梁对称分布在内、外框质量体之间。

内框质量体3与外框质量体13之间利用耦合梁15连接。

内框的敏感轴电极45、正交消除电极6，外框敏感轴电极1617、正交消除电极7均采用压膜电容方式。

内框的驱动轴电极810、频率调节电极2和外框的驱动轴电极911、频率调节电极1均采用滑膜电容方式。

一种高抗振动型全对称MEMS陀螺仪传感器结构，包括内框质量体，内框支承梁，内框驱动轴驱动电极梳齿结构，内框驱动轴敏感电极梳齿结构，内框敏感轴驱动电极梳齿结构，内框敏感轴敏感电极梳齿结构，内框轴频率消除梳齿结构，内框轴正交补偿电极梳齿结构，外框质量体，外框支承梁，外框驱动轴驱动电极梳齿结构，外框驱动轴敏感电极梳齿结构，外框敏感轴驱动电极梳齿结构，外框敏感轴敏感电极梳齿结构，外框轴频率消除电极梳齿结构，外框轴正交补偿电极梳齿结构，内外框耦合梁结构。内框质量体与内框驱动轴驱动电极活动梳齿，内框驱动轴敏感电极活动梳齿，内框敏感轴驱动电极活动梳齿，内框敏感轴敏感电极活动梳齿，内框轴频率消除电极活动梳齿，内框轴正交补偿电极活动梳齿固连，并通过内框支承梁支承。外框质量体与外框驱动轴驱动电极活动梳齿，外框驱动轴敏感电极活动梳齿，外框敏感轴驱动电极活动梳齿，外框敏感轴敏感电极活动梳齿，外框轴频率消除电极活动梳齿，外框轴正交补偿电极活动梳齿固连，并通过外框支承梁支承。内、外框支承梁另一端固定。内框质量体与外框质量体通过耦合梁连接。

内框支承梁为组合梁并联形成，一端固定，另一端与内框质量体固连。

外框支承梁为组合梁并联形成，一端与外框质量体固连，另一端固定。

内框支承梁组合方式为串联或并联。

外框支承梁组合方式为串联或并联。

支承梁的宽度尺寸为2-10um，长度为宽度的50-100倍。

质量体可沿两个轴向运动。

内框的驱动轴电极、敏感轴电极、频率调节电极、正交补偿电极的活动梳齿与内框质量体固连，固定梳齿与活动梳齿匹配，形成电容梳齿对。

外框的驱动轴电极、敏感轴电极、频率调节电极、正交补偿电极的活动梳齿与外框质量体固连，固定梳齿与活动梳齿匹配，形成电容梳齿对。

驱动轴电极、敏感轴电极、正交补偿电极采用压膜电容结构，梳齿小间距尺寸为1-5um，大间距尺寸为小间距尺寸的2-5倍。

频率调节电极采用滑膜电容结构，梳齿间距尺寸为1-5um，梳齿等距分布。

耦合梁一端与内框质量体固连，另一端与外框质量体固连。

耦合梁的宽度尺寸为2-10um，长度为宽度的20-50倍。

内框质量体与外框质量体之间的质量差异小于5‰。

实施例一：

如图1所示，一种高抗振动型全对称MEMS陀螺仪传感器结构，一种高抗振动型全对称MEMS陀螺仪传感器结构，包括内框质量体3，内框支承梁12，内框驱动轴驱动电极梳齿结构8，内框驱动轴敏感电极梳齿结构10，内框敏感轴驱动电极梳齿结构4，内框敏感轴敏感电极梳齿结构5，内框轴频率消除梳齿结构2，内框轴正交补偿电极梳齿结构6，外框质量体13，外框支承梁14，外框驱动轴驱动电极梳齿结构9，外框驱动轴敏感电极梳齿结构11，外框敏感轴驱动电极梳齿结构17，外框敏感轴敏感电极梳齿结构16，外框轴频率消除电极梳齿结构1，外框轴正交补偿电极梳齿结构7，内外框耦合梁结构15。内框质量体3与内框驱动轴驱动电极活动梳齿8，内框驱动轴敏感电极活动梳齿10，内框敏感轴驱动电极活动梳齿4，内框敏感轴敏感电极活动梳齿5，内框轴频率消除电极活动梳齿2，内框轴正交补偿电极活动梳齿6固连，并通过内框支承梁12支承。外框质量体13与外框驱动轴驱动电极活动梳齿9，外框驱动轴敏感电极活动梳齿11，外框敏感轴驱动电极活动梳齿17，外框敏感轴敏感电极活动梳齿16，外框轴频率消除电极活动梳齿1，外框轴正交补偿电极活动梳齿7固连，并通过外框支承梁14支承。内、外框支承梁另一端固定。内框质量体3与外框质量体13通过耦合梁15连接。

Claims (10)

1.一种高抗振动型全对称MEMS陀螺仪传感器结构，其特征在于，包括内框质量体(3)，外框质量体(13)、内外框耦合梁结构(15)、锚点和梳齿结构，

所述梳齿结构包括固定梳齿和活动梳齿，其中固定梳齿分布在锚点上，活动梳齿分布在内框质量体(3)和外框质量体(13)上；

所述内框质量体(3)嵌套在外框质量体(13)中，并通过内外框耦合梁结构(15)进行连接；

外框质量体(13)和内框质量体(3)上分布若干活动梳齿，且活动梳齿分布位置和锚点上固定梳齿的分布位置相互对应；对应位置处的固定梳齿和活动梳齿相互插接排列，形成梳齿结构；

所述梳齿结构包括外框轴频率消除电极梳齿结构(1)、外框轴正交补偿电极梳齿结构(7)、外框驱动轴驱动电极梳齿结构(9)、外框驱动轴敏感电极梳齿结构(11)、外框敏感轴敏感电极梳齿结构(16)和外框敏感轴驱动电极梳齿结构(17)，以及内框轴频率消除梳齿结构(2)、内框敏感轴驱动电极梳齿结构(4)、内框敏感轴敏感电极梳齿结构(5)、内框轴正交补偿电极梳齿结构(6)、内框驱动轴驱动电极梳齿结构(8)和内框驱动轴敏感电极梳齿结构(10)；

所述外框质量体(13)上的活动梳齿包括外框轴频率消除电极活动梳齿、外框轴正交补偿电极活动梳齿、外框驱动轴驱动电极活动梳齿、外框驱动轴敏感电极活动梳齿、外框敏感轴敏感电极活动梳齿和外框敏感轴驱动电极活动梳齿；

所述内框质量体(3)上的活动梳齿包括内框轴频率消除活动梳齿、内框敏感轴驱动电极活动梳齿、内框敏感轴敏感电极活动梳齿、内框轴正交补偿电极活动梳齿、内框驱动轴驱动电极活动梳齿和内框驱动轴敏感电极活动梳齿；

所述内框质量体(3)的驱动轴与敏感轴的轴向为正交分布；

所述外框质量体(13)的驱动轴与敏感轴的轴向为正交分布。

2.如权利要求1所述的一种高抗振动型全对称MEMS陀螺仪传感器结构，其特征在于，所述外框轴频率消除电极梳齿结构(1)和外框轴正交补偿电极梳齿结构(7)分布在外框质量体(13)的四角，外框敏感轴敏感电极梳齿结构(16)、外框敏感轴驱动电极梳齿结构(17)、外框驱动轴驱动电极梳齿结构(9)和外框驱动轴敏感电极梳齿结构(11)分布在外框质量体(13)框体边的中部。

3.如权利要求2所述一种高抗振动型全对称MEMS陀螺仪传感器结构，其特征在于，所述外框轴频率消除电极梳齿结构(1)在外框质量体(13)上对称布置，外框轴正交补偿电极梳齿结构(7)在外框质量体(13)上对称布置。

4.如权利要求2所述一种高抗振动型全对称MEMS陀螺仪传感器结构，其特征在于，外框敏感轴敏感电极梳齿结构(16)和外框敏感轴驱动电极梳齿结构(17)分布在外框相对的两条边的中部，外框驱动轴驱动电极梳齿结构(9)和外框驱动轴敏感电极梳齿结构(11)分布在外框另外两条边的中部。

5.如权利要求1所述的一种高抗振动型全对称MEMS陀螺仪传感器结构，其特征在于，所述内框轴频率消除梳齿结构(2)和内框轴正交补偿电极梳齿结构(6)分布在内框质量体(3)四角，内框敏感轴驱动电极梳齿结构(4)、内框敏感轴敏感电极梳齿结构(5)、内框驱动轴驱动电极梳齿结构(8)和内框驱动轴敏感电极梳齿结构(10)分布在内框质量体(3)框体边的中部。

6.如权利要求5所述的一种高抗振动型全对称MEMS陀螺仪传感器结构，其特征在于，所述内框敏感轴驱动电极梳齿结构(4)和内框敏感轴敏感电极梳齿结构(5)分布在内框质量体(3)相对两边的中部，内框驱动轴驱动电极梳齿结构(8)和内框驱动轴敏感电极梳齿结构(10)位于另外两边的中部。

7.如权利要求1所述的一种高抗振动型全对称MEMS陀螺仪传感器结构，其特征在于，所述外框质量体(13)由外框支承梁支撑，内框质量体(3)由内框支承梁支撑。

8.如权利要求1所述的一种高抗振动型全对称MEMS陀螺仪传感器结构，其特征在于，所述内框驱动轴驱动电极梳齿结构(8)与内框驱动轴敏感电极梳齿结构(10)处于驱动轴方向，内框敏感轴驱动电极梳齿结构(4)与内框敏感轴敏感电极梳齿结构(5)处于敏感轴方向，驱动轴方向与敏感轴方向正交。

9.如权利要求1所述的一种高抗振动型全对称MEMS陀螺仪传感器结构，其特征在于，所述外框驱动轴驱动电极梳齿结构(9)与外框驱动轴敏感电极梳齿结构(11)处于驱动轴方向，外框敏感轴驱动电极梳齿结构(17)与外框敏感轴敏感电极梳齿结构(16)处于敏感轴方向，驱动轴方向与敏感轴方向正交。

10.如权利要求7所述的一种高抗振动型全对称MEMS陀螺仪传感器结构，其特征在于，所述内框支承梁和外框支承梁采用并联形式形成。

Images