CN1948906A - 一种电容式全解耦水平轴微机械陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电容式全解耦水平轴微机械陀螺，其特征在于：它包括玻璃衬底，驱动电容、驱动反馈电容、检测电容、驱动质量块、不对称质量块和检测质量块；驱动质量块位于中央，驱动质量块的两端分别通过横向设置的驱动模态弹性梁连接固定在玻璃衬底上的锚点；驱动电容和驱动反馈电容的可动电极连接在驱动质量块上，驱动电容和驱动反馈电容的固定电极固定在玻璃衬底上；不对称质量块外侧的两端分别通过横向设置的驱动模态弹性梁连接检测质量块，不对称质量块内侧的两端分别通过竖向设置的检测模态弹性梁连接驱动质量块；检测电容的可动电极固定在检测质量块的两侧，检测电容的固定电极固定在玻璃衬底上；检测质量块的两端分别通过竖向设置的检测模态弹性梁连接固定在玻璃衬底上的锚点。本发明具备双解耦结构，能够很好的抑制寄生效应，降低漂移；且具有良好的线性度和偏轴灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种微机械陀螺，特别是关于一种采用垂直梳齿电容检测的电容式全解耦水平轴微机械陀螺。
背景技术
微机械陀螺是利用科里奥利力来测量物体转动角速度的一类惯性传感器。由于采用微机电***(MEMS)技术制造，微机械陀螺具有体积小、重量轻、成本低等优点，在惯性导航、武器制导、汽车、消费类电子产品等领域有非常广泛的应用前景。为了获得物体转动的完整信息，需要同时检测三个轴向的角速度信号，这就需要多轴陀螺或三个单轴陀螺的组合。采用MEMS技术在单个芯片上同时加工出三个单轴的陀螺是很好的解决方案。这种方案器件各轴之间的正交对准通过结构设计自动实现，避免了装配问题，而且可以减小整个***的体积和重量。此外，采用这种技术实现的三轴陀螺中各单向轴的陀螺结构可以独立的做优化设计，因而可以获得较高的性能。
从目前国际上陀螺研究进展情况来看，Z轴陀螺(用于检测垂直于器件表面方向的角速度的惯性传感器)的研究已经相当成熟，高性能的Z轴陀螺屡见报道，达到了实用水平。而X、Y轴陀螺(又称水平轴陀螺，用于检测平行于器件表面方向的角速度的惯性传感器)的研究还有很大差距。因此设计和制造高性能的水平轴微机械陀螺是实现三轴陀螺集成的关键技术。
陀螺工作时，驱动和检测两个模态的机械耦合会严重影响陀螺的性能，解决方法是增加结构复杂度，使驱动部分与检测部分独立运动，实现所谓解耦结构。解耦分为一级解耦和二级解耦(全解耦)。一级解耦结构是驱动(或检测)部分的运动是独立的，而检测(或驱动)部分的运动会受到驱动(或检测)部分运动的影响。全解耦是驱动与检测运动完全独立，不互相影响。目前，世界上几乎所有高性能Z轴陀螺均具备全解耦结构。如德国Gomez等人的陀螺设计方案(Proc.Transducers2005)，土耳其中东技术大学Alper等人的设计方案(MEMS2006)。这类陀螺的共同特点是采用高深宽比的体硅工艺，具有大质量块和大敏感电容；驱动与检测部分采用相互独立的弹性梁约束，其运动只与敏感质量块关联，相互之间是完全独立的，实现了全解耦结构，很好地抑制了寄生效应，有效提高了器件性能。对于需要检测Z方向运动的水平轴陀螺，受MEMS工艺特点限制，需要较复杂的弹性梁实现离面运动，很难实现全解耦结构，现有的方案大多只实现了一级解耦，如德国的W.Geiger等人设计的扭转式陀螺结构(Sensors and Actuators A 2002)，中国的杨振川等人提出的采用不等高疏齿电容检测的陀螺方案(Proc.Transducers2005)。这类陀螺的共同特点是驱动模态具有一自由度，检测模态具有二自由度，检测模态对驱动模态的影响被抑制了，寄生效应降低了。但连接在检测模态的拾取电路受到两个模态的共同影响，同样会引起正交误差等寄生效应，限制了器件的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种高灵敏度的电容式全解耦水平轴微机械陀螺。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种电容式全解耦水平轴微机械陀螺，其特征在于：它包括玻璃衬底，驱动电容、驱动反馈电容、检测电容、驱动质量块、不对称质量块和检测质量块；所述驱动质量块位于中央，所述驱动质量块的两端分别通过横向设置的驱动模态弹性梁连接固定在所述玻璃衬底上的锚点；所述驱动电容和驱动反馈电容的可动电极连接在所述驱动质量块上，所述驱动电容和驱动反馈电容的固定电极固定在所述玻璃衬底上；所述不对称质量块外侧的两端分别通过横向设置的驱动模态弹性梁连接所述检测质量块，所述不对称质量块内侧的两端分别通过竖向设置的检测模态弹性梁连接所述驱动质量块；所述检测电容的可动电极固定在所述检测质量块的两侧，所述检测电容的固定电极固定在所述玻璃衬底上；所述检测质量块的两端分别通过竖向设置的检测模态弹性梁连接固定在所述玻璃衬底上的锚点。
所述检测敏感电容采用双端不等高垂直疏齿电容结构。
位于左右两侧的所述检测电容，每一侧均等分成四组，并将每一侧中间的两组电容合并成一中间组电容，使每一侧中间组电容为上、下两组电容之和；每一侧中间组电容均为可动疏齿位置高于固定疏齿位置，每一侧上、下两组电容均为可动疏齿位置低于固定疏齿位置，一侧中间组电容与另一侧上、下两组电容组成一个检测电容，共组成两个检测电容，形成差分电容对。
本发明的驱动质量块和不对称质量块在两组驱动弹性梁的约束下，具有Y方向自由度，驱动质量块和不对称质量块之间由检测弹性梁相连，它们之间在Y方向不会有相对运动，检测质量块受到检测弹性梁的约束，不具有Y方向自由度，因此本发明在驱动部件运动时不影响检测部件运动；同时由于连接有检测电容可动电极的检测质量块和不对称质量块以检测弹性梁为轴，可做扭转运动，检测质量块与不对称质量块之间有驱动弹性梁相连，扭转时二者不会有相对位移，驱动质量块由于受到驱动弹性梁的约束，不会发生扭转运动，因此本发明的检测部件运动时不影响驱动部件运动。也就是说本发明驱动部分(包括驱动质量块和可动疏齿)和检测部分(包括检测质量块和可动疏齿)的运动只各自与不对称质量块相关联，它们之间的运动是相互独立的运动。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的驱动质量块和检测质量块由相互独立的弹性梁约束，其运动只与不对称质量块相关联，它们之间的运动是相互独立的运动，即本发明具备双解耦结构，能够很好地抑制驱动模态和检测模态间的机械耦合，从而抑制寄生效应，有效降低漂移。2、本发明检测采用两组双端不等高梳齿电容差分检测，按照本发明中的分布方案，扭转运动引起的电容变化为差模信号，其它方向的微小位移引起的电容变化均为共模信号，使陀螺具有良好的线性度和偏轴灵敏度。
附图说明
图1a、图1b为本发明双端不等高疏齿电容I型工作原理示意图
图2a、图2b为本发明双端不等高疏齿电容II型工作原理示意图
图3为本发明结构示意图。
图4a为本发明驱动模态示意图。
图4b为本发明检测模态示意图。
具体实施方式
为描述本发明方便，首先对本发明中涉及到的两种双端不等高垂直梳齿电容加以说明。
如图1a、图1b所示，是双端不等高梳齿电容I型工作原理图，固定电极1、2和可动电极3采用双端不等高结构，即可动电极3与固定电极1、2的厚度一致，其顶部与底部均高于固定电极1、2的顶部与底部。在初始位置时(如图1a所示)，两个电容的电极交叠面积相同，数值相等。当可动电极3做逆时针小角度扭转时(如图1b所示)，固定电极1与可动电极3的交叠面积增大，即敏感电容增大；固定电极2与可动电极3的交叠面积减小，即敏感电容减小。当可动电极3做顺时针小角度扭转时，敏感电容的变化与逆时针扭转时的情况相反，两个敏感电容的差分数值与扭转角度成正比关系。
如图2a、图2b所示，是双端不等高梳齿电容II型工作原理图，可动电极3和固定电极1、2采用双端不等高结构，即可动电极3与固定电极1、2的厚度一致，其顶部与底部均低于固定电极1、2的顶部与底部。其工作原理与双端不等高疏齿电容I型基本相同，但敏感电容的变化与双端不等高疏齿电容I型的情况相反，从而实现差模信号检测。
如图3所示，本发明为水平轴(X轴)微机械陀螺，它包括驱动电容4，驱动反馈电容5，检测电容6、7，检测质量块(外框)8，不对称质量块9，驱动质量块10，驱动模态弹性梁11、12，检测模态弹性梁13、14，锚点15、16和玻璃衬底。本实施例包括八组驱动电容4，每组驱动电容4包括与驱动质量块10连接的可动电极和与玻璃衬底相连的固定电极，驱动电容4采用推挽式驱动方式。驱动反馈电容5有两组，用于为驱动电容4提供反馈信号，可以通过外加电路实现闭环驱动。检测电容6、7位于检测质量块8两侧，与检测质量块8相连，检测电容6、7为一对差分敏感电容，其分布方案将在后面详述。本发明采用框架式结构，检测质量块8与两个检测模态弹性梁14相连，并通过两个锚点16固定在玻璃衬底上。检测质量块8通过四个驱动模态弹性梁12与不对称质量块9相连。不对称质量块9为一个半封闭框架，质量主要集中在左边。不对称质量块9通过两个检测模态弹性梁13与驱动质量块10相连。驱动质量块10为矩形，驱动电容4与反馈电容5连接在驱动质量块10两侧。驱动质量块10与四个驱动模态弹性梁11相连，并通过锚点15固定在玻璃衬底上。
本发明为全解耦结构的水平轴陀螺，其解耦原理如下：
驱动模态弹性梁11、12在Y方向具有较小的刚度，驱动质量块10与不对称质量块9分别由驱动模态弹性梁11、12约束，因此具有Y方向自由度。驱动质量块10与不对称质量块9之间由检测模态弹性梁13连接，检测模态弹性梁13在Y方向上的刚度远大于驱动模态弹性梁11、12，因此驱动质量块10与不对称质量块9在Y方向没有相对运动。检测质量块8受到检测模态弹性梁14的约束，检测模态弹性梁14在Y方向上同样具有非常大的刚度，因此检测质量块8没有Y方向自由度。即本发明陀螺的驱动模态为驱动质量块10与不对称质量块9做Y方向简谐振动，而检测质量块8保持不动(如图4a所示)。
同样道理，检测模态弹性梁13、14具有较小的Y轴扭转刚度，而驱动模态弹性梁11、12的Y轴扭转刚度极大。因此不对称质量块9与检测质量块8分别在检测模态弹性梁13、14的约束下具有Z方向自由度(沿检测模态弹性梁轴向的扭转运动)；驱动质量块10由于受到驱动模态弹性梁11的约束，没有Z方向自由度。即本发明的陀螺的检测模态为检测质量块8与不对称质量块9沿器件中轴线(Y方向)做扭转运动，而驱动质量块10保持不动(如图4b所示)。
本发明微机械陀螺利用科里奥利力来测量物体角速度，如图3所示，工作时驱动电容4以静电力驱动器件，使得驱动质量块10和不对称质量块9沿Y方向振动；检测质量块不具备Y方向刚度，保持静止。当***有X方向角速度(以X方向为轴转动)输入时，驱动质量块10和不对称质量块9均受到Z方向(垂直衬底)的科里奥利力。其中驱动质量块10由于质心在扭转轴上，不会产生轴向转动，维持原来的运动状态；而不对称质量块9在科利奥里力的作用下，将带动检测质量块8以及连接在检测质量块8上的检测电容6、7的可动电极，沿检测模态弹性梁轴向做扭转运动，从而引起检测电容6、7变化，通过检测电路即可获得X轴输入的角速度信息。
上述分析将弹性梁假定为理想的一维弹性梁(在某方向有一定刚度，其它方向刚度无穷大)。而实际弹性梁其它方向的刚度并不是无穷大，也就是说检测质量块8并不是理想的单一自由度质量块，当某方向有加速度输入时，它在该方向可能会有微小位移，这会影响陀螺的偏轴灵敏度。本发明采用如下方案解决此问题：左右两侧检测电容均等分成四组，并将每一侧中间的两组合并成一中间组，亦即中间组的电容是上、下两组电容之和。以左侧电容为例，将中间组电容定义为上文所述双端不等高疏齿电容I型，将上、下两组电容定义为上文所述双端不等高疏齿电容II型；右侧电容的分布与定义与左侧相同。其中左侧中间组(I型)电容与右侧上、下两组(II型)电容构成检测电容6；右侧中间组(I型)电容与左侧上、下两组(II型)电容构成检测电容7，检测电容6和检测电容7形成差分电容对。当检测质量块8以检测模态弹性梁14轴向方向为轴逆时针小角度扭转时，左侧中间组不等高疏齿电容I型电容增大，右侧上、下两组不等高疏齿电容II型电容增大，即检测电容6电容增大；右侧中间组不等高疏齿电容I型电容减小，左侧上、下两组不等高疏齿电容II型电容减小，即检测电容7电容减小。当检测质量块8在Y方向有微小位移时，左右两侧电容变化情况一致，则检测电容6、7的变化情况也一致。当检测质量块8在X方向有微小位移，例如向X正方向(右)运动时，则左侧电容均减小，右侧电容均增大，且变化量相等，则检测电容6、7分别保持不变。通过上述分析可知，对于检测电容6、7来说，检测质量块8以Y方向为轴的扭转运动造成的检测电容6、7的电容变化为差模信号，检测质量块8在X或Y方向发生微小位移时检测电容6、7的电容为共模信号或保持不变。
Claims (3)
1、一种电容式全解耦水平轴微机械陀螺，其特征在于：它包括玻璃衬底，驱动电容、驱动反馈电容、检测电容、驱动质量块、不对称质量块和检测质量块；所述驱动质量块位于中央，所述驱动质量块的两端分别通过横向设置的驱动模态弹性梁连接固定在所述玻璃衬底上的锚点；所述驱动电容和驱动反馈电容的可动电极连接在所述驱动质量块上，所述驱动电容和驱动反馈电容的固定电极固定在所述玻璃衬底上；所述不对称质量块外侧的两端分别通过横向设置的驱动模态弹性梁连接所述检测质量块，所述不对称质量块内侧的两端分别通过竖向设置的检测模态弹性梁连接所述驱动质量块；所述检测电容的可动电极固定在所述检测质量块的两侧，所述检测电容的固定电极固定在所述玻璃衬底上；所述检测质量块的两端分别通过竖向设置的检测模态弹性梁连接固定在所述玻璃衬底上的锚点。
2、如权利要求1所述的一种电容式全解耦水平轴微机械陀螺，其特征在于：所述检测敏感电容采用双端不等高垂直疏齿电容结构。
3、如权利要求1或2所述的一种电容式全解耦水平轴微机械陀螺，其特征在于：位于左右两侧的所述检测电容，每一侧均等分成四组，并将每一侧中间的两组电容合并成一中间组电容，使每一侧中间组电容为上、下两组电容之和；每一侧中间组电容均为可动疏齿位置高于固定疏齿位置，每一侧上、下两组电容均为可动疏齿位置低于固定疏齿位置，，一侧中间组电容与另一侧上、下两组电容组成一个检测电容，共组成两个检测电容，形成差分电容对。
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