一种全耦合MEMS音叉陀螺

技术领域

本发明涉及微机电系统领域，具体涉及一种全耦合MEMS音叉陀螺。

背景技术

MEMS陀螺是基于在科氏效应(Coriolis Effect)，利用微机电系统加工工艺结合陀螺技术需求所产生的一种惯性传感器，外界角速度将驱动方向的能量耦合到检测方向上引起检测质量块运动，从而实现角速度测量。MEMS音叉式陀螺作为一种典型的陀螺结构，具有几何结构简单平整、十分适合批量生产，易于实现共模抑制和低功耗等优点，应用前景广阔，因而具有十分重要的研究意义。

传统的MEMS压模音叉陀螺结构主要由弹性梁、两个质量块和驱动/检测电极组成。弹性梁结构支撑两个质量块，使其能够在一定范围内自由振动，质量块的振动受到角速度的作用而产生变化，从而改变音叉陀螺的谐振频率，驱动/检测电极负责施加驱动电压和检测谐振频率，将其转换为可用的角速度信息。

然而，现有MEMS音叉陀螺的是两组独立的质量块组成其敏感单元，然后形成差分结构，虽然可以提高陀螺对外界干扰信号的抑制能力，但是在制造过程中通常会造成两敏感单元的质量不均等、刚度不均衡、阻尼不相同的差异，使得两组独立的敏感结构在工作时的谐振频率不一致，谐振器将产生较大振幅差异，从而使得陀螺机械灵敏度降低。

因此，需要提供一种全耦合MEMS音叉陀螺以解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种全耦合MEMS音叉陀螺，通过敏感耦合结构和驱动耦合结构，实现MEMS音叉陀螺的质量块全耦合布置，以解决现有的MEMS音叉陀螺在制造过程通常会造成两敏感单元的质量、刚度和阻尼的差异，使驱动质量块与敏感质量块两组差分结构的振幅差异减小，使得驱动与敏感模态的谐振频率差值有所降低，从而达到提升陀螺机械灵敏度的目的。

本发明的一种全耦合MEMS音叉陀螺采用如下技术方案：包括：

锚点结构，锚点结构上悬空设置有悬浮结构；

悬浮结构包括两个X轴方向对称设置的悬浮单元，每个悬浮单元包括驱动质量块、科氏质量块以及敏感质量块，驱动质量块和科氏质量块的同侧面上均设有“C”型缺口，通过质量配比均衡计算，科氏质量块匹配设置在驱动质量块的“C”型缺口内，且科氏质量块与驱动质量块的“C”型缺口的侧壁面之间通过弹性梁连接；敏感质量块设置在科氏质量块的“C”型缺口内，且敏感质量块与科氏质量块的“C”型缺口的侧壁面之间通过弹性梁连接；驱动质量块背离“C”型缺口的一侧设置有驱动电极，敏感质量块设置有多个敏感电极；

其中，两个悬浮单元关于敏感质量块背离驱动质量块的端面对称设置，且两个敏感质量块的相对面之间通过敏感耦合结构连接，两个驱动质量块的自由端之间通过驱动耦合结构连接；

其中，驱动质量块、驱动耦合结构、科氏质量块均通过弹性梁与锚点结构连接，敏感质量块在对称中心方向通过弹性梁与锚点结构连接。

优选的，锚点结构包括：基座；

两个T字形锚点，关于基座的中心对称设置，T字形锚点通过水平板和竖直板连接而成，且两个T字形锚点相背离设置；

四个凸起锚点，绕基座的中心均布设置；

以及两个连接锚点，对应设置在驱动质量块的中心，且与驱动质量块通过弹性梁连接。

优选的，驱动质量块和科氏质量块的缺口的同侧端面通过同一个弹性梁一起连接在T字形锚点的水平板的短边上，敏感质量块垂直于两个悬浮单元的对称中心线的端面通过弹性梁连接在T字形锚点的水平板的长边上。

优选的，敏感耦合结构包括连接杆，连接杆的两个端部通过支撑梁与对应的敏感质量块连接，连接杆与T字形锚点的竖直板之间通过回折型弹性梁连接。

优选的，驱动耦合结构与T字形锚点的水平板背离竖直板的一面通过弹性梁连接，驱动耦合结构的两端通过弹性梁与对应的凸起锚点连接。

优选的，敏感耦合结构连接在两个敏感质量块相对面的中心。

优选的，驱动质量块背离缺口的一面设置有多个驱动电极。

优选的，驱动质量块背离缺口的一侧设置有梳齿结构。

优选的，弹性梁为U型回折结构的折叠型弹性梁。

优选的，两个驱动质量块的两个同向的第一自由端之间通过第一驱动耦合结构连接，两个驱动质量块的两个同向的第二自由端之间通过第二驱动耦合结构连接。

本发明的有益效果是：

1、通过设置敏感耦合结构，使得两个敏感单元耦合在一起，并通过驱动耦合结构使的驱动质量块耦合在一起，从而实现全耦合，全耦合MEMS音叉陀螺使得两个悬浮单元的敏感单元在敏感模态的响应位移及谐振频率近似保持一致；驱动质量块与科氏质量块之间通过折叠型弹性结构在Y轴方向形成耦合，此时驱动质量块与科氏质量块具有较高的运动一致性，提高了驱动状态下的有效质量；敏感质量块与科氏质量块之间通过折叠型弹性结构在X轴方向形成耦合，此时敏感质量块与科氏质量块具有较高的运动一致性，提高了敏感状态下的有效质量；与现有MEMS音叉陀螺结构相比，本发明的两组悬浮单元的敏感质量块增加了敏感耦合结构，不论两组敏感质量块的刚度是否相等，在全耦合的作用下，两个悬浮单元在驱动与敏感模态下响应位移及谐振频率都将近似保持一致，从而有效地增强了陀螺的灵敏度。

2、由于敏感耦合结构中刚性连接的支撑梁的存在，在驱动信号的作用下，两组敏感质量块的响应位移幅值将更加接近，从而达到信号放大的效果，提高了输出信号的信噪比；且由于支撑梁的存在，在加工不均匀和复杂环境因素影响的干扰信号的影响下，两组敏感质量块的响应幅值也将无限接近，可以对干扰信号具有更好的抑制作用，从而提高陀螺的鲁棒性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种全耦合MEMS音叉陀螺的实施例的总体结构示意图；

图2为本发明的一种全耦合MEMS音叉陀螺的实施例的主视图；

图3是全耦合MEMS音叉陀螺驱动模态的示意图；

图4是全耦合MEMS音叉陀螺敏感模态的示意图；

图5是本发明的全耦合MEMS音叉陀螺的驱动模态频率的仿真结果；

图6是本发明的全耦合MEMS音叉陀螺的敏感模态频率的仿真结果；

图7是现有的未完全耦合MEMS音叉陀螺驱动模态频率的仿真结果；

图8是现有的未完全耦合MEMS音叉陀螺敏感模态频率的仿真结果；

图中：1、悬浮结构；3、驱动质量块；4、驱动电极；5、驱动耦合结构；6、敏感质量块；7、敏感电极；8、敏感耦合结构；9、科氏质量块；10、支撑梁；11、回折型弹性梁；A、凸起锚点；B、T字形锚点；C、连接锚点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的一种全耦合MEMS音叉陀螺的实施例，如图1所示，包括：锚点结构，锚点结构上悬空设置有悬浮结构1；其中，如图2所示，悬浮结构1包括两个X轴方向对称设置的悬浮单元，每个悬浮单元包括驱动质量块3、科氏质量块9以及敏感质量块6，驱动质量块3和科氏质量块9的同侧面上均设有缺口，科氏质量块9匹配设置在驱动质量块3的缺口内，且科氏质量块9与驱动质量块3的缺口的侧壁面之间通过弹性梁连接；敏感质量块6设置在科氏质量块9的缺口内，且敏感质量块6与科氏质量块9的缺口的侧壁面之间通过弹性梁连接；驱动质量块3背离缺口的一侧设置有驱动电极4，敏感质量块6设置有多个敏感电极7；其中，两个悬浮单元关于敏感质量块6背离驱动质量块3的端面对称设置，且两个敏感质量块6的相对面之间通过敏感耦合结构8连接，两个驱动质量块3的自由端之间通过驱动耦合结构5连接；其中，驱动质量块3、驱动耦合结构5、科氏质量块9均通过弹性梁与锚点结构连接，敏感质量块6在对称中心方向通过弹性梁与锚点结构连接。

具体的，锚点结构包括：基座，在基座上关于基座的中心对称设置有两个T字形锚点B，T字形锚点B通过水平板和竖直板连接而成，且两个T字形锚点B相背离设置，具体的，如图1所示，两个T字形锚点B的对称中心线与两个悬浮单元的对称中心线垂直，绕基座的中心还均布设置四个凸起锚点A，以及在每个驱动质量块3的中心对应的设置一个连接锚点C，且连接锚点C与驱动质量块3通过弹性梁连接，即在X轴方向通过折叠型弹性梁与连接锚点C相连，故驱动质量块3在Y轴方向具有较大的刚度。

其中，如图2所示，驱动质量块3和科氏质量块9的缺口同侧端面通过同一个弹性梁一起连接在T字形锚点B的水平板的短边上，敏感质量块6垂直于两个悬浮单元的对称中心线的端面通过弹性梁连接在T字形锚点B的水平板的长边上。

其中，如图2所示，敏感耦合结构8包括连接杆12，连接杆12的两个端部通过支撑梁10与对应的敏感质量块6连接，连接杆12与T字形锚点B的竖直板之间通过回折型弹性梁11连接。

其中，如图2所示，驱动耦合结构5与T字形锚点B的水平板背离竖直板的一面通过弹性梁连接，驱动耦合结构5的两端通过弹性梁与对应的凸起锚点A连接。

具体的，敏感耦合结构8连接在两个敏感质量块6相对面的中心。

具体的，驱动质量块3背离缺口的一面设置有多个驱动电极4。

具体的，驱动质量块3背离缺口的一侧设置有梳齿结构，梳齿结构为现有技术结构本实施例不再进行赘述。

具体的，本实施例中，弹性梁为U型回折结构的折叠型弹性梁，支撑梁10均呈直线型，由于结构平面内有多处使用直型支撑梁与折叠型弹性梁，以下便不一一描述。

具体的，两个驱动质量块3的两个同向的第一自由端之间通过第一驱动耦合结构连接，两个驱动质量块3的两个同向的第二自由端之间通过第二驱动耦合结构连接。

需要说明的是，本实施例的MEMS音叉陀螺在平面内关于Y轴对称，即两个悬浮单元关于Y轴对称，设计时器件厚度为50μm，两组悬浮单元的两个驱动质量块3关于Y轴对称布置，驱动质量块3的总质量为0.547mg，两个驱动质量块3之间在X轴方向上通过两个驱动耦合结构5形成耦合，驱动耦合结构5横跨两组悬浮单元，驱动质量块3在X轴方向通过折叠型弹性梁与凸起锚点A相连，从而实现驱动模态下在驱动方向的耦合，以实现能量传递；其中，两组悬浮单元的两个敏感质量块6在Y轴方向通过折叠型弹性梁与T字形锚点B相连，在X轴方向通过直型支撑梁与T字形锚点B刚性连接，故敏感质量块6在X轴方向具有较大的刚度，经过合理布置、优化结构，使的敏感质量块的总质量为0.682mg，与本实施例中的驱动质量块3的总质量相比较为均衡；其中，两个敏感质量块6通过敏感耦合结构8形成耦合，如图2所示，敏感耦合结构8位于两个对称分布的敏感质量块6的质心位置，位于MEMS音叉陀螺的正中心，由于在X轴方向通过支撑梁10与两个敏感质量块6是刚性连接，在Y轴方向是通过折叠型弹性梁与T字形锚点B相连，从而实现敏感模态下敏感方向(Y轴方向)的耦合，从而实现能量传递，此处的敏感耦合结构8的连接杆呈矩形结构，但在实际应用中，可以根据不同的结构形式进行更改、优化，达到最佳使用效果。

其中，两个悬浮单元的两个科氏质量块9分别置于两个驱动质量块3相对应的一侧，科氏质量块9的总质量为0.31mg，在Y轴方向通过上下两个折叠型弹性梁与驱动质量块3相连，单个驱动质量块3呈“C”型半包围结构，使的驱动质量块3与科氏质量块9之间在X轴方向上的连接具有大的刚度，以实现与科氏质量块9有更好的配合；同时，每组科氏质量块9也呈“C”型半包围结构，其“C”型开口端朝向敏感质量块6，且在X轴方向通过折叠型弹性梁与敏感质量块6相连，故敏感质量块6与科氏质量块9之间在Y轴方向上的连接具有大的刚度。

在驱动模态X方向的运动下，科氏质量块9与敏感质量块6之间通过X轴方向的折叠型弹性梁实现解耦；同理，在敏感模态Y方向的运动下，科氏质量块与驱动质量块之间通过Y轴方向的折叠型弹性梁实现解耦。两组悬浮单元中，两个敏感质量块6之间通过敏感耦合结构8在X轴方向形成耦合，两个驱动质量块3之间通过驱动耦合结构5在X轴方向形成耦合，敏感质量块6与科氏质量块9之间通过折叠型弹性结构在X轴方向形成耦合，驱动质量块3与科氏质量块9之间通过折叠型弹性结构在Y轴方向形成耦合，并且两组悬浮单元关于X轴和Y轴对称，故形成对称式全耦合结构。

工作原理

在X轴方向放置的驱动电极4的作用下，MEMS音叉陀螺处于驱动模态，由于驱动质量块3与科氏质量块9之间在X轴方向上呈刚性连接，故两个驱动质量块3带动科氏质量块9沿X轴方向振动；由于敏感质量块6在X方向具有较大的刚度，故敏感质量块6保持静止；图3为驱动模态的示意图，如图3所示，驱动模态下，驱动电极4激励驱动质量块3和科氏质量块9沿着X轴周期性交替进行相向运动或者相反运动，由于左右两侧两个对称的驱动质量块3通过驱动耦合结构5相连，故两个驱动质量块3和科氏质量块9的组合形成的耦合机构的运动具一致性，同时，由于X轴方向的折叠型弹性梁的存在，科氏质量块9与敏感质量块6之间实现解耦，此时敏感质量块6呈静止状态；在Z轴方向角速度的作用下，MEMS音叉陀螺处于敏感模态，驱动质量块3与科氏质量块9同时受到沿Y轴方向的科氏力作用，但由于Y轴方向的折叠型弹性梁的存在，科氏质量块与驱动质量块3之间实现解耦，此时驱动质量块3呈静止状态，而敏感质量块6与科氏质量块9之间在Y轴方向上呈刚性连接形成的耦合机构，故科氏质量块9带动敏感质量块6沿Y方向振动，通过敏感电极7的电容变化即可推导出输入角速度Ω的大小。

敏感模态的示意图如图4所示，当系统有角速度输入时，在科氏力的作用下科氏质量块9带动敏感质量块6沿Y轴周期性交替进行相向运动或者相反运动，由于敏感质量块6通过敏感耦合结构8相连，故2个敏感质量块6运动一致性很高。

图5是全耦合MEMS音叉陀螺驱动模态频率仿真结果，如图5所示，驱动模态的特征频率值fd为11268Hz；图6是全耦合MEMS音叉陀螺敏感模态频率仿真结果，如图6所示，敏感模态的特征频率值fs为11558Hz，此时两个模态的频差Δf为：

Δf＝|fd-fs|＝|11268-11558|＝290Hz

进一步的，使用COMSOL Multiphysics对特征频率下的位移响应进行仿真，在驱动模态(fd＝11268Hz)情况下，左侧悬浮单元的驱动质量块3的位移响应为7.91μm，右侧悬浮单元的驱动质量块3的位移响应为7.91μm；在敏感模态(fs＝11558Hz)情况下，左侧悬浮单元的敏感质量块6的位移响应为4.20nm，右侧悬浮单元的敏感质量块6的位移响应为4.20nm，此时，两组悬浮单元的驱动质量块3的位移响应与敏感质量块6的位移响应基本相同。

图7是未完全耦合MEMS音叉陀螺驱动模态频率仿真结果，图8是未完全耦合MEMS音叉陀螺敏感模态频率仿真结果，可以看出此时两个模态的频差Δf为491Hz。

进一步的，使用COMSOL Multiphysics 6.0仿真软件对特征频率下的位移响应进行仿真，在驱动模态(fd＝11259Hz)情况下，左侧悬浮单元的驱动质量块3的位移响应为7.73μm，右侧悬浮单元的驱动质量块3的位移响应为7.73μm；在敏感模态(fd＝10768Hz)情况下，左侧悬浮单元的敏感质量块6的位移响应为5.68nm，右侧悬浮单元的敏感质量块6的位移响应为6.41nm，此时，两组悬浮单元的驱动质量块3的位移响应基本相同，但敏感质量块6的位移响应有较大差异。

对比使用COMSOL Multiphysics 6.0仿真软件的仿真结果和使用COMSOLMultiphysics仿真的仿真结果，当采用全耦合结构时，不论两谐振器的刚度是否相同，由于耦合刚度的作用，两个谐振器的振幅相近，故本实施例的该MEMS音叉陀螺具有一定的抗干扰能力，且使得系统的输出信号增大；根据计算所得的频差结果290Hz和491Hz，可以看出本发明采用全耦合MEMS音叉陀螺的敏感质量块6通过敏感耦合结构进行耦合连接，相较于常规方案未完全耦合结构，频差更小，使得音叉陀螺的两个谐振频率都保持一致，在本实施例中频差减小了70％。

综上所述，本发明实施例提供的一种全耦合MEMS音叉陀螺，通过设置敏感耦合结构，使的两个敏感单元耦合在一起，并通过驱动耦合结构使的驱动质量块耦合在一起，从而实现全耦合，全耦合MEMS音叉陀螺使得两个悬浮单元的敏感单元在同一模态的固有频率保持一致，且驱动模态和敏感模态的频差有所减小，进而使得两组悬浮结构的位移响应值更加接近，从而实现干扰信号进行更好的抑制，避免了加工误差造成陀螺的灵敏度降低，因此，该结构对加工误差等有一定的鲁棒性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。