一种带有驱动放大耦合结构的四质量微机械陀螺仪

技术领域

本发明属于陀螺仪领域，具体涉及一种带有驱动放大耦合结构的四质量微机械陀螺仪。

背景技术

陀螺是一种用于测量角速度的传感器。传统的陀螺主要有由静电陀螺、液浮气浮陀螺、激光陀螺、光纤陀螺，这些陀螺广泛应用于战略核潜艇、战略导弹、宇宙飞船上用于导航与姿态控制。但这些陀螺都具有体积比较大、成本高昂、无法批量生产等缺点。随着微机电系统（MEMS）技术的发展，基于哥式耦合效应的微机械振动陀螺也得到快速发展。而作为MEMS振动陀螺的一种，四质量陀螺同样基于科氏力效应，将敏感角速度转换为质量块在检测方向的振动位移，采用四个质量块对称分布的方式，具有双差分、体积小、结构对称、结构简单、抗冲击过载、可批量制造成本低等优点，被广泛应用于消费类电子、无人驾驶、制导武器的导航等领域。

现有四质量陀螺的四质量块位于整个陀螺结构的中间位置，质量块之间通过驱动耦合梁、检测耦合梁进行连接，以使质量块之间保持相同的谐振频率。质量块与驱动框架和检测框架相连，驱动电极放在驱动框架内，检测电极放在检测框架内。驱动、检测框架分别通过连接梁与驱动或检测杠杆相连。当陀螺工作于驱动模态时，相对的驱动电极上施加反相电压，并通过杠杆结构实现四质量的反相运动。现有四质量微机械陀螺仪的性能还未达到导航级，需要进一步提升陀螺的性能。

微机械陀螺的性能主要与陀螺的等效质量、驱动位移、频率、品质因数有关。其中，提高陀螺的驱动位移和等效质量能够有效提高陀螺的灵敏度和机械噪声性能。传统上，四质量陀螺大等效质量、大驱动位移，需要较大的输入驱动电压信号和版图面积，这样会增大系统的功耗、交流信号馈通噪声以及牺牲了版图面积。此外，现有四质量陀螺的驱动运动模态采用外部杠杆耦合，在大位移的情况下，由于杠杆的转动运动，在检测方向会产生较大的正交刚度耦合。最后，现有四质量陀螺当工作在闭环模式时，采用正交力的正交抑制方式，这种抑制方式需要较高的电路解调相位精度，控制电路复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带有驱动放大耦合结构的四质量微机械陀螺仪，该陀螺仪通过采用一种驱动耦合放大结构、检测反相耦合结构以及正交抑制电极方案，提高了驱动位移和等效质量，改善大位移下的正交刚度耦合，提高了陀螺的抗干扰能力。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种带有驱动放大耦合结构的四质量微机械陀螺仪，陀螺为平面Z轴陀螺，包括关于X、Y轴镜像对称设置的四个质量块，质量块在检测轴Y方向上通过驱动解耦梁分别与质量块两侧的检测框架相连，关于X轴对称的两个检测框架通过耦合结构耦合，质量块上设置四个正交抑制电极；

还包括设置在中心且平行于Y轴的驱动框架，驱动框架通过耦合放大结构和每个质量块中的检测解耦梁连接，驱动框架上设置多个驱动电极和四个驱动检测电极，四个驱动检测电极分别关于X、Y轴镜像对称分布在陀螺的中心位置，构成差分检测；耦合放大结构通过两端的类杠杆机构实现驱动位移放大和等效质量的提高。

进一步的，四个质量块为质量块Ⅰ、质量块Ⅱ、质量块Ⅲ、质量块Ⅳ，质量块Ⅰ和质量块Ⅲ关于X轴对称设置，质量块Ⅰ和质量块Ⅳ关于Y轴对称设置；每个质量块上的四个正交抑制电极分布在质量块的四个拐角的位置；

质量块Ⅰ和质量块Ⅲ上的正交抑制电极相同，质量块Ⅱ和质量块Ⅳ上的正交抑制电极相同。

进一步的，正交抑制电极包括连接在质量块上的正交电极可动梳齿Ⅰ、正交电极可动梳齿Ⅱ和连接在锚点上的正交电极固定梳齿Ⅰ、正交电极固定梳齿Ⅱ。

进一步的，每个检测框架分别通过检测支撑梁与锚点相连，通过锚点锚接在衬底上。

进一步的，耦合结构包括锚点，以及在X轴上且关于锚点对称的上斜梁、下斜梁和折叠梁，

上斜梁一端连接到检测框架上，另一端与折叠梁和下斜梁共同连接到一点；下斜梁一端连接到检测框架上，另一端和上斜梁和折叠梁共同连接到同一点，上斜梁和下斜梁关于X轴镜像对称。

进一步的，每个检测框架上均设有关于质量块的Y轴（方向）中线镜像对称的两个敏感检测电极，设置在两个敏感检测电极之间的力反馈电极，设置在敏感检测电极两侧的调谐电极；

一个质量块两侧的检测框架中的敏感检测电极，力反馈电极和调谐电极关于质量块穿过中心点且平行于X轴的中心线镜像对称设置；

检测框架外侧通过弹性梁Ⅱ与检测杠杆相连，检测杠杆通过两个弹性梁Ⅰ连接到锚点，锚接在衬底上。

进一步的，每个调谐电极由连接在检测框架上的调谐电极可动梳齿和通过锚点固定在衬底上的调谐电极固定梳齿组成；

每个敏感检测电极由连接在检测框架上的敏感检测电极可动梳齿和通过锚点固定在衬底上的敏感检测电极固定梳齿组成；

每个力反馈电极由连接在检测框架上的力反馈电极可动梳齿和连接到锚点并固定在衬底上的力反馈电极固定梳齿组成。

进一步的，耦合放大结构包括横向支撑梁，纵向支撑梁和斜梁；

驱动框架两端分别连接到两端的横向支撑梁的中心和斜梁共同连接到同一点，驱动框架的中部通过关于Y轴镜像对称布置的弹性梁连接固定到锚点，四个质量块在X方向上通过检测解耦梁连接到纵向支撑梁上，斜梁一端连接到横向支撑梁的中点，另一端连接到纵向支撑梁的中点，横向支撑梁的两端分别连接固定到锚点上，纵向支撑梁的两端分别连接固定到锚点上。

进一步的，驱动框架上的多个驱动电极包含驱动电极Ⅰ、驱动电极Ⅱ，驱动电极Ⅰ关于Y轴镜像对称分布在驱动框架的两侧，驱动电极Ⅰ和驱动电极Ⅱ关于X轴镜像对称。

进一步的，驱动电极Ⅰ由连接到驱动框架的驱动电极Ⅰ可动梳齿和连接到锚点并通过锚点锚接固定在衬底上的驱动电极Ⅰ固定梳齿组成；

驱动检测电极由连接到驱动框架的驱动检测电极可动梳齿和连接到锚点8并通过锚点固定锚接在衬底上的驱动检测电极固定梳齿组成。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）本发明通过驱动耦合放大结构在不增加功耗噪声以及版图面积的情况下，实现对驱动位移和等效质量的提高，提高了机械灵敏度以及降低了机械热噪声；并同时实现四个质量块驱动模态的反相运动，驱动工作模态在第一阶模态，有效抑制了其他干扰模态，提高了抗干扰性。

（2）本发明的驱动放大耦合结构同时实现对四个质量块的驱动，不需要杠杆结构，相比现有四质量陀螺驱动耦合采用杠杆的方式，避免了大驱动位移下，杠杆的转动引入正交刚度耦合。

（3）本发明在每个质量块的检测方向上下两侧分别设有差分形式的大电容梳齿检测电极，实现每个质量块敏感检测都能抑制线性加速度共模干扰；采用梳齿检测电极取代传统的平板检测电极能有效改善检测的静电非线性；每个差分电极都采用大量梳齿电容增大了陀螺的检测灵敏度。

（4）本发明通过上斜梁、下斜梁以及折叠梁所组成的新型检测耦合结构，由于同相运动刚度大于反相运动刚度，实现了检测模态下相邻两个质量块反相运动模态在第一阶模态。抑制了同相干扰模态和线性加速度等共模干扰信号的干扰；这种新型的检测耦合结构能够在保持反相工作模态次序不变的情况下，较大幅度提高同相模态的次序和频率，减小同相模态对工作模态的干扰，同时此结构能够改善检测模态的整体热弹性阻尼；

（5）本发明在每个质量块上引入了4个基于静电负刚度的正交抑制电极，通过将四个正交抑制电极排布在关于每个质量块中心对称靠近四个拐角的位置，在有效抑制质量块的正交平动的同时还能抑制质量块的正交转动；在左侧两个质量块上设置相同的正交电极，并且施加相同的正交抑制电压，在另外两个质量布置镜像对称的正交电极，施加另外的相同的抑制电压，这种整体的正交抑制方式，简化了控制电路系统，减少了电极引脚数量。

（6）本发明在检测杠杆梁的上下分别设置一组支撑弹性梁，该弹性梁在Y轴检测方向具有较大的刚度，在X轴具有较小的刚度，确保杠杆只有绕中心的转动，减小了耦合误差，并且提高了杠杆的抗冲击性。

附图说明

图1为陀螺的整体结构示意图；

图2为检测耦合结构放大图；

图3为检测框架局部放大图；

图4为驱动框架局部放大图；

图5为正交抑制电极局部放大图；

图6为陀螺的驱动模态振型图；

图7为陀螺的检测模态振型图；

图8为驱动耦合放大结构原理分析图。

附图标记说明

11-质量块Ⅰ，12-质量块Ⅱ，13-质量块Ⅲ，14-质量块Ⅳ，21-检测框架，31-敏感检测电极Ⅰ，32-敏感检测电极Ⅱ，33-敏感检测电极Ⅲ，34-敏感检测电极Ⅳ，4-检测支撑梁，41-力反馈电极Ⅰ，42-力反馈电极Ⅱ，5-检测耦合结构，51-上斜梁，52-折叠梁，53-下斜梁，6-驱动解耦梁，7-检测解耦梁，8-锚点，29-调谐电极，291-调谐电极可动梳齿，292-调谐电极固定梳齿，311-敏感检测电极可动梳齿，312-敏感检测电极固定梳齿，411-力反馈电极可动梳齿，412-力反馈电极固定梳齿，9-检测杠杆，91-弹性梁Ⅰ，10-弹性梁Ⅱ，15-横向支撑梁，16-纵向支撑梁，17-斜梁，18-驱动框架，181-弹性梁Ⅲ，19-驱动电极Ⅰ，191-驱动电极Ⅰ可动梳齿，192-驱动电极Ⅰ固定梳齿，24-驱动电极Ⅱ，25-驱动检测电极，251-驱动检测电极可动梳齿，252-驱动检测电极固定梳齿，61-正交抑制电极Ⅰ，62-正交抑制电极Ⅱ，63-正交抑制电极Ⅲ，64-正交抑制电极Ⅳ，611-正交抑制电极可动梳齿Ⅰ，612-正交抑制电极固定梳齿Ⅰ，613-正交抑制电极可动梳齿Ⅱ，614-正交抑制电极固定梳齿Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

一种带有驱动放大结构的高灵敏度四质量微机械陀螺仪，该陀螺主要包括硅衬底、硅结构、绝缘层以及信号线层，最终将硅结构的锚点与衬底锚接并通过信号走线引出。本发明主要阐述硅结构部分。陀螺硅结构整体为关于X轴、Y轴对称的结构，通过设置电极差分信号，实现对共模噪声的抑制。

主要结构包括四个相同质量块，每个质量块分别通过驱动解耦梁6连接到检测框架21，并且通过检测解耦梁7连接到驱动耦合放大结构，驱动耦合放大结构连接到驱动框架18。通过驱动耦合放大结构实现对驱动位移的放大以及等效质量的提高和X轴方向上四个质量块两两之间反相的运动。更具体地，在驱动框架18上下镜像对称的两部分电极分别施加相位相反的电压信号，形成推挽式差分驱动能抑制2倍频干扰信号，产生的静电力同时驱动4个相同质量块分别在X方向上做反相简谐振动，形成谐振器。当有角速度输入时，基于科氏耦合效应，在Y轴方向上，四个振动的质量块将会产生垂直于驱动振动方的哥氏力，从而在检测方向上产生相邻质量块之间方向相反的反相检测运动位移，通过驱动解耦梁6将质量块在Y方向上的位移传递到检测框架21，导致检测梳齿电极电容量的变化，经过C/V转换和放大电路形成输出电压信号，由于每个质量块的上下两侧都分别布置大电容量的差分的梳齿电极，提高了检测的灵敏度，抑制了线性加速度共模干扰，改善了静电非线性。驱动解耦梁6和检测解耦梁7实现了驱动模态和检测模态之间的解耦，使驱动和检测互不影响。检测模态通过检测耦合结构和外部杠杆实现反相运动模态处在检测第一阶模态，并提高了同相干扰模态的振动频率，抑制了线性加速度等共模干扰。通过每个质量块上布置4个基于静电负刚度的正交抑制电极，有效抑制正交刚度耦合。

陀螺结构中间部分为驱动框架18，穿过驱动框架18几何中心并平行于驱动框架梳齿的方向定义为Y轴，穿过驱动框架18几何中心并垂直于驱动框架梳齿的方向定义为X轴。陀螺的整体结构如图1所示，该陀螺为平面Z轴陀螺。整体结构关于X、Y轴镜像对称。陀螺的结构厚度介于30um~100um之间，可采用基于100硅的体硅工艺和基于各项同性的外延硅工艺。

四个相同的驱动质量块Ⅰ11、质量块Ⅱ12、质量块Ⅲ13、质量块Ⅳ14，在检测轴Y方向上通过驱动解耦梁6分别与质量块上下两侧的检测框架21相连。每个检测框架21分别通过检测支撑梁4与锚点8相连，通过锚点8锚接在衬底上。四个质量块内测的检测框架21之间通过检测耦合结构5耦合到一起。

如图2所示，检测耦合结构5包含上斜梁51、下斜梁53和折叠梁52以及锚点8，上斜梁51、下斜梁53和折叠梁52镜像对称分布在锚点的两侧。上斜梁51一端连接到检测框架21上，另一端与折叠梁52和下斜梁53共同连接到一点。下斜梁53一端连接到检测框架21上，另一端和上斜梁51和折叠梁52共同连接到同一点。上斜梁51和下斜梁53关于X轴镜像对称。

每个质量块的上侧的检测框架包含敏感检测电极Ⅰ31、敏感检测电极Ⅱ32、力反馈电极Ⅰ41和调谐电极29，下侧的检测框架包含敏感检测电极Ⅲ33，敏感检测电极Ⅳ34，力反馈电极Ⅱ42以及调谐电极29。

上侧的检测框架中敏感检测电极Ⅰ31、敏感检测电极Ⅱ32、力反馈电极Ⅰ41以及调谐电极29和下侧检测框架中的敏感检测电极Ⅲ33，敏感检测电极Ⅳ34，力反馈电极Ⅱ42以及调谐电极29关于质量块穿过中心点且平行于X轴的中心线镜像对称设置。

如图3所示，每个调谐电极29由连接在检测框架21上的调谐电极可动梳齿291和通过锚点8固定在衬底上的调谐电极固定梳齿292共同组成。每个敏感检测电极由连接在检测框架上的敏感检测电极可动梳齿311和通过锚点8固定在衬底上的敏感检测电极固定梳齿312共同构成。每个力反馈电极由连接在检测框架21上的力反馈电极可动梳齿411和连接到锚点8并固定在衬底上的力反馈电极固定梳齿412共同构成。其中敏感检测电极Ⅰ31、敏感检测电极Ⅱ32关于质量块Ⅰ的左右中线镜像对称，力反馈电极Ⅰ41、力反馈电极Ⅱ 42关于质量块Ⅰ的上下中线镜像对称。每个质量块外侧的检测框架21外侧分别通过弹性梁Ⅱ10与检测杠杆9相连。检测杠杆9通过两个弹性梁Ⅰ91连接到锚点8，锚接在衬底上。

同时，四个质量块在驱动X方向上，通过检测解耦梁7连接到纵向支撑梁16上。斜梁17一端连接到纵向支撑梁16的中点，另一端连接到横向支撑梁15的中点。纵向支撑梁16的两端分别连接固定到锚点8上。横向支撑梁15的两端分别连接固定到锚点8上。纵向支撑梁16既起到支撑质量块的作用，同时和斜梁17、横向支撑梁15共同组成耦合放大结构，实现对驱动位移以及等效质量的放大和四个相邻质量块的反相运动。驱动框架18的上下两端分别连接到上下横向支撑梁15的中心和斜梁17共同连接到同一点。驱动框架18的中部通过左右镜像对称布置的弹性梁Ⅲ181连接固定到锚点8。驱动框架18上包含驱动电极Ⅰ19、驱动电极Ⅱ24和驱动检测电极25。驱动电极Ⅰ19关于Y轴镜像对称分布在两侧，驱动电极Ⅱ24关于Y轴镜像对称分布于两侧，其中驱动电极Ⅰ19和驱动电极Ⅱ24关于X轴镜像对称。4个驱动检测电极25分别关于X、Y轴镜像对称分布在陀螺的中心位置，构成差分检测。如图4所示，驱动电极Ⅰ19由连接到驱动框架18的驱动电极Ⅰ可动梳齿191和连接到锚点8并通过锚点锚接固定在衬底上的驱动电极Ⅰ固定梳齿192组成。驱动检测电极25由连接到驱动框架18的驱动检测电极可动梳齿251和连接到锚点8并通过锚点8固定锚接在衬底上的驱动检测电极固定梳齿252组成。

驱动耦合放大结构原理分析图如图8所示，驱动框架18在Y方向的等效刚度为

根据受力平衡，可得：

（1）

（2）

联立（1）（2），可得：

(3)

根据能量守恒，可得：

(4)

根据（3）和（4），可得：

(5)

设

(6)

求解(6)，可以得到位移放大比

(7)

假设整个系统的等效刚度为

(8)

(9)

根据式(7)，位移放大比

四个相同的驱动质量块Ⅰ11、质量块Ⅱ12、质量块Ⅲ13、质量块Ⅳ14上包含四个相同的正交抑制电极，并均匀分布在每个质量块的四个靠近拐角的位置。其中，质量块Ⅰ11上的正交抑制电极Ⅰ61和质量块Ⅲ13上的正交抑制电极Ⅱ62完全相同，且分别分布在质量块Ⅰ11和质量块Ⅲ13的相同位置。正交抑制电极Ⅰ61和正交抑制电极Ⅳ64关于Y轴镜像对称。正交抑制电极Ⅲ63和正交抑制电极Ⅳ64完全相同，且分别分布在质量块Ⅱ12和质量块Ⅳ14的相同位置。如图5所示为正交抑制电极的局部放大图，正交抑制电极Ⅰ61由连接在质量块上的正交抑制电极可动梳齿Ⅰ611、正交抑制电极可动梳齿Ⅱ613和连接在锚点上的正交抑制电极固定梳齿Ⅰ612、正交抑制电极固定梳齿Ⅱ614共同组成，正交抑制电极可动梳齿Ⅰ611和正交抑制电极可动梳齿Ⅱ613交错分布在正交抑制电极固定梳齿Ⅰ612、正交抑制电极固定梳齿Ⅱ614的两侧。

陀螺的工作方式：

驱动工作模态下，通过在驱动电极Ⅰ19和驱动电极Ⅱ24上施加反相的驱动电压信号，驱动框架18在Y轴方向做往复的谐振运动。驱动框架通过斜梁17和纵向支撑梁16以及横向支撑梁15共同组成的反相耦合放大结构同时带动四个质量块Ⅰ11、质量块Ⅱ12、质量块Ⅲ13、质量块Ⅳ14在X方向做反相运动。通过驱动检测电极25的差分检测驱动位移的大小，通过自动增益控制（AGC）和锁相环（PLL）闭环电路实现对驱动位移幅度和频率的稳定控制。驱动框架18通过斜梁17和横向支撑梁15以及纵向支撑梁16共同组成的反相耦合放大结构既实现了类似杠杆的驱动位移放大功能，也提高了等效质量，又实现了X方向四个质量块的反相运动，实现反相运动工作模态处在第一阶，实现对线性加速度以及环境振动等干扰的抑制。驱动运动时，由于加工误差无法避免正交误差。此时通过在正交抑制电极Ⅰ61和正交抑制电极Ⅱ62上施加相同的直流电压，在正交抑制电极Ⅲ63和正交抑制电极Ⅳ64上施加相同的直流电压，基于静电负刚度原理，来整体抑制驱动运动产生的正交刚度耦合。正交抑制电极可动梳齿Ⅰ611与正交抑制电极可动梳齿Ⅱ613交错排列在正交抑制电极固定梳齿Ⅰ612、正交抑制电极固定梳齿Ⅱ614两侧的排布方式可以消除正交电压在驱动方向上和检测方向上产生的除正交抑制负刚度之外的干扰负刚度。

敏感检测工作模态下，当有角速度输入时，X轴方向驱动运动的质量块Ⅰ11、质量块Ⅱ12、质量块Ⅲ13、质量块Ⅳ14在哥式耦合效应下，产生垂直驱动运动方向的科氏力，在科氏力的激励下相邻质量块产生方向相反的敏感检测位移，并通过驱动解耦梁6传递到检测框架21，带动检测框架21上敏感检测电极Ⅰ31，敏感检测电极Ⅱ32上可动梳齿的运动，导致电容量的变化。上斜梁51、下斜梁53以及折叠梁52所组成的新型耦合结构，由于同相运动刚度大于反相运动刚度，实现了检测模态相邻两个质量块反相运动在第一阶模态。在敏感检测电极电容量的变化通过电路放大与解调转化为电信号输出。力平衡控制环路根据敏感检测的电信号输出，在力反馈电极Ⅰ41、力反馈电极Ⅱ42上施加反相的力反馈电压，抑制质量块的敏感检测位移，实现闭环检测。根据检测模态和驱动模态的频差，在调谐电极29上施加直流调谐电压，利用静电负刚度的原理，实现检测模态和驱动模态之间的模态匹配。陀螺驱动和检测模态的振型如图6、图7所示。