一种同步MEMS陀螺仪结构的制作方法

本发明涉及mems，具体的说，是一种同步mems陀螺仪结构。

背景技术：

1、mems（micro-electro-mechanical system，微机电系统）陀螺仪作为一种测量角速度的惯性传感器，已广泛应用于消费电子、汽车工业、工业自动化及航空航天等领域。

2、mems陀螺仪的核心物理原理是基于科里奥利效应。一个理想的mems陀螺仪通常包含两个主要振动模态：驱动模态和敏感模态。驱动模态是通过静电力，使质量块在驱动方向上以其机械谐振频率进行大幅度的反相稳态振动；而敏感模态是在驱动模态基础上，当mems陀螺仪绕输入轴旋转时，产生的科里奥利力会激励质量块在敏感方向上产生另一个反相振动模态。理想状态下，该两种模态应处于反相运动并以相近频率谐振以实现高灵敏度。然而实际制造中存在的结构失配及残余应力，会激发一类有害的寄生模态——同相模态

3、同相模态表现为质量块同步运动，其存在会引入显著正交误差，同相模态产生与科里奥利信号相差90°的干扰，经电路解调后转化为固定的零偏漂移，为mems陀螺仪主要误差源；同时同相运动会分流驱动能量，削弱有效模态的振动幅度，并抬高噪声基底，从而降低灵敏度和信噪比。

4、现有技术虽尝试通过结构对称性设计或电路补偿进行抑制，然其存在根本局限。因此，本领域亟须一种创新的机械结构设计方案，能够从物理层面本质的解耦工作模态与同相模态，维持整体结构的高精度和稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术存在的mems陀螺仪同相模态影响的问题，提供一种同步mems陀螺仪结构，通过mems陀螺仪的结构优化设计，提出了一种通过旋转杆、滑杆与十字梁结合的四质量耦合架构，其是通过旋转杆的改向机制及水平滑杆设计，刚性耦合四个质量块沿驱动轴同频等幅谐振，并系统性的调节结构中的关键柔性梁的尺寸将驱动模态与敏感模态调至前两阶，将同相模态及其他寄生模态的频率推升至更高阶，从而改善零偏稳定性和鲁棒性。

2、本发明通过下述技术方案实现：一种同步mems陀螺仪结构，包括两组带质量块的驱动体系、一组敏感结构，每一组驱动体系设置有两个驱动结构，还包括两个四质量耦合架构，所述两个四质量耦合架构呈中心或镜像对称设置，且两个四质量耦合架构分别与驱动体系和敏感结构相连接。

3、进一步为更好地实现本发明所述的一种同步mems陀螺仪结构，特别采用下述设置结构：所述四质量耦合架构包括一对旋转杆，每个旋转杆的中心皆设置有锚点d，两个旋转杆通过弹性梁c和弹性梁d与锚点d相连接构成旋转杆组，一对旋转杆通过弹性梁a与驱动体系相连；两个四质量耦合架构内的两对旋转杆组皆通过沿一方向水平前后滑动的水平滑杆连接在十字形耦合梁的两个对称端上，十字形耦合梁的另外两个对称端连接在一组敏感结构上，所述水平滑杆通过弹性梁b连接两个锚点e；其中，十字形耦合梁的中心为整个mems陀螺仪结构的中心。

4、进一步为更好地实现本发明所述的一种同步mems陀螺仪结构，特别采用下述设置结构：一个四质量耦合架构中的旋转杆组连接同侧的两个驱动结构。

5、进一步为更好地实现本发明所述的一种同步mems陀螺仪结构，特别采用下述设置结构：所述驱动结构包括质量块外框，所述质量块外框的两端通过驱动梁与质量块连接，在质量块外框上设置有驱动框架，在驱动框架上设置有与锚点a相连接的驱动支撑梁，在驱动框架上还设置有可动梳齿，在可动梳齿处通过锚点b交错布设有驱动固定梳齿，所述质量块外框（通过弹性梁a）连接四质量耦合架构（旋转杆组中的一根旋转杆）。

6、进一步为更好地实现本发明所述的一种同步mems陀螺仪结构，特别采用下述设置结构：单个驱动结构中，质量块两侧对称设置有一对驱动固定梳齿；所述可动梳齿和驱动固定梳齿不限于内测布局，也可以选用外侧布局等其他布局方式，可灵活变动。

7、进一步为更好地实现本发明所述的一种同步mems陀螺仪结构，特别采用下述设置结构：一组所述驱动体系中的两个驱动结构，通过敏感梁对称连接在一个敏感结构上，单个敏感梁通过驱动-敏感解耦梁与两个锚点c相连。

8、进一步为更好地实现本发明所述的一种同步mems陀螺仪结构，特别采用下述设置结构：所述敏感结构设置有电容检测装置，且电容检测装置用于检测所述质量块因科里奥利力产生的在敏感方向的位移。

9、进一步为更好地实现本发明所述的一种同步mems陀螺仪结构，特别采用下述设置结构：一组敏感结构呈中心对称设置或呈轴对称设置；即在布设时，整个驱动结构、敏感结构、质量块、解耦结构（四质量耦合架构）布局关于x轴对称或y轴对称或中心对称。

10、进一步为更好地实现本发明所述的一种同步mems陀螺仪结构，特别采用下述设置结构：一组所述敏感结构，其中一个的敏感运动方向设置为相背的，而另一个的敏感运动方向设置为相对的。

11、本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

12、本发明旋转杆、水平滑杆和十字形耦合梁等构成的四质量耦合架构通过旋转杆的改向机制及水平滑杆设计，刚性耦合四个质量块沿驱动轴同频等幅谐振。

13、本发明滑杆结构（水平滑杆）设计有x方向柔度，水平滑杆仅沿x方向滑动，上下质量块之间的机械耦合远大于一般弹性梁耦合的机械耦合，同时通过调节结构中的关键柔性梁（弹性梁a、水平滑杆、弹性梁c、弹性梁d等）的尺寸将驱动模态与敏感模态调至前两阶，将同相模态及其他寄生模态的频率推升至更高阶，从而改善零偏稳定性和鲁棒性。

14、本发明所设计的十字形耦合梁能耦合驱动模态四个质量块的谐振，还能耦合两个敏感模态，推动两个敏感结构同频等幅振动。

1.一种同步mems陀螺仪结构，包括两组带质量块（8）的驱动体系、一组敏感结构（1），每一组驱动体系设置有两个驱动结构，其特征在于：还包括两个四质量耦合架构，所述两个四质量耦合架构呈中心或镜像对称设置，且两个四质量耦合架构分别与驱动体系和敏感结构（1）相连接。

2.根据权利要求1所述的一种同步mems陀螺仪结构，其特征在于：所述四质量耦合架构包括一对旋转杆（11），每个旋转杆（11）的中心皆设置有锚点d（15），两个旋转杆（11）通过弹性梁c（19）和弹性梁d（20）与锚点d（15）相连接构成旋转杆组，一对旋转杆（11）通过弹性梁a（13）与驱动体系相连；两个四质量耦合架构内的两对旋转杆组皆通过沿一方向水平前后滑动的水平滑杆（14）连接在十字形耦合梁（12）的两个对称端上，十字形耦合梁（12）的另外两个对称端连接在一组敏感结构（1）上，所述水平滑杆（14）通过弹性梁b（16）连接两个锚点e（17）。

3.根据权利要求2所述的一种同步mems陀螺仪结构，其特征在于：一个四质量耦合架构中的旋转杆组连接同侧的两个驱动结构。

4.根据权利要求1所述的一种同步mems陀螺仪结构，其特征在于：所述驱动结构包括质量块外框（2），所述质量块外框（2）的两端通过驱动梁（10）与质量块（8）连接，在质量块外框（2）上设置有驱动框架，在驱动框架上设置有与锚点a（4）相连接的驱动支撑梁（3），在驱动框架上还设置有可动梳齿，在可动梳齿处通过锚点b（5）交错布设有驱动固定梳齿（18），所述质量块外框（2）连接四质量耦合架构。

5.根据权利要求4所述的一种同步mems陀螺仪结构，其特征在于：单个驱动结构中，质量块两侧对称设置有一对驱动固定梳齿（18）。

6.根据权利要求4所述的一种同步mems陀螺仪结构，其特征在于：一组所述驱动体系中的两个驱动结构，通过敏感梁（9）对称连接在一个敏感结构（1）上，单个敏感梁（9）通过驱动-敏感解耦梁（6）与两个锚点c（7）相连。

7.根据权利要求1~6任一项所述的一种同步mems陀螺仪结构，其特征在于：所述敏感结构（1）设置有电容检测装置，且电容检测装置用于检测所述质量块（8）因科里奥利力产生的在敏感方向的位移。

8.根据权利要求7所述的一种同步mems陀螺仪结构，其特征在于：一组敏感结构（1）呈中心对称设置或呈轴对称设置。

9.根据权利要求1~6任一项所述的一种同步mems陀螺仪结构，其特征在于：一组敏感结构（1）呈中心对称设置或呈轴对称设置。

10.根据权利要求1~6任一项所述的一种同步mems陀螺仪结构，其特征在于：一组所述敏感结构（1），其中一个的敏感运动方向设置为相背的，而另一个的敏感运动方向设置为相对的。