双质量硅微陀螺仪的机械耦合误差抑制装置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于MEMS (微机电系统）和微惯性测量技术，特别涉及一种双质量硅微陀 螺仪的机械耦合误差抑制装置与方法。
【背景技术】
[0002] 20世纪80年代中期，随着半导体加工技术的进步，机械结构与电子系统的微型化 与集成一一微机电系统（MEMS)技术的出现，给惯性传感器领域带来一场革命。自德雷珀实 验室于1991年首次展示其研制的硅微陀螺仪以来，基于表面加工、体硅加工或者两者混合 加工技术的硅微陀螺仪不断涌现。微机械陀螺仪以其微型化与集成化、可靠性高、功耗低、 易于数字化和智能化、响应快等优异性能，决定了它具有广阔的应用前景和军事应用价值。 硅微陀螺仪根据不同的性能等级可分为速率级、战术级及惯导级。速率机的硅微陀螺仪可 用在汽车、机器人、工业控制、玩具等领域。战术级的硅微陀螺仪主要用于空中、地面、海上 导航及姿态航向的基准系统，战术导弹、智能炮弹、新概念武器等军事领域。惯导级的硅微 陀螺仪用于战略导弹、空间飞行器、自主式潜艇导航等领域，惯性级硅微陀螺仪也成为各发 达国家研究的热点。
[0003] 我国对于硅微陀螺仪的研究起步较晚，目前对于硅微陀螺仪的研究仍停留在实验 室阶段，且各项性能指标远远滞后，严重限制了自主研制的硅微陀螺仪的军事应用和商用 化进程。基于单质量硅微陀螺仪理论基础的双质量硅微陀螺仪，通过驱动模态的同幅同频 反向驱动，实现敏感模态哥氏加速度的差分检测，它能够有效地消除轴向加速度等共模干 扰的影响，环境适应性较强，是工程应用的首选结构。但由于加工缺陷等因素的存在，驱动 模态的振动能量也会耦合到检测模态，产生较大的输出误差。针对这一情况，硅微陀螺仪的 结构设计经历了从不解耦到半解耦，再到全解耦的发展过程。全解耦的结构从形式上看解 耦最彻底，但由于某些结构设计存在的缺陷，使得两者之间依然存在一定的耦合效应，而且 还可能产生部分结构扭转、随动等效应，这样就使硅微陀螺仪的性能降低。因此，在设计过 程中应注意结构的形式及相关结构的布局，从本质上减小误差，提高硅微陀螺仪的性能。
【发明内容】
[0004] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种驱动模态和检测模 态的全解耦、检测灵敏度高、抗干扰能力强、温度性能优越、正交误差小的双质量硅微陀螺 仪的机械耦合误差抑制装置与方法。
[0005] 技术方案：为实现上述目的，本发明的双质量硅微陀螺仪的机械耦合误差抑制装 置包括上下两层，上层为振动机械结构，下层为玻璃衬底；
[0006] 所述玻璃衬底包括若干电极引线与若干键合点，所述电极引线包括公共电极、驱 动电极与检测电极三种；
[0007] 所述振动机械结构包括两个左右对称放置的完全相同的单质量角速度测量单元 子结构；两个单质量角速度测量单元子结构之间连接有驱动耦合折叠梁，且两个单质量角 速度测量单元子结构的上下各有一根横梁，且两个单质量角速度测量单元子结构同一侧的 横梁相连；所述横梁通过基座直梁与振动机械结构四角处的四个整体固定锚点连接；
[0008] 每个单质量角速度测量单元子结构均包括敏感质量、驱动机构、检测机构、结构稳 固平衡梁、驱动折叠梁、检测折叠梁、驱动解耦梁、检测解耦梁与子结构固定锚点；所述驱动 机构对称放置在敏感质量的左右两侧，通过分布在敏感质量上下两侧的检测解耦梁与敏感 质量相连，形成对敏感质量推挽的驱动方式；所述检测机构对称放置在敏感质量的上下两 侦牝通过分布在敏感质量左右两侧的驱动解耦梁与敏感质量相连，以推挽的方式检测哥式 力的大小；所述驱动机构与检测机构围成一个口字型，所述子结构固定锚点有四个，分别分 布在驱动机构与检测机构围成的口字型的内部四角处；驱动机构通过分布在其上下两侧的 驱动折叠梁与离各自最近的子结构固定锚点相连，并通过分布在其两侧的结构稳固平衡梁 与整体固定锚点相连；检测机构通过其左右两侧的检测折叠梁与离各自最近的子结构固定 锚点相连，同时通过横梁下梁与横梁相连；
[0009] 每个整体固定锚点与子结构固定锚点分别固接于玻璃衬底上的不同的键合点，使 振动机械结构悬浮在玻璃衬底上；两个敏感质量各有一个公共电极与之相连。
[0010] 进一步地，所述驱动机构包含两组驱动梳齿，两组驱动梳齿左右对称布置，每组驱 动梳齿均包括活动驱动梳齿与固定驱动梳齿，活动驱动梳齿连在驱动机构的边框上，固定 驱动梳齿与固定驱动梳齿锚点连接，且与活动驱动梳齿镶嵌式布置，固定驱动梳齿锚点固 连在所述玻璃衬底上的对应位置的键合点上；同时所有固定驱动梳齿与玻璃衬底上的驱动 电极连接。
[0011] 进一步地，所述检测机构包含两组检测梳齿，两组检测梳齿上下对称布置，每组检 测梳齿均包括活动检测梳齿与固定检测梳齿，活动检测梳齿连在检测机构的边框上，固定 检测梳齿与固连在玻璃衬底上的固定检测梳齿锚点连接，且与活动检测梳齿镶嵌式布置， 固定检测梳齿锚点固连在所述玻璃衬底上的对应位置的键合点上；同时所有固定检测梳齿 与玻璃衬底上的检测电极连接。
[0012] 进一步地，所述驱动解耦梁采用单梁的形式。
[0013] 进一步地，所述横梁下梁采用单梁的形式，且与横梁单点连接。
[0014] 利用上述双质量硅微陀螺仪的机械耦合误差抑制装置的双质量硅微陀螺仪的机 械耦合误差抑制方法，所述机械耦合误差抑制方法为：调整所述横梁下梁与检测折叠梁的 刚度比使检测机构的运动的平衡点正好在驱动解耦梁与检测机构的连接点处；调苄基座直 梁的长度及整体固定锚点的位置，使横梁在检测模态下的变形极点为横梁下梁与横梁的连 接点；调节结构稳固平衡梁与驱动耦合梁的刚度比使敏感质量左右两侧的驱动机构的运动 状态保持一致。
[0015] 有益效果：（1)驱动解耦梁采用长度较长的单梁，梁的刚度减小，减少检测机构在 驱动方向的随动效应，单梁的占用空间变小，更易放置，与横梁下梁和检测折叠梁的刚度配 合，可以消除检测机构在驱动模态下的转动效应。单梁的使用可以使敏感质量的质量增大， 敏感质量的转动效应减小，增加系统的稳定性，且单梁的使用，敏感质量的转动效应向检测 机构的传递会大大减小；（2)横梁下梁采用单梁的形式，且与横梁单点连接，可以减小在检 测模态下横梁的非线性变形对检测机构的影响，减少检测机构的转动效应，与检测折叠梁 共同限制检测机构，使其只在检测方线性运动；（3)调苄基座直梁的长度及固定锚点的位 置使横梁下梁与横梁的连接点是横梁非线性变形的极点，减小在检测模态下横梁非线性变 形向检测机构的传递；(4)结构稳固平衡梁的采用，并通过调节结构稳固平衡梁与驱动耦 合梁的刚度比，驱动耦合梁的存在造成子结构左右驱动机构受力不均衡的现象，使左右驱 动机构运动状态保持一致，且结构稳固平衡梁可以使检测模态下的驱动机构的转动效应减 小。
【附图说明】
[0016] 附图1是本发明双质量硅微陀螺仪的机械耦合误差抑制装置结构示意图；
[0017] 附图2是本发明机械耦合误差抑制机构结构示意图；
[0018] 附图3是本发明双质量硅微陀螺仪的驱动机构和驱动反馈机构示意图；
[0019] 附图4是本发明双质量硅微陀螺仪的检测机构示意图；
[0020] 附图5是本发明双质量硅微陀螺仪的玻璃衬底示意图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0022] 结合附图1，本发明双质量硅微陀螺仪的机械耦合误差抑制方法和装置实现对垂 直于x-y水平面的输入角速度的测量。结构分为上下两层，上层为硅微陀螺仪的振动机械 结构，下层为粘附有信号引线的玻璃衬底。陀螺的机械结构由两个对称放置的完全相同的 单质量角速度测量单元子结构la、Ib构成；在驱动模态下，两个单质量角速度测量单元子 结构之间通过驱动親合折叠梁3a、3b建立