一种面内扭摆式四质量块MEMS陀螺仪的制作方法

本发明涉及陀螺仪领域，特别涉及一种面内扭摆式四质量块mems陀螺仪。

背景技术：

1、mems陀螺仪是一种通过振动现象对角速度或角度信号进行精密测试的仪表装置，陀螺仪仪表精度的提高主要取决于谐振子结构是否能够将外部干扰量尽量与谐振敏感结构的振动特性相分隔。

2、现有技术中，能够实现这种振动分隔的结构分为两种：

3、一种是蝶翼式双扭摆方式，这是一种面外角振动工作模式，但其加工工艺难，而且工艺不成熟，不能实现稳定的批量生产制造，使其成为产品应用的一个痛点。

4、另一种方式是采用四质量架构，这是一种面内线振动工作模式，目前针对此类结构的mems制造工艺已经比较成熟，且可以实现批量生产。

5、但是目前这类面内四质量块线振动结构体积较大，线振动的距离横跨芯片边长，其振动可靠性性能较差，不适宜很多工业场合的应用。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种面内扭摆式四质量块mems陀螺仪，具有可靠性高的效果。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种面内扭摆式四质量块mems陀螺仪，包括：

3、衬底层；

4、器件层结构，通过相应锚点固定在所述衬底层上；

5、所述器件层结构包括：

6、驱动双端固支梁、驱动框架、哥氏质量块、驱动耦合固支梁、驱动耦合折叠梁、检测双端固支梁、检测框架、检测桁架、检测耦合梁以及检测框架支点；

7、所述驱动双端固支梁的一端与锚点连接并固定于所述衬底层，另一端与所述驱动框架相连，所述检测双端固支梁一端与所述驱动框架相连，另一端与所述哥氏质量块相连，所述驱动耦合固支梁一端与所述哥氏质量块相连，另一端与所述检测桁架相连，所述检测桁架另一端与所述检测框架相连；

8、所述检测耦合梁的两端分别与其左右的所述检测框架相连，用于使检测框架模态分离，所述检测框架支点一端与所述检测框架相连，另一端与锚点结构连接，所述驱动耦合折叠梁的两端分别与其左右的所述驱动框架相连，以保证工作时相连的两所述驱动框架运动同向；

9、所述驱动框架与所述哥氏质量块一起构成驱动环路质量，且结构关于y轴对称，所述检测框架与所述哥氏质量块一起构成检测环路质量，且结构关于x轴对称，同时整个mems陀螺仪结构为全解耦设计；

10、所述器件层结构还包括：

11、推挽式驱动力系统、驱动端差分检测输出信号系统、差分检测输出信号系统以及检测输出闭环控制信号系统；

12、所述推挽式驱动力系统为mems陀螺仪提供推挽式驱动力，所述驱动端差分检测输出信号系统为mems陀螺仪驱动端提供差分检测输出信号，所述差分检测输出信号系统为mems陀螺仪提供差分检测输出信号，所述检测输出闭环控制信号系统为mems陀螺仪提供检测输出闭环控制信号。

13、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述推挽式驱动力系统包括驱动正电极梳齿对和驱动负电极梳齿对，所述驱动正电极梳齿对通过对应锚点固定在所述衬底层，所述驱动负电极梳齿对通过对应锚点固定在所述衬底层，所述驱动正电极梳齿对与所述驱动负电极梳齿对分别与对应连接的电极将构成一组差分电容电极，且分别对称分布在左、右两侧，关于y轴对称。

14、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述驱动正电极梳齿对有n对，为变面积梳齿设计，所述驱动负电极梳齿对有n对，为变面积梳齿设计。

15、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述驱动端差分检测输出信号系统包括驱动检测正电极梳齿对和驱动检测负电极梳齿对，所述驱动检测正电极梳齿对通过对应锚点固定在所述衬底层，所述驱动检测负电极梳齿对通过对应锚点固定在所述衬底层，所述驱动检测正电极梳齿对与所述驱动检测负电极梳齿对分别与对应连接的电极构成一组差分电容电极，且分别对称分布在左、右两侧，关于y轴对称。

16、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述驱动检测正电极梳齿对有n对，为变面积梳齿设计，所述驱动检测负电极梳齿对有n对，为变面积梳齿设计。

17、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述差分检测输出信号系统包括检测正电极梳齿对和检测负电极梳齿对，所述检测正电极梳齿对通过对应锚点固定在所述衬底层，所述检测负电极梳齿对通过对应锚点固定在所述衬底层，所述检测正电极梳齿对与所述检测负电极梳齿对分别与对应连接的电极构成一组差分电容电极，且分别对称分布在左、右两侧，关于x轴对称。

18、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述检测正电极梳齿对有n对，为变间隙梳齿设计，所述检测负电极梳齿对有n对，为变间隙梳齿设计。

19、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述检测输出闭环控制信号系统包括检测反馈正电极梳齿对和检测反馈负电极梳齿对，所述检测反馈正电极梳齿对通过对应锚点固定在所述衬底层，所述检测反馈负电极梳齿对通过对应锚点固定在所述衬底层，所述检测反馈正电极梳齿对与所述检测反馈负电极梳齿对分别与对应连接的电极构成一组差分电容电极，且分别对称分布在左、右两侧，关于x轴对称。

20、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述检测反馈正电极梳齿对有n对，为变间隙梳齿设计，所述检测反馈负电极梳齿对有n对，为变间隙梳齿设计。

21、本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述衬底层和所述器件层结构的材料均为硅。

22、综上所述，本发明具有以下有益效果：

23、1.通过面内四质量块扭摆式全差分架构，形成了mems陀螺仪整体结构全差分准三维运动，面内任意比例叠加方向在任意时刻的运动总惯量始终为零，实现了mems陀螺仪对周围环境的全方位隔振解耦，达到全面有效的抑制温度、环境冲击、振动等典型干扰对陀螺仪精度的影响；

24、2.解决了当前面外角振动陀螺结构加工工艺难、良率低问题，获得了比肩角振动陀螺的高性能特性，同时还避免了面内线振动陀螺结构体积大、振动可靠性差等问题，进一步提升了陀螺仪性能；

25、3.各个工作模块均采用了差分电容设计，消除了绝大部分的共模干扰噪声，很大程度上又提升了器件的信噪比，通过闭环控制工作方式，器件的线性度更优。

技术特征：

1.一种面内扭摆式四质量块mems陀螺仪，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的一种面内扭摆式四质量块mems陀螺仪，其特征在于：所述推挽式驱动力系统包括驱动正电极梳齿对(10)和驱动负电极梳齿对(8)，所述驱动正电极梳齿对(10)通过对应锚点(9)固定在所述衬底层(1)，所述驱动负电极梳齿对(8)通过对应锚点(7)固定在所述衬底层(1)，所述驱动正电极梳齿对(10)与所述驱动负电极梳齿对(8)分别与对应连接的电极将构成一组差分电容电极，且分别对称分布在左、右两侧，关于y轴对称。

3.根据权利要求2所述的一种面内扭摆式四质量块mems陀螺仪，其特征在于：所述驱动正电极梳齿对(10)有n对，为变面积梳齿设计，所述驱动负电极梳齿对(8)有n对，为变面积梳齿设计。

4.根据权利要求1所述的一种面内扭摆式四质量块mems陀螺仪，其特征在于：所述驱动端差分检测输出信号系统包括驱动检测正电极梳齿对(12)和驱动检测负电极梳齿对(14)，所述驱动检测正电极梳齿对(12)通过对应锚点(11)固定在所述衬底层(1)，所述驱动检测负电极梳齿对(14)通过对应锚点(13)固定在所述衬底层(1)，所述驱动检测正电极梳齿对(12)与所述驱动检测负电极梳齿对(14)分别与对应连接的电极构成一组差分电容电极，且分别对称分布在左、右两侧，关于y轴对称。

5.根据权利要求4所述的一种面内扭摆式四质量块mems陀螺仪，其特征在于：所述驱动检测正电极梳齿对(12)有n对，为变面积梳齿设计，所述驱动检测负电极梳齿对(14)有n对，为变面积梳齿设计。

6.根据权利要求1所述的一种面内扭摆式四质量块mems陀螺仪，其特征在于：所述差分检测输出信号系统包括检测正电极梳齿对(26)和检测负电极梳齿对(22)，所述检测正电极梳齿对(26)通过对应锚点(25)固定在所述衬底层(1)，所述检测负电极梳齿对(22)通过对应锚点(21)固定在所述衬底层(1)，所述检测正电极梳齿对(26)与所述检测负电极梳齿对(22)分别与对应连接的电极构成一组差分电容电极，且分别对称分布在左、右两侧，关于x轴对称。

7.根据权利要求6所述的一种面内扭摆式四质量块mems陀螺仪，其特征在于：所述检测正电极梳齿对(26)有n对，为变间隙梳齿设计，所述检测负电极梳齿对(22)有n对，为变间隙梳齿设计。

8.根据权利要求1所述的一种面内扭摆式四质量块mems陀螺仪，其特征在于：所述检测输出闭环控制信号系统包括检测反馈正电极梳齿对(28)和检测反馈负电极梳齿对(24)，所述检测反馈正电极梳齿对(28)通过对应锚点(27)固定在所述衬底层(1)，所述检测反馈负电极梳齿对(24)通过对应锚点(23)固定在所述衬底层(1)，所述检测反馈正电极梳齿对(28)与所述检测反馈负电极梳齿对(24)分别与对应连接的电极构成一组差分电容电极，且分别对称分布在左、右两侧，关于x轴对称。

9.根据权利要求8所述的一种面内扭摆式四质量块mems陀螺仪，其特征在于：所述检测反馈正电极梳齿对(28)有n对，为变间隙梳齿设计，所述检测反馈负电极梳齿对(24)有n对，为变间隙梳齿设计。

10.根据权利要求1所述的一种面内扭摆式四质量块mems陀螺仪，其特征在于：所述衬底层(1)和所述器件层结构的材料均为硅。

技术总结
本发明公开了一种面内扭摆式四质量块MEMS陀螺仪，包括：衬底层和器件层结构，所述器件层结构包括驱动双端固支梁、驱动框架、哥氏质量块、驱动耦合固支梁、驱动耦合折叠梁、检测双端固支梁、检测框架、检测桁架、检测耦合梁以及检测框架支点；所述器件层结构还包括推挽式驱动力系统、驱动端差分检测输出信号系统、差分检测输出信号系统以及检测输出闭环控制信号系统。本发明通过面内四质量块扭摆式全差分架构，形成了MEMS陀螺仪整体结构全差分准三维运动，面内任意比例叠加方向在任意时刻的运动总惯量始终为零，实现了MEMS陀螺仪对周围环境的全方位隔振解耦，达到全面有效的抑制温度、环境冲击、振动等典型干扰对陀螺仪精度的影响。

技术研发人员：请求不公布姓名
受保护的技术使用者：华芯智能（珠海）科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12