CN106932609A - 一种单锚定点四质量块mems六轴惯性传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器，该传感器包括具有中心对称结构支撑架、锚定支撑柱和质量块的结构层，通过锚定支撑柱与结构层固定连接的基板层和附着在基板层上靠近结构层一侧的电极层；锚定支撑柱固定设置在支撑架的对称中心，四个完全相同的质量块沿以锚定支撑柱为圆心的圆周对称均匀分布，并分别通过悬臂梁与支撑架固定连接，每个质量块均能在支撑架平面内相对于支撑架运动，也能在垂直于支撑架的平面内运动；电极层与结构层保持一定间距，且电极层在基板层上的位置与质量块的位置相对应，形成检测电容、驱动电容和/或力平衡电容；通过检测电容之间的差分信号提取得到相应自由度的加速度信号和每轴的角速度信号。

Description

一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器。

背景技术

六轴惯性传感器主要包括三轴加速度测量的x轴、y轴、z轴加速计，以及三轴角速度测量的x轴、y轴、z轴陀螺仪。通常文献中所报导的多轴传感器都是由多个单轴或多轴惯性传感器(包括加速度计结构和陀螺仪结构)组成的六轴惯性传感器组。对于某些应用来说，这种由分立器件组成的传感器组难以同时兼顾整体尺寸、制造成本与综合性能。同时，装配在单片微机电系统芯片上的单轴或多轴加速度计和陀螺仪需要每个传感器都有各自的驱动与检测电子器件，进一步提高了单片MEMS(Micro Electromechanical System，微机电系统)芯片的成本和复杂度。此外，传统MEMS惯性传感器使用多键合点对谐振结构进行支撑，将硅敏感结构固定在玻璃基板上，在工作状态下的敏感结构振动会受到机械结构、气体阻尼及环境温度变化的影响，因此虽然检测电容较大，信噪比可靠，但由于振动能量耗散，品质因数低，很难进一步提高陀螺性能。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器，通过使用一种单点支撑四质量谐振器作为敏感原件，同时实现X、Y、Z三轴的加速度和X、Y、Z三轴的角速度检测，从而实现六轴惯性量测量。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器，其特征在于，该传感器包括：具有支撑架、锚定支撑柱和质量块的结构层，通过所述锚定支撑柱与所述结构层固定连接的基板层，和附着在所述基板层上靠近所述结构层一侧的电极层；其中，所述支撑架为中心对称结构，所述锚定支撑柱固定设置在所述支撑架的对称中心，四个所述质量块沿以所述锚定支撑柱为圆心的圆周对称均匀分布在所述支撑架的四周，并分别通过悬臂梁与所述支撑架固定连接，且四个所述质量块完全相同，每个所述质量块均能在所述支撑架平面内相对于所述支撑架运动，也能在垂直于所述支撑架的平面内运动；所述电极层与所述结构层保持一定间距，且所述电极层在所述基板层上的位置与所述质量块的位置相对应，从而形成检测电容、驱动电容和/或力平衡电容；通过所述检测电容之间的差分信号提取得到相应自由度的加速度信号；通过对所述检测电容信号进行差分处理，能够独立得到每轴的角速度信号。

当传感器受到X轴加速度时，四个所述质量块由于惯性将会产生相对于所述支撑架-X方向的运动；

当传感器受到Y轴加速度时，四个所述质量块由于惯性将会产生相对于所述支撑架-Y方向的运动；

当传感器受到Z轴加速度时，四个所述质量块由于惯性将会产生相对于所述支撑架-Z方向的运动；

通过所述驱动电容人为主动使四个所述质量块沿以所述锚定支撑柱为圆心的圆的径向振动，并且相邻所述两质量块在同一时刻的运动方向相反，称为“驱动模态”；

在所述“驱动模态”下，当在X方向存在角速度输入时，Y向两个所述质量块将会受到Z方向的科氏力作用，产生沿Z向的振动，称为“X轴角速度检测模态”；

在所述“驱动模态”下，当在Y方向存在角速度输入时，X向两个所述质量块将会受到Z方向的科氏力作用，产生沿Z向的振动，称为“Y轴角速度检测模态”；

在所述“驱动模态”下，当在Z方向存在角速度输入时，四个所述质量块将在XY平面内受到垂直于所述“驱动模态”振动方向的科氏力，产生XY平面内的振动，称为“Z轴角速度检测模态”。

所述电极层为键合固定在所述基板层上梳齿状排布的固定电容极板，每个所述质量块内部均设置有梳齿状排布的一种或多种可动电容极板，所述固定电容极板与所述可动电容极板相对应组合，形成与每个所述质量块相对应的切向驱动电容、切向驱动检测电容、切向检测电容和/或切向力平衡电容，以及径向驱动电容、径向驱动检测电容、径向检测电容和/或径向力平衡电容。

所述质量块的四角分别为调谐电容，左右为所述径向驱动电容和/或径向驱动检测电容，上下为所述切向检测电容和/或切向力平衡电容。

所述基板层和电极层包括两块，均分别设置在所述结构层的两侧；所述锚定支撑柱的两端键合到两侧的所述基板层上，从而将所述结构层固定在两侧的所述基板层中间；或者，两所述基板层相互固定连接，所述锚定支撑柱只键合到其中一块所述基板层上，从而将所述结构层固定在该所述基板层上并位于两侧的所述基板层中间。

所述基板层和电极层只包括一块，并分布在所述结构层的单侧，所述锚定支撑柱键合到所述基板层上，将所述结构层固定在所述基板层上。

每个所述质量块均为中心对称结构，存在两个互相垂直的对称轴。

所述悬臂梁为“几”字形结构，两所述悬臂梁的一端分别与所述质量块的两端固定连接，与相邻两所述质量块端部连接的所述悬臂梁的另一端先连接，再通过一段小短梁与所述支撑架的一角固定连接，从而形成“Y”字形连接部分；调整所述悬臂梁的刚度，能实现传感器谐振频率的调节。

所述支撑架中部开设有中心对称于所述锚定支撑柱的“田”字形减重孔；所述支撑架的四条外边均为圆弧形，四角均倒角。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器，由于采用单锚定点四质量块MEMS结构，可以采用惯性测量原理检测X、Y、Z三轴的加速度，采用谐振式陀螺仪原理检测X、Y、Z三轴的角速度，各种运动信号通过差分方式消除相互干扰，从而实现六轴惯性量测量，结构形式简单，测量精度较高。2、本发明的一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器，由于采用单独的锚定支撑柱与基板层相连，使能量耗散只能通过锚定支撑柱和封装氛围进行传递，模态频率特性随温度变化一致，传感器能量耗散小、品质因数高、抗干扰性强、环境适应性强。3、本发明的一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器，由于采用梳齿状排布的电极结构，具有检测电容大、信噪比高的优点。4、本发明的一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器，由于采用全闭环工作方式抑制三轴陀螺的加速度敏感性，进一步提升环境适应性。5、本发明的一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器，在惯性传感器领域有很高的应用价值。

附图说明

图1是本发明的剖视结构示意图；

图2是本发明结构层的结构示意图；

图3是本发明质量块的结构示意图；

图4是本发明的差分电容提取方式示意图；

图5是本发明在静止状态下的示意图；

图6是本发明在受到X方向加速度时质量块运动方向示意图；

图7是本发明在受到Y方向加速度时质量块运动方向示意图；

图8是本发明在受到Z方向加速度时质量块运动方向示意图；

图9是本发明在驱动模式下的示意图；

图10是本发明在驱动模式下，受到X方向角速度时质量块运动方向示意图；

图11是本发明在驱动模式下，受到Y方向角速度时质量块运动方向示意图；

图12是本发明在驱动模式下，受到Z方向角速度时质量块运动方向示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

图5～图12中，实心圆点表示静止，箭头表示运动方向。

如图1、图2所示，本发明提供的一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器，其包括结构层1、基板层2和电极层3。其中，结构层1包括支撑架11、锚定支撑柱12和质量块13，支撑架11为中心对称结构，锚定支撑柱12固定设置在支撑架11的对称中心；四个质量块13沿以锚定支撑柱12为圆心的圆周对称均匀分布在支撑架11的四周，并分别通过悬臂梁14与支撑架11固定连接，且四个质量块13完全相同，每个质量块13均可在支撑架11平面内相对于支撑架11运动，也可在垂直于支撑架11的平面内运动。基板层2通过锚定支撑柱12与结构层1固定连接。电极层3附着在基板层2上靠近结构层1的一侧，并和结构层1保持一定间距，且与质量块13的位置相对应，从而形成垂直检测电容和/或垂直力平衡电容，用于质量块13在垂直于支撑架平面方向的运动检测和抑制。

如图3所示，梳齿状排布(仅以此为例，并不限于此)的固定电容极板键合固定在基板层2上(键合点在图中以网格线标示出)，每个质量块13内部均设置有梳齿状排布的一种或多种可动电容极板，固定电容极板与可动电容极板相对应组合，形成与每个质量块13相对应的切向驱动电容、切向驱动检测电容、切向检测电容和/或切向力平衡电容，以及径向驱动电容、径向驱动检测电容、径向检测电容和/或径向力平衡电容，用于质量块13在支撑架平面内的谐振运动驱动，以及支撑架平面内运动的检测与抑制。

上述实施例中，质量块13的四角分别为调谐电容15，左右为径向驱动电容和/或径向驱动检测电容16，上下为切向检测电容和/或切向力平衡电容17。

上述实施例中，基板层2和电极层3包括两块，基板层2和电极层3均分别设置在结构层1的两侧，锚定支撑柱12的两端键合到两侧的基板层2上，从而将结构层1固定在两侧的基板层2中间；或者，两块基板层2相互固定连接，锚定支撑柱12只与其中一块基板层2固定连接，从而将结构层1固定在该基板层2上并位于两侧的基板层2中间。

上述实施例中，基板层2和电极层3只包括一块，基板层2和电极层3分布在结构层1的单侧，锚定支撑柱12键合到基板层2上，将结构层1固定在基板层2上。

上述实施例中，每个质量块13均为中心对称结构，存在两个互相垂直的对称轴，以保证传感器在各个工作状态下的振动频率相同。

上述实施例中，如图2所示，悬臂梁14为“几”字形结构，两个“几”字形悬臂梁14的一端分别与质量块13的两端固定连接，与相邻两质量块13端部连接的悬臂梁14的另一端先连接，再通过一段小短梁18与支撑架11的一角固定连接，从而形成“Y”字形连接部分，以保证相邻质量块13的振动耦合性。

上述实施例中，支撑架11中部开设有中心对称于锚定支撑柱12的“田”字形减重孔19，以减小支撑架11的整体质量和工作状态下的应力集中；支撑架11的四条外边均为圆弧形，四角均倒角。

上述实施例中，调整悬臂梁14刚度，可实现传感器谐振频率的调节。

本发明的一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器，使用惯性力下各组电容变化的差分运算结果，实现六轴惯性量测量。下面以结构层1两侧均设置有基板层2和电极层3的技术方案作为具体实施例，说明本发明的工作模式。

双侧电极层配置方案如图4所示，电容标号表示其为检测/驱动方向相同的同类电极，但同类电极可以由多组电极共同构成。为方便描述用Cij代表不同质量块上的电容类别编号，其中i为集中质量块序号，从1至4顺时针排列，如图5所示；其中j为单个质量块上的电极顺序标号，按照质量块称中心顺时针方向，垂直质量块平面向外、垂直质量块平面向里(被质量块遮挡未示出)，从1至6排列。若采用单侧电极层配置方案，则没有j＝5的四组电极。

在径向驱动电容和/或径向驱动检测电容16上施加驱动电压，可以驱动质量块13在支撑架11平面内相对于支撑架11靠近或者远离运动；当驱动电压为交变电压时，则质量块13在支撑架11平面内相对于支撑架11产生振动，调整交变电压频率与质量块13机械谐振频率一致，可以使质量块13谐振。

如图5所示，为本发明在静止状态下时四质量块的位置。

当传感器受到X轴加速度的时候，四个质量块13由于惯性将会产生相对于支撑架11的-X方向的运动，如图6所示；

此时X方向加速度引起的电容变化为ΔC(1):

ΔC(1)＝(-ΔC12+ΔC14-ΔC21+ΔC23+ΔC32-ΔC34+ΔC41-ΔC43)/8

当传感器受到Y轴加速度的时候，四个质量块13由于惯性将会产生相对于支撑架11的-Y方向运动，如图7所示；

此时Y方向加速度引起的电容变化为ΔC(2)：

ΔC(2)＝(-ΔC11+ΔC13+ΔC22-ΔC24+ΔC31-ΔC33-ΔC42+ΔC44)/8

当传感器受到Z轴加速度的时候，四个质量块13由于惯性将会产生相对于支撑架11的-Z方向运动，如图8所示；

此时Z方向加速度引起的电容变化为ΔC(3):

ΔC(3)＝(-ΔC15+ΔC16-ΔC25+ΔC26-ΔC35+ΔC36-ΔC45+ΔC46)/8

通过检测电容之间的差分信号提取可得到相应自由度的加速度信号，并且通过差分解算后的三种运动信号之间相互无干扰。

如图9所示，通过驱动电容人为主动使四个质量块13沿以锚定支撑柱12为圆心的圆的径向振动，即远离或靠近锚定支撑柱12，并且相邻两质量块13在同一时刻的运动方向相反，即质量块MASS2、MASS4做靠近锚定支撑柱12运动时，质量块MASS1、MASS3做远离锚定支撑12的运动，称为“驱动模态”。

此时驱动模态下引起的电容变化为ΔC(4)：

ΔC(4)＝(+ΔC11-ΔC13-ΔC21+ΔC23+ΔC31-ΔC33-ΔC41+ΔC43)/8

使四个质量块13工作在“驱动模态”下，此时，当在X方向存在角速度输入时，根据科氏力原理，Y向两个质量块MASS1和MASS3将会受到Z方向的科氏力作用，产生沿Z向的振动，称为“X轴角速度检测模态”，如图10所示，

此时X方向角速度引起的电容变化为ΔC(5)：

ΔC(5)＝(+ΔC15-ΔC16-ΔC35+ΔC36)/4

使四个质量块13工作在“驱动模态”下，此时，当在Y方向存在角速度输入时，根据科氏力原理，X向两个质量块MASS2、MASS4将会受到Z方向的科氏力作用，产生沿Z向的振动，称为“Y轴角速度检测模态”，如图11所示，

此时Y方向角速度引起的电容变化为ΔC(6)：

ΔC(6)＝(+ΔC25-ΔC26-ΔC45+ΔC46)/4

当在Z方向存在角速度输入时，根据科氏力原理，四个质量块将在XY平面内受到垂直于“驱动模态”振动方向的科氏力，产生XY平面内的振动，称为“Z轴角速度检测模态”，如图12所示，

此时Z方向角速度引起的电容变化为ΔC(7)：

ΔC(7)＝(-ΔC12+ΔC14+ΔC22-ΔC24-ΔC32+ΔC34+ΔC42-ΔC44)/8

通过对电容信号进行差分处理，即可独立得到每轴的角速度信号。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置及其连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器，其特征在于，该传感器包括：

具有支撑架、锚定支撑柱和质量块的结构层，

通过所述锚定支撑柱与所述结构层固定连接的基板层，和

附着在所述基板层上靠近所述结构层一侧的电极层；

其中，所述支撑架为中心对称结构，所述锚定支撑柱固定设置在所述支撑架的对称中心，四个所述质量块沿以所述锚定支撑柱为圆心的圆周对称均匀分布在所述支撑架的四周，并分别通过悬臂梁与所述支撑架固定连接，且四个所述质量块完全相同，每个所述质量块均能在所述支撑架平面内相对于所述支撑架运动，也能在垂直于所述支撑架的平面内运动；所述电极层与所述结构层保持一定间距，且所述电极层在所述基板层上的位置与所述质量块的位置相对应，从而形成检测电容、驱动电容和/或力平衡电容；

通过所述检测电容之间的差分信号提取得到相应自由度的加速度信号；通过对所述检测电容信号进行差分处理，能够独立得到每轴的角速度信号。

2.如权利要求1所述的一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器，其特征在于，当传感器受到X轴加速度时，四个所述质量块由于惯性将会产生相对于所述支撑架-X方向的运动；

当传感器受到Y轴加速度时，四个所述质量块由于惯性将会产生相对于所述支撑架-Y方向的运动；

当传感器受到Z轴加速度时，四个所述质量块由于惯性将会产生相对于所述支撑架-Z方向的运动；

通过所述驱动电容人为主动使四个所述质量块沿以所述锚定支撑柱为圆心的圆的径向振动，并且相邻所述两质量块在同一时刻的运动方向相反，称为“驱动模态”；

在所述“驱动模态”下，当在X方向存在角速度输入时，Y向两个所述质量块将会受到Z方向的科氏力作用，产生沿Z向的振动，称为“X轴角速度检测模态”；

在所述“驱动模态”下，当在Y方向存在角速度输入时，X向两个所述质量块将会受到Z方向的科氏力作用，产生沿Z向的振动，称为“Y轴角速度检测模态”；

在所述“驱动模态”下，当在Z方向存在角速度输入时，四个所述质量块将在XY平面内受到垂直于所述“驱动模态”振动方向的科氏力，产生XY平面内的振动，称为“Z轴角速度检测模态”。

3.如权利要求1或2所述的一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器，其特征在于，所述电极层为键合固定在所述基板层上梳齿状排布的固定电容极板，每个所述质量块内部均设置有梳齿状排布的一种或多种可动电容极板，所述固定电容极板与所述可动电容极板相对应组合，形成与每个所述质量块相对应的切向驱动电容、切向驱动检测电容、切向检测电容和/或切向力平衡电容，以及径向驱动电容、径向驱动检测电容、径向检测电容和/或径向力平衡电容。

4.如权利要求3所述的一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器，其特征在于，所述质量块的四角分别为调谐电容，左右为所述径向驱动电容和/或径向驱动检测电容，上下为所述切向检测电容和/或切向力平衡电容。

5.如权利要求1或2或4所述的一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器，其特征在于，所述基板层和电极层包括两块，均分别设置在所述结构层的两侧；所述锚定支撑柱的两端键合到两侧的所述基板层上，从而将所述结构层固定在两侧的所述基板层中间；或者，两所述基板层相互固定连接，所述锚定支撑柱只键合到其中一块所述基板层上，从而将所述结构层固定在该所述基板层上并位于两侧的所述基板层中间。

6.如权利要求1或2或4所述的一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器，其特征在于，所述基板层和电极层只包括一块，并分布在所述结构层的单侧，所述锚定支撑柱键合到所述基板层上，将所述结构层固定在所述基板层上。

7.如权利要求1或2或4所述的一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器，其特征在于，每个所述质量块均为中心对称结构，存在两个互相垂直的对称轴。

8.如权利要求5所述的一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器，其特征在于，每个所述质量块均为中心对称结构，存在两个互相垂直的对称轴。

9.如权利要求1或2或4或8所述的一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器，其特征在于，所述悬臂梁为“几”字形结构，两所述悬臂梁的一端分别与所述质量块的两端固定连接，与相邻两所述质量块端部连接的所述悬臂梁的另一端先连接，再通过一段小短梁与所述支撑架的一角固定连接，从而形成“Y”字形连接部分；调整所述悬臂梁的刚度，能实现传感器谐振频率的调节。

10.如权利要求1或2或4或8所述的一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器，其特征在于，所述支撑架中部开设有中心对称于所述锚定支撑柱的“田”字形减重孔；所述支撑架的四条外边均为圆弧形，四角均倒角。