本發(fā)明涉及一種傳感器，尤其涉及一種單錨定點(diǎn)四質(zhì)量塊mems六軸慣性傳感器。

背景技術(shù)：

六軸慣性傳感器主要包括三軸加速度測(cè)量的x軸、y軸、z軸加速計(jì)，以及三軸角速度測(cè)量的x軸、y軸、z軸陀螺儀。通常文獻(xiàn)中所報(bào)導(dǎo)的多軸傳感器都是由多個(gè)單軸或多軸慣性傳感器(包括加速度計(jì)結(jié)構(gòu)和陀螺儀結(jié)構(gòu))組成的六軸慣性傳感器組。對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種由分立器件組成的傳感器組難以同時(shí)兼顧整體尺寸、制造成本與綜合性能。同時(shí)，裝配在單片微機(jī)電系統(tǒng)芯片上的單軸或多軸加速度計(jì)和陀螺儀需要每個(gè)傳感器都有各自的驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電子器件，進(jìn)一步提高了單片mems(microelectromechanicalsystem，微機(jī)電系統(tǒng))芯片的成本和復(fù)雜度。此外，傳統(tǒng)mems慣性傳感器使用多鍵合點(diǎn)對(duì)諧振結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐，將硅敏感結(jié)構(gòu)固定在玻璃基板上，在工作狀態(tài)下的敏感結(jié)構(gòu)振動(dòng)會(huì)受到機(jī)械結(jié)構(gòu)、氣體阻尼及環(huán)境溫度變化的影響，因此雖然檢測(cè)電容較大，信噪比可靠，但由于振動(dòng)能量耗散，品質(zhì)因數(shù)低，很難進(jìn)一步提高陀螺性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種單錨定點(diǎn)四質(zhì)量塊mems六軸慣性傳感器，通過(guò)使用一種單點(diǎn)支撐四質(zhì)量諧振器作為敏感原件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)x、y、z三軸的加速度和x、y、z三軸的角速度檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)六軸慣性量測(cè)量。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種單錨定點(diǎn)四質(zhì)量塊mems六軸慣性傳感器，其特征在于，該傳感器包括：具有支撐架、錨定支撐柱和質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)層，通過(guò)所述錨定支撐柱與所述結(jié)構(gòu)層固定連接的基板層，和附著在所述基板層上靠近所述結(jié)構(gòu)層一側(cè)的電極層；其中，所述支撐架為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所述錨定支撐柱固定設(shè)置在所述支撐架的對(duì)稱中心，四個(gè)所述質(zhì)量塊沿以所述錨定支撐柱為圓心的圓周對(duì)稱均勻分布在所述支撐架的四周，并分別通過(guò)懸臂梁與所述支撐架固定連接，且四個(gè)所述質(zhì)量塊完全相同，每個(gè)所述質(zhì)量塊均能在所述支撐架平面內(nèi)相對(duì)于所述支撐架運(yùn)動(dòng)，也能在垂直于所述支撐架的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)；所述電極層與所述結(jié)構(gòu)層保持一定間距，且所述電極層在所述基板層上的位置與所述質(zhì)量塊的位置相對(duì)應(yīng)，從而形成檢測(cè)電容、驅(qū)動(dòng)電容和/或力平衡電容；通過(guò)所述檢測(cè)電容之間的差分信號(hào)提取得到相應(yīng)自由度的加速度信號(hào)；通過(guò)對(duì)所述檢測(cè)電容信號(hào)進(jìn)行差分處理，能夠獨(dú)立得到每軸的角速度信號(hào)。

當(dāng)傳感器受到x軸加速度時(shí)，四個(gè)所述質(zhì)量塊由于慣性將會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于所述支撐架-x方向的運(yùn)動(dòng)；

當(dāng)傳感器受到y(tǒng)軸加速度時(shí)，四個(gè)所述質(zhì)量塊由于慣性將會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于所述支撐架-y方向的運(yùn)動(dòng)；

當(dāng)傳感器受到z軸加速度時(shí)，四個(gè)所述質(zhì)量塊由于慣性將會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于所述支撐架-z方向的運(yùn)動(dòng)；

通過(guò)所述驅(qū)動(dòng)電容人為主動(dòng)使四個(gè)所述質(zhì)量塊沿以所述錨定支撐柱為圓心的圓的徑向振動(dòng)，并且相鄰所述兩質(zhì)量塊在同一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)方向相反，稱為“驅(qū)動(dòng)模態(tài)”；

在所述“驅(qū)動(dòng)模態(tài)”下，當(dāng)在x方向存在角速度輸入時(shí)，y向兩個(gè)所述質(zhì)量塊將會(huì)受到z方向的科氏力作用，產(chǎn)生沿z向的振動(dòng)，稱為“x軸角速度檢測(cè)模態(tài)”；

在所述“驅(qū)動(dòng)模態(tài)”下，當(dāng)在y方向存在角速度輸入時(shí)，x向兩個(gè)所述質(zhì)量塊將會(huì)受到z方向的科氏力作用，產(chǎn)生沿z向的振動(dòng)，稱為“y軸角速度檢測(cè)模態(tài)”；

在所述“驅(qū)動(dòng)模態(tài)”下，當(dāng)在z方向存在角速度輸入時(shí)，四個(gè)所述質(zhì)量塊將在xy平面內(nèi)受到垂直于所述“驅(qū)動(dòng)模態(tài)”振動(dòng)方向的科氏力，產(chǎn)生xy平面內(nèi)的振動(dòng)，稱為“z軸角速度檢測(cè)模態(tài)”。

所述電極層為鍵合固定在所述基板層上梳齒狀排布的固定電容極板，每個(gè)所述質(zhì)量塊內(nèi)部均設(shè)置有梳齒狀排布的一種或多種可動(dòng)電容極板，所述固定電容極板與所述可動(dòng)電容極板相對(duì)應(yīng)組合，形成與每個(gè)所述質(zhì)量塊相對(duì)應(yīng)的切向驅(qū)動(dòng)電容、切向驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容、切向檢測(cè)電容和/或切向力平衡電容，以及徑向驅(qū)動(dòng)電容、徑向驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容、徑向檢測(cè)電容和/或徑向力平衡電容。

所述質(zhì)量塊的四角分別為調(diào)諧電容，左右為所述徑向驅(qū)動(dòng)電容和/或徑向驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容，上下為所述切向檢測(cè)電容和/或切向力平衡電容。

所述基板層和電極層包括兩塊，均分別設(shè)置在所述結(jié)構(gòu)層的兩側(cè)；所述錨定支撐柱的兩端鍵合到兩側(cè)的所述基板層上，從而將所述結(jié)構(gòu)層固定在兩側(cè)的所述基板層中間；或者，兩所述基板層相互固定連接，所述錨定支撐柱只鍵合到其中一塊所述基板層上，從而將所述結(jié)構(gòu)層固定在該所述基板層上并位于兩側(cè)的所述基板層中間。

所述基板層和電極層只包括一塊，并分布在所述結(jié)構(gòu)層的單側(cè)，所述錨定支撐柱鍵合到所述基板層上，將所述結(jié)構(gòu)層固定在所述基板層上。

每個(gè)所述質(zhì)量塊均為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，存在兩個(gè)互相垂直的對(duì)稱軸。

所述懸臂梁為“幾”字形結(jié)構(gòu)，兩所述懸臂梁的一端分別與所述質(zhì)量塊的兩端固定連接，與相鄰兩所述質(zhì)量塊端部連接的所述懸臂梁的另一端先連接，再通過(guò)一段小短梁與所述支撐架的一角固定連接，從而形成“y”字形連接部分；調(diào)整所述懸臂梁的剛度，能實(shí)現(xiàn)傳感器諧振頻率的調(diào)節(jié)。

所述支撐架中部開(kāi)設(shè)有中心對(duì)稱于所述錨定支撐柱的“田”字形減重孔；所述支撐架的四條外邊均為圓弧形，四角均倒角。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明的一種單錨定點(diǎn)四質(zhì)量塊mems六軸慣性傳感器，由于采用單錨定點(diǎn)四質(zhì)量塊mems結(jié)構(gòu)，可以采用慣性測(cè)量原理檢測(cè)x、y、z三軸的加速度，采用諧振式陀螺儀原理檢測(cè)x、y、z三軸的角速度，各種運(yùn)動(dòng)信號(hào)通過(guò)差分方式消除相互干擾，從而實(shí)現(xiàn)六軸慣性量測(cè)量，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，測(cè)量精度較高。2、本發(fā)明的一種單錨定點(diǎn)四質(zhì)量塊mems六軸慣性傳感器，由于采用單獨(dú)的錨定支撐柱與基板層相連，使能量耗散只能通過(guò)錨定支撐柱和封裝氛圍進(jìn)行傳遞，模態(tài)頻率特性隨溫度變化一致，傳感器能量耗散小、品質(zhì)因數(shù)高、抗干擾性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。3、本發(fā)明的一種單錨定點(diǎn)四質(zhì)量塊mems六軸慣性傳感器，由于采用梳齒狀排布的電極結(jié)構(gòu)，具有檢測(cè)電容大、信噪比高的優(yōu)點(diǎn)。4、本發(fā)明的一種單錨定點(diǎn)四質(zhì)量塊mems六軸慣性傳感器，由于采用全閉環(huán)工作方式抑制三軸陀螺的加速度敏感性，進(jìn)一步提升環(huán)境適應(yīng)性。5、本發(fā)明的一種單錨定點(diǎn)四質(zhì)量塊mems六軸慣性傳感器，在慣性傳感器領(lǐng)域有很高的應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的差分電容提取方式示意圖；

圖5是本發(fā)明在靜止?fàn)顟B(tài)下的示意圖；

圖6是本發(fā)明在受到x方向加速度時(shí)質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)方向示意圖；

圖7是本發(fā)明在受到y(tǒng)方向加速度時(shí)質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)方向示意圖；

圖8是本發(fā)明在受到z方向加速度時(shí)質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)方向示意圖；

圖9是本發(fā)明在驅(qū)動(dòng)模式下的示意圖；

圖10是本發(fā)明在驅(qū)動(dòng)模式下，受到x方向角速度時(shí)質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)方向示意圖；

圖11是本發(fā)明在驅(qū)動(dòng)模式下，受到y(tǒng)方向角速度時(shí)質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)方向示意圖；

圖12是本發(fā)明在驅(qū)動(dòng)模式下，受到z方向角速度時(shí)質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)方向示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

圖5～圖12中，實(shí)心圓點(diǎn)表示靜止，箭頭表示運(yùn)動(dòng)方向。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明提供的一種單錨定點(diǎn)四質(zhì)量塊mems六軸慣性傳感器，其包括結(jié)構(gòu)層1、基板層2和電極層3。其中，結(jié)構(gòu)層1包括支撐架11、錨定支撐柱12和質(zhì)量塊13，支撐架11為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，錨定支撐柱12固定設(shè)置在支撐架11的對(duì)稱中心；四個(gè)質(zhì)量塊13沿以錨定支撐柱12為圓心的圓周對(duì)稱均勻分布在支撐架11的四周，并分別通過(guò)懸臂梁14與支撐架11固定連接，且四個(gè)質(zhì)量塊13完全相同，每個(gè)質(zhì)量塊13均可在支撐架11平面內(nèi)相對(duì)于支撐架11運(yùn)動(dòng)，也可在垂直于支撐架11的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)?；鍖?通過(guò)錨定支撐柱12與結(jié)構(gòu)層1固定連接。電極層3附著在基板層2上靠近結(jié)構(gòu)層1的一側(cè)，并和結(jié)構(gòu)層1保持一定間距，且與質(zhì)量塊13的位置相對(duì)應(yīng)，從而形成垂直檢測(cè)電容和/或垂直力平衡電容，用于質(zhì)量塊13在垂直于支撐架平面方向的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和抑制。

如圖3所示，梳齒狀排布(僅以此為例，并不限于此)的固定電容極板鍵合固定在基板層2上(鍵合點(diǎn)在圖中以網(wǎng)格線標(biāo)示出)，每個(gè)質(zhì)量塊13內(nèi)部均設(shè)置有梳齒狀排布的一種或多種可動(dòng)電容極板，固定電容極板與可動(dòng)電容極板相對(duì)應(yīng)組合，形成與每個(gè)質(zhì)量塊13相對(duì)應(yīng)的切向驅(qū)動(dòng)電容、切向驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容、切向檢測(cè)電容和/或切向力平衡電容，以及徑向驅(qū)動(dòng)電容、徑向驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容、徑向檢測(cè)電容和/或徑向力平衡電容，用于質(zhì)量塊13在支撐架平面內(nèi)的諧振運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，以及支撐架平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)與抑制。

上述實(shí)施例中，質(zhì)量塊13的四角分別為調(diào)諧電容15，左右為徑向驅(qū)動(dòng)電容和/或徑向驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容16，上下為切向檢測(cè)電容和/或切向力平衡電容17。

上述實(shí)施例中，基板層2和電極層3包括兩塊，基板層2和電極層3均分別設(shè)置在結(jié)構(gòu)層1的兩側(cè)，錨定支撐柱12的兩端鍵合到兩側(cè)的基板層2上，從而將結(jié)構(gòu)層1固定在兩側(cè)的基板層2中間；或者，兩塊基板層2相互固定連接，錨定支撐柱12只與其中一塊基板層2固定連接，從而將結(jié)構(gòu)層1固定在該基板層2上并位于兩側(cè)的基板層2中間。

上述實(shí)施例中，基板層2和電極層3只包括一塊，基板層2和電極層3分布在結(jié)構(gòu)層1的單側(cè)，錨定支撐柱12鍵合到基板層2上，將結(jié)構(gòu)層1固定在基板層2上。

上述實(shí)施例中，每個(gè)質(zhì)量塊13均為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，存在兩個(gè)互相垂直的對(duì)稱軸，以保證傳感器在各個(gè)工作狀態(tài)下的振動(dòng)頻率相同。

上述實(shí)施例中，如圖2所示，懸臂梁14為“幾”字形結(jié)構(gòu)，兩個(gè)“幾”字形懸臂梁14的一端分別與質(zhì)量塊13的兩端固定連接，與相鄰兩質(zhì)量塊13端部連接的懸臂梁14的另一端先連接，再通過(guò)一段小短梁18與支撐架11的一角固定連接，從而形成“y”字形連接部分，以保證相鄰質(zhì)量塊13的振動(dòng)耦合性。

上述實(shí)施例中，支撐架11中部開(kāi)設(shè)有中心對(duì)稱于錨定支撐柱12的“田”字形減重孔19，以減小支撐架11的整體質(zhì)量和工作狀態(tài)下的應(yīng)力集中；支撐架11的四條外邊均為圓弧形，四角均倒角。

上述實(shí)施例中，調(diào)整懸臂梁14剛度，可實(shí)現(xiàn)傳感器諧振頻率的調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的一種單錨定點(diǎn)四質(zhì)量塊mems六軸慣性傳感器，使用慣性力下各組電容變化的差分運(yùn)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)六軸慣性量測(cè)量。下面以結(jié)構(gòu)層1兩側(cè)均設(shè)置有基板層2和電極層3的技術(shù)方案作為具體實(shí)施例，說(shuō)明本發(fā)明的工作模式。

雙側(cè)電極層配置方案如圖4所示，電容標(biāo)號(hào)表示其為檢測(cè)/驅(qū)動(dòng)方向相同的同類電極，但同類電極可以由多組電極共同構(gòu)成。為方便描述用cij代表不同質(zhì)量塊上的電容類別編號(hào)，其中i為集中質(zhì)量塊序號(hào)，從1至4順時(shí)針排列，如圖5所示；其中j為單個(gè)質(zhì)量塊上的電極順序標(biāo)號(hào)，按照質(zhì)量塊稱中心順時(shí)針?lè)较?，垂直質(zhì)量塊平面向外、垂直質(zhì)量塊平面向里(被質(zhì)量塊遮擋未示出)，從1至6排列。若采用單側(cè)電極層配置方案，則沒(méi)有j＝5的四組電極。

在徑向驅(qū)動(dòng)電容和/或徑向驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容16上施加驅(qū)動(dòng)電壓，可以驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊13在支撐架11平面內(nèi)相對(duì)于支撐架11靠近或者遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為交變電壓時(shí)，則質(zhì)量塊13在支撐架11平面內(nèi)相對(duì)于支撐架11產(chǎn)生振動(dòng)，調(diào)整交變電壓頻率與質(zhì)量塊13機(jī)械諧振頻率一致，可以使質(zhì)量塊13諧振。

如圖5所示，為本發(fā)明在靜止?fàn)顟B(tài)下時(shí)四質(zhì)量塊的位置。

當(dāng)傳感器受到x軸加速度的時(shí)候，四個(gè)質(zhì)量塊13由于慣性將會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于支撐架11的-x方向的運(yùn)動(dòng)，如圖6所示；

此時(shí)x方向加速度引起的電容變化為δc(1):

δc(1)＝(-δc12+δc14-δc21+δc23+δc32-δc34+δc41-δc43)/8

當(dāng)傳感器受到y(tǒng)軸加速度的時(shí)候，四個(gè)質(zhì)量塊13由于慣性將會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于支撐架11的-y方向運(yùn)動(dòng)，如圖7所示；

此時(shí)y方向加速度引起的電容變化為δc(2)：

δc(2)＝(-δc11+δc13+δc22-δc24+δc31-δc33-δc42+δc44)/8

當(dāng)傳感器受到z軸加速度的時(shí)候，四個(gè)質(zhì)量塊13由于慣性將會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于支撐架11的-z方向運(yùn)動(dòng)，如圖8所示；

此時(shí)z方向加速度引起的電容變化為δc(3):

δc(3)＝(-δc15+δc16-δc25+δc26-δc35+δc36-δc45+δc46)/8

通過(guò)檢測(cè)電容之間的差分信號(hào)提取可得到相應(yīng)自由度的加速度信號(hào)，并且通過(guò)差分解算后的三種運(yùn)動(dòng)信號(hào)之間相互無(wú)干擾。

如圖9所示，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電容人為主動(dòng)使四個(gè)質(zhì)量塊13沿以錨定支撐柱12為圓心的圓的徑向振動(dòng)，即遠(yuǎn)離或靠近錨定支撐柱12，并且相鄰兩質(zhì)量塊13在同一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)方向相反，即質(zhì)量塊mass2、mass4做靠近錨定支撐柱12運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊mass1、mass3做遠(yuǎn)離錨定支撐12的運(yùn)動(dòng)，稱為“驅(qū)動(dòng)模態(tài)”。

此時(shí)驅(qū)動(dòng)模態(tài)下引起的電容變化為δc(4)：

δc(4)＝(+δc11-δc13-δc21+δc23+δc31-δc33-δc41+δc43)/8

使四個(gè)質(zhì)量塊13工作在“驅(qū)動(dòng)模態(tài)”下，此時(shí)，當(dāng)在x方向存在角速度輸入時(shí)，根據(jù)科氏力原理，y向兩個(gè)質(zhì)量塊mass1和mass3將會(huì)受到z方向的科氏力作用，產(chǎn)生沿z向的振動(dòng)，稱為“x軸角速度檢測(cè)模態(tài)”，如圖10所示，

此時(shí)x方向角速度引起的電容變化為δc(5)：

δc(5)＝(+δc15-δc16-δc35+δc36)/4

使四個(gè)質(zhì)量塊13工作在“驅(qū)動(dòng)模態(tài)”下，此時(shí)，當(dāng)在y方向存在角速度輸入時(shí)，根據(jù)科氏力原理，x向兩個(gè)質(zhì)量塊mass2、mass4將會(huì)受到z方向的科氏力作用，產(chǎn)生沿z向的振動(dòng)，稱為“y軸角速度檢測(cè)模態(tài)”，如圖11所示，

此時(shí)y方向角速度引起的電容變化為δc(6)：

δc(6)＝(+δc25-δc26-δc45+δc46)/4

當(dāng)在z方向存在角速度輸入時(shí)，根據(jù)科氏力原理，四個(gè)質(zhì)量塊將在xy平面內(nèi)受到垂直于“驅(qū)動(dòng)模態(tài)”振動(dòng)方向的科氏力，產(chǎn)生xy平面內(nèi)的振動(dòng)，稱為“z軸角速度檢測(cè)模態(tài)”，如圖12所示，

此時(shí)z方向角速度引起的電容變化為δc(7)：

δc(7)＝(-δc12+δc14+δc22-δc24-δc32+δc34+δc42-δc44)/8

通過(guò)對(duì)電容信號(hào)進(jìn)行差分處理，即可獨(dú)立得到每軸的角速度信號(hào)。

上述各實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、設(shè)置位置及其連接方式等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。