[发明专利]单芯片多敏感单元的中心轴对称MEMS陀螺仪

说明书

本发明公开了一种单芯片多敏感单元的中心轴对称MEMS陀螺仪，包括中心轴对称谐振陀螺仪本体，所述中心轴对称谐振陀螺仪本体包括至少两个敏感单元，所述敏感单元包括谐振环和电极，所述敏感单元呈径向分布且几何中心重合，所述敏感单元通过锚点连接，所述敏感单元的直径不同，所述敏感单元工作于不全相同的工作模式和振动模态，对每个敏感单元输出的信号进行分别处理，然后再进行数据融合。在一个芯片中集成多个敏感单元，各个敏感单元基于各自的工作模式分别工作于各自的振动模态，可以对输出信息进行融合或合并，从而大大提高性能。

技术领域

本发明涉及一种中心轴对称谐振陀螺仪，具体涉及一种单芯片多敏感单元的中心轴对称MEMS陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是测量载体相对惯性空间旋转运动的传感器，是运动测量、平台稳定、惯性导航、制导控制等领域的核心器件。基于微机电系统技术的MEMS 陀螺仪因纯固态、小体积、低功耗、高可靠性、低成本、易集成等特点，在大批量、小体积的工业和武器装备中广泛应用。

中心轴对称MEMS陀螺是目前新一代高精度微陀螺研究领域中热门选项之一。具有对称性好，灵敏度高，抗环境变量能力强等优点。

中心轴对称MEMS陀螺有两种工作模式，一种是力平衡模式（角速率输出），另一种叫全角模式（角速率积分输出）。前者具有精度高的优点，缺点是量程和带宽受到一定限制，另外刻度因子温度系数较大；后者的优缺点正好相反，量程和带宽都很大，可以直接输出角度，刻度因子是一个仅与结构相关的常量，温度系数很小，刻度因子稳定性好，但缺点是灵敏度分辨率受限于结构对称性，也就是工艺加工精度，零偏稳定性不如力平衡模式。如果把二者结合起来，相互取长补短，可以得到高精度、宽量程、宽频带性能较为完美的陀螺。

目前，基于半导体平面工艺的典型具有模态匹配特性的中心轴对称的微陀螺结构主要有四质量音叉结构和多环圆盘结构。其中，多环圆盘结构因具有较多的工作模态可选而被广泛研究。

对于多环圆盘结构而言，常用的工作模态有四节点模态和六节点模态二种。由于其四节点模态相比六节点模态具有更高角增益、更大模态质量等优点，使得四节点模态被较多地用作工作模态。但是，MEMS陀螺通常采用各向异性的硅材料制作，即便是采用(111)硅片，不可避免的晶向偏差仍对四节点模态的频率失配影响相对较大，而六节点模态则可以很好的避免该问题，因而六节点模态具有更小频率失配的优势。

发明内容

针对上述技术问题，本发明目的是：提供一种能单芯片多敏感单元的中心轴对称MEMS陀螺仪，在一个芯片中集成多个敏感单元，各个敏感单元基于各自的工作模式分别工作于各自的振动模态，对输出信息进行融合或合并，从而大大提高性能。

本发明的技术方案是：

一种单芯片多敏感单元的中心轴对称MEMS陀螺仪，包括中心轴对称谐振陀螺仪本体，所述中心轴对称谐振陀螺仪本体包括至少两个敏感单元，所述敏感单元包括谐振环和电极，所述敏感单元呈径向分布且几何中心重合，所述敏感单元通过锚点连接，所述敏感单元的直径不同，所述敏感单元工作于不全相同的工作模式和振动模态，对每个敏感单元输出的信号进行分别处理，然后再进行数据融合。

优选的技术方案中，所述敏感单元包括第一敏感单元和第二敏感单元，所述第一敏感单元的内环直径大于第二敏感单元的外环直径，且通过共用一个环形锚点固定，第一敏感单元位于环形锚点的外侧，第二敏感单元位于环形锚点的内侧，所述第一敏感单元采用四节点模态作为振动模态，所述第二敏感单元采用四节点或者六节点模态作为振动模态，所述第二敏感单元的模态频率高于第一敏感单元的模态频率。

优选的技术方案中，所述第一敏感单元采用正十六边形盘状结构或正三十二边形盘状结构，所述正十六边形盘状结构由多个正十六边形谐振环和辐条构成，所述正三十二边形盘状结构由多个正三十二边形谐振环和辐条构成，所有谐振环呈径向分布且几何中心重合，相邻的两个谐振环由周向均匀分布的辐条相连接。