[发明专利]恒温控制MEMS陀螺仪

说明书

本发明公开了一种恒温控制MEMS陀螺仪。MEMES陀螺仪为音叉式陀螺结构，包含固定锚点、加热梁、矩形隔热框、检测框、两个质量块、驱动电极、感应电极、驱动检测电极、若干一级弹性梁、二级弹性梁、三级弹性梁和中心耦合弹性梁。该结构通过加热梁和隔热外框进行电阻加热，通过实时监测MEMS陀螺仪实际温度变化，采用闭环反馈控制电路实时微调加热电流或电压，可以实现MEMS陀螺仪芯片内加热恒温控制功能。所提出的MEMS陀螺仪结构简单，功耗相对较小，能有效提升MEMS陀螺仪的温度稳定性和可靠性。

技术领域

本发明涉及MEMS陀螺仪传感器技术领域，具体涉及一种恒温控制MEMS陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是测量物体转动角度或角位移的传感装置，是惯性单元的核心部件，其广泛应用于消费电子、汽车电子、航空航天和军事等领域。微机械(MicroelectromechanicalSystem，MEMS)陀螺仪凭借其成本低、体积小、功耗低以及可与电路集成等优势占据了越来越大的惯性导航市场。然而，MEMS陀螺仪包含精密的可移动的微结构，外界环境对陀螺仪性能和可靠性影响较大，其严重限制了MEMS陀螺仪在高端惯性导航领域的应用。外界环境中温度的变化是影响MEMS陀螺仪性能的关键因素，温度波动会导致陀螺仪结构材料性质发生改变，同时，温度变化引起MEMS器件结构的封装应力，这会导致MEMS陀螺仪输出信号如比例因子和偏置不稳定性等产生误差。因此，提升MEMS陀螺仪的温度稳定性和可靠性至关重要。

为提升MEMS陀螺仪的温度稳定性，研究人员提出了多种解决方案，主要包括以下四个方面：(1)优化MEMS陀螺仪的机械结构、制造工艺、封装工艺以及结构材料的温度鲁棒性；(2)通过电路和算法实时微调校准由温度变化所引起的MEMS陀螺仪的参数如频率和品质因子偏移；(3)通过算法补偿由温度变化所引起的陀螺仪输出信号偏移；(4)恒温控制MEMS陀螺仪。

通过优化结构和材料并不能完全消除温度引起的MEMS陀螺仪性能参数的误差，通过电路和算法只是对温度引起的陀螺仪误差信号进行处理，没有从根源上解决温度对于陀螺仪性能的影响，此外，温度变化也会对电路本身的性能产生影响，从而引起输出误差。采用闭环控制系统的加热元件和温度单元将MEMS陀螺仪的周围温度固定为恒定值的方法，能有效隔离外部环境温度变化对于MEMS陀螺仪本身的影响，因而能使MEMS陀螺仪达到更优的温度稳定性和可靠性。

由于MEMS陀螺仪结构复杂，常用的方案为采用芯片外加热的结构实现MEMS陀螺仪进行恒温控制，片外加热结构热损耗较大，因此该方式功耗较高，其限制了恒温控制方法的应用。因此，本发明提出了一种恒温控制的MEMS陀螺仪结构，该陀螺仪结构由外围矩形隔热框和内部的陀螺仪结构组成，可以实现MEMS陀螺仪芯片内加热恒温控制功能，该设计结构简单，功耗相对较低，能有效提升MEMS陀螺仪的温度稳定性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种恒温控制MEMS陀螺仪，即带有加热梁以及矩形隔热框的MEMS陀螺仪结构，该结构通过加热梁和隔热外框进行电阻加热，通过实时监测MEMS陀螺仪实际温度变化，同时，采用闭环反馈控制电路实时微调加热电流或电压，可以实现MEMS陀螺仪芯片内加热恒温控制功能。所提出的MEMS陀螺仪结构简单，功耗相对较小，能有效提升MEMS陀螺仪的温度稳定性和可靠性。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提出了一种恒温控制MEMS陀螺仪结构，其特征在于：所述陀螺仪的整体结构由恒温控制模块、驱动模块、检测模块及连接模块构成；所述恒温控制模块包括四根加热梁、矩形隔热框；所述驱动模块包括两个质量块、两对驱动电极和两对驱动检测电极；所述检测模块包括检测框、四个感应电极；所述连接模块包括至少四个固定锚点、若干一级弹性连接梁、二级弹性连接梁、三级弹性连接梁和中心耦合弹性连接梁；其中：