[发明专利]一种单锚定点四质量块MEMS六轴惯性传感器

说明书

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。

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”；