恒温控制mems陀螺仪
阅读说明：本技术 恒温控制mems陀螺仪 (Constant temperature control MEMS gyroscope ) 是由 吴国强 吴忠烨 贾文涵 韩金钊 陈文� 杨尚书 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：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。(The invention discloses a constant temperature control MEMS gyroscope. The MEMES gyroscope is of a tuning fork type gyroscope structure and comprises fixed anchor points, heating beams, a rectangular heat insulation frame, a detection frame, two mass blocks, a driving electrode, a sensing electrode, a driving detection electrode, a plurality of first-stage elastic beams, second-stage elastic beams, third-stage elastic beams and a center coupling elastic beam. This structure carries out resistance heating through heating beam and thermal-insulated frame, through real-time supervision MEMS gyroscope actual temperature change, adopts closed loop feedback control circuit real-time fine setting heating current or voltage, can realize MEMS gyroscope chip internal heating constant temperature control function. The MEMS gyroscope has the advantages of simple structure and relatively low power consumption, and can effectively improve the temperature stability and reliability of the MEMS gyroscope.)
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(Micro-electro-mechanicalSystem，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：
所述陀螺仪的整体结构在X-Y平面上的投影结构即平面结构沿X、Y方向中轴线对称；所述两个质量块位于X方向中心轴线上，两个质量块之间通过三级弹性梁和中心耦合弹性梁连接，每个质量块外侧与检测框之间通过二级弹性梁和三级弹性梁连接；所述两对驱动电极和驱动检测电极位于质量块内侧，四个感应电级位于检测框外侧四角位置；所述陀螺仪的整体结构中矩形隔热框外侧四周与四个固定锚点之间通过四根加热梁连接，其余结构均位于矩形隔热框内部；所述检测框在Y方向上的两端与矩形隔热框之间通过一级弹性梁连接；所述加热梁和矩形隔热框上具有规律排布的隔热通孔结构；
采用电阻测温和频率测温的方式实时监测陀螺仪整体结构实际温度变化，并采用闭环反馈控制电路实时微调加热电压，能使得MEMS陀螺仪始终工作在目标工作温度点，最终实现恒温控制功能。
作为优选方案，在X-Y平面上，所述隔热通孔形状为正多边形或圆形，隔热通孔面积占加热梁和矩形隔热框面积的20％-50％。
进一步地，当所述隔热通孔形状为正四边形或圆形时，隔热通孔在所述矩形隔热框和加热梁上沿X和Y轴平行排布；当所述隔热通孔形状为正六边形时，隔热通孔在所述矩形隔热框和加热梁上沿蜂窝状排布。
更进一步地，所述MEMS陀螺仪的驱动模态为两个质量块在X-Y平面内沿X方向进行反向振荡运动；MEMS陀螺仪的检测模态为检测框、质量块、感应电级、二级弹性梁、三级弹性梁和中心弹性梁整体在X-Y平面内扭摆运动在X-Y平面内沿Y方向进行扭摆运动；所述矩形隔热框和加热梁结构的刚度设置为大于陀螺仪驱动模态和检测模态的刚度，当MEMS陀螺仪处于驱动或检测模态时，矩形隔热框和加热梁保持静止状态；矩形隔热框和加热梁的刚度由其结构长度、宽度以及隔热通孔占加热梁和矩形隔热框面积以及排布方式决定。
更进一步地，所述电极包括可动电极板和固定电极板；所述可动电极板和固定电极板均为梳齿状；所述驱动电极和驱动检测电极为等间距梳齿状电极；所述感应电极为变间距梳齿状电极。
更进一步地，所述感应电极设有四个，四个感应电极分别位于外框四角上且通过采用差分的形式进行电学信号输出：由于所述MEMS陀螺仪的对称性，位于检测框其中一条对角线上的两个感应电极采用同相输出，位于检测框另一条对角线上的两个感应电极反相输出，即可实现差分输出。
更进一步地，所述一级弹性连接梁、二级弹性连接梁和耦合弹性连接梁为直梁、U形梁、折叠梁或蟹脚梁中的任一种或多种组合。
更进一步地，所述陀螺仪结构材料选自半导体材料，所述半导体材料为单晶硅、多晶硅、碳化硅或金刚石材料中任一种。
更进一步地，所述恒温控制MEMS陀螺仪的加热方式为在对称位置的固定锚点之间施加偏置电压和加热电压，通过电阻加热的方式将MEMS陀螺仪加热到固定温度，所述固定温度为在频率拐点温度：当陀螺仪为工业应用即-40至+85℃时，所述拐点温度设置为85℃至95℃之间；
当所述陀螺仪应用于极端环境即-40至125℃时，所述拐点温度设置为125℃至135℃之间。
更进一步地，当陀螺仪结构材料为单晶硅时，能通过改变单晶硅的掺杂浓度和晶体方向来调整结构的频率拐点温度；改变单晶硅的晶体方向能通过旋转单晶硅角度实现，其旋转角度根据具体掺杂浓度而定；所述单晶硅为P型或N型重掺杂，其掺杂浓度范围为4.0e19/cm3至2.0e20/cm3。
上述最优选地设计方案中，四个感应电极分别位于检测框四角上且通过采用差分的形式进行电学信号输出：由于所述MEMS陀螺仪的对称性，位于检测框其中一条对角线上的两个感应电极采用同相输出，位于检测框另一条对角线上的两个感应电极反相输出，即可实现差分输出。
所述恒温控制MEMS陀螺仪结构的驱动模态为两个质量块在X-Y平面内相对于检测框沿X方向反向振荡运动，两个质量块之间通过检测框、三级弹性连接梁和中心耦合弹性连接梁进行耦合。当陀螺仪处于驱动模态时，在面外Z轴施加角速度，此时左右质量块分别受到沿Y方向的科氏力作用，此时MEMS陀螺仪的检测模态为检测框、质量块、感应电级、二级弹性连接梁、三级弹性连接梁和中心弹性连接梁整体在X-Y平面内扭摆运动。
如上所述，恒温控制MEMS陀螺仪的加热方式为在对称位置的固定锚点之间施加偏置电压和加热电压，电流通过加热梁、矩形隔热框和陀螺仪结构时，在结构上产生焦耳热，可以将MEMS陀螺仪加热到一个固定的温度。采用电阻测温和频率测温的方式实时监测陀螺仪整体结构实际温度变化，并采用闭环反馈控制电路实时微调加热电压，可使得MEMS陀螺仪始终工作在目标工作温度点，最终实现恒温控制功能。
本发明具有以下优点及有益效果：
1、本发明提出的恒温控制MEMS陀螺仪结构中陀螺仪主体结构与固定锚点之间通过刚度较大的矩形隔热框和加热梁连接，能有效减少加热结构对于陀螺仪模态的影响，进而减少对性能的负面影响。
2、本发明提出的恒温控制MEMS陀螺仪结构实现了芯片面内加热的方式，同时加热梁和矩形隔热框架带有隔热通孔结构，在保证加热梁和隔离框架的刚度的同时，增大了整体的电阻和热阻，可有效降低器件功耗。
3、本发明提出的恒温控制MEMS陀螺仪通过对称加热的方式，可保证陀螺仪主体结构温度分布均匀，有利于进一步提高控温精度，提升陀螺仪的温度稳定性。
4、本发明提出的恒温控制MEMS陀螺仪采用完全对称的双质量块音叉式结构，其驱动模态为质量块面内反向振荡，其检测模态为面内扭摆。与传统MEMS音叉式陀螺仪结构相比，该陀螺仪器件的灵敏度更高。同时，所提出的陀螺仪结构可以实现差分检测，可增强陀螺仪输出信号并减小误差。
附图说明
图1：恒温控制MEMS陀螺仪三维结构示意图；
图2：恒温控制MEMS陀螺仪平面结构示意图；
图3：恒温控制MEMS陀螺仪局部平面结构示意图；
图4：加热梁和矩形隔热框局部平面结构示意图；
图5：恒温控制MEMS陀螺仪驱动模态示意图；
图6：恒温控制MEMS陀螺仪检测模态示意图；
图7：对称式加热方式下MEMS陀螺仪的温度分布图；
图8：基于电阻测温方式的温度控制原理图；
图9：结构材料为重掺杂单晶硅时，不同掺杂浓度下MEMS陀螺仪的频率温度曲线；
图10：结构材料为重掺杂单晶硅时，不同晶体方向下MEMS陀螺仪的频率温度曲线；
图11：基于频率测温方式的温度控制原理图；
图12：实施例3的恒温控制MEMS陀螺仪平面结构示意图。
图中：1.矩形隔热框，2.加热梁，3.固定锚点，4.一级弹性梁，5.检测框，6.二级弹性梁，7.质量块，8.感应电极，9.驱动检测电极，10.驱动电极，11.中心耦合弹性梁，12.三级弹性梁，13.隔热通孔。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行进一步地详细阐述。
实施例1
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明的恒温控制MEMS陀螺仪结构三维及平面结构如图1和图2所示，本发明MEMS陀螺仪结构由四个固定锚点3、四根加热梁2、矩形隔热框1、检测框5、两个质量块7、两对驱动电极10、四个感应电极8、两对驱动检测电极9、若干一级弹性梁4、二级弹性梁6、三级弹性梁12和中心耦合弹性梁11组成，该结构沿X，Y中轴线中心对称。
矩形隔热框1外侧四周与四个固定锚点3之间通过加热梁2连接，其余结构均位于矩形隔热框1内部；检测框5两端与矩形隔热框1之间通过一级弹性梁4连接；所述两个质量块7位于X方向中心轴线上，两个质量块7之间通过三级弹性梁12和中心耦合弹性梁11连接，每个质量块7外侧与检测框5之间通过二级弹性梁6和三级弹性梁12连接；所述两对驱动电极10和驱动检测电极9位于质量块7中心，四个感应电级8位于检测框5外侧四角位置。
驱动电极10、驱动检测电级9与感应电级8包括可动电极板和固定电极板；所述可动电极板和固定电极板均为梳齿状；所述驱动电极10和驱动检测电极9为等间距梳齿状电极，所述感应电极8为变间距梳齿状电极。
四个感应电极8分别位于检测框5四角上且通过采用差分的形式进行电学信号输出：由于所述MEMS陀螺仪的对称性，位于检测框5其中一条对角线上的两个感应电极8采用同相输出，位于检测框5另一条对角线上的两个感应电极8反相输出，即可实现差分输出。
所述弹性梁的结构示意图如图3所示。其中一级弹性梁4为直梁，二级弹性梁6，三级弹性梁12和中心弹性梁11为U形梁、折叠梁或蟹脚梁组合结构。
加热梁2和矩形隔热框1上具有规律排列的多边形柱状隔热通孔13结构，其结构示意图如图4所示。作为优选方案，当隔热通孔13截面为正六边形时，隔热通孔13在X-Y平面上沿蜂窝状排布。当隔热通孔13截面为正方形时，隔热通孔13在X-Y平面上沿水平和垂直方向排布。此结构增加了加热梁2的矩形隔热框1的电阻和热阻，因此能有效降低器件的功耗。为保证矩形隔热框1和加热梁2具有足够的刚度，在X-Y平面上隔热通孔13面积占加热梁2和矩形隔热框1总面积的20％至50％。
当在左右离中心耦合弹性梁11较近的驱动电极10上施加同相交流电压，同时在离耦合弹性连接梁11较远的两个驱动电极10上施加反相交流电压时。在谐振频率下，质量块7受静电力作用，两个质量块7、驱动电极10和驱动检测电极9在X-Y平面内相对于检测框5沿X方向反向振荡运动，陀螺仪驱动模态如图5所示(其中驱动电极和驱动检测电极略去)。两个质量块7之间通过检测框5、三级弹性梁12和中心耦合弹性梁11进行耦合，其结构如图3所示。
当陀螺仪处于驱动模态时，在面外Z轴方向上施加角速度，此时左右质量块7分别受到沿Y方向的科氏力作用，此时MEMS陀螺仪的检测模态为检测框5、质量块7、感应电级8、二级弹性梁6、三级弹性梁12和中心弹性梁11整体在X-Y平面内扭摆运动。恒温控制MEMS陀螺仪检测工作模态如图6(其中驱动电极和驱动检测电极略去)所示。
恒温控制MEMS陀螺仪结构中，通过改变矩形隔热框1和加热梁2结构的平面内宽度可进一步改变矩形隔热框1和加热梁2结构的刚度。矩形隔热框1和加热梁2结构的刚度设置为大于陀螺仪驱动模态和检测模态的刚度，此时矩形隔热框1和加热梁2结构不会影响陀螺仪的驱动模态和检测模态。当MEMS陀螺仪处于驱动或检测模态时，矩形隔热框1和加热梁2保持静止状态。
由于结构的对称性，可以采用差分的形式进行电学信号输出，位于检测框5其中一条对角线上的两个感应电极8采用同相输出，位于另一条对角线上的两个感应电极8反相输出，即可实现差分输出，可起到抑制误差和增强输出信号的作用。
所述恒温控制MEMS陀螺仪，结构材料选自半导体材料，其可优选为单晶硅、多晶硅、碳化硅或金刚石材料。当结构材料为单晶硅时，
恒温控制MEMS陀螺仪的加热方式为在对称位置的固定锚点3之间施加偏置电压和加热电压，电流通过加热梁2、矩形隔热框1和陀螺仪结构时，在结构上产生焦耳热，可以将MEMS陀螺仪加热到一个固定的温度，采用上述加热方式下MEMS陀螺仪的温度分布图如图7所示。采用对称式加热方式下MEMS陀螺仪结构温度分布均匀。
MEMS陀螺仪采用恒温控制方法时，其加热温度设计在频率拐点温度；一般拐点温度略高于实际使用温度。当所述陀螺仪为工业应用(-40至+85℃)时，拐点温度设置为85℃至95℃之间；当所述陀螺仪应用于极端环境(-40至125℃)时，拐点温度可设计在125℃至135℃之间。当结构材料为单晶硅时，可通过改变单晶硅的掺杂浓度和晶体方向来调整结构的频率拐点温度。结构材料为重掺杂单晶硅时，不同掺杂浓度下MEMS陀螺仪的频率温度曲线如图9所示，此时晶体方向为与<110>方向夹角为21度。随着P型掺杂浓度从6.6e19/cm3提升至1.2e20、cm3，MEMS陀螺仪的频率拐点温度从90℃左右提高至130℃左右。同时，结构材料为重掺杂单晶硅掺杂浓度为6.6e19/cm3时，不同晶体方向下MEMS陀螺仪的频率温度曲线如图10所示。随着与<110>晶体方向夹角增大时，MEMS陀螺仪的频率拐点温度不断增加。
综上所述，可通过改变单晶硅的掺杂浓度和晶体方向来调整结构的频率拐点温度。结构材料为单晶硅为P型或N型重掺杂时，其掺杂浓度优选为4.0e19/cm3至2.0e20/cm3。改变单晶硅的晶体方向可通过旋转单晶硅角度实现，其旋转角度根据具体掺杂浓度而定。
所述MEMS陀螺仪可采用电阻测温方式实时监测陀螺仪整体结构实际温度变化。基于电阻测温方式的温度控制原理图如图8所示，可在位于MEMS陀螺仪整体结构其中一条对角线上的两个固定锚点3之间施加偏置电压Vbias和加热电压Vh；在另一条对角线上的两个固定锚点3处通入恒定电流，通过监测两端电压变化ΔV，即可得到结构的电阻变化，将检测信号反馈至比例积分控制器(PI)，通过PI控制输出加热电压，将整体结构电阻控制为一个恒定值，即可控制MEMS陀螺仪整体温度保持不变，最终实现恒温控制功能。
实施例2
基于实施例1中的恒温控制MEMS陀螺仪结构，可采用谐振频率测温的方式实时监测陀螺仪整体结构实际温度变化，基于频率测温方式的温度控制原理图如图11所示。可在位于MEMS陀螺仪结构左侧两个固定锚点3之间施加偏置电压Vbias和加热正电压Vh，在右侧两个固定锚点3之间施加偏置电压Vbias和加热负电压-Vh，即可实现加热功能。通过驱动检测电极9可输出驱动频率f，将检测信号反馈至比例积分控制器(PI)，通过PI控制输出加热电压，将整体结构谐振频率f控制为一个恒定值f0，即可控制MEMS陀螺仪整体温度保持不变，最终实现恒温控制功能。该测温方法相对于电阻测温的方式具有更高的精度。
实施例3
基于实施例1中的MEMS陀螺仪平面结构，可将加热梁2与固定锚点3位置灵活排布，其平面结构示意图如图12所示。四根加热梁2一端位于矩形隔热框1四角位置，每根加热梁2另一端分别与固定锚点3连接，固定锚点3位于矩形隔热框1Y方向两侧。此结构进一步增大了恒温控制陀螺仪加热结构的刚度，能进一步减小加热梁2和矩形隔热框1结构对于陀螺仪驱动模态和检测模态的影响，从而降低了加热梁2和矩形隔热框1对于MEMS陀螺仪性能的负面影响。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
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