具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本发明提供一种MEMS谐振器锚点阻尼的数值表征、抑制的结构及方法，适用于体硅工艺加工的电容检测的平面MEMS谐振器。是在谐振结构的理论不动点设计梳齿检测电容，实现对结构非对称振动的表征检测，从而实现对锚点耗散的数值表征；在谐振结构中设计能够施加静电力的梳齿电极，调节结构谐振参数，降低结构的非对称振动，从而减小通过锚点传递到外界的振动，实现对锚点耗散的抑制，提升Q值。

对称的结构设计形式相比于非对称结构设计，能够降低锚点阻尼，但由于工艺缺陷以及驱动电路精度问题等原因，谐振结构在工作状态下产生不对称振动。为进一步抑制对称结构在实际工作状态下的非对称振动，在其理论不动点设计不对称振动的检测结构，在谐振结构中设计不对称振动的抑制结构。上述理论不动点指的是，在谐振结构理想的工作状态下，受力矢量和为零的点。

在理想工作状态下，理论不动点由于受力矢量和为零，因此不产生振动，结构的振动无法通过锚点传递到外界，不产生能量的耗散；在实际工作状态下，理论不动点的振动幅值正相关于谐振结构的非对称振动幅值，因此也正相关于锚点阻尼耗散的程度。物理学知识指出，振子振动能量与振动幅值的平方正相关，因此非对称振动幅度越大，产生的锚点耗散也越大。

在本发明的一个实施例中，提供一种MEMS谐振器锚点阻尼的数值表征、抑制的结构，本实施例所提供的MEMS谐振器锚点阻尼的数值表征、抑制的结构适用于MEMS体硅工艺加工各种平面电容检测式的MEMS谐振器，MEMS谐振器包括但不限于本实施例中的单锚点四质量陀螺结构，而是包括任何一种具有谐振结构的MEMS器件。本实施例中，以单锚定点四质量块MEMS谐振式陀螺仪为例进行说明，MEMS谐振器锚点阻尼的数值表征、抑制的结构包括：

抑制区域6，位于每个谐振质量块1的中心位置处，且多个抑制区域6呈对称分布；

抑制结构，用于改变谐振参数抑制锚点耗散，设置在抑制区域6内；

理论不动点区域5，以锚点2为中心呈对称分布在连接谐振质量块1用的支撑架3上；

检测结构，用于对锚点耗散进行数值表征，实现对非对称振动的检测，设置在理论不动点区域5内。

在本实施例中，陀螺基本结构包括基板层与结构层两大部分。

如图1所示，是陀螺整体结构俯视图。结构层包括：四个谐振质量块1、锚点2与支撑架3，悬臂梁4、四个用于实现非对称振动检测的检测结构所在的理论不动点区域5，四个用于实现非对称振动抑制的抑制结构所在的抑制区域6。四个谐振质量块1通过悬臂梁4连接到支撑架3上。支撑架3的理论不动点位于理论不动点区域5中。由于结构的对称设计，理论不动点区域5对称分布在支撑架3上，抑制区域6对称分布在各个谐振质量块1中心，抑制区域6的设置数量与理论不动点区域5的设置数量相同。

在一个优选的实施例中，以支撑架3的中心为原点，理论不动点区域5的中心与抑制区域6的中心位于同一辐射径向上。

结构层的理论不动点位于理论不动点区域5中，理论不动点区域5中包括对称设置的用于检测谐振子非对称振动的电容梳齿结构，实现对非对称振动的检测；抑制区域6中包括对称设置的用于调整谐振子谐振参数以抑制非对称振动的梳齿电极，通过施加静电力负刚度，改变谐振子谐振参数，以抑制非对称振动的产生(以下统一将“对称设置的用于检测谐振子非对称振动的电容梳齿结构”简称为“检测梳齿电容”，将“对称设置的用于调整谐振子谐振参数以抑制非对称振动的梳齿电极”简称为“抑制梳齿电极”)。

如图2所示，是陀螺整体结构剖视图，图2指示了锚点2与结构层和基板层11的位置关系，基板层11位于结构层下方，锚点2一端键合到基板层11上，另一端键合到支撑架3的几何中心。锚点阻尼耗散指的就是，结构层的振动能量通过锚点2传递到基板层11或其他外界物体的现象。

由于陀螺通过恒定频率激振力进行闭环控制，谐振质量块1以平面线振动为主要模态(驱动模态与检测模态)，非平面模态以及平面内的扭转模态均为次要模态。因此在实际工作状态下，陀螺的非对称振动主要来源于主要模态的非对称因素，次要模态的非对称因素带来的耦合能够加以合理的忽略。

如图3所示，是图1中理论不动点区域5与抑制区域6的放大示意图。在每一对理论不动点区域5与抑制区域6中定义两个正交方向：X方向与Y方向。Y方向为该理论不动点区域5中心与抑制区域6中心的连线方向；X方向位于结构平面内且正交于Y方向。

在一个优选的实施例中，理论不动点区域5中的检测结构，包括第一检测梳齿电容7和第二检测梳齿电容8；第一检测梳齿电容7和第二检测梳齿电容8检测的敏感方向正交；第一检测梳齿电容7用于检测理论不动区域5中Y方向的非对称振动，第二检测梳齿电容8用于检测理论不动区域5中X方向的非对称振动。

在理论不动点区域5中，第一检测梳齿电容7采用滑膜阻尼梳齿结构形式，滑膜阻尼梳齿检测振动原理是，当支撑架3在Y方向存在振动时，第一检测梳齿电容7的极板面积发生改变，导致其电容改变，通过后续外部电路处理，即可得到该理论不动区域5Y方向的非对称振动信息。第二检测梳齿电容8采用压膜阻尼梳齿结构形式，，压膜阻尼梳齿检测振动原理是，当支撑架3在X方向存在振动时，第二梳齿电容8的极板间距发生改变，导致其电容改变，通过后续外部电路处理，即可得到该理论不动区域5X方向的非对称振动信息。需要说明的是，包含但不限于本实施例中的检测梳齿电容，而是包含所有能够实现位移检测的MEMS结构形式。

在一个优选的实施例中，每一抑制区域6中的抑制结构，包括第一抑制梳齿电极9和第二抑制梳齿电极10。第一抑制梳齿电极9与第二抑制梳齿电极10均采用压膜阻尼梳齿结构形式。第一抑制梳齿电极9用于抑制驱动模态的非对称振动，第二抑制梳齿电极10用于抑制检测模态的非对称振动，第一抑制梳齿电极9和第二抑制梳齿电极10的结构形式相同，但设置方向为正交。

第一抑制梳齿电极9与第二抑制梳齿电极10的原理是，当抑制梳齿电极上施加驱动电压时，产生静电力提供刚度改变量，实现谐振子谐振参数的调整。需要说明的是，包含但不限于本实施例的抑制梳齿电极，而是包含所有能够产生静电力的MEMS结构形式。

上述各实施例中，抑制区域6和理论不动点区域5的设置位置、数目、形状、面积不限于上述各实施例中的设置位置、数目、形状、面积，而是任意合理的位置、数目、形状、面积。

在本发明的一个实施例中，提供一种MEMS谐振器锚点阻尼的数值表征、抑制的方法，本实施例中的方法基于上述实施例中提供的MEMS谐振器锚点阻尼的数值表征、抑制的结构实现。本实施例中，该方法包括：

设置抑制区域6的步骤，抑制区域6设置在每个谐振质量块1的中心位置处，且多个抑制区域6呈对称分布；

设置抑制结构的步骤，抑制结构用于改变谐振参数抑制锚点耗散，设置在抑制区域6内；

设置理论不动点区域5的步骤，两理论不动点区域5以锚点为中心呈对称分布在连接谐振质量块1用的支撑架3上；

设置检测结构的步骤，检测结构用于对锚点耗散进行数值表征，实现对非对称振动的检测，设置在理论不动点区域5内。

在一个优选的实施例中，抑制结构包括第一抑制梳齿电极9和第二抑制梳齿电极10；

第一抑制梳齿电极9用于抑制驱动模态的非对称振动，第二抑制梳齿电极10用于抑制检测模态的非对称振动，第一抑制梳齿电极9和第二抑制梳齿电极10的结构形式相同，设置方向为正交；

第一抑制梳齿电极9和第二抑制梳齿电极10，能够产生静电力提供刚度改变量，实现谐振子谐振参数的调整。

在一个优选的实施例中，检测结构包括第一检测梳齿电容7和第二检测梳齿电容8；

第一检测梳齿电容7和第二检测梳齿电容8检测的敏感方向正交；

第一检测梳齿电容7用于检测理论不动区域5中Y方向的非对称振动；当支撑架在Y方向存在振动时，第一检测梳齿电容7的极板面积发生改变，导致电容改变，通过后续处理得到该理论不动区域5Y方向的非对称振动信息；

第二检测梳齿电容8用于检测理论不动区域5中X方向的非对称振动；当支撑架在X方向存在振动时，第二检测梳齿电容8的极板间距发生改变，导致电容改变，通过后续处理得到该理论不动区域5X方向的非对称振动信息。

本实施例提供的方法是用于执行上述各系统实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。

在本实施例中，进一步描述非对称振动检测与抑制方法的闭环控制过程。检测梳齿电容敏感到非对称振动信号，共能检测X方向与Y方向各4个信号，对4个Y轴信号处理可以表征非对称线振动，反映了不同谐振质量块1间驱动模态谐振参数的差异；对4个X轴信号处理可以表征非对称转动，反映了不同谐振质量块1间检测模态谐振参数的差异。为了调整不同质量块间谐振参数的一致，通过在两种抑制梳齿电极上施加合适电压，改变谐振结构刚度，从而调整谐振参数，实现对整个结构驱动模态与检测模态非对称振动的抑制。因此该方法实现了对陀螺工作平面模态非对称振动的数值表征与抑制，能够降低锚点阻尼耗散。

综上，本发明适用于体硅工艺加工的电容检测的平面MEMS谐振器。在谐振结构的理论不动点位置设计梳齿检测结构，实现针对锚点耗散有效的检测，并通过设计抑制梳齿电极改变谐振参数，实现对降低锚点耗散。本发明适配MEMS工艺，方法的实现不增加工艺难度；采用平板电容实现该方法，工艺简单且精度高；锚点耗散的检测具有实时性，能够实现闭环抑制；适用于所有要求高Q值设计的平面MEMS谐振器。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。