CN100439864C - 一种新型硅微机械陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于飞行器、汽车轮胎和钻井平台等旋转载体姿态参数测量与控制领域的新型硅微机械陀螺，它由敏感元件(1)和信号处理电路(2)等组成，省去了一般微机械陀螺的驱动结构和电路，并且直接安装在被测的旋转载体上。敏感元件(1)由硅摆框、硅摆、上电极板、下电极板组成，在硅摆两侧组装信号处理电路，信号处理电路(2)包括信号检测电桥电路、数据处理用的单片机，单片机中设置数据处理模块，用四个电容器作为信号检测电桥电路的两个桥臂。本发明的优点是能同时敏感旋转体的自旋、横滚和俯仰角速度，即相当于三个仅能敏感一个角速度的普通陀螺的功能，并且简化了结构和制作工艺，缩小了体积，降低了成本，节约了能源。

Description

一种新型硅微机械陀螺

技术领域

本发明涉及一种应用于对飞行器、汽车轮胎、钻井平台等旋转体的姿态参数测量和控制的技术领域的新型硅微机械陀螺，其主要由敏感元件和信号处理电路组成。

背景技术

众所周知，由于压电式、光纤式等陀螺都有着体积大、成本高等几乎不可克服的缺点，因此目前世界各国都在争先研发微机械陀螺，中、低档精度的微机械陀螺已在市场上销售，高精度的微机械陀螺仍待继续研究。但是当前的问题是现在国际市场上的所有的这些微机械陀螺产品都保留有驱动结构，因此仍不可避免的存在着结构和工艺比较复杂，成本高和体积偏大的缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无驱动结构的微机械陀螺，这样能够最大限度地简化微机械陀螺的工艺、结构和体积，同时也能有效地降低成本，节约能源。

为解决上述技术问题，本发明的基本构思是：利用被测旋转体自身的旋转代替一般微机械陀螺由自身的驱动结构产生的驱动力，从而实现无驱动结构的微机械陀螺。

本发明新型硅微机械陀螺原理如图1所示，它由矩形硅片和将矩形硅片悬挂在封装腔中的弹性扭转梁组成。硅片的相对旋转角度使硅片在封装腔内具有一个自由度。

角度α由差动电容器检测，差动电容器的一对极板在硅片上，另一对在封装腔体的极板上。新型硅微机械陀螺的硅片和弹性扭转梁通过腐蚀硅片制造出来。

新型硅微机械陀螺安装在旋转体上，和旋转体一起绕垂直于陀螺硅平面的旋转体纵轴以角速度旋转，敏感绕飞行器横轴的角速度Ω。硅片的制造技术是成熟的技术，可批量生产。

新型硅微机械陀螺需要考虑弹性梁扭转刚度系数K_T，以及输出信号不但受俯仰或横滚角速度的影响，还受陀螺旋转角度的影响(受旋转体自旋影响)。因此，使用新型硅微机械陀螺的运动方程来分析，在随陀螺同时旋转的坐标系XYZ中建立运动方程，代入弹性扭转系数，初步的分析可忽略除被测旋转体角速度外的其他旋转体角速度，得到如下运动方程：

式中，A，B，C是陀螺敏感元件(硅摆)相对X，Y，Z轴的转动惯量，D是气体动力阻尼系数。式(1)的稳态解：

测量角速度时，陀螺敏感元件(硅摆)振荡幅度α_m的表达式如下：

表达式的分母中有弹性扭转系数K_T。因此，不能排除非常不稳定的参数(旋转体自旋角速度

)对输出信号的影响，即使是在谐振模式下，此时，动力粘度系数

$\mathrm{\μ}=\frac{C}{A+B}=1$

所以，根据给出的测量精度，新型硅微机械陀螺需要采取其他策略来选择陀螺参数。首先，我们需要注意硅的物理特性和现有加工技术。在设计中，转动惯量和弹性扭转系数之间的相互关系为

需要注意，选择式(3)中的参数时，不要使分母中参数趋向如下关系：

因为阻尼系数D的稳定性低于弹性系数K_T。另外，这种参数关系也较难实现，因为增加阻尼系数D需要减小硅摆与电极板之间的间距，从而减小了硅摆的最大偏转角度和相应的输出曲线的正切。因此，需要在参数设计中使

这样，式(3)中分母的值将由陀螺硅摆稳定的弹性系数来决定。

但是，在这种情况下，新型硅微机械陀螺的输出信号将直接跟旋转体转速成正比，输出信号非常不稳定。在实际研究中为消除这一缺点，采取在陀螺工作过程中，通过测量差动角速度拾取输出信号的频率，来计算常量

，可以通过在陀螺中加入一微处理器(或使用旋转体计算机)的方法来计算。因此，在新型硅微机械陀螺中可不采取谐振模式，但为了避免其他动力学误差，需选择超前非谐振模式。

图2示出本发明陀螺的单晶硅质量块敏感结构。图中a₀，a₁，a₂，a₃为X方向尺寸，b₁，b₂，b₃为Y方向尺寸，h为单晶硅质量块的厚度。A、B、C分别为

$A=\frac{\mathrm{\ρ}}{12}[a_3{b}_{3}h(b_3^2+h^2)-a_2{b}_{2}h(b_2^2+h^2)-a_1(b_3-b_1)h[\frac{1}{4}{(b_3-b_1)}^2+h^2+\frac{3}{4}{(b_3+b_1)}^2\left]\right]---\left(7\right)$

$B=\frac{\mathrm{\ρ}}{12}[a_3{b}_{3}h(a_3^2+h^2)-a_2{b}_{2}h(a_2^2+h^2)-a_1(b_3-b_1)h(a_1^2+h^2)]---\left(8\right)$

$C=\frac{\mathrm{\ρ}}{12}[a_3{b}_{3}h(b_3^2+a_3^2)-a_2{b}_{2}h(b_2^2+a_2^2)-a_1(b_3-b_1)h[\frac{1}{4}{(b_3-b_1)}^2+a_1^2+\frac{3}{4}{(b_3+b_1)}^2\left]\right]---\left(9\right)$

式中，ρ是单晶硅的密度

由于h＜＜a₁，a₂，a₃，b₁，b₂，b₃，而单晶硅弹性扭转支撑梁的扭转刚度系数K_T较大，故

以上分析可知，通过结构设计可使输出信号稳定。输出信号α的幅值与旋转体的旋转角速度有关，测量单晶硅质量块角振动信号频率可得到旋转体旋转角速度；通过由角振动信号α的幅值中解算出旋转体俯仰或横滚角速度Ω，也可通过

控制放大电路增益，使α的幅值与Ω保持线性变化，通过测量α的幅值直接得到旋转体俯仰或横滚角速度Ω。

上述理论论证表明，本发明由被测旋转体自旋驱动代替一般陀螺由驱动结构产生的驱动力构成新型硅微机械陀螺，在技术上可行。这种陀螺能同时敏感旋转体的旋转、俯仰和横滚角速度。

图3示出本发明信号获取技术。单晶硅质量块以角频率

振动时，偏转角α的变化会导致单晶硅质量块和陶瓷电极极板构成的四个电容器C₁、C₂、C₃、C₄发生变化。把电容变化信号转换成电压变化信号之后经放大，可以得到α幅值与旋转体俯仰或横滚角速度Ω相关的交流电压信号。由于旋转体自旋驱动新型硅微机械陀螺的电容变化较小，容易受分布电容影响，因此，信号处理采用交流电桥作接口变换电路，将电容式敏感元件作为电容电桥的臂，采用高频方波信号作为载波。当工作电容发生变化时，在电桥输出端可获得受工作电容变化调制的调幅波输出信号。调幅波信号经放大、解调后，获得低频信号输出。信号处理电路主要由电源稳压器、基准电压源、方波信号发生电路、电桥、电桥信号差分放大器、带通滤波器、低通滤波器、相位修正、极性选择开关和单片机等构成。

$C={\∫}_{r_1}^{r_2}\frac{\mathrm{\ϵ\Δb}}{d+\mathrm{\αr}}\mathrm{dr}=\frac{\mathrm{\ϵ\Δb}}{\mathrm{\α}}\ln (1+\frac{\frac{r_2-r_1}{d}}{1+\frac{r_1}{d}\mathrm{\α}}\mathrm{\α})---\left(10\right)$

$C(d,\mathrm{\α})=\frac{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\α}}[(b_1-b_2)\ln (1+\frac{\frac{a_1-a_0}{2d}}{1+\frac{a_0}{2d}\mathrm{\α}}\mathrm{\α})+(b_3-b_2)\ln (1+\frac{\frac{a_2-a_1}{2d}}{1+\frac{a_1}{2d}\mathrm{\α}}\mathrm{\α})+b_3\ln (1+\frac{\frac{a_3-a_2}{2d}}{1+\frac{a_2}{2d}\mathrm{\α}}\mathrm{\α})]---\left(11\right)$

单晶硅摆没有偏转(α＝0)时，C₁＝C₂＝C₃＝C₄＝C₀，

$C_0=\mathrm{\ϵ}[(b_1-b_2)\left(\frac{a_1-a_0}{2d}\right)+(b_3-b_2)\left(\frac{a_2-a_1}{2d}\right)+b_3\left(\frac{a_3-a_2}{2d}\right)]---\left(12\right)$

单晶硅摆偏转(α≠0)时，

$C_1=C_4=\frac{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\α}}[(b_1-b_2)\ln (1+\frac{\frac{a_1-a_0}{2d}}{1+\frac{a_0}{2d}\mathrm{\α}}\mathrm{\α})+(b_3-b_2)\ln (1+\frac{\frac{a_2-a_1}{2d}}{1+\frac{a_1}{2d}\mathrm{\α}}\mathrm{\α})+b_3\ln (1+\frac{\frac{a_3-a_2}{2d}}{1+\frac{a_2}{2d}\mathrm{\α}}\mathrm{\α})]---\left(13\right)$

$C_2=C_3=-\frac{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\α}}[(b_1-b_2)\ln (1-\frac{\frac{a_1-a_0}{2d}}{1-\frac{a_0}{2d}\mathrm{\α}}\mathrm{\α})+(b_3-b_2)\ln (1-\frac{\frac{a_2-a_1}{2d}}{1-\frac{a_1}{2d}\mathrm{\α}}\mathrm{\α})+b_3\ln (1-\frac{\frac{a_3-a_2}{2d}}{1-\frac{a_2}{2d}\mathrm{\α}}\mathrm{\α})]---\left(14\right)$

可得电压信号输出：

$|V_1-V_2|=\frac{4\mathrm{\ϵ}{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{RV}}_s}{\mathrm{\α}}[(b_1-b_2)\ln \left(\frac{1+\frac{(a_1-a_0)\mathrm{\α}}{2d+a_0\mathrm{\α}}}{1-\frac{(a_1-a_0)\mathrm{\α}}{2d-a_0\mathrm{\α}}}\right)+(b_3-b_2)\ln \left(\frac{1+\frac{(a_2-a_1)\mathrm{\α}}{2d+a_1\mathrm{\α}}}{1-\frac{(a_2-a_1)\mathrm{\α}}{2d-a_1\mathrm{\α}}}\right)+b_3\ln \left(\frac{1+\frac{(a_3-a_2)\mathrm{\α}}{2d+a_2\mathrm{\α}}}{1-\frac{(a_3-a_2)\mathrm{\α}}{2d-a_2\mathrm{\α}}}\right)]---\left(15\right)$

式中，V_s为加在电桥上的交流电压，ω_e为交流电的角频率，R为是电桥电阻。

本发明信号处理电路方框图如图4所示，包括电源稳压器、基准电压源、方波发生电路、电容电桥、差分放大电路、带通滤波电路、低通滤波电路、程控增益放大电路、相位修正电路、极性选择开关电路和单片机电路等。

本发明新型硅微机械陀螺直接安装在被测的旋转体上，以旋转体的旋转运动作为驱动力。

本发明由于省去了一般微机械陀螺的驱动结构和电路，因此在结构和制作工艺上得到很大的简化，同时，缩小了体积，降低了成本，节约了能源。并且本发明新型硅微机械陀螺能同时敏感旋转体的自旋、横滚和俯仰角速度，即相当于三个仅能敏感一个角速度的普通陀螺的功能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明新型硅微机械陀螺原理图

图中C1、C2、C3、C4为差动电容器

图2是本发明陀螺敏感结构图

图3是本发明信号获取电路原理图

图4是本发明信号处理电路方框图

图5是本发明新型硅微机械陀螺正视图

图6是本发明新型硅微机械陀螺剖视图

图7是本发明新型硅微机械陀螺俯视图

图8是本发明新型硅微机械陀螺侧视图

图9是本发明新型硅微机械陀螺敏感元件俯视图

图10是图9所示新型硅微机械陀螺敏感元件沿A-A线的剖视图

图11是图9所示新型硅微机械陀螺敏感元件沿A-A线的剖视图

图12是电极陶瓷板示意图

(a)为上电极陶瓷板

(b)为下电极陶瓷板

图13是陶瓷电极板结构示意图

(a)是陶瓷电极板正视图

(b)是陶瓷电极板俯视图

图14是本发明新型硅微机械陀螺敏感元件(硅摆)结构图

图15是本发明新型硅微机械陀螺抗冲击结构剖视图

图16是本发明新型硅微机械陀螺电路连接图

图17是敏感元件和基板的粘接示意图

图18是基板和机壳粘接示意图

图19是机壳封接示意图

具体实施方式

本发明新型硅微机械陀螺结构如图5至8所示，它包括敏感旋转体旋转、横滚和俯仰角速度的敏感元件1、信号处理电路2、陀螺机壳3、基板4、陀螺的安装架板5和绝缘子引线柱6，信号处理电路2装在基板4的上部，敏感元件1装在基板4下部，基板4坐在机壳3上，敏感元件1封在基板4和机壳3构成的密封腔内，基板4与信号处理电路2的电路板、敏感元件1之间分别有陶瓷圆垫片7、8，利用绝缘子引线柱6经接线点9实现敏感元件1与信号处理电路2之间的连接，以及电源的接入、处理信号的输出。

所述的敏感元件1(见图9、10、14)由硅摆框10、硅摆11、上电极板12、下电极板13、振动梁14a、14b、电极层21a、21b、电极层22a、22b组成。硅摆框10为矩形平板形框，硅摆11为矩形平板形振动质量，硅摆11的面积小于硅摆框10的框内面积，其厚度小于硅摆框10的厚度，硅摆11中心开有方形通孔15c，通孔15c的两侧翼有3～6个长条形通孔16；硅摆框10和硅摆11之间通过振动梁14a、14b连接。两振动梁14a、14b的一端分别位于硅摆11的两侧，两振动梁14a、14b的另一端分别接在硅摆框10上，且振动梁14a、14b位于硅摆11纵向。22b分立设置在下电极板13上。电极层21a、21b和电极层22a、22b在硅摆11上、下对称配置，与硅摆11构成电容器C₁、C₂、C₃、C₄。

本发明信号处理电路2包括信号检测电桥电路、数据处理用的单片机。单片机中设置数据处理模块，电容器C₁、C₂、C₃、C₄作为信号检测电路电桥的桥臂，检测电路电桥的输出端信号经前置放大器放大后送给信号处理电路的单片机进行数据处理。信号处理后给出测试结果，当旋转体无旋转时，电极层21a、21b和电极层22a、22b与硅摆11构成的电容器C₁、C₂、C₃、C₄的电容值在信号检测电路电桥桥路中平衡，其输出为零。旋转体旋转时，旋转体受到哥氏力作用，使硅摆11位置改变，进而引起四个电容器C₁、C₂、C₃、C₄的电容量发生变化，从而得到与旋转体的俯仰和横滚角速度成比例的信号。

制作敏感元件1采用微机械加工方法，平板形硅摆框10、硅摆11与上、下电极板12、13构成“三明治”结构(见图9、10、11、14)。图9为“三明治”结构的俯视图，图中涂黑区域分别为上电极、硅摆框和下电极的电极引线焊点，作为与绝缘子引线柱6焊接线用。上电极板12、下电极板13选用陶瓷板，厚度为0.5mm，用激光切割机切割成面积为16×18mm²的板材(如图14所示)，为了把陶瓷电极引到引线焊点而不与中间的硅接触，在陶瓷上电极板12和下电极板13开深度为0.050mm的浅槽19a、19b和20a、20b(见图12中涂黑区域所示)。在开槽后的陶瓷极板上制作电极，先蒸镀金属钛0.03μm，再蒸镀金属铜2.5μm，上电极板12上为分离的两片电极层21a、21b，下电极板13上也为分离的两片电极层22a、22b(见图10示)；硅摆框10、硅摆11和振动梁14a、14b是用N型硅经腐蚀加工而得到的。在硅摆框10和上、下电极板12、13的边缘处涂胶粘接，构成“三明治”敏感元件1。在粘接的时候，下极板13的引线焊点在极板的正面(朝上)，上电极板12的引线焊点在极板的背面(朝上)。为了确保把上电极板正面的电极引到背面的焊点上，要用细铜丝把上极板正面电极(朝下)和背面(朝上)电极连起来，在上下电极板和硅摆的边缘处均匀涂一层胶。把涂好胶的极板和硅摆放在夹具中粘接，并施以荷重。最后把夹具连同“三明治”敏感元件放在烘箱内烘烤。

陶瓷电极板是本发明产品的关键部件，其加工工艺步骤如图13所示。

1)分别将两片陶瓷片研磨形成槽，如图13(a)；

2)蒸镀铜或铝2～3μm，如图13(b)。

敏感元件1(见图5)和基板4的粘接如图17所示，胶层23厚度大约为2μm。为了绝缘，在敏感元件1和基板4之间衬厚度为0.35mm、直径为9.5mm的氧化铝陶瓷圆垫片7，然后在陶瓷圆垫片7、基板4和敏感元件1的表面涂胶，将它们粘起来并加温烘烤2.5h，这样即完成粘接。之后再将“三明治”敏感元件1的引线焊接在基板4的引线柱6上(见图5和6)。接着是机壳3的粘接，即基板4和机壳3之间的粘接，如图18所示。用酒精棉球把基板4和机壳3的粘接处擦干净，再均匀涂一层胶23，然后将它们对粘在一起，放在夹具中并施以荷重，然后放入烘箱内烘烤。

最后是陀螺机壳3的封接，如图19所示。密封圆片18是直径为4mm，厚度为0.2mm的金属圆片。机壳3中心有一直径为0.5mm的圆孔17，在圆孔17的周围涂一层薄的焊锡。封接过程在真空封接室内进行，把要封接的陀螺壳体和台座放其中，关门抽真空使压强达到0.1～0.2mmHg，同时加热到105℃，保持3～3.5h，之后降温、通氮气30min。将双手伸进操作手套中，左手拿镊子轻轻压住陀螺外壳，右手拿烙铁，用烙铁头把圆片18加热焊锡熔化，撤出烙铁头圆片18冷却后和机壳3焊接在一起。

在高倍显微镜下在硅片和陶瓷电极板的粘接条上均匀涂胶，通过对准夹具进行对准粘接，形成“三明治硅摆”。然后置于80℃烘烤箱中烘烤，烘烤过程中用重物均匀施压成型。选一垫片并在垫片两面中心均匀涂胶，在光洁度为0.08μm和平行度为0.02mm的封装壳底座中心和“三明治”下电极背面中心上均匀涂胶后进行粘接，使“三明治”下电极和封装壳底座通过垫片粘接。然后放入60℃的烘箱中烘烤，在烘烤过程中用重物均匀施压成型。在底座的引脚顶点上均匀镀焊锡，通过导线连接“三明治”和底座引脚。对光洁度为0.08μm和平行度为0.02mm的封装壳盖和封装壳底座接触面均匀涂胶，粘接好后放入60℃的烘箱中烘烤，在烘烤过程中用适当重物均匀施压成型，这样即构成硅摆。对硅摆加热抽真空至0.02mmHg，保持该真空3h，然后传递到操作室，继续抽气，保持真空0.02mmHg，10min后充入氮气700mmHg。在氮气的露点小于-50°后加小盖片，并用焊锡密封小孔。用氦质谱检漏仪对封装后的硅摆进行检漏，检查硅摆的密封性能是否良好。封装后硅片和陶瓷电极间的静态电容值见表1。

表1封装后硅摆静态电容值(单位：pF)

按照电路原理图将电子元器件一一焊接在加工好的电路板上，焊接中，使用的助焊剂是松香加酒精，目的是减小由于助焊剂造成对电路板的腐蚀作用。焊接工具使用的是防静电焊台，并严格控制焊接的温度和时间。对焊接好的电路板进行一级的检测和调试，直到符合要求为止。

此外本发明还采用了抗冲击结构如图11、图14和图15所示，在敏感元件硅摆11的上下面设计一对冲击止档垫15a和15b；陀螺部件26通过环氧树脂25的包覆封装在铝外壳24中，6为信号引出线，底部是用减振橡胶做的减振缓冲垫27。

如图5或图6本发明新型硅微机械陀螺的机壳3通过胶粘接在安装架板5上，通过安装架板5而达到在旋转体上固定陀螺的目的。

总而言之，以上仅是本发明的一个具体实施方式，只要是采用本发明的上述构思，即利用被测旋转体自身的旋转代替一般微机械陀螺由自身的驱动结构产生的驱动力，从而实现的无驱动结构的微机械陀螺，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种新型硅微机械陀螺，包括敏感旋转体姿态的敏感元件(1)、用来处理来自敏感元件(1)信号的信号处理电路(2)、机壳(3)、基板(4)、陀螺的安装架板(5)和绝缘子引线柱(6)，其特征在于：所述的敏感元件(1)的硅摆(11)上下面设置了一对抗冲击止档垫(15a)和抗冲击止档垫(15b)，所述的信号处理电路(2)包含了由相位修正电路、极性选择开关电路组成的单片机信号数据处理电路。

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