CN101319899A - 一种电容式水平轴微机械音叉陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电容式水平轴微机械音叉陀螺，其特征在于：它包括衬底，锚点，检测折叠梁，框架，驱动折叠梁，检测质量块，驱动梳齿电容及检测梳齿电容；驱动梳齿电容和检测梳齿电容分别包括可动电极和固定电极；锚点，检测折叠梁，框架，检测质量块，驱动梳齿电容及检测梳齿电容相对于陀螺X、Y轴对称分布；驱动梳齿电容的可动电极与检测质量块固定连接，检测质量块通过驱动折叠梁与框架连接，检测梳齿电容的可动电极与框架连接，框架通过检测折叠梁与锚点连接，锚点固定连接在衬底上；驱动梳齿电容的固定电极和检测梳齿电容的固定电极通过各自的锚点固定连接在衬底上。本发明工艺过程简单，可与Z轴音叉陀螺兼容，可用于实现单片三轴陀螺，并可以实现大批量生产。

Description

一种电容式水平轴微机械音叉陀螺

技术领域

本发明涉及一种微机械陀螺，特别是关于一种电容式水平轴微机械音叉陀螺。

背景技术

微机械陀螺具有体积小、重量轻、成本低、功耗小及易集成等优点，在航空、航天、兵器、汽车和消费类电子产品等领域都有着迫切的应用需求和广泛的应用前景。

目前，单检测质量块陀螺是研究最广泛也是较成熟的微机械振动陀螺形式，除振动轮陀螺之外，这种结构形式在原理上存在对线加速度敏感的问题。解决这一问题现有以下措施：1、通过配对使两个单轴陀螺反向安装组成一个单轴陀螺；2、通过测量线加速度予以补偿；3、采用措施2的同时采取闭环检测。但是，这些解决方法也存在以下不足：1、措施1会提高生产成本，降低生产效率和成品率，器件数目的增加也提高了使用成本并降低了系统可靠性；2、措施2会大大降低陀螺的量程和线性度；3、措施3采用闭环检测的微机械振动陀螺技术难度较大，目前尚未见诸报道。

对于惯性导航系统，为获得载体如飞机等的方位和姿态信息，需要载体的三个相互垂直轴方向的角速度信息，传统上通过安装两个双轴或三个单轴陀螺来实现。对于微机械陀螺，保证安装精度有一定困难，该问题可通过单片三轴集成来解决。目前用于检测垂直于器件表面方向角速度的Z轴微机械音叉陀螺的偏值稳定性已达0.1°/h，但是高性能的水平轴微机械音叉陀螺尚未见诸报道。实现与Z轴微机械音叉陀螺工艺兼容的高性能的水平轴微机械音叉陀螺是实现单片三轴微机械音叉陀螺的一项关键技术。

现有的采用双端不等高梳齿电容检测的水平轴陀螺，由于采用单检测质量块或不对称结构，存在与单检测质量块微机械陀螺同样的问题。同样，现有的水平轴微机械音叉陀螺检测运动受压膜阻尼影响大，常压下品质因数(Q值)和灵敏度低。解决这些问题包括以下措施：1、采取真空封装以降低阻尼；2、采取在检测质量块上打孔以减小阻尼。但这些措施分别存在以下缺点：1、措施1很大程度提高了对封装的要求，因而提高了成本并降低生产效率；2、措施2减小检测质量块质量从而降低陀螺灵敏度和分辨率。

已有的水平轴微机械音叉陀螺和其它采用双端不等高梳齿电容检测的水平轴陀螺采用直梁提供检测质量块的运动自由度。但是直梁的采用存在以下不足：1、无法释放微机械陀螺在加工过程中产生的应力，从而影响陀螺性能的稳定；2、无法释放陀螺工作过程中由于温度变化和温度梯度产生的应力。针对不足1，通常的解决办法是采取老化或温度循环等环境实验来释放加工应力。这种办法提高了对实验设备的要求，延长了生产周期，提高了生产成本；针对不足2，该问题可通过对陀螺进行恒温控制来解决，但温控增大系统的复杂度和体积并增加了功耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种高性能，可实现差分检测Y轴方向角速度信息的电容式水平轴微机械音叉陀螺。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种电容式水平轴微机械音叉陀螺，其特征在于：它包括衬底，锚点，检测折叠梁，框架，驱动折叠梁，检测质量块，驱动梳齿电容及检测梳齿电容；所述驱动梳齿电容和检测梳齿电容分别包括可动电极和固定电极；所述锚点，检测折叠梁，框架，检测质量块，驱动梳齿电容及检测梳齿电容相对于陀螺X、Y轴对称分布；所述驱动梳齿电容的可动电极与所述检测质量块固定连接，所述检测质量块通过所述驱动折叠梁与所述框架连接，所述检测梳齿电容的可动电极与所述框架连接，所述框架通过所述检测折叠梁与所述锚点连接，所述锚点固定连接在所述衬底上；所述驱动梳齿电容的固定电极和所述检测梳齿电容的固定电极通过各自的锚点固定连接在所述衬底上。

所述检测梳齿电容采用双端不等高结构，所述可动部分和固定部分厚度一致。

所述框架左、右两侧中部的检测梳齿电容的可动梳齿双端高于或低于对应的所述固定梳齿的双端，所述两中部检测梳齿电容上、下两端梳齿电容的可动梳齿双端低于或高于对应的所述固定梳齿的双端。

所述检测梳齿电容闭环检测时，所述左、右两侧中部的检测梳齿电容作为检测电容或施力反馈电容，所述中部检测梳齿电容上、下两端的梳齿电容作为施力反馈电容或检测电容。

所述检测折叠梁为弯曲变形梁、扭转变形梁和弯扭组合梁中的一种。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用对称结构，对线加速度不敏感，增大了陀螺量程，降低了使用要求，有利于和其它器件集成为系统如微惯性测量单元，而且减少了系统的器件数量从而降低系统成本并提高其可靠性。2、本发明全部采用了折叠梁，特别是用折叠梁实现陀螺的离面扭摆运动，有利于释放加工过程和工作过程中产生的应力从而提高陀螺的线性度和稳定性；而且，采用折叠梁降低了陀螺对加工过程如老化和温度试验的要求，有利于提高生产效率，进一步降低了成本。3、本发明检测可以采用两组双端不等高梳齿电容差分检测，按照本发明中的分布方案，扭转运动引起的电容变化为差模信号，其它方向的位移引起的电容变化均为共模信号，使得该方案能有效抑制共模干扰。4、本发明不需真空封装即可获得较高的品质因数，从而降低了封装要求和器件成本。5、本发明不采用通过在质量块上打孔的方式来减小阻尼，增大了单位面积的检测质量和检测电容，从而提高了陀螺的性能如灵敏度和分辨率等。6、本发明采用常规微机电工艺及设备，工艺过程简单，且与Z轴音叉陀螺兼容，可用于实现单片三轴陀螺，并可以实现大批量生产。

附图说明

图1是本发明双端不等高梳齿电容I型结构示意图

图2是图1中双端不等高梳齿电容I型工作状态示意图

图3是本发明双端不等高梳齿电容II型结构示意图

图4是图3中双端不等高梳齿电容II型工作状态示意图

图5是本发明结构示意图

图6是开环差动驱动示意图

图7是闭环单边驱动示意图

图8是闭环差动驱动示意图

具体实施方式

为描述本发明方便，首先对本发明中涉及到的两种双端不等高垂直梳齿电容的结构加以说明。

如图1、图2所示，双端不等高梳齿电容I型，包括厚度一致的可动电极3和固定电极1、2采用双端不等高结构，即可动电极3的顶部与底部均高于固定电极1、2的顶部与底部。可动电极3与固定电极1构成敏感电容C₁₃，可动电极3与固定电极2构成敏感电容C₂₃。在初始位置时(如图1所示)，两个敏感电容C₁₃和C₂₃的电极交叠面积相同，数值相等。当可动电极3做逆时针小角度扭转时(如图2所示)，固定电极1与可动电极3的交叠面积增大，即敏感电容C₁₃增大；固定电极2与可动电极3的交叠面积减小，即敏感电容C₂₃减小。当可动电极3做顺时针小角度扭转时，两敏感电容C₁₃和C₂₃的变化与逆时针扭转时的情况相反，两个敏感电容C₁₃和C₂₃的差分数值与可动电极3的扭转角度成正比。

如图3、图4所示，双端不等高梳齿电容II型，厚度一致的可动电极3和固定电极1、2采用双端不等高结构，即可动电极3与固定电极1、2顶部与底部均低于固定电极1、2的顶部与底部。其工作原理与双端不等高梳齿电容I型基本相同，但两个敏感电容C₁₃和C₂₃的差分数值与可动电极3的扭转角度成反比。

如图5所示，本发明为Y轴微机械陀螺，它包括衬底4，锚点5，检测折叠梁6，框架7，驱动折叠梁8，检测质量块9，驱动梳齿电容10及检测梳齿电容11。

其中，锚点5，检测折叠梁6，框架7，检测质量块9，驱动梳齿电容10及检测梳齿电容11相对于陀螺X、Y轴对称分布。检测折叠梁6和驱动折叠梁8中采用的折叠梁可以是弯曲变形梁、扭转变形梁或弯扭组合梁，实现陀螺的离面扭摆运动。检测质量块9通过驱动折叠梁8与框架7固定连接，框架7通过检测折叠梁6与锚点5固定连接，锚点5固定连接在衬底4上。

驱动梳齿电容10可采用单组(如图6、图7所示)或多组(如图8所示)，每组包括与检测质量块9连接的可动梳齿电极101和通过各自锚点与衬底4连接的固定梳齿电极102，可动梳齿电极101通过与检测折叠梁6固定连接的锚点5固定连接在衬底4上。两边的检测质量块9可以实现对可动梳齿电极101的单独驱动或共同驱动。其驱动方式可以采用开环(如图6所示)或闭环(如图7、图8所示)，即可以单边梳齿驱动也可以双边梳齿差动驱动。

如图3所示，位于框架7两侧的检测梳齿电容11包括可动梳齿电极111和固定梳齿电极112，固定梳齿电极112通过各自的锚点固定连接在衬底4上，可动电极111连接在框架7上。本发明的检测梳齿电容11采用双端不等高垂直梳齿电容结构(如图1、图3所示)，以陀螺左侧为例，双端不等高梳齿电容I型分布在中间，双端不等高梳齿电容II型分布在上、下两端，且上、下两端双端不等高梳齿电容II型的电容之和等于双端不等高梳齿电容I型的电容；右侧电容分布与左侧完全一致。

检测梳齿电容11每边分两部分，目的是根据需要可以采取开环检测或闭环检测。开环检测时，左侧双端不等高梳齿电容I型与右侧双端不等高梳齿电容II型组成了一组敏感电容，右侧双端不等高梳齿电容I型与左侧双端不等高梳齿电容II型组成另一组敏感电容，而后两组敏感电容形成差分电容以消除非检测运动信号的干扰；闭环检测时，左侧的双端不等高梳齿电容I型与右侧的双端不等高梳齿电容I型，作为检测电容或反馈施力电容，左侧的双端不等高梳齿电容II型与右侧的双端不等高梳齿电容II型，作为反馈施力电容或检测电容。

本实施例中，陀螺的衬底4可采用硅、氧化硅、玻璃等材料，检测折叠梁6，框架7，驱动折叠梁8，检测质量块9，驱动梳齿电容10及检测梳齿电容11等可用硅、钛等材料。本发明的检测折叠梁6可以是弯曲变形梁，也可以是扭转变形梁，还可以是弯扭组合梁。

本发明利用哥氏力来测量物体角速度，如图5所示，工作时，固定梳齿电极102在驱动电压作用下，对驱动可动梳齿电极101施加静电力，驱动可动梳齿电极101带动左右两个检测质量块9沿X轴振动。其中，两检测质量块9的相位相差为180°，且沿X轴的谐振频率可以相等，以实现高的灵敏度，也可有差别以提高陀螺带宽。当系统有Y轴方向角速度输入时，两个检测质量块9通过驱动折叠梁8和框架7带动检测可动梳齿111沿Z轴作反相振动，从而引起电容变化，通过左右检测梳齿电容11的差分信号即可获得沿Y轴方向输入的角速度信息。

以上实施例中本发明可在常压下工作，但低气压下可进一步提高陀螺的灵敏度。

以上所述，仅为本发明的一种较佳实施方式，本领域技术人员可依据本发明说明书、权利要求书与附图进行修改与等效变换，这样的修改与变换均应包含在本发明的专利保护范围之内。

Claims (9)

1、一种电容式水平轴微机械音叉陀螺，其特征在于：它包括衬底，锚点，检测折叠梁，框架，驱动折叠梁，检测质量块，驱动梳齿电容及检测梳齿电容；所述驱动梳齿电容和检测梳齿电容分别包括可动电极和固定电极；

所述锚点，检测折叠梁，框架，检测质量块，驱动梳齿电容及检测梳齿电容相对于陀螺X、Y轴对称分布；所述驱动梳齿电容的可动电极与所述检测质量块固定连接，所述检测质量块通过所述驱动折叠梁与所述框架连接，所述检测梳齿电容的可动电极与所述框架连接，所述框架通过所述检测折叠梁与所述锚点连接，所述锚点固定连接在所述衬底上；所述驱动梳齿电容的固定电极和所述检测梳齿电容的固定电极通过各自的锚点固定连接在所述衬底上。

2、如权利要求1所述的一种电容式水平轴微机械音叉陀螺，其特征在于：所述检测梳齿电容采用双端不等高结构，所述可动部分和固定部分厚度一致。

3、如权利要求2所述的一种电容式水平轴微机械音叉陀螺，其特征在于：所述框架左、右两侧中部的检测梳齿电容的可动梳齿双端高于对应的所述固定梳齿的双端，所述两中部检测梳齿电容上、下两端梳齿电容的可动梳齿双端低于对应的所述固定梳齿的双端。

4、如权利要求2所述的一种电容式水平轴微机械音叉陀螺，其特征在于：所述框架左、右两侧中部的检测梳齿电容的可动梳齿双端低于对应的所述固定梳齿双端，所述两中部检测梳齿电容上、下两端的梳齿电容的可动梳齿双端高于对应的所述固定梳齿双端。

5、如权利要求3或4所述一种电容式水平轴微机械音叉陀螺，其特征在于：所述检测梳齿电容闭环检测时，所述左、右两侧中部的检测梳齿电容作为检测电容，所述中部检测梳齿电容上、下两端的梳齿电容作为施力反馈电容。

6、如权利要求3或4所述一种电容式水平轴微机械音叉陀螺，其特征在于：所述检测梳齿电容闭环检测时，所述左、右两侧中部的检测梳齿电容作为施力反馈电容，所述中部检测梳齿电容上、下两端的梳齿电容作为检测电容。

7、如权利要求1或2或3或4所述一种电容式水平轴微机械音叉陀螺，其特征在于：所述检测折叠梁为弯曲变形梁、扭转变形梁和弯扭组合梁中的一种。

8、如权利要求5所述一种电容式水平轴微机械音叉陀螺，其特征在于：所述检测折叠梁为弯曲变形梁、扭转变形梁和弯扭组合梁中的一种。

9、如权利要求6所述一种电容式水平轴微机械音叉陀螺，其特征在于：所述检测折叠梁为弯曲变形梁、扭转变形梁和弯扭组合梁中的一种。

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