CN101493327A - 电磁驱动静电预紧硅微机械陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电磁驱动静电预紧硅微机械陀螺，它包括硅框架，特征是在硅框架内通过体微机械工艺制作硅驱动质量块，在硅驱动质量块内的中间制作敏感质量块，敏感质量块两侧制作振弦，在两根振弦的外侧通过电镀工艺制作上下电容极板对，上下电极导线分别与上下电容极板对相连，在振弦的两端连接有检测导线；在硅框架内制作用于驱动硅驱动质量块振动的驱动梁，在驱动梁上制作驱动导线。本发明的陀螺既具有微机械陀螺固有的小体积、低工耗、低成本等突出优点、又有利于陀螺输出信号的检测、还可以极大地提高陀螺的分辨力、检测精度、测量范围和响应速度、完全能满足战术级应用，甚至能有望满足惯导级应用场合的优点。

Description

电磁驱动静电预紧硅微机械陀螺

技术领域

本发明涉及一种微机械陀螺，尤其是涉及一种应用于对飞行器、工业机器人、汽车轮胎等旋转体的姿态参数测量和控制的电磁驱动静电预紧硅微机械陀螺。

背景技术

微机械陀螺具有广阔的发展和应用前景。在军事上，它可用于战术导弹智能炸弹的制导和微型卫星的姿态控制。在民用方面，它可用于汽车的自动驾驶和安全防护系统以及工业机器人、大地测量、石油钻探、矿山开采、隧道工程、海洋开发等的定位定向系统。

陀螺发展至今，人们已经研制出多种不同形式的陀螺，有转子式陀螺、光学陀螺和振动式陀螺等。微机械陀螺从形式上属于振动式陀螺，它是采用微电子和微机械加工技术来制作的，在加工方法以及器件特性等方面，微机械陀螺都有别于转子式陀螺和光学陀螺等。

表1是不同应用场合对陀螺性能的要求。从表1可以看出，虽然微机械陀螺具有小体积、低工耗、低成本等突出优点，但由于目前的微机械陀螺性能都比较低，因而只能应用于对测量精度及测量带宽等要求不高的场合，比如说角速度级应用场合，而不能应用于战术级应用场合，更不用说惯导级应用场合。

表1不同应用场合对陀螺性能的要求

发明内容

本发明的目的在于提供一种既具有微机械陀螺固有的小体积、低工耗、低成本等突出优点、又有利于陀螺输出信号的检测、还可以极大地提高陀螺的分辨力、检测精度、测量范围和响应速度、完全能满足战术级乃至惯导级应用的电磁驱动静电预紧硅微机械陀螺。

本发明的目的是这样实现的：本发明包括由硅片构成的硅框架，特征是在硅框架上通过体微机械工艺制作出驱动质量块、驱动梁、敏感质量块、上振弦、下振弦和水平检测梁，并通过电镀工艺制作相应的上电容极板对、下电容极板对、驱动导线、上电极导线、下电极导线、上检测导线、下检测导线和焊盘，其中在驱动质量块内的中间制作有敏感质量块，敏感质量块通过两端的水平梁支撑在驱动质量块上，在驱动质量块的上方和下方分别制作有上电容极板对和下电容极板对，带焊盘的上电极导线分别与上电容极板对相连，带焊盘的下电极导线分别与下电容极板对相连，上振弦、下振弦与敏感质量块相连接，在上振弦的上端连接有检测导线，在下振弦的下端连接有检测导线；在硅框架内制作用于驱动硅驱动质量块振动的驱动梁，在驱动梁上制作驱动导线。

本发明能够把角速度的变化转换成振弦振动的频率变化来进行检测，即把因物体旋转而在检测梁上所产生的洛伦兹力直接转换为频率信号，这样不但有利于陀螺输出信号的检测，而且可以极大地提高陀螺的分辨力、检测精度、测量范围和响应速度。因此本发明的陀螺既具有微机械陀螺固有的小体积、低工耗、低成本等突出优点、又有利于陀螺输出信号的检测、还可以极大地提高陀螺的分辨力、检测精度、测量范围和响应速度、完全能满足战术级应用，甚至能有望满足惯导级应用场合的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的工作原理图。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

本发明包括由硅片构成的硅框架1，在硅框架1上通过体微机械工艺制作出驱动质量块2、驱动梁3、敏感质量块4、上振弦7、下振弦6和水平检测梁5，并通过电镀工艺制作相应的上电容极板对13、14、下电容极板对15、16、驱动导线8、上电极导线9、10、下电极导线11、12、上检测导线17、下检测导线19和焊盘18，其中在在硅框架1内通过体微机械工艺制作驱动质量块2，在驱动质量块2内的中间制作有敏感质量块4，敏感质量块4通过两端的水平梁5支撑在驱动质量块3上，在驱动质量块4的上方和下方通过电镀工艺分别制作有上电容极板对13、14和下电容极板对15、16，带焊盘18的上电极导线9与上电容极板对14相连，带焊盘18的上电极导线10与上电容极板对13相连，带焊盘18的下电极导线11与下电容极板对15相连，带焊盘18的下电极导线12与下电容极板对16相连，上振弦7、下振弦6与敏感质量块4相连接，在上振弦7的上端连接有上检测导线17，在下振弦6的下端连接有下检测导线19；在硅框架1内制作用于驱动硅驱动质量块2振动的驱动梁3，在驱动梁上制作驱动导线8。

本发明的工作原理为：在陀螺的上下方各放置一块强磁铁20、21，从而产生一个垂直于陀螺(即如图1所示的Z方向)的稳定磁场，在上电容极板对13、14、下电容极板对15、16上加相应的恒定电压，使得上振弦7、下振弦6上产生相应的初始预紧力F，在驱动导线8上加上与陀螺驱动模态的固有频率相同的驱动电流，则硅驱动质量块2将会在电磁力的作用下在如图1所示的速度V方向振动，从而使得上振弦7、下振弦6在与预紧力对应的初始频率下振动。当陀螺随着物体一起转动时，在上振弦7、下振弦6上会产生相应的洛伦兹力，这一洛伦兹力与加在上振弦7、下振弦6上的初始预紧力相作用，从而改变了上振弦7、下振弦6的振动频率，检测出上振弦7、下振弦6振动频率的改变，就能计算出角速度Ω。如果上振弦7、下振弦6的截面尺寸为2um*2um，长度为200um，材料为单晶硅，当上振弦7、下振弦6受到的初始预紧力F为1mN时，由公式 $f=\frac{1}{2l}\sqrt{\frac{F}{\mathrm{\ρ}}}$ (式中l为上振弦7、下振弦6有效振动长度，F为上振弦7、下振弦6所受到的张力，ρ为上振弦7、下振弦6的线密度)可计算出上振弦7、下振弦6的固有振动频率约为10MHz。如果信号带宽为1MHz，频率分辨力为1Hz，那么角速度信号的分辨率将能达到0.0001％。

Claims (1)

1.一种电磁驱动静电预紧硅微机械陀螺，包括由硅片构成的硅框架(1)，其特征在于：在硅框架(1)上通过体微机械工艺制作出驱动质量块(2)、驱动梁(3)、敏感质量块(4)、上振弦(7)、下振弦(6)和水平检测梁(5)，并通过电镀工艺制作相应的上电容极板对(13)、(14)、下电容极板对(15)、(16)、驱动导线(8)、上电极导线(9)、(10)、下电极导线(11)、(12)、上检测导线(17)、下检测导线(19)和焊盘(18)，其中在在硅框架(1)内通过体微机械工艺制作驱动质量块(2)，在驱动质量块(2)内的中间制作有敏感质量块(4)，敏感质量块(4)通过两端的水平梁(5)支撑在驱动质量块(3)上，在驱动质量块(4)的上方和下方通过电镀工艺分别制作有上电容极板对(13)、(14)和下电容极板对(15)、(16)，带焊盘(18)的上电极导线(9)与上电容极板对(14)相连，带焊盘18)的上电极导线(10)与上电容极板对(13)相连，带焊盘(18)的下电极导线(11)与下电容极板对(15)相连，带焊盘(18)的下电极导线(12)与下电容极板对(16)相连，上振弦(7)、下振弦(6)与敏感质量块(4)相连接，在上振弦(7)的上端连接有上检测导线(17)，在下振弦(6)的下端连接有下检测导线(19)；在硅框架(1)内制作用于驱动硅驱动质量块(2)振动的驱动梁(3)，在驱动梁上制作驱动导线(8)。

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