CN101738184B - 基于剪应力检测的十字叉结构石英微机械陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于剪应力检测的十字叉结构石英微机械陀螺，包括通过键合连接在一起的衬底和陀螺总成，陀螺总成包括检测梁、一根以上的驱动梁、检测电极以及驱动电极，所述驱动梁与检测梁呈十字交叉状布置，所述驱动梁的两端设有可动质量块，所述驱动电极装设于驱动梁的外表面上，所述检测电极装设于检测梁的外表面上。本发明是一种结构简单紧凑、成本低廉、灵敏度高、制造工艺简单、成品率高的基于剪应力检测的十字叉结构石英微机械陀螺。

Description

基于剪应力检测的十字叉结构石英微机械陀螺

技术领域

本发明主要涉及到微机械陀螺的设计领域，特指一种十字叉结构石英微机械陀螺。

背景技术

利用微机械技术制造而成的石英微机械陀螺和传统的陀螺相比，具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高、可批量生产等优点，可广泛应用于航空、航天、武器、汽车、医疗、消费电子等领域，具有巨大的市场潜力，目前已成为惯性陀螺发展的一个重要方向。现在国际上各种结构的微机械陀螺层出不穷，它们的共同特点是有相互垂直的两个振动方向，即振动激励方向和科里奥利力引起的检测振动方向。

目前，石英陀螺产品主要采用美国NEW SD公司申请的专利“Rotation Rate Sensor withCenter Mounted Tuning Fork”(中心装贴的音叉结构旋转速率传感器，美国专利，专利号5396144)和美国BEI Technologies公司申请的专利“Inertial Rate Sensor Tuning Fork”(音叉结构惯性速率传感器，美国专利，专利号US6262520B1)所述的陀螺结构。但是这些结构的检测电极需要在检测梁的侧壁制作分开的两电极，这将导致复杂的电极制作工艺，并且不平衡的正负电极对陀螺的性能影响很大。这些结构的检测振动存在压膜阻尼，降低其振动的品质因子，不利于微机械陀螺灵敏度的提高。此外这些结构均通过读取检测振动正应力产生的电信号来检测科里奥利力的，但是根据石英的压电方程，正应力的压电系数分量并不是最大的，而其中的一种剪应力具有更大的压电系数分量，因此通过改进陀螺结构，利用剪应力检测在理论上可以提升陀螺的性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、灵敏度高、制造工艺简单、成品率高的基于剪应力检测的十字叉结构石英微机械陀螺。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种基于剪应力检测的十字叉结构石英微机械陀螺，包括通过键合连接在一起的衬底和陀螺总成，其特征在于：所述陀螺总成包括检测梁、一根以上的驱动梁、检测电极以及驱动电极，所述驱动梁与检测梁呈十字交叉状布置，所述驱动梁的两端设有可动质量块，所述驱动电极装设于驱动梁的外表面上，所述检测电极装设于检测梁的外表面上。

作为本发明的进一步改进：

所述检测梁的两端与一支撑框架相连，所述驱动梁位于支撑框架内。

所述检测梁上开设有一个以上的开孔。

所述检测梁的两端分别与一支撑质量块相连。

所述检测梁为一变截面的锥形梁。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

本发明基于剪应力检测的十字叉结构石英微机械陀螺，其中可动质量块的振动产生的空气阻尼为滑膜阻尼，使得振动具有较高的品质因子。驱动振动和检测振动分别作用在驱动梁和悬臂梁上，有利于减小驱动模态和检测模态之间的耦合，提高了陀螺的分辨率。检测梁的变截面双端固支设计可以增大检测梁侧壁处的剪应力，从而可以有效地提高结构灵敏度。检测梁侧壁的两对检测电极的对称分布特点，可以使信号通过差分运算减小共模干扰，提高结构抗干扰能力。基体结构上的侧壁电极为单一极性并且分布在对应的整个侧壁表面，而不需要在侧壁制作复杂电极图形，降低了电极制作工艺的难度。本发明陀螺具有结构新颖、灵敏度高、制造工艺简单、易于降低成本和提高成品率等优点。

附图说明

图1是本发明具体实施例1的俯视结构示意图；

图2是本发明具体实施例1中电极配置的主视结构示意图；

图3是本发明具体实施例1中电极配置的后视结构示意图；

图4是本发明具体实施例2的结构示意图；

图5是本发明具体实施例3的结构示意图；

图6是本发明具体实施例4的结构示意图。

图例说明

1、衬底；2、支撑框架；3、检测梁；4、驱动梁；5、第一可动质量块；6、第二可动质量块；7、第一驱动电极；8、第二驱动电极；9、第三驱动电极；10、第四驱动电极；11、第五驱动电极；12、第六驱动电极；13、第一检测电极；14、第二检测电极；15、第三检测电极；16、第四检测电极；17、第一引线电极；18、第二引线电极；19、第三引线电极；20、第四引线电极；21、第五引线电极；22、第六引线电极；23、支撑质量块；24、开孔；25、第二驱动梁；26、第三可动质量块；27、第四可动质量块。

具体实施方式

以下将结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。

实施例1：如图1、图2和图3所示，本发明基于剪应力检测的十字叉结构石英微机械陀螺，包括通过键合连接在一起的衬底1和陀螺总成，陀螺总成包括检测梁3、一根以上的驱动梁4、检测电极以及驱动电极，驱动梁4与检测梁3呈十字交叉状布置，驱动梁4的两端设有可动质量块，驱动电极装设于驱动梁4的外表面上，检测电极装设于检测梁3的外表面上。检测梁3的两端与一支撑框架2相连，驱动梁4位于支撑框架2内。驱动梁4的长度方向沿着石英的Y晶向，检测梁3的长度方向沿着石英的X晶向，支撑框架2与检测梁3的两端相连，第一可动质量块5和第二可动质量块6分别固定于驱动梁4的两端。整个陀螺总成的结构在X、Y方向均呈对称结构。

在本实施例中，第一驱动电极7、第二驱动电极8、第三驱动电极9、第四驱动电极10、第五驱动电极11、第六驱动电极12为驱动电极，第一检测电极13、第二检测电极14、第三检测电极15、第四检测电极16为检测电极，驱动电极布置于驱动梁4的外表面，检测电极布置于检测梁3的侧壁。即，第一驱动电极7和第二驱动电极8分别位于驱动梁4的上表面和下表面，第三驱动电极9和第四驱动电极10分别位于驱动梁4的上部两侧壁，第五驱动电极11和第六驱动电极12分别位于驱动梁4的下部两侧壁；第一检测电极13和第二检测电极14分别位于检测梁3上侧壁的左右，第三检测电极15和第四检测电极16分别位于检测梁3下侧壁的左右。第一驱动电极7和第二驱动电极8均通过导线与第一引线电极17相连，第三驱动电极9、第四驱动电极10、第五驱动电极11、第六驱动电极12通过导线互连，并与第二引线电极18相连。第一检测电极13通过第三引线电极19引出，第二检测电极14通过第四引线电极20引出，第三检测电极15通过第五引线电极21引出，第四检测电极16通过第六引线电极22引出。

本发明中侧壁电极均分布在对应的整个侧壁表面上，并不需要制作出复杂的电极图形，降低了电极制作工艺的难度。各电极通过物理气相沉积的方法制备到相应的结构表面上，各电极的位置和数量是该陀螺在原理上确定的，不能改变。各电极的尺寸(覆盖面)是经过优化设计获得的，从而使得电极在容易加工的基础上有更高的性能。

结合图2和图3对本发明的工作原理进行说明。在第一引线电极17和第二引线电极18施加一定频率的交流电压，与之相连的第一驱动电极7、第二驱动电极8、第三驱动电极9、第四驱动电极10、第五驱动电极11、第六驱动电极12上的简谐电压信号将在驱动梁4内部产生特定的交变电场，由于石英的逆压电效应，交变电场将驱动驱动梁4与其两端的第一可动质量块5和第二可动质量块6一起振动，根据驱动梁4内的电场分布，第一可动质量块5和第二可动质量块6将在±X方向上同相振动。当沿垂直于平面方向(±Z方向)有外部角速度时，则两个可动质量块将在±Y方向上产生科里奥利力，且受力方向相同。由此可动质量块将通过驱动梁4带动检测梁3在±Y方向上振动，此方向的振动将在检测梁侧壁上产生剪应力。根据石英的压电方程，通过第一检测电极13和第三检测电极15组成的电极对以及第二检测电极14和第四检测电极16组成的电极对敏感检测梁3侧壁产生的电荷量来检测剪切力的大小，从而检测科里奥利力的大小，最终测量到外部角速度的大小。

为了提高检测剪应力的灵敏度，本实施例将检测梁3设计成为变截面的锥形梁，检测梁3的锥度和长度是通过优化设计获得的，使结构有更高的灵敏度。

本发明中两对检测电极敏感检测梁3的振动，检测信号通过差分运算可以消除共模加速度信号引起的干扰，提高了系统的抗干扰性。

如上所述，其采用剪应力检测，在理论上具有更大灵敏度的同时，不需要在振动梁的侧壁制作分开的两电极，从而降低了微机械陀螺的制作难度。整个结构的振动产生的空气阻尼均为滑膜阻尼，而滑膜阻尼相对于压膜阻尼要小很多，使驱动方向和检测方向的品质因子可以大幅度提高，检测灵敏度也相应地大幅度提高，从而避免了真空封装。本发明中驱动梁4与检测梁3是独立的并垂直布置的两个梁，减小了机械耦合，由于结构的对称性特点可以有效地抑制外界共模干扰的影响，本发明采用微电子机械系统技术工艺制作，工艺简单，可批量生产、有利于提高成品率和降低制造成本。

实施例2：如图4所示，本实施例的结构与实施例1基本一致，其区别就在于：检测梁3的两端分别与一支撑质量块23相连，用以替代支撑框架2。本实施例的工作原理与实施例1相同，在此就不再赘述。

实施例3：如图5所示，本实施例的结构与实施例1基本一致，其区别就在于：检测梁3上开设有一个以上的开孔24，以减小检测梁3的内应力。本实施例的工作原理与实施例1相同，在此就不再赘述。

实施例4：如图6所示，本实施例的结构与实施例1基本一致，其区别就在于：驱动梁4为两根，第一根驱动梁4的两端连接有第一可动质量块5和第二可动质量块6，第二驱动梁25的两端连接有第三可动质量块26和第四可动质量块27。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于剪应力检测的十字叉结构石英微机械陀螺，包括通过键合连接在一起的衬底(1)和陀螺总成，其特征在于：所述陀螺总成包括检测梁(3)、一根以上的驱动梁(4)、检测电极以及驱动电极，所述驱动梁(4)与检测梁(3)呈十字交叉状布置，所述驱动梁(4)的两端设有可动质量块，所述驱动电极装设于驱动梁(4)的外表面上，所述检测电极装设于检测梁(3)的外表面上；所述驱动梁(4)位于检测梁(3)的中部。

2.根据权利要求1所述的基于剪应力检测的十字叉结构石英微机械陀螺，其特征在于：所述检测梁(3)的两端与一支撑框架(2)相连，所述驱动梁(4)位于支撑框架(2)内。

3.根据权利要求2所述的基于剪应力检测的十字叉结构石英微机械陀螺，其特征在于：所述检测梁(3)上开设有一个以上的开孔(24)。

4.根据权利要求1所述的基于剪应力检测的十字叉结构石英微机械陀螺，其特征在于：所述检测梁(3)的两端分别与一支撑质量块(23)相连。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于剪应力检测的十字叉结构石英微机械陀螺，其特征在于：所述检测梁(3)为一变截面的锥形梁。

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