CN101746708A - 一种全解耦电容式微机械陀螺 - Google Patents
一种全解耦电容式微机械陀螺 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101746708A CN101746708A CN200910243959A CN200910243959A CN101746708A CN 101746708 A CN101746708 A CN 101746708A CN 200910243959 A CN200910243959 A CN 200910243959A CN 200910243959 A CN200910243959 A CN 200910243959A CN 101746708 A CN101746708 A CN 101746708A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- detection
- driving
- electric capacity
- movable electrode
- beams
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
本发明涉及一种全解耦电容式微机械陀螺，属于微机电系统中的惯性传感器技术领域。其中，立柱固定在基片上，驱动弹性梁和检测弹性梁围成方框，且分别通过立柱与基片相对固定。横向隔离梁和纵向隔离梁围成的方框位于上述方框中。检测质量块位于由横向隔离梁和纵向隔离梁围成的方框中，其四角分别与之相连。检测电容可动电极和驱动电容可动电极分别与检测弹性梁和驱动弹性梁相连。检测电容固定电极和驱动电容固定电极分别固定在基片上，且分别与检测电容可动电极和驱动电容可动电极的位置相对。本发明从结构设计上消除了机械耦合带来的测量干扰，提高了微机械陀螺的灵敏度，且不增加生产的工艺难度和加工成本，易于批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种全解耦电容式微机械陀螺，属于微机电系统(以下简称MEMS)中的惯性传感器技术领域。
背景技术
陀螺主要利用哥氏效应产生的哥氏力来测量运动物体相对惯性空间的角运动参数，在民用产品和国防产品领域可广泛用于对物体运动状态的测量及控制。传统的陀螺受体积、重量、功耗和成本等因素的限制，难以在民用领域推广应用。以集成电路(IC)工艺和精密机械加工工艺为基础制作的微机械陀螺具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等突出优点，因而可用于汽车运动状态控制系统、摄像机稳定系统、运动机械控制、机器人测控、大地测量、医用仪器等广泛的民用应用领域。
目前获得广泛应用的振动式微机械陀螺基本结构如图1所示。整个微机械陀螺的驱动质量块3、驱动电容可动电极5、驱动弹性梁1、检测质量块8、检测弹性梁2、检测电容可动电极6均被加工在同一硅片上，通过驱动弹性梁1固定在玻璃衬底上的锚点9上。驱动电容的固定电极4和检测电容的固定电极7也被固定在玻璃衬底上。x方向为微机械陀螺的横向驱动轴，y方向为纵向敏感轴。在驱动电容的固定电极4上施加周期性变化的电压，可使微机械陀螺驱动质量块3在驱动方向上产生周期性变化的静电驱动力，使驱动质量块3和检测质量块8产生x方向的振动。当z方向有敏感角速度输人时，由于哥氏力的作用，检测质量块8沿y方向产生振动，振幅的大小与静电驱动力以及z方向角速度大小成线性关系。随着检测质量块8的振动，检测电容的可动电极与固定电极之间的间距随即发生变化，使输出差动电容量改变，通过检测差动电容量的变化可实现振动幅度大小的检测，通过后级处理电路可获得z轴角速度。
上述的振动式微机械陀螺工作时存在着严重的驱动模态与检测模态之间的机械耦合问题，制约着微机械陀螺性能的进一步提高。图1所示的微机械陀螺在受到x方向静电力作用时，驱动质量块3带动检测质量块8同时沿x轴方向振动，使检测电容可动电极与固定电极的相对面积发生变化，导致检测电容的差动电容量也随之发生变化，从而给y方向振动信号的检测带来严重的干扰，降低了振动式微机械陀螺的性能，不易实现高精度的角速度测量。
发明内容
本发明的目的是提出一种全解耦电容式微机械陀螺，提供了一种检测电容与驱动方向振动无关的振动式微机械陀螺结构，可完全消除驱动模态与检测模态之间的机械耦合问题，有效抑制驱动方向的机械振动给检测信号带来的寄生干扰，提高振动式微机械陀螺的性能。
本发明提出的全解耦电容式微机械陀螺，包括检测质量块、检测弹性梁、检测电容可动电极、检测电容固定电极、驱动弹性梁、纵向隔离梁、横向隔离梁、驱动电容可动电极、驱动电容固定电极和立柱；所述的立柱固定在微机械陀螺的基片上；所述的驱动弹性梁和检测弹性梁围成方框，驱动弹性梁和检测弹性梁分别通过立柱与微机械陀螺的基片相对固定；所述的横向隔离梁和纵向隔离梁围成的方框位于上述由驱动弹性梁和检测弹性梁围成的方框中，所述的检测质量块位于由横向隔离梁和纵向隔离梁围成的方框中，检测质量块的四角分别与横向隔离梁和纵向隔离梁相连；所述的检测电容可动电极和驱动电容可动电极分别与检测弹性梁和驱动弹性梁相连；所述的检测电容固定电极和驱动电容固定电极分别固定在微机械陀螺的基片上，且分别与检测电容可动电极和驱动电容可动电极的位置相对；所述的横向隔离梁与驱动电容固定电极相对固定，所述的纵向隔离梁与检测电容可动电极相对固定。
本发明提出的全解耦电容式微机械陀螺，具有以下优点：
1、本发明的全解耦电容式微机械陀螺中，检测电容可动电极在检测折叠梁的约束下，只能进行横向运动；驱动电容可动电极在驱动折叠梁的约束下，只能进行纵向运动；敏感质量块进行平面运动时，由于纵向隔离梁和横向隔离的作用，敏感质量块的横向运动只能引起检测电容可动电极的运动，敏感质量块的纵向运动只能引起驱动电容可动电极的运动，因此检测电容可动电极和驱动电容可动电极的运动各自相互独立，因此在结构设计上完全解决了电容式微机械陀螺驱动模态与检测模态之间的机械交叉耦合问题。
2、本发明的电容式微机械陀螺只有一个质量块，在相同体积下具有较高的质量，易于实现高灵敏度角速度测量。
3、本发明提出的电容式微机械陀螺，与传统电容式微机械陀螺的加工方法完全相同，不增加生产工艺难度和加工成本，易于批量生产。
附图说明
图1是已有的双轴电容式微机械加速度计的平面结构示意图。
图2是本发明的平面结构示意图。
图1和图2中，1是驱动弹性梁，2是检测弹性梁，3是驱动质量块，4是驱动电容固定电极，5是驱动电容可动电极，6是检测电容可动电极，7是检测电容固定电极，8是检测质量块，9是锚点，10是纵向隔离梁，11是立柱，12是横向隔离梁。
具体实施方式
本发明提出的全解耦电容式微机械陀螺，其平面结构示意图如图2所示，包括检测质量块8、检测弹性梁2、检测电容可动电极6、检测电容固定电极7、驱动弹性梁1、纵向隔离梁10、横向隔离梁12、驱动电容可动电极5、驱动电容固定电极4和立柱11。立柱11固定在微机械陀螺的基片(图中未示出)上。驱动弹性梁1和检测弹性2梁围成方框，驱动弹性梁1和检测弹性梁2分别通过立柱11与微机械陀螺的基片相对固定。横向隔离梁12和纵向隔离梁10围成的方框位于上述由驱动弹性梁1和检测弹性梁2围成的方框中。检测质量块8位于由横向隔离梁12和纵向隔离梁10围成的方框中，检测质量块8的四角分别与横向隔离梁12和纵向隔离梁10相连。检测电容可动电极6和驱动电容可动电极5分别与检测弹性梁2和驱动弹性梁1相连。检测电容固定电极7和驱动电容固定电极4分别固定在微机械陀螺的基片上，且分别与检测电容可动电极6和驱动电容可动电极5的位置相对。横向隔离梁12与驱动电容固定电极4相对固定，所述的纵向隔离梁10与检测电容可动电极6相对固定。
本发明的全解耦电容式微机械陀螺中，敏感质量块、横向和纵向隔离梁、检测电容可动电极和驱动电容可动电极等，均采用常规的体硅加工工艺，通过掩膜、光刻和刻蚀等工艺，去除硅片上不需要的部分，最后得到完整的微结构。微机械陀螺中的基片可以采用玻璃衬底材料。
本发明的全解耦电容式微机械陀螺中，检测电容固定电极7和驱动电容固定电极4固定在玻璃衬底的基片上，检测电容可动电极6与检测电容固定电极7组成检测电容，驱动电容可动电极5与驱动电容固定电极4组成驱动电容。
本发明的全解耦电容式微机械陀螺的工作原理是：
在驱动电容固定电极4上施加周期性变化的电压，使驱动电容可动电极5在y方向上产生周期性变化的静电驱动力。由于驱动弹性梁1沿y轴方向的等效刚度很低，因此驱动电容可动电极5在驱动弹性梁1的约束下，只能作y轴方向的振动；由于横向隔离梁12沿y轴方向的等效刚度很大，因此驱动电容可动电极5通过横向隔离梁12可带动检测质量块8做相同的y向振动。由于检测折叠梁2沿y方向的刚度很大，纵向隔离梁10沿y轴方向的等效刚度很低，因此检测测质量块8的y向振动无法传递到检测电容可动电极6，检测电容可动电极6保持静止不动，完全消除了振动模态对检测模态的干扰影响。
当在z轴方向有角速度输入时，检测质量块8受到沿x轴方向的哥氏力作用，迫使检测质量块8沿x轴方向左右振动，振幅的大小与静电驱动力以及z方向角速度大小成线性关系。由于纵向隔离梁10沿x轴方向的等效刚度很大，因此检测质量块8通过纵向隔离梁10可带动检测电容可动电极6做相同的x向振动。由于横向隔离梁12沿x轴方向的等效刚度很低，驱动弹性梁1沿x轴方向的等效刚度很高，因此检测质量块8的x向振动无法传递到驱动电容可动电极5上，完全消除了检测模态对振动模态的干扰影响。
通过检测可动电极6与固定电极7的差动电容量变化，可实现z轴角速度的检测。
综上所述，本发明在设计上对振动式微机械陀螺进行了创新，在驱动质量块和检测质量块合二为一的情况下，可保证驱动电容可动电极的y方向运动只传递到检测质量块上，而检测质量块的x方向的运动只传递到驱动电容可动电极上，因此驱动电容可动电极的运动与检测电容可动电极的运动互不相关，从结构设计上完全消除了机械耦合带来的测量干扰，提高了微机械陀螺灵敏度。本发明与传统微机械陀螺的加工方法完全相同，不增加工艺难度和加工成本，易于批量生产。
Claims (1)
1.一种全解耦电容式微机械陀螺，其特征在于，该微机械陀螺包括检测质量块、检测弹性梁、检测电容可动电极、检测电容固定电极、驱动弹性梁、纵向隔离梁、横向隔离梁、驱动电容可动电极、驱动电容固定电极和立柱；所述的立柱固定在微机械陀螺的基片上；所述的驱动弹性梁和检测弹性梁围成方框，驱动弹性梁和检测弹性梁分别通过立柱与微机械陀螺的基片相对固定；所述的横向隔离梁和纵向隔离梁围成的方框位于上述由驱动弹性梁和检测弹性梁围成的方框中，所述的检测质量块位于由横向隔离梁和纵向隔离梁围成的方框中，检测质量块的四角分别与横向隔离梁和纵向隔离梁相连；所述的检测电容可动电极和驱动电容可动电极分别与检测弹性梁和驱动弹性梁相连；所述的检测电容固定电极和驱动电容固定电极分别固定在微机械陀螺的基片上，且分别与检测电容可动电极和驱动电容可动电极的位置相对；所述的横向隔离梁与驱动电容固定电极相对固定，所述的纵向隔离梁与检测电容可动电极相对固定。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2009102439597A CN101746708B (zh) | 2009-12-25 | 2009-12-25 | 一种全解耦电容式微机械陀螺 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2009102439597A CN101746708B (zh) | 2009-12-25 | 2009-12-25 | 一种全解耦电容式微机械陀螺 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101746708A true CN101746708A (zh) | 2010-06-23 |
| CN101746708B CN101746708B (zh) | 2011-07-20 |
Family
ID=42474423
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2009102439597A Active CN101746708B (zh) | 2009-12-25 | 2009-12-25 | 一种全解耦电容式微机械陀螺 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101746708B (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102221361A (zh) * | 2011-05-20 | 2011-10-19 | 西北工业大学 | 一种电容式微机械陀螺 |
| CN102313545A (zh) * | 2011-07-21 | 2012-01-11 | 西北工业大学 | 一种全对称杠杆放大电容式微机械陀螺 |
| CN104215236A (zh) * | 2013-06-05 | 2014-12-17 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | 一种mems反相振动陀螺仪及其制造工艺 |
| CN111595312A (zh) * | 2020-05-25 | 2020-08-28 | 东南大学 | 一种可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪及其加工方法 |
| CN113135548A (zh) * | 2021-04-20 | 2021-07-20 | 广州蜂鸟传感科技有限公司 | 一种压电微机械执行器 |
| CN114543780A (zh) * | 2020-11-24 | 2022-05-27 | 北京晨晶电子有限公司 | 角速度测量结构 |
-
2009
- 2009-12-25 CN CN2009102439597A patent/CN101746708B/zh active Active
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102221361A (zh) * | 2011-05-20 | 2011-10-19 | 西北工业大学 | 一种电容式微机械陀螺 |
| CN102221361B (zh) * | 2011-05-20 | 2013-04-03 | 西北工业大学 | 一种电容式微机械陀螺 |
| CN102313545A (zh) * | 2011-07-21 | 2012-01-11 | 西北工业大学 | 一种全对称杠杆放大电容式微机械陀螺 |
| CN104215236A (zh) * | 2013-06-05 | 2014-12-17 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | 一种mems反相振动陀螺仪及其制造工艺 |
| CN104215236B (zh) * | 2013-06-05 | 2016-12-28 | 中国科学院地质与地球物理研究所 | 一种mems反相振动陀螺仪及其制造工艺 |
| CN111595312A (zh) * | 2020-05-25 | 2020-08-28 | 东南大学 | 一种可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪及其加工方法 |
| CN111595312B (zh) * | 2020-05-25 | 2021-09-28 | 东南大学 | 一种可阵列环形耦合三轴全解耦微陀螺仪及其加工方法 |
| CN114543780A (zh) * | 2020-11-24 | 2022-05-27 | 北京晨晶电子有限公司 | 角速度测量结构 |
| CN114543780B (zh) * | 2020-11-24 | 2023-04-07 | 北京晨晶电子有限公司 | 角速度测量结构 |
| CN113135548A (zh) * | 2021-04-20 | 2021-07-20 | 广州蜂鸟传感科技有限公司 | 一种压电微机械执行器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101746708B (zh) | 2011-07-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101441081B (zh) | 一种振动式微机械陀螺 | |
| CN101038299A (zh) | 基于单质量块的单轴集成惯性测量器件 | |
| CN104807454B (zh) | 一种单片集成六自由度微惯性测量单元及其加工方法 | |
| CN101746708B (zh) | 一种全解耦电容式微机械陀螺 | |
| CN108955663B (zh) | 一种谐振式双轴微机械轮式陀螺 | |
| CN102062604A (zh) | 一种电容式微机械音叉陀螺仪 | |
| CN101759136B (zh) | 一种全解耦振动式微机械陀螺 | |
| CN112747731B (zh) | 一种基于面外振动的五质量块双轴检测硅微谐振式陀螺 | |
| CN102252668B (zh) | 硅微角振动输出陀螺仪 | |
| CN103900546A (zh) | 一种微机电六轴惯性传感器 | |
| CN113137959B (zh) | 一种微机械音叉陀螺 | |
| CN112284368A (zh) | 一种全差分高精度x轴硅微陀螺仪 | |
| CN102798386A (zh) | 三自由度谐振硅微机械陀螺仪 | |
| CN110146725A (zh) | 谐振式微机电加速度传感器及加速度计 | |
| CN102064021B (zh) | 一种微机械梳齿电容器 | |
| CN110702088B (zh) | 一种轮式双轴微机械陀螺 | |
| CN116907466B (zh) | 微机电三轴陀螺仪和电子设备 | |
| CN109556589A (zh) | 一种抗高过载的双质量块音叉式角速率陀螺仪 | |
| CN201352121Y (zh) | 一种振动式微机械陀螺 | |
| CN202216695U (zh) | 硅微角振动输出陀螺仪 | |
| CN209446068U (zh) | 一种抗高过载的双质量块音叉式角速率陀螺仪 | |
| CN102721831B (zh) | 基于折叠梁结构的一体差动式石英振梁加速度计 | |
| CN201561983U (zh) | 一种用于测量角速度的全解耦电容式微机械陀螺 | |
| CN207472267U (zh) | 一种转动输出的双质量块音叉角速率陀螺仪 | |
| Shah et al. | Design and analysis of a single-structure three-axis MEMS gyroscope with improved coupling spring |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20100623 Assignee: TANGSHAN UNIS INTELLIGENT ELECTRONIC CO., LTD. Assignor: Unis Co., Ltd. Contract record no.: 2013990000491 Denomination of invention: Complete coupling capacitance type micromachined gyroscope Granted publication date: 20110720 License type: Exclusive License Record date: 20130815 |
|
| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model |