CN101876547B - 一种采用静电平衡梳齿驱动器的水平轴微机械音叉陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用静电平衡梳齿驱动器的水平轴微机械音叉陀螺，它包括衬底、一组以上的驱动电容、两检测质量块、驱动折叠梁、框架、一组以上的检测电容、检测折叠梁和锚点；每组驱动电容的一侧与相邻的检测质量块连接，检测质量块通过驱动折叠梁固定连接框架，框架分别连接检测电容和检测折叠梁，检测折叠梁连接固定在衬底上的锚点；每组驱动电容的另一侧依次通过驱动折叠梁和框架连接到检测折叠梁，检测折叠梁连接固定在衬底上的锚点。本发明由于采用的驱动可动梳齿与驱动固定梳齿沿Z轴方向厚度相同、位置不同、且对称分布，因此实现了有效地抑制从检测模态到驱动模态的耦合，提高了陀螺的灵敏度和分辨率。本发明可以广泛应用于各种领域中物体转动角速度的检测中。

Description

一种采用静电平衡梳齿驱动器的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，特别是关于一种采用静电平衡梳齿驱动器的水平轴微机械音叉陀螺。

背景技术

微机械陀螺是用微机械工艺加工的特征尺寸在微米量级的陀螺，体积小、重量轻、成本低、功耗小及易集成，因而有着广泛而迫切的市场需求，强劲的市场驱动大大推动了微机械陀螺的快速发展，目前已成功应用于汽车、消费电子等民用以及航天器和战术导弹等军用领域。随着应用领域的拓展和使用要求的提高，单片集成多敏感轴惯性传感器和微惯性测量单元已被提上日程。这就需要在同一个芯片上同时加工出三个敏感轴相互垂直的微机械陀螺。目前研究较多的是用于检测垂直于器件表面方向角速度的Z轴微机械陀螺。因为结构上的对称性，可实现差分检测及在原理上对线加速度不敏感等特点，微机械音叉陀螺是目前最成功的微机械陀螺类型之一。其中Z轴微机械音叉陀螺的偏值稳定性已达0.1°/h。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集成微机械音叉陀螺的一项关键技术。由于尺寸小、信号弱，各种耦合就成了微机械陀螺的重要误差源，其中两个工作模态之间的机械耦合不仅给微机械陀螺带来正交误差、影响偏置稳定性，而且降低陀螺的动态范围。因此，对两个工作模态间的机械耦合进行解耦是实现高性能陀螺的必要措施。

现有的高性能微机械音叉陀螺多采用机械隔离的办法，即通过在结构设计上采用独立的检测或驱动梁以及附加质量块来隔离从驱动模态到检测模态的机械耦合。如伯恩斯坦等在1993年的微机电系统研讨会(MEMS’93)上发表的“一种微机械梳齿驱动的音叉式角速率陀螺”和沙马等人在第二十一届微机电系统国际会议(MEMS’08)上发表的“偏置稳定性为0.1°/hr的采用静电匹配的音叉式微陀螺”(J.Bernstein，S.Cho，等“A Micromachined Comb-Drive Tuning Fork RateGyroscope”，in Proc.IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop(MEMS’93)，Fort Lauderdale，FL，Feb.1993，pp.143-148.和A.Sharma，M.F.Zaman，M.Zucher，F.Ayazi，“A 0.1°/hr bias drift electronically matchedtuning fork microgyroscope，”，in Proc.21th Int.Conf.Microelectromechanical Systems(MEMS’08)，Tucson，USA，Jan.2008，pp.1-9)。该措施是由布莱克梅尔(M.Braxmaier)和盖博尔(，A.Gaiber)等提出并发展，能有效隔离微机械陀螺中从驱动模态到检测模态的机械耦合并被广泛应用。但是，上述高性能音叉陀螺没有采取措施解决从检测模态到驱动模态的机械耦合问题，该耦合也是陀螺的一个典型的误差源，尤其是对高性能陀螺而言。对于多数单检测质量微机械陀螺而言，从驱动模态到检测模态和从检测模态到驱动模态间的机械耦合都可以采用机械隔离的办法来解决，如M.Braxmaier，A.Gaiber，等在2003年固态传感器、执行器和微系统国际会议上发表的“振动式陀螺振动模态的交叉耦合”(“Cross-coupling of the oscillation modes of vibratorygyroscopes，”in Proc.Int.Conf.on Solid State Sensors，Actuators，andMicrosystems，Boston，MA，Jun.2003，pp.167-170)。但是，如果将这种解耦方法用于水平轴微机械音叉陀螺，将使陀螺结构过于复杂，而且，由于需要更多的梁和附加质量块，将使有效检测质量块变小，降低微机械陀螺的空间利用率，降低陀螺灵敏度和分辨率。如何以简单而有效的方式解决两个模态之间的机械耦合则是实现高性能水平轴微机械音叉陀螺的一项重要技术。

同时，现有的电容式微机械音叉陀螺因采用变间隙检测电容，检测模态受压膜阻尼影响大，往往需要真空封装，从而提高了器件成本。且目前为实现常压下工作的高性能水平轴微机械音叉陀螺，其在结构布局上不够优化，而且，由于加工误差等原因，在工作时，从检测模态到驱动模态的耦合不能完全被抑制，这种残余的耦合同样会影响陀螺性能。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种在常压下线性度较高、且能实现差分检测Y轴方向角速度信息的双解耦电容式的采用静电平衡梳齿驱动器的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：一种采用静电平衡梳齿驱动器的水平轴微机械音叉陀螺，其特征在于：它包括一衬底、一组以上的驱动电容、两检测质量块、驱动折叠梁、框架、一组以上的检测电容、检测折叠梁和锚点；每组所述驱动电容的一侧与各自相邻的所述检测质量块连接，每个所述检测质量块通过所述驱动折叠梁固定连接所述框架，所述框架分别连接所述检测电容和检测折叠梁，所述检测折叠梁固定连接所述锚点，所述锚点固定在所述衬底上；每组所述驱动电容的另一侧依次通过所述驱动折叠梁和框架连接到所述检测折叠梁，所述检测折叠梁固定连接固定在所述衬底上的所述锚点。

每组所述驱动电容包括驱动可动梳齿、驱动固定梳齿和驱动固定梳齿锚点，一侧所述驱动可动梳齿连接所述检测质量块，另一侧所述驱动可动梳齿通过所述驱动折叠梁连接到所述框架，所述驱动可动梳齿和驱动折叠梁分别相对于陀螺X轴、Y轴对称分布；所述驱动固定梳齿连接各自对应的所述固定梳齿锚点，所述固定梳齿锚点固定在所述衬底上，两所述检测质量块对所述驱动可动梳齿为单独驱动和共同驱动的其中一种驱动方式，且驱动方式采用开环和闭环其中之一。

所述驱动可动梳齿与所述驱动固定梳齿沿Z轴方向的厚度相同，相对于Z轴的位置相异，且分布相对于Z轴和X轴对称。

每组所述检测电容包括检测可动梳齿、检测固定梳齿和检测固定梳齿锚点，所述检测可动梳齿通过所述框架连接所述驱动折叠梁，所述检测固定梳齿固定连接固定在所述衬底上的所述检测固定梳齿锚点；每组所述检测电容采用开环检测和闭环检测其中之一。

每组所述驱动电容位于陀螺的中心位置，置于检测轴Y轴附近，且呈对称分布；每组所述检测电容位于陀螺两边的最外侧，且相对于敏感轴对称分布。

所述衬底采用硅、氧化硅和玻璃材料其中之一制作；每组所述驱动电容、两检测质量块、驱动折叠梁、框架、每组检测电容和检测折叠梁采用硅和钛其中之一材料制作。

所述驱动折叠梁和检测折叠梁的结构是弯曲变形梁、扭转变形梁和弯扭组合梁其中之一。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用的各驱动可动梳齿与各驱动固定梳齿沿Z轴方向的厚度相同，但相对于Z轴的位置不同，且两者分布相对于Z轴和X轴对称。这样一方面使得在驱动电压下，驱动固定梳齿和驱动可动梳齿之间沿Z轴向上和向下的静电力平衡，其合力为零；另一方面，在驱动电压下，驱动固定梳齿对驱动可动梳齿沿X轴正向和负向的静电力矩平衡，其合力矩为零。因此实现了有效地抑制从检测模态到驱动模态的耦合，进而提高了陀螺的线性度。2、本发明由于采用的每组驱动电容位于陀螺的中心位置，置于检测轴Y轴附近，且每组驱动电容呈对称分布；每组检测电容位于陀螺两边的最外侧，且每组检测电容相对于敏感轴对称分布。这样有利于减小因加工误差等原因导致驱动电容的驱动固定梳齿和驱动可动梳齿之间沿Z轴向上和向下的静电力不平衡的影响，而且驱动电容和检测电容之间的空间距离较大，因此大大减小了驱动电容和检测电容之间的机电耦合，进一步提高了陀螺的灵敏度和分辨率。3、本发明由于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，进而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，降低了成本。本发明可以广泛应用于各种领域中物体转动角速度的检测中。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图

图2是本发明的驱动可动梳齿与驱动固定梳齿结构示意图

图3是图2的A-A剖视图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明为Y轴微机械音叉陀螺，它包括一衬底1、一组以上的驱动电容2、两检测质量块3、驱动折叠梁4、框架5、一组以上的检测电容6、检测折叠梁7和锚点8。每组驱动电容2的一侧与各自相邻的检测质量块3连接，每个检测质量块3通过驱动折叠梁4固定连接框架5，框架5分别连接检测电容6和检测折叠梁7，检测折叠梁7固定连接锚点8，锚点8固定在衬底1上；每组驱动电容2的另一侧依次通过驱动折叠梁4和框架5连接到检测折叠梁7，检测折叠梁7固定连接固定在衬底1上的锚点8。

上述实施例中，每组驱动电容2包括两驱动可动梳齿9、两驱动固定梳齿10和两驱动固定梳齿锚点11，其中一侧驱动可动梳齿9连接检测质量块3，另一侧驱动可动梳齿9通过驱动折叠梁4连接到框架5，驱动可动梳齿9和驱动折叠梁4分别相对于陀螺X轴、Y轴对称分布。两驱动固定梳齿10连接各自对应的固定梳齿锚点11，各固定梳齿锚点11固定在衬底1上。两检测质量块3可以实现对驱动可动梳齿9的单独驱动或共同驱动，其驱动方式可以采用开环或闭环，即可以单边梳齿驱动也可以双边梳齿差动驱动。

如图2、图3所示，上述实施例中，各驱动可动梳齿9与各驱动固定梳齿10沿Z轴方向的厚度相同，但相对于Z轴的位置不同，且两者分布相对于Z轴和X轴对称。

如图1所示，上述实施例中，每组检测电容6包括检测可动梳齿12、检测固定梳齿13和检测固定梳齿锚点14，检测可动梳齿12通过框架5连接两驱动折叠梁4，检测固定梳齿14固定连接固定在衬底1上的检测固定梳齿锚点14。每组检测电容6可以采用开环检测或闭环检测两种检测方式。

上述各实施例中，每组驱动电容2位于陀螺的中心位置，置于检测轴Y轴附近，且每组驱动电容2呈对称分布；每组检测电容6位于陀螺两边的最外侧，且每组检测电容6相对于敏感轴对称分布。

上述各实施例中，衬底1可以采用硅、氧化硅、玻璃等材料制作；每组驱动电容2、两检测质量块3、驱动折叠梁4、框架5、每组检测电容6和检测折叠梁7可以采用硅、钛等材料制作。本发明采用的驱动折叠梁4和检测折叠梁7可以是弯曲变形梁、扭转变形梁或弯扭组合梁，进而实现陀螺的离面扭摆运动。

本发明在使用时，利用哥氏力来测量物体角速度，驱动固定梳齿11在驱动电压作用下，对驱动可动梳齿9施加静电力，驱动可动梳齿9带动两检测质量块3沿X轴振动。其中，两检测质量块3的相位相差为180°，且沿X轴的谐振频率可以相等，以实现较高地灵敏度；也可以有差别，以提高陀螺的带宽。当系统有Y轴方向角速度输入时，两个检测质量块3通过驱动折叠梁4和框架5带动检测可动梳齿12沿Z轴作反相振动，从而引起电容变化，通过两侧检测电容6的差分信号即可获得沿Y轴方向输入的角速度信息。

上述各实施例仅是本发明的优选实施方式，在本技术领域内，凡是基于本发明技术方案上的变化和改进，不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种采用静电平衡梳齿驱动器的水平轴微机械音叉陀螺，其特征在于：它包括一衬底、一组以上的驱动电容、两检测质量块、驱动折叠梁、框架、一组以上的检测电容、检测折叠梁和锚点；每组所述驱动电容的一侧与各自相邻的所述检测质量块连接，每个所述检测质量块通过所述驱动折叠梁固定连接所述框架，所述框架分别连接所述检测电容和检测折叠梁，所述检测折叠梁固定连接所述锚点，所述锚点固定在所述衬底上；每组所述驱动电容的另一侧依次通过所述驱动折叠梁和框架连接到所述检测折叠梁；

每组所述驱动电容包括驱动可动梳齿、驱动固定梳齿和驱动固定梳齿锚点，一侧所述驱动可动梳齿连接所述检测质量块，另一侧所述驱动可动梳齿通过所述驱动折叠梁连接到所述框架，所述驱动可动梳齿和驱动折叠梁分别相对于陀螺X轴、Y轴对称分布；所述驱动固定梳齿连接各自对应的所述固定梳齿锚点，所述固定梳齿锚点固定在所述衬底上；所述驱动可动梳齿与所述驱动固定梳齿沿Z轴方向的厚度相同，相对于Z轴的位置相异，且分布相对于Z轴和X轴对称；

每组所述检测电容包括检测可动梳齿、检测固定梳齿和检测固定梳齿锚点，所述检测可动梳齿通过所述框架连接所述驱动折叠梁，所述检测固定梳齿固定连接固定在所述衬底上的所述检测固定梳齿锚点；每组所述驱动电容位于陀螺的中心位置，置于检测轴Y轴附近，且呈对称分布；每组所述检测电容位于陀螺两边的最外侧，且相对于敏感轴对称分布。

2.如权利要求1所述的一种采用静电平衡梳齿驱动器的水平轴微机械音叉陀螺，其特征在于：每组所述检测电容采用开环检测和闭环检测其中之一。

3.如权利要求1或2所述的一种采用静电平衡梳齿驱动器的水平轴微机械音叉陀螺，其特征在于：所述衬底采用硅、氧化硅和玻璃材料其中之一制作；每组所述驱动电容、两检测质量块、驱动折叠梁、框架、每组检测电容和检测折叠梁采用硅和钛其中之一材料制作。

4.如权利要求1或2所述的一种采用静电平衡梳齿驱动器的水平轴微机械音叉陀螺，其特征在于：所述驱动折叠梁和检测折叠梁的结构是弯曲变形梁、扭转变形梁和弯扭组合梁其中之一。

5.如权利要求3所述的一种采用静电平衡梳齿驱动器的水平轴微机械音叉陀螺，其特征在于：所述驱动折叠梁和检测折叠梁的结构是弯曲变形梁、扭转变形梁和弯扭组合梁其中之一。

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