CN102353371A - 静电驱动电容检测三轴微陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机电技术领域的静电驱动电容检测三轴微陀螺仪，它包括一个具有三个振动梁的等边三角形振子，三个与振动梁长度方向平行且具有间隙的驱动电极，六个与振动梁长度方向平行且具有间隙的侧面检测电极，三个与基底表面平行且和三角形振子表面具有间隙的上基板检测电极，上基板和下基板。本发明利用三角形振子的特殊振动模态，采用静电力驱动，利用检测电极和三角形振子间的电容变化来检测三个轴向的角速度。本发明采用MEMS微细加工工艺，结构简单，能实现三轴检测，加工工艺易于实现，可靠性高，抗冲击性强，在恶劣的环境下能够很好的工作。

Description

静电驱动电容检测三轴微陀螺仪

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的微陀螺，具体地说，涉及的是一种静电驱动电容检测三轴陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是一种能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。随着国防科技和航空、航天工业的发展，惯性导航系统对于陀螺仪的要求也向低成本、小体积、高精度、多轴检测、高可靠性、能适应各种恶劣环境的方向发展。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利“容性体声波陀螺仪”（专利申请号：200680054450.2）利用（100）硅片和（111）硅片上加工出具有圆盘状振子和环形电极的体声波陀螺仪，通过在环形电极上施加一定频率的电压信号，对振子施加静电力，激励振子产生体声波谐振模，当有角速度输入时，振子在科氏力作用下向另一简并的体声波谐振模转化，两个简并的体声波谐振模之间相差一定的角度，通过检测环形电极和振子间电容的变化即可检测输入角速度的变化。其中，利用圆盘状振子的一种面内振动模态时，可以检测与基底平面垂直方向的角速度（z轴），利用用圆盘状振子的一种面外振动模态时，可以检测基底平面内的轴向角速度（x轴或y轴）。

此技术存在如下不足：首先，检测z轴方向的角速度和检测x，y方向的角速度所用模态不一样，激励的方式也不一样，所以该体声波陀螺仪在实现多轴检测时容易引起正交误差，而且单个陀螺仪最多可以实现双轴（z轴和x轴或y轴）检测；其次，该容性体声波陀螺仪环形电极和圆盘状振子之间的电容间隙只有200nm，圆盘厚40μm，其深宽比高达200:1，电容间隙加工困难，且由于间隙小，侧壁表面粗糙度精度难以控制，工作过程中容易引起隧穿。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种结构简单，小体积，抗冲击，能同时实现多轴检测的静电驱动电容检测三轴微陀螺仪。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的静电驱动电容检测三轴微陀螺仪，包括一个具有三个振动梁的等边三角形振子，三个与振动梁长度方向平行且有间隙的驱动电极，六个与振动梁长度方向平行且有一定间隙的侧面检测电极，三个与基底表面平行且和三角形振子表面具有一定间隙的上基板检测电极，上基板和下基板。

所述三角形振子材料为金属，振子具有三个振动梁，三个振动梁首尾相接组成一个等边三角形的框架，框架由三个辐条状的结构支撑，通过一圆柱形支撑柱与基底联接。三角形振子的一端为上表面，另一端为下表面，其中下表面通过圆柱形支撑固定在下基板上，三角形振子的上下表面平行。

所述与振动梁长度方向平行的三个驱动电极材料为金属，形状为长方体，分别沿同三个振动梁平行且有一定间隙，位于三个振动梁中点位置处，用于激励三角形振子产生驱动模态。

所述与振动梁长度方向平行的三对侧面检测电极材料为金属，形状为长方体，每对检测电极位于每个驱动电极的两侧，用于检测垂直于基底平面方向(z轴)方向角速度的大小。

所述的上基板材料为玻璃等非金属材料，形状为圆盘状，其中位于圆盘下端的一个端面为下端面，位于圆盘上端的另外一个端面为上端面，其中下端面上固定有上基板检测电极，上下端面平行。

所述的上基板检测电极材料为金属，形状为等边三角形，共有三个，边长小于三角形振子边长的一半，均匀的分布在三角形振子在上基板下端面的三角形投影的三个角上，用于检测基底平面内相互垂直的两个方向上（x轴和y轴）角速度的大小。

所述的下基板材料为玻璃等非金属材料，形状为圆盘状，三角形振子、驱动电极和与振动梁长度方向平行的侧面检测电极都固定在下基板上。

所述三角形振子的三个振动梁为等边三角形的三个边，三个支撑梁分别连接等边三角形的三个顶点和等边三角形外接圆的圆心，圆柱形的支撑位于三角形外接圆圆心处，下端同下基板相连。

所述三个驱动电极和六个与振动梁长度方向平行的侧面检测电极分别沿与三个振动梁平行的方向配置，且与振动梁之间有一定间隙，每个驱动电极两侧分别是两个与驱动梁平行的侧面检测电极，驱动电极和侧面检测电极都固定在下基板上。

所述上基板和下基板平行且都平行于三角形振子的上下端面，上基板检测电极所围成的等边三角形的三条边和三角形振子上端面的三条边对应平行且上基板检测电极所围成的三角形外接圆的圆心和三角形振子的外接圆圆心的连线垂直于基底平面。上基板检测电极和三角形振子的上端面构成电容。

本发明利用具有三个振动梁的等边三角形振子的特殊模态作为参考振动，在该模态下三个振动梁沿垂直于振动梁长度的方向振动。通过在与振动梁平行且有一定间隙的驱动电极上施加电压对振子施加静电力激励振子产生驱动模态。当有基底平面内（x轴或y轴）的角速度输入时，在科氏力的作用下，陀螺受到一个倾覆力矩的作用，三角形振子会产生平面外的振动，其中x轴和y轴角速度输入时三角形产生的平面外的振动方式不同。当有垂直于基底表面（z轴）的角速度输入时，在科氏力作用下，陀螺振子受到一个旋转力矩的作用，三角形振子会沿垂直于基底表面（z轴）的方向绕圆柱形支撑柱旋转一定的角度且旋转的角度大小同输入角速度的大小成正比。通过和三角形振子上下端面平行的三个上基板检测电极和三角形振子上端面形成的三对电容输出的变化可检测基底平面内（x轴或y轴）的角速度的大小。通过和振动梁长度方向平行的三对检测电极同振动梁侧面组成的三对差分电容输出的变化可检测垂直于基底表面（z轴）的方向角速度的大小。

本发明静电驱动电容检测三轴陀螺仪的制作方法可以采用MEMS微细加工工艺，利用牺牲层工艺首先在下基板上沉积生成支撑柱、驱动电极和侧面检测电极的一部分，然后沉积生成三角形振子、驱动电极和侧面检测电极的另一部分，在上基板上同样利用牺牲层工艺沉积出上基板检测电极，最后将上下基板两部分装配在一起。

与现有技术相比，本发明的优点在于：利用三角形振子的特殊模态，能够同时敏感三轴方向的角速度；采用具有三个振动梁的等边三角形振子，结构简单，驱动电极和检测电极同振动梁间的间隙为微米级，振子结构的深宽比小于40:1，加工工艺易于实现；利用静电力驱动三角形振子产生驱动模态，通过检测三角形振子同检测电极之间的电容变化，能够准确的检测三个轴向角速度的大小。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明下基板部分的结构示意图；

图3是本发明上极板部分的结构示意图图；

图4是本发明中三角形振子的结构示意图；

图5是本发明中三角形振子的驱动模态示意图；

图6是本发明中输入x方向角速度时陀螺受力和变形示意图；

图7是本发明中输入y方向角速度时陀螺受力和变形示意图；

图8是本发明中输入z方向角速度时陀螺受力和变形示意图。

图中：1 三角形振子，2 驱动电极，3 侧面检测电极，4 下基板，5上基板， 6上基板检测电极，7 振动梁，8 支撑梁，9支撑柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例是在本发明技术方案前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、图2、图3所示，本实施例包括一个具有三个振动梁的等边三角形振子1，三个与振动梁长度方向平行且有一定间隙的驱动电极2，六个与振动梁长度方向平行且有间隙的侧面检测电极3，下基板4，上基板5，和三个与基底表面平行且和三角形振子表面具有间隙的上基板检测电极6。

如图4所示，本实施例中，三角形振子1材料为金属，振子具有三个振动梁7，三个振动梁首尾相接组成一个等边三角形的框架，框架由三个辐条状的支撑梁8支撑，通过一圆柱形支撑柱9固定在下基板4上。三角形振子1的一端为上表面，另一端为下表面，其中下表面通过圆柱形支撑柱9固定在下基板4上，三角形振子1的上下表面平行。

本实施例中，与振动梁7长度方向平行的三个驱动电极2材料为金属，形状为长方体，分别沿同三个振动梁7平行且有一定间隙，位于三个振动梁7中点位置处，用于激励三角形振子1产生驱动模态。

本实施例中，与振动梁长度方向平行的三对侧面检测电极3材料为金属，形状为长方体，每对检测电极3位于每个驱动电极2的两侧，用于检测垂直于基底平面方向(z轴)方向角速度的大小。

本实施例中，上基板5材料为玻璃等非金属材料，形状为圆盘形，其中位于圆盘下端的一个端面为下端面，位于圆盘上端的另外一个端面为上端面，其中下端面上固定有上基板检测电极，上下端面平行。

本实施例中，上基板检测电极6材料为金属，形状为等边三角形，共有三个，边长小于三角形振子1边长的一半，均匀的分布在三角形振子1在上基板5下端面的三角形投影的三个角上，用于检测基底平面内相互垂直的两个方向上（x轴和y轴）角速度的大小。

本实施例中，下基板4材料为玻璃等非金属材料，形状为圆盘状，三角形振子1、驱动电极2和与振动梁长度方向平行的侧面检测电极3都固定在下基板4上。

本实施例中，三角形振子1的三个振动梁7为等边三角形的三个边，三个支撑梁8分别连接等边三角形的三个顶点和等边三角形外接圆的圆心，圆形的支撑柱9位于三角形外接圆圆心处，下端同下基板4相连。三个驱动电极2和六个与振动梁长度方向平行的侧面检测电极3分别沿与三个振动梁7平行的方向配置，且与振动梁7之间有一定间隙，每个驱动电极2两侧分别是两个与驱动梁平行的侧面检测电极3，驱动电极2和侧面检测电极3都固定在下基板4上。上基板5和下基板4平行且都平行于三角形振子1的上下端面，上基板检测电极6所围成的等边三角形的三条边和三角形振子1上端面的三条边对应平行且上基板检测电极6所围成的三角形外接圆的圆心和三角形振子1的外接圆圆心的连线垂直于基底平面。上基板检测电极6和三角形振子1的上端面构成电容。

如图5所示，通过有限元分析的方法得到三角形振子的一个特殊模态，在该模态下三个振动梁7分别沿垂直于振动梁7长度的方向振动，且其同时指向或背离三角形振子1中心的支撑柱9。通过在三个驱动电极2上施加相同的正弦电压信号即可产生静电力激励三角形振子1产生驱动模态。

如图6、图7所示，分别为当有基底平面内x轴和y轴方向角速度输入时，陀螺的受力和变形示意图，在科氏力的作用下，三角形振子1受到一个倾覆力矩的作用，三角形振子1会产生平面外的振动，振动的幅值和输入角速度成正比。图8所示为当有垂直于基底表面z轴方向的角速度输入时，陀螺的受力和变形示意图，在科氏力作用下，三角形振子1受到一个旋转力矩的作用，三角形振子1会沿垂直于基底表面（z轴）的方向绕圆柱形支撑柱9旋转一定的角度且旋转的角度大小同输入角速度的大小成正比。通过和三角形振子1上下端面平行的三个上基板检测电极6和三角形振子1上端面形成的三对电容输出的变化可检测基底平面内（x轴或y轴）的角速度的大小。通过和振动梁长度7方向平行的三对检测电极6同振动梁7侧面组成的三对差分电容输出的变化可检测垂直于基底表面（z轴）的方向角速度的大小。

本实施例上述的静电驱动电容检测三轴微陀螺仪，制作方法可以采用MEMS微细加工工艺，利用牺牲层工艺在下基板上旋涂厚光刻胶如SU-8，利用制作好的掩模板进行光刻，之后显影、图形化，在图形化的光刻胶掩模上溅射金属，形成圆柱形支撑柱9以及驱动电极2和侧面检测电极3的下部分。重复上一步的操作再光刻、显影，溅射金属形成三角形振子1以及驱动电极2和侧面检测电极3的上部分。在上基板上利用牺牲层工艺沉积出上基板检测电极6，最后将上基板部分和下基板部分装配在一起。

本实施例利用三角形振子1的特殊模态，能够同时敏感三轴方向的角速度；采用具有三个振动梁7的等边三角形振子1，结构简单，驱动电极2和检测电极（包括侧面检测电极3和上基板检测电极6）同振动梁7间的间隙为微米级，振子1结构的深宽比小于40:1，加工工艺易于实现；利用静电力驱动三角形振子1产生驱动模态，通过检测三角形振子1同检测电极（包括侧面检测电极3和上基板检测电极6）之间的电容变化，能够准确的检测三个轴向角速度的大小。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围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畴。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也都应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种静电驱动电容检测三轴微陀螺仪，其特征在于：它包括一个具有三个振动梁的等边三角形振子；三个与振动梁长度方向平行且具有间隙的驱动电极；六个与振动梁长度方向平行且具有间隙的侧面检测电极；三个与基底表面平行且和三角形振子表面具有间隙的上基板检测电极；以及上基板和下基板。

2.根据权利要求1所述的静电驱动电容检测三轴微陀螺仪，其特征是所述三角形振子材料为金属，振子具有三个振动梁，三个振动梁首尾相接组成一个等边三角形的框架，框架由三个辐条状的支撑梁支撑，通过一圆柱形支撑柱与基底联接，三角形振子的一端为上表面，另一端为下表面，其中下表面通过圆柱形支撑固定在下基板上，三角形振子的上下表面平行。

3.根据权利要求2所述的静电驱动电容检测三轴微陀螺仪，其特征是所述三角形振子的三个振动梁为等边三角形的三个边，三个支撑梁分别连接等边三角形的三个顶点和等边三角形外接圆的圆心，圆柱形的支撑柱位于三角形外接圆圆心处，下端同下基板相连。

4.根据权利要求1所述的静电驱动电容检测三轴微陀螺仪，其特征是所述三个驱动电极和六个与振动梁长度方向平行的侧面检测电极分别沿与三个振动梁平行的方向配置，且与振动梁之间有间隙，每个驱动电极两侧分别是两个与驱动梁平行的侧面检测电极，驱动电极和侧面检测电极都固定在下基板上；驱动电极、侧面检测电极和上基板检测电极同振动梁间的间隙为微米级。

5.根据权利要求1或4所述的静电驱动电容检测三轴微陀螺仪，其特征是所述与振动梁长度方向平行的三个驱动电极材料为金属，形状为长方体，分别同三个振动梁平行且有间隙，位于三个振动梁中点位置处，用于激励三角形振子产生驱动模态。

6.根据权利要求1或4所述的静电驱动电容检测三轴微陀螺仪，其特征是所述与振动梁长度方向平行的三对侧面检测电极材料为金属，形状为长方体，每对检测电极位于每个驱动电极的两侧，用于检测垂直于基底平面方向即z轴方向角速度的大小。

7.根据权利要求1所述的静电驱动电容检测三轴微陀螺仪，其特征是所述上基板和下基板平行且都平行于三角形振子的上下端面，上基板检测电极所围成的等边三角形的三条边和三角形振子上端面的三条边对应平行且上基板检测电极所围成的三角形外接圆的圆心和三角形振子的外接圆圆心的连线垂直于基底平面，上基板检测电极和三角形振子的上端面构成电容。

8.根据权利要求1或7所述的静电驱动电容检测三轴微陀螺仪，其特征是所述的上基板材料为非金属材料，形状为圆盘形，圆盘上下端面平行。

9.根据权利要求1或7所述的静电驱动电容检测三轴微陀螺仪，其特征是所述上基板检测电极材料为金属，形状为等边三角形，共有三个，边长小于三角形振子边长的一半，均匀的分布在三角形振子在上基板下端面的三角形投影的三个角上，用于检测基底平面内相互垂直的两个方向上即x轴和y轴角速度的大小。

10.根据权利要求1或7所述的静电驱动电容检测三轴微陀螺仪，其特征是所述的下基板材料为非金属材料，形状为圆盘状，下基板上固定三角形振子、驱动电极和与振动梁长度方向平行的侧面检测电极。

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