CN102506843A - 一种间接连接型音叉振动式微机械陀螺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种间接连接型音叉振动式微机械陀螺，该陀螺由第一基板及悬于其上方的第二基板组成，第一基板和第二基板通过四个锚点固定；第二基板包括对称的左结构和右结构以及连接左右两边的中间结构；所述左结构或右结构包括一个带驱动梳齿的驱动质量块、两个检测质量块以及四个驱动弹性梁，带有检测栅形可动栅极和检测可动梳齿的检测质量块位于驱动质量块的内部，通过一个检测弹性梁和驱动质量块连接；中间结构包括与驱动弹性梁相连的两个中间耦合质量块和通过四个锚点与中间耦合质量块相连的四个中间耦合弹性梁。本陀螺采用硅微加工技术制备，在大气环境下可获得较高灵敏度、较稳定的检测输出，可应用于复杂环境仍能保持较高精度和稳定性。

Description

一种间接连接型音叉振动式微机械陀螺
技术领域
本发明属于微电子机械系统领域，涉及一种间接连接型音叉振动式微机械陀螺，特别是涉及一种左结构和右结构间接连接、静电梳齿驱动和静电梳齿电容和平行板电容相结合共同检测的、主要的阻尼为滑膜阻尼的音叉振动式微机械陀螺。
背景技术
微机械陀螺是利用科氏效应来检测转动物体角速度的一种微惯性传感器。采用微电子机械加工技术制备的微机械陀螺因其成本低、体积小、质量轻、功耗低、结构与工艺简单以及适合量产等特点，广泛应用于航空航天、军事、汽车、消费电子产品等领域。音叉振动式微机械陀螺是一种具有对称结构的典型微机械陀螺，与传统微机械陀螺相比具有双倍的检测输出、有效的抑制轴向加速度干扰、较高的品质因子(Q值)和灵敏度等特点。音叉振动式微机械陀螺的两个对称结构若通过中间质量块-弹簧结构间接相连，则这种陀螺就是间接连接型音叉振动式微机械陀螺，这种陀螺对提高驱动方向振动并消除检测方向干扰模态的影响有一定促进作用，因此，受到国内外学者的广泛关注。
微机械陀螺通常的驱动方式是电磁驱动和静电驱动两种。电磁驱动采用洛仑兹力来实现，驱动力较大，但是不稳定，并且需要一定附加绝缘措施，工艺复杂；静电驱动是利用两组电极之间的静电吸引力实现，驱动力较小，但驱动稳定，无需附加措施，较易实现。
微机械陀螺通常的检测方式是梳齿压阻检测、静电梳齿电容检测和平行板电容检测三种。梳齿压阻检测通过梳齿之间距离改变从而使电容发生改变进行检测的，其阻尼是典型的压膜阻尼，影响系统品质因子的提高，采用这种检测方式的陀螺往往需要真空封装，以避免灵敏度的降低；静电梳齿电容检测通过梳齿之间交叠面积的改变从而使电容发生改变进行检测的，其阻尼是压膜阻尼和滑膜阻尼，压膜阻尼的存在使系统品质因子降低的可能，但主要是滑膜阻尼，使系统保证较高的品质因子；平行板电容检测与静电梳齿电容检测类似，也是通过交叠面积的改变而实现电容检测，不同的是其阻尼均属于滑膜阻尼，无需真空封装，在大气压下就能获得较高的灵敏度，缺点是需要严格控制加工精度以保证固定栅极和可动栅极的对中。
如能设计一种结构形式，可采用静电驱动，能将平行板电容检测和静电梳齿电容检测结合并用的双重检测方法，而且能将两种检测方式优点相结合的话，则不仅能解决上述单一检测方式的各种缺点，能在大气环境下可获得更高灵敏度、更稳定的检测输出，而且在复杂环境中仍能保持较高精度和稳定性，获得现在采用单一检测方式的产品不能达到的优良性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种间接连接型音叉振动式微机械陀螺，能提供稳定的驱动力和两种检测方式优点相结合的并行检测方式，获得较高灵敏度和稳定的检测输出。
为实现上述目的，本发明提出以下技术解决方案：一种间接连接型音叉振动式微机械陀螺，其特征在于：
(a)该陀螺由第一基板及悬于第一基板上方的第二基板组成，第一基板和第二基板通过四个锚点固定；
(b)所述第一基板包括两组对称的检测栅形固定电极、两个检测梳齿固定电极、两组对称的驱动梳齿固定电极，所述各固定电极通过电极锚点固定；
(c)第二基板包括对称的左结构和右结构以及连接左结构和右结构的中间结构；左结构或右结构包括一个带驱动梳齿的驱动质量块、两个位于驱动质量块内部的检测质量块以及驱动质量块外沿的驱动弹性梁，所述检测质量块包括检测栅形可动栅极和检测可动梳齿，并通过检测弹性梁和驱动质量块连接；中间结构包括与驱动弹性梁相连的两个中间耦合质量块和通过四个锚点与中间耦合质量块相连的四个中间耦合弹性梁。
所述第二基板的每个检测质量块均与驱动质量块连接，每个驱动质量块通过四个驱动弹性梁与中间耦合质量块连接，每个中间耦合质量块通过两个中间耦合弹性梁与第一基板锚接在一起。
所述驱动弹性梁和中间耦合弹性梁均采用“U+I”结构型梁，即采用U型结构，但U型的一边比另一边长一段；检测弹性梁采用等腰梯形结构。
每个驱动质量块带有一组驱动梳齿，驱动梳齿左右对称分布，驱动梳齿和驱动梳齿固定电极通电后能产生驱动方向的静电驱动力。
每个检测质量块在检测方向一端通过检测弹簧梁与驱动质量块相连，另外一端带有检测可动梳齿，每个检测质量块有检测栅形可动栅极，检测可动梳齿与检测梳齿固定电极共同构成梳齿电容检测，检测栅形可动栅极和检测栅形固定电极共同构成平行板电容检测。
第一基板上驱动梳齿固定电极与第二基板上驱动梳齿一一对应，梳齿之间的间距相等；第一基板上检测梳齿固定电极与第二基板上检测可动梳齿一一对应，梳齿之间的间距相等；第一基板上的检测栅形固定电极与第二基板上的检测栅形可动栅极的各栅形电极一一对应，检测栅形可动栅极的厚度等于驱动质量块的厚度；所有梳齿之间交叠部分的长度远远大于梳齿之间的距离。
第一基板上的检测栅形固定电极上表面与第二基板的检测栅形可动栅极下表面之间的间隙小于检测栅形可动栅极的栅条宽度。
第一基板与第二基板之间为滑膜阻尼；所有梳齿之间驱动和检测运动均属于平行板电容切向运动，也属于滑膜阻尼。
第一基板采用Pyrex 7740玻璃基板，第二基板采用导电单晶硅片。
本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：
1.采用静电梳齿驱动方式，避免了电磁驱动力不稳定，提供较为驱动稳定，无需附加措施，较易实现；
2.充分利用检测质量块的设计空间，同时实现静电梳齿电容检测和平行板电容电容检测，并将两种检测方式优点相结合，避免采用单一方式影响检测精度；
3.从驱动和检测方式可见，主要采用的滑膜阻尼，陀螺在大气环境下即可获得较高的品质因子，可以有效提高器件的灵敏度，无需真空封装即可工作，降低了器件的加工成本；
4.采用中间耦合结构，使左结构和右结构间接连接，有效减少了左结构和右结构直接相互影响，消除了耦合模态对检测模态的干扰，此外，中间结构对于加工误差不敏感，甚至可以适当放宽其加工精度，这使陀螺的整体加工更加方便；
5.驱动弹性梁、中间耦合弹性梁采用“U+I”结构型梁，增大了驱动和检测方向的刚度比，并且U形结构有助于释放硅片残余应力；检测弹性梁采用等腰梯形结构，具有较高的驱动和检测方向的刚度比，有效抑制了驱动和检测模态的耦合，并且由于等腰梯形各边均为直线，加工容易且能实现较高的加工精度。
附图说明
图1是本发明实施例的第一基板示意图。
图2是本发明实施例的第二基板示意图。
图3是本发明实施例的包含第一基板和第二基板的整体示意图。
图4是本发明实施例的驱动弹性梁、中间耦合弹性梁采用的“U+I”结构型梁示意图。
图5是本发明实施例检测弹性梁采用的等腰梯形结构示意图。
其中：1-第一基板，2-第二基板，3-锚点，4-检测栅形固定电极，5-检测梳齿固定电极，6-驱动梳齿固定电极，7-固定电极锚点，8-左结构，9-驱动梳齿，10-驱动质量块，11-检测质量块，12-驱动弹性梁，13-检测栅形可动栅极，14-检测可动梳齿，15-检测弹性梁，16-中间结构，17-中间耦合质量块，18-中间耦合弹性梁。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所述的间接连接型音叉振动式微机械陀螺作进一步的说明。
如图1所示，第一基板1包括两组对称检测栅形固定电极4、两个检测梳齿固定电极5、两组对称驱动梳齿固定电极6、固定电极锚点7。
如图2所示，悬于第一基板1上方的第二基板2包括对称的左结构8和右结构以及连接左结构8和右结构的中间结构16；左结构8或右结构包括一个带驱动梳齿9的驱动质量块10、两个检测质量块11以及四个驱动弹性梁12，带有检测栅形可动栅极13和检测可动梳齿14的检测质量块11位于驱动质量块10的内部，通过一个检测弹性梁15和驱动质量块10连接；中间结构16包括与驱动弹性梁12相连的两个中间耦合质量块17、通过四个锚点3与中间耦合质量块17相连的四个中间耦合弹性梁18。
对于上述本发明涉及的间接连接型音叉振动式微机械陀螺，其左结构8、右结构间接连接、静电梳齿驱动和静电梳齿电容和平行板电容相结合共同检测，具体的说，驱动梳齿9和驱动梳齿固定电极6分别通有交流电产生相异电荷，并满足梳齿交叠部分的长度远远大于梳齿之间的距离，可产生驱动方向(x向)的静电驱动力，使左结构8和右结构的驱动质量块10相异运动，当有绕z轴方向的角速度施加于系统时，在检测方向(y向)产生科氏(Coriolis)加速度会使两个检测质量块11沿垂直于驱动方向的检测方向做反向运动，从而引起检测栅形可动栅极13和第一基板1上检测栅形固定电极4之间交叠面积相对于初始交叠面积发生变化，从而引起检测电容ΔC1变化，此外，检测可动梳齿14和检测梳齿固定电极5之间交叠面积也发生了改变，也会引起检测电容C2变化，由于角速度与总检测电容变化(ΔC1+ΔC2)或ΔC1、ΔC2均成一定比例关系。因此，通过测量各检测电容变化，就可以测得角速度大小。检测电容ΔC1和检测电容ΔC2均可单独作为最终检测电容输出，再通过输入Ω与ΔC1、ΔC2进一步校核，从一定程度上避免了单独静电梳齿电容检测或平行板电容检测的缺点，使加工误差对系统检测精度的影响降低，从而提高了角速度的测量精确性。
如图3所示，驱动弹性梁12、中间耦合弹性梁18采用“U+I”结构型梁，其中U型的一边L1比另一边L2长，满足L1＞L2，可采用卡式能量法进行推导获得x向刚度Kx和y向刚度Ky。
Kx＝12EI(8L1L2+3πL1R+3L2πR+π2R2)/Λ，
Ky＝2EI(L1 4+4L1 3L2-6L1 2L2 2+4L1L2 3+L2 4+4L1 3πR+4L2 3πR
+24L1 2R2+24L2 2R2+6L1πR3+6L2πR3-48R4+6π2R4)/Λ
其中
Λ＝8L1 4L2+8L1L2 4+3πRL1 4+12πRL13L2+6πRL1 2L2 2+12πRL1L2 3+3πRL2 4
+96L1 2L2R2+96L1L2 2R2+4π2R2L1 3+4π2R2L2 3+24πR3L1 2+48πR3L1L2
+24πR3L2 2-96L1R4-96L2R4+18π2R4L1+18π2R4L2-48πR5+6π3R5
这种类型结构梁，驱动和检测方向的刚度比较大可达到，并且U形结构有助于释放硅片残余应力。
如图4所示，检测弹性梁15采用等腰梯形结构，角度可行的范围为，这种类型结构梁具有较高的驱动和检测方向的刚度比，有效抑制了驱动和检测模态的耦合，确保输出的稳定性和结构的长期可靠性，并且由于等腰梯形各边均为直线，加工容易且能实现较高的加工精度。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种间接连接型音叉振动式微机械陀螺，其特征在于：
(a)该陀螺由第一基板(1)及悬于第一基板(1)上方的第二基板(2)组成，第一基板(1)和第二基板(2)通过四个锚点(3)固定；
(b)所述第一基板(1)包括两组对称的检测栅形固定电极(4)、两个检测梳齿固定电极(5)、两组对称的驱动梳齿固定电极(6)，所述各固定电极通过电极锚点(7)固定；
(c)第二基板(2)包括对称的左结构(8)和右结构以及连接左结构(8)和右结构的中间结构(16)；左结构(8)或右结构包括一个带驱动梳齿(9)的驱动质量块(10)、两个位于驱动质量块(10)内部的检测质量块(11)以及驱动质量块(10)外沿的驱动弹性梁(12)，所述检测质量块(11)包括检测栅形可动栅极(13)和检测可动梳齿(14)，并通过检测弹性梁(15)和驱动质量块(10)连接；中间结构(16)包括与驱动弹性梁(12)相连的两个中间耦合质量块(17)和通过四个锚点(3)与中间耦合质量块(17)相连的四个中间耦合弹性梁(18)。
2.根据权利要求1所述的间接连接型音叉振动式微机械陀螺，其特征在于：所述第二基板(2)的每个检测质量块(11)均与驱动质量块(10)连接，每个驱动质量块(10)通过四个驱动弹性梁(12)与中间耦合质量块(17)连接，每个中间耦合质量块(17)通过两个中间耦合弹性梁(18)与第一基板(1)锚接在一起。
3.根据权利要求1所述的间接连接型音叉振动式微机械陀螺，其特征在于：所述驱动弹性梁(12)和中间耦合弹性梁(18)均采用“U+I”结构型梁，即采用U型结构，但U型的一边比另一边长一段；检测弹性梁(15)采用等腰梯形结构。
4.根据权利要求1所述的间接连接型音叉振动式微机械陀螺，其特征在于：每个驱动质量块(10)带有一组驱动梳齿(9)，驱动梳齿(9)左右对称分布，驱动梳齿(9)和驱动梳齿固定电极(6)通电后能产生驱动方向的静电驱动力。
5.根据权利要求1所述的间接连接型音叉振动式微机械陀螺，其特征在于：每个检测质量块(11)在检测方向一端通过检测弹簧梁(15)与驱动质量块(10)相连，另外一端带有检测可动梳齿(14)，每个检测质量块(11)有检测栅形可动栅极(13)，检测可动梳齿(14)与检测梳齿固定电极(5)共同构成梳齿电容检测，检测栅形可动栅极(13)和检测栅形固定电极(6)共同构成平行板电容检测。
6.根据权利要求1所述的间接连接型音叉振动式微机械陀螺，其特征在于：第一基板(1)上驱动梳齿固定电极(6)与第二基板(2)上驱动梳齿(9)一一对应，梳齿之间的间距相等；第一基板(1)上检测梳齿固定电极(5)与第二基板上检测可动梳齿(14)一一对应，梳齿之间的间距相等；第一基板(1)上的检测栅形固定电极(4)与第二基板(2)上的检测栅形可动栅极(13)的各栅形电极一一对应，检测栅形可动栅极(13)的厚度等于驱动质量块(10)的厚度；所有梳齿之间交叠部分的长度远远大于梳齿之间的距离。
7.根据权利要求1所述的间接连接型音叉振动式微机械陀螺，其特征在于：第一基板(1)上的检测栅形固定电极(4)上表面与第二基板(2)的检测栅形可动栅极(13)下表面之间的间隙小于检测栅形可动栅极(13)的栅条宽度。
8.根据权利要求1所述的间接连接型音叉振动式微机械陀螺，其特征在于：第一基板(1)与第二基板(2)之间为滑膜阻尼；所有梳齿之间驱动和检测运动均属于平行板电容切向运动，也属于滑膜阻尼。
9.根据权利要求1所述的间接连接型音叉振动式微机械陀螺，其特征在于：第一基板(1)采用Pyrex 7740玻璃基板，第二基板(2)采用导电单晶硅片。
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