CN102507975B - 二轴角速度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二轴角速度传感器，其特征在于：包括安装有永磁体的底座，该底座的上方设置有质量块，该质量块经连接机构与底座相连，该质量块上布置有感应线圈，该感应线圈的两端输出感应电动势；所述质量块的下端面固定有检测电容上电极，底座上表面固定有检测电容下电极，所述检测电容上电极与检测电容下电极平行相对，二者形成检测电容；所述底座上表面还固定有参考电容下电极，所述底座的上方还固定有参考电容上电极，所述参考电容上电极与参考电容下电极平行相对，二者形成参考电容。本发明基于电磁驱动，磁电/电容检出的技术，以达到低成本，微型化，二轴角速度检测目的。
Description
技术领域
本发明属于传感器术领域，特别一种涉及基于MEMS的二轴角速度传感器。
背景技术
科里奥利力是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。绝大多数的MEMS角速度传感器依赖于相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。MEMS角速度传感器的设计和工作原理主要都采用振动部件传感角速度的概念。MEMS角速度传感器广泛应用于旋转物体的角度检测领域。现有基于科里奥利力的角速度传感器技术按照驱动原理和检测原理分为静电驱动电容检出、电磁驱动电磁检出、压电驱动静电检出等类型；按照可检测角度维数可分为单轴陀螺，双轴陀螺以及三轴陀螺。按照解耦方式的不同，
单轴陀螺主要应用方向为单一轴向的角速度测量。二轴的陀螺主要应用方向为两个正交轴向的角速度测量。
静电驱动，电容检出的角速度传感器主要特点是测量灵敏度比较高，但是静电驱动的缺点是输出位移与输出静电力有限，所以这种角速度传感器不可以通过增加驱动位移的方法来提高角速度传感器的分辨率，这也就从根本上限制了角速度传感器分辨率的提高。
电磁驱动，电磁检出的角速度传感器主要特点是驱动力、驱动位移较大，可以通过提高驱动输入，增加驱动位移的办法对微小角速度输入进行高灵敏度检测。这种驱动方式一般要求较大的电流，所以在工艺过程中要求器件线路电阻率较小以保障器件不会烧坏，并且由于大的电流可能会产生热量，所以对于一些对温度较为敏感的检测方式影响会比较大。
压电驱动静电检出的角速度传感器主要特点是驱动力、驱动位移较大，并且传感器灵敏度较高，其难点在于压电材料成膜工艺较困难，并且压电材料有滞回效应，所以相关的误差要在设计中考虑。
微型化、多轴检测，降低成本是角速传感器发展的重要方向。利用MEMS微加工技术制作多轴角微型速传感器是角速传感器发展的热点方向。由美国的UCBerkeley设计、AD公司制造的双轴双轴陀螺，采用2μm厚的多晶硅材料，集成了运算放大器。当多晶硅厚度增加到5μm时，在0.1Pa的真空中驱动和测量模式的Q值分别可以达到2800和16000，噪声
采用外延多晶硅技术，结构层可以增加到11μm，可以进一步降低表面微加工陀螺的噪声。
现有技术的缺点：现有二轴角速度检测传感器不能够实现单一质量块驱动式的双轴角速度检测。
发明内容
本发明的目的是针对现有微型角速传感器局限性而提出的一种基于电磁驱动，磁电/电容检出的双轴角速度传感器，以达到低成本，微型化，二轴角速度检测目的。
本发明的技术方案如下：一种二轴角速度传感器，其关键在于：包括安装有永磁体的底座，该底座的上方设置有质量块，该质量块经连接机构与底座相连，该质量块上布置有感应线圈，该感应线圈的两端输出感应电动势；
将二轴角速度传感器的底座固定在被测物体上，当被测物体开始自转，底座和永磁体跟随转动，同时驱动线圈在磁场中的洛伦兹力驱动质量块，由于科氏力的作用，被测物体自转角速度的大小确定了感应线圈输出的感应电动势大小。
所述质量块的下端面固定有检测电容上电极，底座上表面固定有检测电容下电极，所述检测电容上电极与检测电容下电极平行相对，二者形成检测电容；
所述底座上表面还固定有参考电容下电极，所述底座的上方还固定有参考电容上电极，所述参考电容上电极与参考电容下电极平行相对，二者形成参考电容。
质量块及检测电容上电极与检测电容下电极之间是柔性连接，当被测物体发生翻转，由于科里奥利力的作用，二者的距离发生改变，检测电容的电容值跟随改变，而参考电容上电极和参考电容下电极之间是刚性连接，参考电容的电容值保持不变。故通过比较检测电容与参考电容的电容值，就可以检测出被测物体翻转加速度的大小。
所述连接机构包括安装在所述底座四角的支柱，所述质量块的四角经绝缘硅梁连接在所述支柱上。
整个二轴角速度传感器是微米级工艺制作，故绝缘硅梁也是微米级的尺寸，绝缘硅梁保证了质量块的柔性连接。
所述质量块的相邻两边分别布置有一条所述感应线圈，每条所述感应线圈的两端分别经所述绝缘硅梁连接在感应导线焊盘上。
所述检测电容上电极与参考电容上电极的总面积相等，静止时检测电容上电极与检测电容下电极之间的距离为a，参考电容上电极与参考电容下电极之间的距离为b，且a＝b。
所述底座的四边分别设置有一对绝缘支架，每对所述绝缘支架上固定有一个所述参考电容上电极，四个所述参考电容上电极的面积和等于所述检测电容上电极的面积。
所述检测电容上电极的引线经所述绝缘硅梁后，连接在所述绝缘支架的电容焊盘上。
所述质量块上还布置有驱动线圈，该驱动线圈的两端引线经所述绝缘硅梁后，连接在所述绝缘支架的电源焊盘上。
在二轴角速度传感器制成后，可通过驱动线圈通电方式，驱动线圈所受洛伦兹力驱动质量块振动，感应线圈对质量块进行运动状态监测，便于获得质量块稳定可靠的运动状态。
所述底座为玻璃底座。
所述永磁体固定在底座的下底面。
有益效果：本发明提供了一种二轴角速度传感器，基于电磁驱动，磁电/电容检出的技术，以达到低成本，微型化，二轴角速度检测目的。本发明采用电磁力驱动质量块，在有其他两个轴向角速度输入时可以对其进行检测。本发明拥有集成化的设计，简化了系统结构，减小系统体积，性能更稳定；采用电磁驱动，提高了驱动输出，提升了检测灵敏度；可同时测量两个轴向的角速度输入，可用于便携式仪器的在线检测。此外，由于本发明采用了标准MEMS工艺制造，因此可以批量生产，对于减少器件成本，提高应用化范围都有着很大优势。本发明特别适用于对于低成本多轴向的角速度检测领域。
附图说明
图1是本发明的上表面布局图；
图2是结构示意图；
图3是底座的布局图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
请参见图1、2：一种二轴角速度传感器，包括安装有永磁体1的底座2，该底座2的上方设置有质量块3，该质量块3经连接机构与底座2相连，该质量块3上布置有感应线圈4，该感应线圈4的两端输出感应电动势；
所述质量块3的下端面固定有检测电容上电极5，底座2上表面固定有检测电容下电极5’，所述检测电容上电极5与检测电容下电极5’平行相对，二者形成检测电容；
请参见图2、3：所述底座2上表面还固定有参考电容下电极6’，所述底座2的上方还固定有参考电容上电极6，所述参考电容上电极6与参考电容下电极6’平行相对，二者形成参考电容。
所述连接机构包括安装在所述底座2四角的支柱7，所述质量块3的四角经绝缘硅梁8连接在所述支柱7上。
所述质量块3的相邻两边分别布置有一条所述感应线圈4，每条所述感应线圈4的两端分别经所述绝缘硅梁8连接在感应导线焊盘4a上。
所述检测电容上电极5与参考电容上电极6的总面积相等，检测电容上电极5与检测电容下电极5’之间的距离为a，参考电容上电极6与参考电容下电极6’之间的距离为b，且a＝b。
所述底座2的四边分别设置有一对绝缘支架9，每对所述绝缘支架9上固定有一个所述参考电容上电极6，四个所述参考电容上电极6的面积和等于所述检测电容上电极5的面积。
所述检测电容上电极5的引线经所述绝缘硅梁8后，连接在所述绝缘支架9的电容焊盘5a上。
所述质量块3上还布置有驱动线圈10，该驱动线圈10的两端引线经所述绝缘硅梁8后，连接在所述绝缘支架9的电源焊盘10a上。
所述底座2为玻璃底座。
所述永磁体1固定在底座2的下底面。
工作方式：驱动电流经由驱动线圈10，在永磁体1磁场下，驱动质量块3，在外界带动传感器自身旋转时，质量块3在科氏力的作用下做切割磁感线运动，因此在绝缘硅梁8的金镉制感应线圈4两端产生感应电动势，以此作为自转角速度的信号；
在外界带动传感器翻转时，质量块3在科氏力的作用下做上下离面运动，因此电容值会发生变化，将该电容值与参考电容进行比较，以此作为翻转角速度的信号。
Claims (3)
1.一种二轴角速度传感器，其特征在于：包括安装有永磁体（1）的底座（2），该底座（2）的上方设置有质量块（3），该质量块（3）经连接机构与底座（2）相连，该质量块（3）上布置有感应线圈（4），该感应线圈（4）的两端输出感应电动势；所述质量块（3）的下端面固定有检测电容上电极（5），底座（2）上表面固定有检测电容下电极（5’），所述检测电容上电极（5）与检测电容下电极（5’）平行相对，二者形成检测电容；所述底座（2）上表面还固定有参考电容下电极（6’），所述底座（2）的上方还固定有参考电容上电极（6），所述参考电容上电极（6）与参考电容下电极（6’）平行相对，二者形成参考电容；所述连接机构包括安装在所述底座（2）四角的支柱（7），所述质量块（3）的四角经绝缘硅梁（8）连接在所述支柱（7）上；所述质量块（3）的相邻两边分别布置有一条所述感应线圈（4），每条所述感应线圈（4）的两端分别经所述绝缘硅梁（8）连接在感应导线焊盘（4a）上；所述检测电容上电极（5）与参考电容上电极（6）的总面积相等，检测电容上电极（5）与检测电容下电极（5’）之间的距离为a，参考电容上电极（6）与参考电容下电极（6’）之间的距离为b，且a=b；所述底座（2）的四边分别设置有一对绝缘支架（9），每对所述绝缘支架（9）上固定有一个所述参考电容上电极（6），四个所述参考电容上电极（6）的面积和等于所述检测电容上电极（5）的面积；所述检测电容上电极（5）的引线经所述绝缘硅梁（8）后，连接在所述绝缘支架（9）的电容焊盘（5a）上；所述质量块（3）上还布置有驱动线圈（10），该驱动线圈（10）的两端引线经所述绝缘硅梁（8）后，连接在所述绝缘支架（9）的电源焊盘（10a）上。
2.根据权利要求1所述的二轴角速度传感器，其特征在于：所述底座（2）为玻璃底座。
3.根据权利要求1所述的二轴角速度传感器，其特征在于：所述永磁体（1）固定在底座（2）的下底面。
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