CN103217151A - 一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于陀螺敏感装置，具体涉及一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置。一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置，包括敏感结构和分别设置敏感结构上下两侧的上封帽、下封帽，所述的敏感结构包括4个质量块。本发明的显著效果是：避免了耦合误差；抵消了在硅微陀螺敏感装置工作状态下基座所受耦合力矩；节约了加工成本。

Description

一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置

技术领域

本发明属于陀螺敏感装置，具体涉及一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置。

背景技术

陀螺是一种用于测量物体相对于惯性空间转动角运动的传感器装置。最早的陀螺是由法国科学家付科〔L.Foucault〕利用高速转动刚体的定轴性研制而成的，应用在航海领域用来代替指南针提供方位基准。陀螺发展至今已经一百多年的历史，现在的陀螺已经是一种重要的传感器件，是姿态控制和惯性制导的核心器件，在飞机、导弹、宇航、舰船导航、卫星控制、汽车工业、钻井探测等众多领域都有着非常重要的应用。

随着陀螺技术的发展，低成本、小体积、低功耗的微机械陀螺已在微小型系统及战术武器的制导系统中得到广泛应用，它是未来最主要的中低精度角速度传感器。目前MEMS器件多采用硅材料，它具有优良的机械和电气特性。现有的陀螺敏感结构一般如附图1所示，包括敏感结构10和分别设置在敏感结构10上下的上封帽20和下封帽30。硅微机械陀螺要达到较高的性能，在目前硅微陀螺敏感结构设计上需要解决以下问题：

1)耦合误差大。耦合误差的存在会严重影响陀螺的精度，比如影响陀螺的零偏稳定性、快速启动以及温度适应性等。

2)基座受耦合力矩影响大。目前普遍采用的单质量块或双质量块结构，当陀螺处于工作状态时基座所受耦合力矩均较大，基座所受耦合力矩大将影响陀螺的零偏稳定性。

3)加工成本高。硅微机械陀螺的电极引线由敏感结构分别向上下两个方向引出，上下封帽支撑层均要打孔，加工工艺复杂，成本高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置。

本发明是这样实现的：一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置，包括敏感结构和分别设置敏感结构上下两侧的上封帽、下封帽，所述的敏感结构包括4个质量块。

如上所述的一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置，其中，所述的敏感结构包括4个质量块、4组支撑梁、8组驱动动齿、8组驱动定齿、8个驱动定齿连接块、8个驱动定齿铆接块、中心支撑点、4个连接结构，4个质量块沿圆周方向均匀布置，每个质量块均通过一个支撑梁与中心支撑点连接，每个质量块的两侧均带有驱动动齿，在相邻质量块之间设置2个驱动定齿连接块，该驱动定齿连接块为扇形柱体零件，在朝向相邻的质量块一侧的侧壁上设置驱动定齿，该驱动定齿通过在驱动定齿连接块的侧壁上设置凸起实现，驱动定齿的一端设置驱动定齿铆接块，两个相邻的驱动定齿铆接块外端设置一个连接结构，所有连接结构均匀设置在敏感结构外侧，每个连接结构角度范围均跨越相临的两个质量块所在的角度范围，所述的驱动动齿与驱动定齿交错布置，形成变面积式驱动梳齿，质量块、支撑梁、驱动动齿等厚；驱动定齿、驱动定齿连接块、驱动定齿铆接块、中心支撑点、连接结构等厚。

如上所述的一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置，其中，所述的4个质量块沿圆周方向均匀布置时，相对的两个质量块为一组，工作状态下保持同向运动；另一对质量块为一组，工作状态下运动方向与前一组运动方向相反。

如上所述的一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置，其中，驱动定齿的上表面高于驱动动齿2～3μm；驱动定齿的下表面低于驱动动齿2～3μm。

如上所述的一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置，其中，所述的上封帽由上封帽器件层、上封帽绝缘层、上封帽支撑层组成，上封帽中的器件层包括4个平面电极块、4个连接结构、8个驱动定齿铆接块及1个中心支撑点，平面电极块呈扇形，位置与敏感结构上质量块一一对应；连接结构呈刀形，每个连接结构与平面电极块连接，其中刀柄连接刀面与平面电极块，刀面位置与敏感结构上的连接结构相对应；驱动定齿铆接块位置与敏感结构上的驱动定齿铆接块相对应；上封帽中心支撑点位置与敏感结构上的中心支撑点相对应，

上封帽中的绝缘层为圆片结构，上面带有8个平面电极引线孔、4个驱动引线孔、1个中心支撑点引线孔，平面电极引线孔位置与器件层上的平面电极块相对应；驱动引线孔位置与器件层上的驱动定齿铆接块相对应；中心支撑点引线孔位置与器件层上的上封帽中心支撑点相对应，

上封帽中的支撑层为圆型结构，上面带有8个平面电极引线孔、4个驱动引线孔、1个中心支撑点引线孔，平面电极引线孔位置与绝缘层上的平面电极引线孔相对应；驱动引线孔位置与绝缘层上的驱动引线孔相对应；中心支撑点引线孔位置与绝缘层上的中心支撑点引线孔相对应。

如上所述的一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置，其中，述的下封帽由下封帽器件层、下封帽绝缘层、下封帽支撑层组成，下封帽中的器件层与上封帽中的器件层相同，下封帽中的器件层与上封帽中的器件层关于敏感结构对称放置，下封帽中绝缘层及支撑层为圆片结构。

如上所述的一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置，其中，所述的质量块为扇形柱体，扇形的角度为50°～80°。

如上所述的一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置，其中，驱动动齿与驱动定齿的个数为20～60个。

本发明的显著效果是：本发明中的驱动梳齿为不等高梳齿，避免了硅微陀螺敏感装置工作状态下由于质量块上下振动带动驱动动齿上下振动产生的驱动梳齿重叠面积的变化，从而阻断了检测到驱动的耦合通道，避免了耦合误差。

本发明采用4质量块结构，抵消了在硅微陀螺敏感装置工作状态下基座所受耦合力矩。该硅微陀螺敏感装置驱动模态为相间质量块沿Z轴同相旋转振动，相临质量块沿Z轴反相旋转振动；其检测模态为相间质量块沿Z轴同相振动，相临质量块沿Z轴反相振动，因此抵消了在硅微陀螺敏感装置工作状态下基座所受耦合力矩。

电极单边引出，降低了加工成本。上、下封帽上的平面电极块通过连接结构旋转相连，实现了下封帽上的信号从上面传出，从而下封帽上的绝缘层及支撑层不再需要打孔，节约了加工成本。

附图说明

图1是硅微陀螺敏感装置装配关系示意图；

图2是四质量块振动式硅微陀螺敏感装置剖面示意图；

图3是四质量块振动式硅微陀螺敏感装置敏感结构示意图；

图4是四质量块振动式硅微陀螺敏感装置上封帽器件层示意图；

图5是四质量块振动式硅微陀螺敏感装置上封帽绝缘层示意图；

图6是四质量块振动式硅微陀螺敏感装置上封帽支撑层示意图；

图7是四质量块振动式硅微陀螺敏感装置下封帽器件层示意图；

图8是四质量块振动式硅微陀螺敏感装置下封帽绝缘层示意图；

图9是四质量块振动式硅微陀螺敏感装置下封帽支撑层示意图。

图中：10.敏感结构，11.质量块，12.支撑梁，13.驱动动齿，14.驱动定齿，15.驱动定齿铆接块，16.驱动定齿连接块，17.连接结构，18.中心支撑点，20.上封帽，20a.上封帽器件层，20b.上封帽绝缘层，20c.上封帽支撑层，21.平面电极块，22.驱动定齿铆接块，23.连接结构，24.上封帽中心支撑点，25.平面电极引线孔，26.梳齿电极引线孔，27.中心支撑点引线孔，30.下封帽，30a.下封帽器件层，30b.下封帽绝缘层，30c.下封帽支撑层，31.平面电极块，32.驱动定齿铆接块，33.连接结构，34.中心支撑点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置进行介绍：

如图3所示，建立如下坐标系：以水平方向向右为X轴正向，竖直方向向上为Y轴正向，Z轴垂直于X轴和Y轴形成的平面、且符合右手定则。

如图1和图2所示，一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置，包括大致为圆形的敏感结构10和分别设置敏感结构10上下两侧的上封帽20、下封帽30。

如附图3所示，敏感结构10包括4个质量块11、4组支撑梁12、8组驱动动齿13、8组驱动定齿14、8个驱动定齿连接块16、8个驱动定齿铆接块15、中心支撑点18、4个连接结构17。所述的质量块11为扇形柱体，扇形的角度为50°～80°。4个质量块11沿圆周方向均匀布置，每个质量块11均通过一个支撑梁12与中心支撑点18连接。所述的支撑梁12和中心支撑点18的材质与质量块11相同。每个质量块11的两侧均带有驱动动齿13。驱动动齿13通过在质量块11侧壁设置凸起实现。在相邻质量块11之间设置2个驱动定齿连接块16，该驱动定齿连接块16为扇形柱体零件，在朝向相邻的质量块11一侧的侧壁上设置驱动定齿14。该驱动定齿14通过在驱动定齿连接块16的侧壁上设置凸起实现。驱动定齿连接块16的一端设置驱动定齿铆接块15。两个相邻的驱动定齿铆接块15的外端设置一个连接结构17，所有连接结构17均匀设置在敏感结构10外侧，每个连接结构17角度范围均跨越相临的两个质量块11所在的角度范围。所述的连接结构17为与上封帽20和下封帽30连接的结构，一般采用圆弧型结构。所述的驱动动齿13与驱动定齿14交错布置，形成变面积式驱动梳齿，其个数根据实际需要设定，一般为20～60个，如20、35或60个(即20个驱动动齿13，20个驱动定齿14；或35个驱动动齿13，35个驱动定齿14；或60个驱动动齿13，60个驱动定齿14)。质量块11、支撑梁12、驱动动齿13等厚；驱动定齿14、驱动定齿连接块16、驱动定齿铆接块15、中心支撑点18、连接结构17等厚。驱动定齿14、驱动定齿连接块16、驱动定齿铆接块15、中心支撑点18、连接结构17的上表面高于质量块11、支撑梁12、驱动动齿13的高度为2～3μm；驱动定齿14、驱动定齿连接块16、驱动定齿铆接块15、中心支撑点18、连接结构17的下表面低于质量块11、支撑梁12、驱动动齿13的高度为2～3μm。

如附图2及附图4～附图6所示，所述的上封帽20由上封帽器件层20a、上封帽绝缘层20b、上封帽支撑层20c组成。上封帽20中的器件层20a包括4个平面电极块21、4个连接结构23、8个驱动定齿铆接块22及1个中心支撑点24。平面电极块21呈扇形，位置与敏感结构10上质量块11一一对应；连接结构23呈刀形，每个连接结构23与平面电极块21连接，其中刀柄连接刀面与平面电极块21，刀面位置与敏感结构10上的连接结构17相对应；驱动定齿铆接块22位置与敏感结构10上的驱动定齿铆接块15相对应；上封帽中心支撑点24位置与敏感结构10上的中心支撑点18相对应。

上封帽20中的绝缘层20b为圆片结构，上面带有8个平面电极引线孔25、4个驱动引线孔26、1个中心支撑点引线孔27。平面电极引线孔25位置与器件层20a上的平面电极块21相对应；驱动引线孔26位置与器件层20a上的驱动定齿铆接块22相对应；中心支撑点引线孔27位置与器件层20a上的上封帽中心支撑点24相对应。

上封帽20中的支撑层20c为圆型结构，上面带有8个平面电极引线孔25、4个驱动引线孔26、1个中心支撑点引线孔27。平面电极引线孔25位置与绝缘层20b上的平面电极引线孔25相对应；驱动引线孔26位置与绝缘层20b上的驱动引线孔26相对应；中心支撑点引线孔27位置与绝缘层20b上的中心支撑点引线孔27相对应。

如附图2及图7～图9所示，所述的下封帽30由下封帽器件层30a、下封帽绝缘层30b、下封帽支撑层30c组成。下封帽30中的器件层30a与上封帽20中的器件层20a相同，下封帽30中的器件层30a与上封帽20中的器件层20a关于敏感结构10对称放置。

下封帽30中绝缘层30b及支撑层30c为圆片结构。

敏感结构10为Si材料制成，其厚度为60～80μm。上封帽20及下封帽30为SOI材料制成，其中器件层20a、30a为Si，厚度为60～80μm，绝缘层20b、30b为SiO₂，厚度为1～2μm，支撑层20c、30c为Si，厚度为400～500μm。

上封帽20、敏感结构10、下封帽30三层结构叠在一起，其中上封帽20、下封帽30中的器件层20a、30a与敏感结构10相临。三层结构采用Si-Si键合紧密相连，键合后上封帽器件层20a、下封帽器件层30a与敏感结构10上较厚部位驱动定齿铆接块15、中心支撑点18、连接结构17紧密相连，敏感结构10上的较薄部位质量块11、支撑梁12、驱动动齿13悬空。上封帽绝缘层20b、下封帽绝缘层30b将上封帽器件层20a、下封帽器件层30a与上封帽支撑层20c、下封帽支撑层30c进行电学隔离。

本发明的一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置的工作过程如下：

第一步：建立起驱动振动或参考振动；

(1)在驱动定齿铆接块22上施加电信号，该电信号通过驱动定齿铆接块15、驱动定齿连接块16传到驱动定齿14上，控制电压极性，使质量块11两侧的驱动定齿14上的电压极性相反，质量块11受静电力作用向一侧偏转，在驱动定齿铆接块22上施加交变电压，质量块11沿Z轴旋转振动。

(2)控制驱动电压的极性，使相间质量块11沿Z轴同相旋转振动，相临质量块11沿Z轴反相旋转振动。

第二步：解算输入角速度；

(1)沿Y轴给本发明的一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置输入角速度，质量块11受到科里奥利(Coriolis)力的作用。

(2)质量块11在科里奥利力的作用下产生Z方向的运动，即检测振动或敏感振动。因相间质量块11沿Z轴同相旋转振动，相临质量块11沿Z轴反相旋转振动，其产生的科里奥利力为相间质量块11受力方向同相，相临质量块11受力方向反相，因此，相间质量块11产生同相振动，相临质量块11产生反相振动，振动位移与科里奥利力成正比。

由于科里奥利力的大小正比于质量块11的质量与质量块11运动的瞬时速度、以及上述输入角速度的乘积，科里奥利力的方向沿Z方向，且与质量块11运动的瞬时速度方向和输入角速度的方向符合右手定则，即：

式中，

为科里奥利力，为待检测量；m为质量块11的质量，为已知量；为质量块11运动瞬时速度，为已知量；

为述输入角速度，为未知量。

(3)采用现有电容检测技术检测检测电容变化量，具体地说，由于质量块11沿Z方向上下震动，与质量块11相对应的下封帽器件层30a上的平面电极块31及上封帽器件层20a上的平面电极块21产生极性相反的电信号，通过连接结构17将质量块11相对应的下封帽器件层30a上的平面电极块31与逆时针相临质量块11相对应的上封帽器件层20a上的平面电极块21相连，通过上封帽上封帽绝缘层20b、上封帽支撑层20c上的平面电极引线孔25将信号引出。

(4)采用现有技术解调出电容变化的幅值和相位，得到质量块11Z方向的振动位移，进而得到科里奥利力。

(5)根据式(1)解算得到输入角速度的大小和方向。

本发明的硅微陀螺敏感装置中的驱动定齿14在敏感结构10上、下两面均厚于驱动动齿13，形成了不等高梳齿，当质量块11在科里奥利力作用下发生Z方向振动时，驱动定齿14与驱动动齿13的重叠面积不会发生变化，从而阻断了检测到驱动的耦合通道。

本发明的硅微陀螺敏感装置采用4质量块结构，该硅微陀螺敏感装置驱动模态为相间质量块11沿Z轴同相旋转振动，相临质量块11沿Z轴反相旋转振动，抵消了在硅微陀螺敏感装置驱动状态下基座所受耦合力矩。该硅微陀螺敏感装置检测模态为相间质量块11沿Z轴同相振动，相临质量块沿Z轴反相振动，抵消了在硅微陀螺敏感装置检测状态下基座所受耦合力矩。因此抵消了在硅微陀螺敏感装置工作状态下基座所受耦合力矩。

本发明的硅微陀螺敏感装置通过连接结构17将质量块11相对应的下封帽器件层30a上的平面电极块31与逆时针相临质量块11相对应的上封帽器件层20a上的平面电极块21相连，满足极性相同信号相累加的同时，实现了下封帽器件层30a上的平面电极块31上的信号由上封帽器件层20a上的平面电极块21引出。电极单边引出，从而下封帽上的绝缘层及支撑层不再需要打孔，节约了加工成本。

Claims (8)

1.一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置，包括敏感结构(10)和分别设置敏感结构(10)上下两侧的上封帽(20)、下封帽(30)，其特征在于：所述的敏感结构(10)包括4个质量块(11)。

2.如权利要求1所述的一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置，其特征在于：所述的敏感结构(10)包括4个质量块(11)、4组支撑梁(12)、8组驱动动齿(13)、8组驱动定齿(14)、8个驱动定齿连接块(16)、8个驱动定齿铆接块(15)、中心支撑点(18)、4个连接结构(17)，4个质量块(11)沿圆周方向均匀布置，每个质量块(11)均通过一个支撑梁(12)与中心支撑点(18)连接，每个质量块(11)的两侧均带有驱动动齿(13)，在相邻质量块(11)之间设置2个驱动定齿连接块(16)，该驱动定齿连接块(16)为扇形柱体零件，在朝向相邻的质量块(11)一侧的侧壁上设置驱动定齿(14)，该驱动定齿(14)通过在驱动定齿连接块(16)的侧壁上设置凸起实现，驱动定齿连接块(16)的一端设置驱动定齿铆接块(15)，两个相邻的驱动定齿铆接块(15)的外端设置一个连接结构(17)，所有连接结构(17)均匀设置在敏感结构(10)外侧，每个连接结构(17)角度范围均跨越相临的两个质量块(11)所在的角度范围，所述的驱动动齿(13)与驱动定齿(14)交错布置，形成变面积式驱动梳齿，质量块(11)、支撑梁(12)、驱动动齿(13)等厚；驱动定齿(14)、驱动定齿连接块(16)、驱动定齿铆接块(15)、中心支撑点(18)、 连接结构(17)等厚。

3.如权利要求2所述的一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置，其特征在于：所述的4个质量块(11)沿圆周方向均匀布置时，相对的两个质量块(11)为一组，工作状态下保持同向运动；另一对质量块(11)为一组，工作状态下运动方向与前一组运动方向相反。

4.如权利要求3所述的一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置，其特征在于：驱动定齿(14)的上表面高于驱动动齿(13)2～3μm；驱动定齿(14)的下表面低于驱动动齿(13)2～3μm。

5.如权利要求4所述的一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置，其特征在于：所述的上封帽(20)由上封帽器件层(20a)、上封帽绝缘层(20b)、上封帽支撑层(20c)组成，上封帽(20)中的器件层(20a)包括4个平面电极块(21)、4个连接结构(23)、8个驱动定齿铆接块(22)及1个中心支撑点(24)，平面电极块(21)呈扇形，位置与敏感结构(10)上质量块(11)一一对应；连接结构(23)呈刀形，每个连接结构(23)与平面电极块(21)连接，其中刀柄连接刀面与平面电极块(21)，刀面位置与敏感结构(10)上的连接结构(17)相对应；驱动定齿铆接块(22)位置与敏感结构(10)上的驱动定齿铆接块(15)相对应；上封帽中心支撑点(24)位置与敏感结构(10)上的中心支撑点(18)相对应，

上封帽(20)中的绝缘层(20b)为圆片结构，上面带有8个平面电极引线孔(25)、4个驱动引线孔(26)、1个中心支撑点引线孔(27)，平面电极引线孔(25)位置与器件层(20a)上的平面电极块 (21)相对应；驱动引线孔(26)位置与器件层(20a)上的驱动定齿铆接块(22)相对应；中心支撑点引线孔(27)位置与器件层(20a)上的上封帽中心支撑点(24)相对应，

上封帽(20)中的支撑层(20c)为圆型结构，上面带有8个平面电极引线孔(25)、4个驱动引线孔(26)、1个中心支撑点引线孔(27)，平面电极引线孔(25)位置与绝缘层(20b)上的平面电极引线孔(25)相对应；驱动引线孔(26)位置与绝缘层(20b)上的驱动引线孔(26)相对应；中心支撑点引线孔(27)位置与绝缘层(20b)上的中心支撑点引线孔(27)相对应。

6.如权利要求5所述的一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置，其特征在于：所述的下封帽(30)由下封帽器件层(30a)、下封帽绝缘层(30b)、下封帽支撑层(30c)组成，下封帽(30)中的器件层(30a)与上封帽(20)中的器件层(20a)相同，下封帽(30)中的器件层(30a)与上封帽(20)中的器件层(20a)关于敏感结构(10)对称放置，下封帽(30)中绝缘层(30b)及支撑层(30c)为圆片结构。

7.如权利要求6所述的一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置，其特征在于：所述的质量块(11)为扇形柱体，扇形的角度为50°～80°。

8.如权利要求7所述的一种四质量块线振动硅微陀螺敏感装置，其特征在于：驱动动齿(13)与驱动定齿(14)的个数为20～60个。 

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