CN103292798A - 一种抗高强度冲击的音叉式微机械陀螺 - Google Patents

Abstract

一种新型音叉式抗高冲击微机械陀螺，包括左右对称设置的两个单框式结构，两个单框式结构经由中间耦合梁连接，每个单框式结构包括驱动质量框、设于驱动质量框中的检测质量框、检测弹性梁结构、驱动弹性梁结构以及在水平方向和竖直方向单方向上成对设置弹性限位结构，检测弹性梁结构连接驱动质量框与检测质量框，驱动质量框经由驱动弹性梁结构与锚点连结，弹性限位结构包括连接于锚点的弹性限位梳齿和连接于驱动质量框或检测质量框上的限位挡块。由于在水平方向与竖直方向均设计了弹性限位结构，在主体结构经受高强度冲击时，弹性限位结构限制了其在水平方向和竖直方向的位移，避免主体结构发生大位移时，弹性梁超过弹性变形极限发生的结构破坏。

Description

一种抗高强度冲击的音叉式微机械陀螺

技术领域

本发明属于微电子机械系统领域，涉及音叉式微机械陀螺结构。

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惯性传感器。微机械陀螺采用微电子加工设备制备，具有体积小、质量轻、成本低、易于批量生成的特点，在武器制导、航空航天、汽车、生物医学器械、消费品电子等领域具有极其广泛的应用前景。

由于MEMS陀螺在工作过程中会受到各种外力和加速度的影响，在搬运存放过程中也难免存在冲击，微机械陀螺可能被损坏。当器件应用在如航空航天、武器制导等存在高强度冲击的场合时，微机械陀螺的抗冲击性尤为重要。国内从20世纪90年代开始进行微机械陀螺的研究工作，并相继取得了一定的研究成果。典型成果如中国科学院上海微系统与信息技术研究所在2001年左右研制的栅结构振动式微机械陀螺、振子框架式微机械陀螺、基于滑膜阻尼效应的音叉式微机械陀螺，中国上海复旦大学电子工程系2001年研制的具有矩形梁式质量块结构的微机械陀螺，清华大学还研制有振动轮式微机械陀螺等。但国内对MEMS器件的抗冲击设计的研究较少，且主要集中于微加速度计的研究。截止目前，国内未见有关于抗高冲击微陀螺研制成功的相关文献、专利或报道，国外在抗高冲击微陀螺方面对中国采取严格的技术封锁政策。基于此，有必要对音叉式微机械陀螺的抗冲击性能进行研究，以使其可应用对存在较高强度冲击的民用与军用场合进行角速度检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微机械陀螺仪，具有抗高强度冲击的能力，可以应用于存在高强度冲击的应用场合。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种新型音叉式抗高冲击微机械陀螺，包括左右对称设置的两个单框式结构，所述两个单框式结构经由中间耦合梁连接，每个单框式结构均包括驱动质量框、设于所述驱动质量框内部的检测质量框、检测弹性梁结构、驱动弹性梁结构以及在水平方向和竖直方向单方向上成对设置弹性限位结构，所述检测弹性梁结构连接所述驱动质量框与所述检测质量框，所述驱动质量框经由驱动弹性梁结构与锚点连结，所述弹性限位结构包括连接于锚点上的至少一组弹性限位梳齿和连接于驱动质量框或检测质量框上的限位挡块。

所述与驱动质量框相连的弹性限位结构为差动式的限位结构，在驱动质量框外侧沿水平方向单方向成对设置，且均包括三组弹性限位梳齿：第一弹性限位梳齿、第二弹性限位梳齿与第三弹性限位梳齿。

初始状态下限位挡块距离第一限位梳齿和第三弹性限位梳齿的距离d1与其距离第二限位梳齿的距离d2不同。

所述与检测质量框相连的弹性限位结构设于检测质量框内部四侧，左右两侧各沿竖直方向单方向成对设置弹性限位结构，上下两侧各沿水平方向单方向成对设置弹性限位结构，且所述与检测质量框相连的弹性限位结构分别设有两组弹性限位梳齿：第四弹性限位梳齿与第五弹性限位梳齿，限位挡块到第四弹性限位梳齿与第五弹性限位梳齿的距离不同。

所述驱动弹性梁结构包括四根驱动弹性梁，所述四根驱动弹性梁位于所述驱动质量框外侧，以所述驱动质量框的中轴线为中心对称设置，用于连接锚点。

所述检测弹性梁结构包括四根检测弹性梁，所述四根检测弹性梁位于所述检测质量框外侧的四角位置，用于连接所述驱动质量框与所述检测质量框。

所述的微机械陀螺的驱动弹性梁与检测弹性梁均由多根直弹性梁以串联的方式进行连接构成。

所述微机械陀螺的制作材料为硅片，制作方法为反应离子刻蚀（RIE）、硅硅键合和深反应离子刻蚀（DRIE）。

驱动质量框和检测质量框均为中空式结构。

优选的，检测质量框的中空部分的内部为键合区，键合区内设有多条沟槽。

驱动质量框与检测质量框上均匀分布多个小孔。

所述微机械陀螺的厚度为300μm，驱动质量框和检测质量框的厚度为150μm，驱动质量框长度为4970μm，宽度为2368μm，检测质量框长度为4290μm，宽度为2008μm，驱动弹性梁的长度为1130μm，驱动弹性梁的宽度为50μm，检测弹性梁的长度为660μm，检测弹性梁的宽度为25μm，中间耦合梁的长度为370μm，宽度为6μm，第一弹性限位梳齿、第二弹性限位梳齿、第三弹性限位梳齿的长度为760μm，宽度为30μm，d1与d2的大小分别为20μm和21μm，第四弹性限位梳齿与第五弹性限位梳齿的长度为512μm，宽度为20μm，第四限位梳齿与第五限位梳齿距离限位挡块的距离分别为15μm和16μm。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

本设计中音叉式微机械陀螺在结构上进行了优化，在陀螺的水平方向与竖直方向方均设计了弹性限位结构，在主体结构经受高强度冲击时，一方面弹性限位结构限制了主体结构在水平方向和竖直方向上的位移，避免主体结构发生大位移时，检测弹性梁与驱动弹性梁超过弹性变形极限，发生结构破坏。在冲击下可以保护陀螺以增加抗冲击性能。另一方面，本设计中的限位结构为弹性限位，相比较限位时产生冲击波的刚性限位结构来说具有良好的缓冲效果。差动式的限位结构在限位时，几组限位梳齿并不是同一时间与弹性挡块接触，这种差动式结构也能在陀螺经受高强度冲击时起到一定缓冲效果。

其次，检测质量框和驱动质量框上均开了若干小孔，在不影响陀螺工作性能的前提下，减轻了陀螺主体结构的质量，使检测弹性梁与驱动弹性梁所支承的结构的质量减轻，提高了系统的刚度。

再次，本设计中的检测弹性梁与驱动弹性梁较以往的弹性梁在结构上进行了抗冲击优化，进一步提高了陀螺的抗冲击性能。

相比于常规尺寸的陀螺，本发明具备体积小、质量轻、成本低、易于批量生成的特点；且具备较强的抗冲击性能，可以用于存在较高强度冲击的民用与军用场合进行角速度检测。

附图说明

图1是本发明所示一实施例的音叉式微机械陀螺限位结构示意图；

图2是图1所示实施例中音叉式微机械陀螺主体结构示意图；

图3是图1所示实施例中音叉式微机械陀螺弹性限位结构的结构示意图；

图4是图1所示实施例中音叉式微机械陀螺的整体结构细节示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

如图1至图4所示，一种新型音叉式抗高冲击微机械陀螺，包括左右对称设置的两个单框式结构，两个单框式结构经由中间耦合梁5连接，每个单框式结构均包括驱动质量框1、设于驱动质量框1内部的检测质量框2、检测弹性梁结构、驱动弹性梁结构以及在水平方向（图示X方向）和竖直方向（图示Y方向）单方向上成对设置弹性限位结构7，检测弹性梁结构连接驱动质量框1与检测质量框2，驱动质量框1经由驱动弹性梁4结构与锚点6连结，弹性限位结构7，包括连接于锚点6的至少一组弹性限位梳齿和连接于驱动质量框1或检测质量框2上的限位挡块。

本发明所示的微机械陀螺，其驱动和检测方式均为电磁驱动和电磁检测。工作时，Z向即垂直与X、Y轴所在平面的方向上设有匀强磁场，在交变电流下，两对称的驱动质量框1受洛仑兹力的作用沿X方向反相振动。当绕Z向有角速度输入时，检测质量框2在科氏力的作用下沿竖直方向即Y方向上振动，检测质量块上的导线切割磁感线进而产生感应电流，通过检测感应电流的大小可以测得系统的角速度因而可以测得系统的角速度。

微机械陀螺的主体结构由通过中间耦合梁连接的两个左右对称的双框式结构组成，陀螺可以在衬底上沿水平方向与竖直方向运动，且在水平方向与竖直方向设有弹性限位结构7。在系统的所受到的冲击较大时，驱动质量框1和检测质量框2都可能发生较大的位移，在位移超过结构的驱动弹性梁结构或检测弹性梁结构所能承受的极限时，梁就有可能断裂，导致结构破坏。在系统在驱动质量框1和检测质量框2上设置的弹性限位结构7，弹性限位结构7限制了微机械陀螺主体结构在水平方向和竖直方向上的位移，避免主体结构发生大位移时，检测弹性梁结构与驱动弹性梁结构超过弹性变形极限，发生结构破坏，在冲击下可以保护陀螺以增加抗冲击性能。

本发明所示的弹性限位结构7除保证在单方向上限位结构成对使用之外并无特定位置和数量要求，只需在满足结构空间允许、不影响系统正常工作且可以起到限位作用即可，即不存在比如离结构太远，在微机械陀螺结构经受大的冲击变形时弹性限位梳齿与弹性限位挡块之间距离太远，没有接触因而起不到限位的作用的情况。

本实施例中，与驱动质量框1相连的弹性限位结构7为差动式的限位结构，在驱动质量框1外侧沿竖直方向即Y方向单方向成对设置，且由于驱动质量框1外侧有足够的空间，因此此处采用三组限位梳齿的弹性限位结构7，包括三组弹性限位梳齿，分别是第一弹性限位梳齿7-1、第二弹性限位梳齿7-2与第三弹性限位梳齿7-3。如图3所示，在初始状态下限位挡块7-4距离第一限位梳齿7-1和第三弹性限位梳齿7-3的距离与其距离第二限位梳齿7-2的距离不同第一弹性限位梳齿7-1、即d1与d2不同即可，其中，d1为第一弹性限位梳齿7-1、第三弹性限位梳齿7-3与限位挡块7-4之间的距离，d2为第二弹性限位梳齿7-2与限位挡块7-4之间的距离。d1与d2的取值只需保证不能太大，若太大，结构经受冲击变形时，弹性梁已经发生破坏，弹性梳齿还未与限位挡块相接触，起不到抵抗高强度冲击的作用；d1与d2的取值也不能太小，若取值太小，会限制主体结构工作时的正常运动，影响陀螺的精度。差动式的弹性限位结构7在经受冲击时，第一弹性限位梳齿7-1、第二弹性限位梳齿7-2与第三弹性限位梳齿7-3不是同时与陀螺主体结构上的梳齿接触，起到很好的缓冲作用。

本实施例中，与检测质量框2相连的弹性限位结构7为差动式的限位结构，分别设于检测质量框2内部四侧，左右两侧各沿竖直方向单方向成对设置弹性限位结构7，上下两侧各沿水平方向单方向成对设置弹性限位结构7。由于空间限制，与检测质量框2相连的弹性限位结构7设置两组弹性限位梳齿：第四弹性限位梳齿与第五弹性限位梳齿，限位挡块到第四弹性限位梳齿与第五弹性限位梳齿的距离不同，以实现缓冲作用。

驱动弹性结构和检测弹性结构的作用均为对陀螺的主体结构起支承作用且满足振动系统要求，因此驱动弹性结构和检测弹性结构需要具备较强的抗冲击性能。本实施例中，驱动弹性梁结构包括四根驱动弹性梁3，四根驱动弹性梁3位于驱动质量框1外侧，以驱动质量框1的中轴线为中心对称设置，用于连接锚点6。检测弹性梁结构包括四根检测弹性梁4，四根检测弹性梁4位于检测质量框2外侧的四角位置，用于连接驱动质量框1与检测质量框2。

每一个驱动质量框1均通过驱动弹性梁3与锚点连结；每一个检测质量框2均在驱动质量框1的内部，且通过检测弹性梁4与驱动质量框1连结。驱动弹性梁3和检测弹性梁4的数量位置没有特定要求，只需满足具备较强的抗冲击性能要求即可。本实施例中，微机械陀螺的驱动弹性梁3与检测弹性梁4均为由多根直弹性梁以串联的方式进行连接构成。

本实施例中所示的微机械陀螺是在硅片上加工的，采用了反应离子刻蚀（RIE）、硅硅键合和深反应离子刻（DRIE）等技术制成。硅片材料本身就有一定的弹性，从而保证了限位挡块、限位梳齿、驱动弹性梁3以及检测弹性梁4均为弹性设计，增强了微机械陀螺整体的抗冲击性能。

如图4所示，本实施例中，驱动质量框1和检测质量框2均为中空式结构。驱动质量框1和检测质量框2为框式结构，检测质量框2的中空部分的内部为键合区，与衬底键合在一起，该键合区内设有多条沟槽9，用于减小陀螺工作时的空气阻尼。

本实施例中，如图2所示，驱动质量框1与检测质量框2上均匀分布多个小孔8，旨在减轻驱动质量框1与检测质量框2的重量。本设计中音叉式微机械陀螺在结构上进行了优化，检测质量框2和驱动质量框1上均开了若干小孔8，在不影响陀螺工作性能的前提下，减轻了陀螺主体结构的质量，使驱动弹性梁3与检测弹性梁4所支承的结构的质量减轻，提高了系统的刚度。

在其中一应用实施例中，陀螺的驱动频率为10KHz，检测频率为10.5KHz。陀螺结构厚度为300μm，驱动质量框1和检测质量框2的厚度均为150μm，驱动质量框1的长度为4970μm，宽度为2368μm，检测质量框2长度为4290μm，宽度为2008μm，驱动弹性梁3的长度为1130μm，驱动弹性梁3的宽度为50μm，检测弹性梁4的长度为660μm，检测弹性梁4的宽度为25μm，中间耦合梁长1为370μm，宽4为6μm，在第一弹性限位梳齿7-1、第二弹性限位梳齿7-2与第三弹性限位梳齿7-3的长度为760μm，宽度为30μm，d1与d2的距离分别为20μm和21μm，第四弹性限位梳齿与第五弹性限位梳齿的长度512μm，宽度为20μm，第四弹性限位梳齿与第五弹性限位梳齿距离限位挡块的距离分别为15μm和16μm时，该陀螺在X、Y、Z三轴方向的抗冲击性能分别为15000g、14000g、11000g。

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，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种音叉式抗高冲击微机械陀螺，其特征在于：包括左右对称设置的两个单框式结构，所述两个单框式结构经由中间耦合梁（5）连接，每个单框式结构均包括驱动质量框（1）、设于所述驱动质量框（1）内部的检测质量框（2）、检测弹性梁结构、驱动弹性梁结构以及在水平方向和竖直方向上单方向成对设置弹性限位结构（7），所述检测弹性梁结构连接所述驱动质量框（1）与所述检测质量框（2），所述驱动质量框（1）经由驱动弹性梁结构与锚点（6）连接，所述弹性限位结构（7）包括连接于锚点（6）上的至少一组弹性限位梳齿和连接于驱动质量框（1）或检测质量框（2）上的限位挡块。 

2.根据权利要求1所述的微机械陀螺，其特征在于：所述与驱动质量框（1）相连的弹性限位结构（7）为差动式的限位结构，在驱动质量框（1）外侧沿水平方向单方向成对设置，且均包括三组弹性限位梳齿：第一弹性限位梳齿（7-1）、第二弹性限位梳齿（7-2）、第三弹性限位梳齿（7-3），初始状态下限位挡块（7-4）距离第一限位梳齿（7-1）和第三弹性限位梳齿（7-3）的距离d1与其距离第二限位梳齿（7-2）的距离d2不同。 

3.根据权利要求1或2所述的微机械陀螺，其特征在于：所述与检测质量框（2）相连的弹性限位结构（7）为差动式的限位结构，分别设于检测质量框（2）内部四侧，左右两侧各沿竖直方向单方向成对设置弹性限位结构（7），上下两侧各沿水平方向单方向成对设置弹性限位结构（7），且所述与检测质量框（2）相连的弹性限位结构分别设有两组弹性限位梳齿：第四弹性限位梳齿与第五弹性限位梳齿，限位挡块到第四弹性限位梳齿与第五弹性限位梳齿的距离不同。 

4.根据权利要求1所述的微机械陀螺，其特征在于：所述驱动弹性梁结构包括四根驱动弹性梁（3），所述四根驱动弹性梁（3）位于所述驱动质量框（1）外侧，以所述驱动质量框（1）的中轴线为中心对称设置，用于连接锚点（6）。 

5.根据权利要求1所述的微机械陀螺，其特征在于：所述检测弹性梁结构包括四根检测弹性梁（4），所述四根检测弹性梁（4）位于所述检测质量框（2）外侧的四角位置，用于连接所述驱动质量框（1）与所述检测质量框（2）。 

6.根据权利要求4或5所述的微机械陀螺，其特征在于：所述的微机械陀螺的驱动弹性梁（3）与检测弹性梁（4）均由多根直弹性梁以串联的方式进行连接构成。 

7.根据权利要求1所述的微机械陀螺，其特征在于：所述微机械陀螺的制作材料为硅片，制作方法为反应离子刻蚀、硅硅键合和深反应离子刻蚀。 

8.根据权利要求1所述的新型音叉式抗高冲击微机械陀螺，其特征在于：驱动质量框（1） 和检测质量框（2）均为中空式结构； 

优选的，检测质量框（2）的中空部分的内部为键合区，键合区内设有多条沟槽（9）。 

9.根据权利要求1所述的新型音叉式抗高冲击微机械陀螺，其特征在于：驱动质量框（1）与检测质量框（2）上均匀分布多个小孔（8）。 

10.根据权利要求3所述的新型音叉式抗高冲击微机械陀螺，其特征在于：所述微机械陀螺的厚度为300μm，驱动质量框（1）和检测质量框（2）的厚度为150μm，驱动质量框（1）长度为4970μm，宽度为2368μm，检测质量框（3）长度为4290μm，宽度为2008μm，驱动弹性梁（3）的长度为1130μm，驱动弹性梁（3）的宽度为50μm，检测弹性梁（4）的长度为660μm，检测弹性梁（4）的宽度为25μm，中间耦合梁（5）的长度为370μm，宽度为6μm，第一弹性限位梳齿（7-1）、第二弹性限位梳齿（7-2）、第三弹性限位梳齿（7-3）的长度为760μm，宽度为30μm，d1与d2的大小分别为20μm和21μm，第四弹性限位梳齿与第五弹性限位梳齿的长度为512μm，宽度为20μm，第四限位梳齿与第五限位梳齿距离限位挡块的距离分别为15μm和16μm。

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