CN103808314A - 一种抗高冲击的微机电陀螺 - Google Patents

Abstract

一种抗高冲击的微机电陀螺，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，每个单框式结构均包括驱动质量框、设于驱动质量框内部的检测质量框以及连接驱动质量框和检测质量框的检测弹性梁，驱动质量框和锚点之间经由八组三锚点折叠梁连接，每个驱动质量框的外部左右两侧沿水平方向分别成对设置弹性限位结构，每个驱动质量框外部上下两侧沿竖直方向单向设置一组弹性限位结构，每个检测质量框内部四侧分别设置一组弹性限位结构。当陀螺工作于高强度的冲击载荷之下时，弹性限位结构限制了主体结构在水平和竖直方向的位移，保证三锚点折叠梁和检测弹性梁不超过弹性变形极限，使结构不发生断裂失效，提高抗冲击性。

Description

一种抗高冲击的微机电陀螺

技术领域

本发明属于微电子机械系统领域，涉及微机电陀螺结构。

背景技术

微机电系统（MEMS）是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成的系统，尺寸通常在毫米或微米级。其中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。微机械陀螺采用硅微加工工艺，具有体积小、质量轻、功耗低、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。

MEMS陀螺可能在制造、安装、使用过程中会受到各种环境冲击。例如器件偶然跌落在硬物上所引起的高冲击，可能导致器件损坏。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就更显重要。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。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。国外在抗高冲击微陀螺方面采取严格的技术封锁政策。基于此，有必要对抗高冲击微机械陀螺进行研发，以使其可应用于存在高强度冲击的民用或军用场合，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电陀螺，具有抗高强度冲击的能力，可以应用于存在高强度冲击的民用或军用场合。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种抗高冲击的微机电陀螺，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以及连接所述驱动质量框和所述检测质量框的检测弹性梁，每个单框式结构还包括三锚点折叠梁和弹性限位结构，所述驱动质量框和锚点之间经由八组三锚点折叠梁连接，所述每个驱动质量框的外部左右两侧沿水平方向分别成对设置弹性限位结构，每个驱动质量框外部上下两侧沿竖直方向单向设置一组弹性限位结构，所述每个检测质量框内部四侧分别设置一组弹性限位结构。

所述单框式结构中，每个驱动质量框的外部上下两侧沿竖直方向成对布置八组三锚点折叠梁，所述驱动质量框上下两侧每边上的四组三锚点折叠梁中，其中两组三锚点折叠梁位于该侧边的两端，另外两组三锚点折叠梁在该侧边关于驱动质量框的中心轴对称布置；

优选的，所述驱动质量框上下两侧每边上的四组三锚点折叠梁分别位于该单侧边的第一等分点、第二等分点、第四等分点以及第五等分点位置上。

所述三锚点折叠梁为轴对称结构，包括位于左右两侧的U型梁以及位于中间的T型梁，所述两组U型梁靠近所述T型梁的一侧分别与所述T型梁的两翼缘相连，所述两组U型梁远离所述T型梁的一侧与锚点连接，所述T型梁的梁肋与驱动质量框连接。

所述单框式结构中，驱动质量框、驱动质量框上下侧边第一等分点、第二等分点和第四等分点上的六组三锚点折叠梁、检测质量框以及检测弹性梁上均溅射铝线，且检测电磁回路由位于驱动质量框上下侧边第二等分点和第四等分点上的四组三锚点折叠梁、检测弹性梁以及检测质量框水平方向上的铝线构成，驱动电磁回路由位于驱动质量框上下侧边第一等分点上的两组三锚点折叠梁及驱动质量框上的铝线构成。

进一步的，位于同一等分点处的上下两组三锚点折叠梁中，铝线溅射于同一侧的U型梁上。

所述弹性限位结构包括凹槽、位于凹槽上方的弹性限位凸台以及位于弹性限位凸台左右两侧的刚性限位凸台，所述弹性限位凸台和所述两个刚性限位凸台用于连接锚点，且弹性限位凸台和刚性限位凸台到驱动质量框的距离不同，且弹性限位凸台和刚性限位凸台到检测质量框的距离也不同。

所述弹性限位结构为直接在锚点上刻蚀加工获得。

所述检测弹性梁为T形结构，检测弹性梁的两翼缘端分别与驱动质量框的内侧相连接，梁肋端与所述检测质量框的外侧连接。

所述驱动质量框和检测质量框均为中空的框式结构。

所示检测质量框的中空部分的内部为键合区，所述键合区内设有多条沟槽。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

第一、本发明所示的微机电陀螺在抗冲击结构上进行了再设计，在陀螺的水平方向与竖直方向均设计了弹性限位结构，当陀螺工作于高强度的冲击载荷之下时，主体结构中的驱动质量框和检测质量框往往会发生较大位移，弹性限位结构限制了主体结构在水平方向和竖直方向的位移，以保证连接在主体结构上的三锚点折叠梁和检测弹性梁不超过弹性变形极限，进而使结构不发生断裂失效。另一方面，本设计中的限位结构为弹性限位与刚性限位的组合型限位结构，在限制主体结构大位移的前提下，消除了限位结构与主体结构碰撞时产生强烈冲击波的现象，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。差动式的弹性限位结构在限位时，弹性限位凸台和刚性限位凸台到主体结构的距离不同，因此弹性限位凸台与刚性限位凸台并不是同一时间和主体结构相接触，这种弹性限位与刚性限位的组合型差动式弹性限位结构能在陀螺经受高强度冲击时起到很好的缓冲效果。

第二、本发明所示的微机电陀螺在驱动质量框外的上下两侧单侧均设置了四组三锚点折叠梁，此种设计使得驱动回路和检测回路分开，消除了驱动回路和检测回路的电磁耦合现象，大大提高了陀螺的检测精度。

第三、三锚点折叠梁包括位于左右两侧的U型梁以及位于中间的T型梁，其采用两根折叠梁并联的方式，提高了驱动弹性梁的刚度，在一定程度上提高了陀螺的抗冲击性能。

总而言之，本发明所示的微机电陀螺，以其体积小、质量轻、抗冲击性能强和检测精度较高的优点可以应用于工作环境严苛检测精度要求高的民用或军用场合。

附图说明

图1是本发明所示一实施例的微机电陀螺弹性限位结构示意图；

图2是图1所示实施例的微机电陀螺的三锚点折叠梁结构示意图；

图3是图1所示实施例的微机电陀螺主体结构示意图；

图4是图1所示实施例的微机电陀螺的总体结构示意图；

图5是图1所示实施例的微机电陀螺的整体结构细节示意图；

图6本图1所示实施例中电磁回路整体布局示意图；

图7是图6所示实施例中电磁回路局部放大图。

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3至图5所示，一种抗高冲击的微机电陀螺，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以及连接驱动质量框1和检测质量框2的检测弹性梁4，且每个单框式结构还包括三锚点折叠梁3和弹性限位结构6。驱动质量框1和锚点7之间经由八组三锚点折叠梁3连接，每个驱动质量框1的外部左右两侧沿水平方向分别成对设置弹性限位结构6，每个驱动质量框1外部上下两侧沿竖直方向单向设置一组弹性限位结构6，每个检测质量框2内部四侧分别设置一组弹性限位结构6。

该微机电陀螺的驱动和检测方式均为电磁驱动和电磁检测，微机电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，每个单框式结构中，驱动质量框1均通过三锚点折叠梁3与锚点7连结，检测质量框2均在在驱动质量框1的内部，且通过检测弹性梁4与驱动质量框1连结，陀螺可以在衬底上沿X方向（水平方向）与Y方向（竖直方向）运动，且在X方向（水平方向）与Y方向（竖直方向）具有弹性限位结构6。

工作时，Z向具有匀强磁场，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Y方向反向振动，检测质量框2上的铝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。

当微机电陀螺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，在位移超过结构的三锚点折叠梁3或检测弹性梁4所能承受的极限时，梁就有可能断裂，导致结构破坏。本发明通过在驱动质量框1和检测质量框2上设置的弹性限位结构6，弹性限位结构6限制了微机电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4结构与三锚点折叠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提高抗冲击性能。

弹性限位结构6为直接在锚点上刻蚀加工获得，其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（比如离结构太远，在结构经受大的冲击变形时梳齿与弹性挡块之间距离太远，没有接触，起不到限位的作用的）条件下保证在单方向上弹性限位结构成对使用即可。

如图1所示，本实施例中，弹性限位结构6包括凹槽6-3、位于凹槽6-3上方的弹性限位凸台6-1以及位于弹性限位凸台6-1左右两侧的刚性限位凸台6-2，弹性限位凸台6-1和两个刚性限位凸台6-2用于连接锚点7。

弹性限位结构6为差动式结构，在与驱动质量框1相连的弹性限位结构6中，弹性限位凸台6-1到驱动质量框1的距离d1与刚性限位凸台6-2到驱动质量框1的距离d2不同；在与检测质量框2相连的弹性限位结构6中，弹性限位凸台6-1到检测质量框2的距离与刚性限位凸台6-2到检测质量框2的距离也不同。

由于驱动质量框1在Y方向（竖直方向）上的尺寸较大，故在驱动质量框1外左右两侧均设置两组弹性限位结构6。因弹性限位结构6差动式结构，只需使弹性限位结构上的弹性限位凸台6-1和刚性限位凸台6-2到驱动质量框1的距离不同即可，且d1与d2的取值不能太大，若太大，结构经受冲击变形时，主体结构发生较大位移，检测弹性梁4和三锚点折叠梁3已经超过弹性变形极限发生破坏，弹性限位凸台6-1还未与主体结构相接触，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位移影响陀螺的精度，除此之外弹性限位结构上凹槽6-3的尺寸也没有严格的规定。

与检测质量框2相连的弹性限位结构6中，弹性限位凸台6-1和刚性限位凸台6-2到检测质量框2的距离也不同，其取值参照与驱动质量框1相连的弹性限位结构6中的设置构成差动式结构，以起到消除冲击波的作用。由于空间限制，检测质量框2内部四侧单侧各设置一个弹性限位结构6，弹性限位结构6关于检测质量框2的中轴呈对称布置。

如图4和图5所示，每个驱动质量框1的外部上下两侧沿竖直方向成对还布置八组三锚点折叠梁3，驱动质量框1上下两侧每边上的四组三锚点折叠梁3中，其中两组三锚点折叠梁3位于该侧边的两端，另外两组三锚点折叠梁3在该侧边关于驱动质量框1的中心轴对称布置。对于单个驱动质量框来说，设置在其上的8根三锚点折叠梁3的位置并无特殊要求，只需保证其中四根梁分别设置在靠近驱动质量框的四个角的位置。其他的四根梁尽量在单侧成比较平均的布置。本实施例中，将驱动质量框1上下两侧每边五等分，单侧的四根三锚点折叠梁3分别位于该侧边的第一等分点、第二等分点、第四等分点以及第五等分点位置上。

本发明所示的微机电陀螺，每个单框式结构中，驱动质量框1、检测质量框2、三锚点折叠梁3以及检测弹性梁4上均溅射了导电材料，本实施例中，该导电材料为铝线。

就三锚点折叠梁3而言，驱动质量框1上下侧边第一等分点、第二等分点和第四等分点上的六组三锚点折叠梁3上均溅射铝线。如图6和图7所示中，位于第二等分点和第四等分点上四根三锚点折叠梁3上用溅射铝线的方法制成检测回路。严格的来说这四根梁不能被称为驱动梁，只是作为辅助梁（起到支撑、将驱动和检测电磁回路分开的作用），而位于第一等分点上的两根三锚点折叠梁3溅射铝线制成驱动回路，这两根梁是真正作为驱动梁。位于第五等分点上的根三锚点折叠梁3则是作为支撑梁，保持结构的对称性，其上并不溅射铝线。

如图2所示，三锚点折叠梁3为轴对称结构，包括位于左右两侧的U型梁以及位于中间的T型梁，两组U型梁靠近T型梁的一侧分别与T型梁的两翼缘相连，两组U型梁远离T型梁的一侧与锚点7连接，T型梁的梁肋与驱动质量框1连接。对于第一等分点、第二等分点和第四等分点上的六组三锚点折叠梁3而言，检测和驱动电磁回路具体走线是在通过三锚点折叠梁3左侧还是右侧的U型梁并无特殊要求，只需保持结构对称就行，即位于同一等分点处的上下两组三锚点折叠梁3中，铝线溅射于同一侧的U型梁上。

最终本发明所示的微机电陀螺，每个单框式结构中检测电磁回路由位于驱动质量框1上下侧边第二等分点和第四等分点上的四组三锚点折叠梁3、检测弹性梁4以及检测质量框2水平方向上的铝线构成；驱动电磁回路由位于驱动质量框1上下侧边第一等分点上的两组三锚点折叠梁3及驱动质量框1上的铝线构成。此设计解决了以往设计中的驱动与检测相互干扰问题，提高了微机电陀螺检测精度。相较于以往设计中，微机电陀螺的检测回路和驱动回路都经过驱动质量框，导致检测回路和驱动回路的线路靠的很近，造成电磁干扰，以至于降低检测精度的结构，本发明所示的微机电陀螺，驱动回路和检测回路分开，降低了电磁干扰现象，提高了检测精度。

同时，本发明所示微机电陀螺中，检测弹性梁4为T形结构，检测弹性梁4的两翼缘端分别与驱动质量框1的内侧相连接，梁肋端与检测质量框2的外侧连接。检测弹性梁4的结构类似T形，水平方向的两端与驱动质量框1的内部相连接，竖直方向的一端与检测质量框2的外部连接，这样设置较单侧设置两根分开的检测弹性梁结构上更简单，方便加工。

本发明所示的微机电陀螺是在硅片上加工的，采用了反应离子刻蚀RIE、硅键合和深反应离子刻蚀DRIE等技术制成。驱动质量框1和检测质量框2均为中空式的框架结构，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，该键合区内有多条沟槽8，用于减小陀螺工作时的空气阻尼。

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。所述微机点陀螺的厚度为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3800μm，宽度为2368μm，检测质量框2长度为3100μm，宽度为1848μm，在检测质量框2内部沿水平方向设置的弹性限位结构6的弹性限位凸台6-1距离检测质量框2的距离为12μm，刚性限位凸台6-2距离检测质量框2的距离为15μm，在检测质量框2内部沿竖直方向设置的弹性限位结构6的弹性限位凸台6-1距离检测质量框1的距离为8μm，刚性限位凸台6-2距离检测质量框2的距离为11μm时，该陀螺在X、Y、Z三轴方向的抗冲击性能分别为14000g、16000g、18000g。

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使用本发明。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，本发明不限于上述实施例，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)

1.一种抗高冲击的微机电陀螺，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（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）以及连接所述驱动质量框（1）和所述检测质量框（2）的检测弹性梁（4），其特征在于：每个单框式结构还包括三锚点折叠梁（3）和弹性限位结构（6），所述驱动质量框（1）和锚点（7）之间经由八组三锚点折叠梁（3）连接，所述每个驱动质量框（1）的外部左右两侧沿水平方向分别成对设置弹性限位结构（6），每个驱动质量框（1）外部上下两侧沿竖直方向单向设置一组弹性限位结构（6），所述每个检测质量框（2）内部四侧分别设置一组弹性限位结构（6）。

2.根据权利要求1所述的微机电陀螺，其特征在于：所述单框式结构中，每个驱动质量框（1）的外部上下两侧沿竖直方向成对布置八组三锚点折叠梁（3），所述驱动质量框（1）上下两侧每边上的四组三锚点折叠梁（3）中，其中两组三锚点折叠梁（3）位于该侧边的两端，另外两组三锚点折叠梁（3）在该侧边关于驱动质量框（1）的中心轴对称布置；

优选的，所述驱动质量框（1）上下两侧每边上的四组三锚点折叠梁（3）分别位于该单侧边的第一等分点、第二等分点、第四等分点以及第五等分点位置上。

3.根据权利要求1或2所述的微机电陀螺，其特征在于：所述三锚点折叠梁（3）为轴对称结构，包括位于左右两侧的U型梁以及位于中间的T型梁，所述两组U型梁靠近所述T型梁的一侧分别与所述T型梁的两翼缘相连，所述两组U型梁远离所述T型梁的一侧与锚点（7）连接，所述T型梁的梁肋与驱动质量框（1）连接。

4.根据权利要求3所述的微机电陀螺，其特征在于：所述单框式结构中，驱动质量框（1）、驱动质量框（1）上下侧边第一等分点、第二等分点和第四等分点上的六组三锚点折叠梁（3）、检测质量框（2）以及检测弹性梁（4）上均溅射铝线，且检测电磁回路由位于驱动质量框（1）上下侧边第二等分点和第四等分点上的四组三锚点折叠梁（3）、检测弹性梁（4）以及检测质量框（2）水平方向上的铝线构成，驱动电磁回路由位于驱动质量框（1）上下侧边第一等分点上的两组三锚点折叠梁（3）及驱动质量框（1）上的铝线构成。

5.根据权利要求4所述的微机电陀螺，其特征在于：位于同一等分点处的上下两组三锚点折叠梁（3）中，铝线溅射于同一侧的U型梁上。

6.根据权利要求1所述的微机电陀螺，其特征在于：所述弹性限位结构（6）包括凹槽（6-3）、位于凹槽（6-3）上方的弹性限位凸台（6-1）以及位于弹性限位凸台（6-1）左右两侧的刚性限位凸台（6-2），所述弹性限位凸台（6-1）和所述两个刚性限位凸台（6-2）用于连接锚点（7），且弹性限位凸台（6-1）和刚性限位凸台（6-2）到驱动质量框（1）的距离不同，且弹性限位凸台（6-1）和刚性限位凸台（6-2）到检测质量框（2）的距离也不同。

7.根据权利要求1或6所述的微机电陀螺，其特征在于：所述弹性限位结构（6）为直接在锚点上刻蚀加工获得。

8.根据权利要求1所述的微机电陀螺，其特征在于：所述检测弹性梁（4）为T形结构，检测弹性梁（4）的两翼缘端分别与驱动质量框（1）的内侧相连接，梁肋端与所述检测质量框（2）的外侧连接。

9.根据权利要求1所述的微机电陀螺，其特征在于：所述驱动质量框（1）和检测质量框（2）均为中空的框式结构。

10.根据权利要求9所述的微机电陀螺，其特征在于：所示检测质量框（2）的中空部分的内部为键合区，所述键合区内设有多条沟槽（8）。

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