CN103822622A - 静电驱动压阻检测硅微陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种静电驱动压阻检测的硅微陀螺仪，包括：两个带锤头的驱动梁（1），两个与驱动梁垂直的检测梁（2），两组叉指驱动电极，两个检测电极（5），一个固定锚点（6）及一个陀螺的基座(7)。该微陀螺利用静电驱动，压阻检测的原理，制作方法采用体硅微加工工艺和表面硅微加工工艺，制作工艺路线成熟，可靠性高，能保证较低的成本和较高的成品率。同时本发明体积小，结构简单，加工工艺易于实现，能够同CMOS工艺兼容，成本低，适用于批量化生产。
Description
技术领域
本发明属于微机电技术领域(MEMS)，具体地说，涉及的是一种静电驱动压阻检测的硅微陀螺仪。
背景技术
陀螺仪是一种能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和惯性导航定位等领域有着非常重要的作用。随着MEMS微陀螺在航空航天工业、汽车安全及导航系统、消费电子及物联网中的大规模应用，陀螺仪正朝着低成本、小体积、高可靠性和与CMOS电路兼容的方向发展。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利“基于剪应力检测的石英微机械陀螺及其制作方法”（专利申请号：CN 200810143292.9）利用z切石英晶体，通过湿法刻蚀加工的方法制作出一种具有带锤头的双音叉微陀螺。该陀螺利用陀螺两个叉指的横向面内振动作为驱动模态，利用两叉指的面内竖向模态作为检测模态，利用剪应力检测技术而非传统的正应力检测敏感z轴角速度的变化，并通过优化敏感梁的锥度增大陀螺的灵敏度。该陀螺的结构尺寸13×12.2×0.5mm3。
此技术存在如下不足：该石英微陀螺体积过大，限制了其在很多小体积条件下的应用；陀螺材料为石英，不能与CMOS电路直接兼容；石英材料在加工过程中侧壁会产生晶棱，产生机械耦合，影响陀螺的精度。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于新型驱动和检测模态，体积小，加工工艺易于实现，能够与CMOS电路兼容，适用于批量化生产，利用静电驱动，压阻检测的硅微陀螺。
为解决上述技术问题，本发明提出以下解决方案：
一种静电驱动压阻检测的硅微陀螺仪，它包括两个带锤头的驱动梁，两个与驱动梁垂直的检测梁，两组叉指驱动电极，两个检测电极，一个固定锚点及一个陀螺的基座。
所述驱动梁共有两个，截面为长方形，每个驱动梁的两端分别有两个锤头形质量块。
所述检测梁共有两个，截面为长方形结构，每个检测梁的一端与驱动梁长度方向上的中点处相连，另一端与固定锚点相连。
所述叉指驱动电极共有两组，分别位于两驱动梁的两侧，每组叉指包括一个固定叉指和两个活动叉指。固定叉指一端固定在陀螺的框架上，另一端悬空。活动叉指一段固定在驱动梁上，另一端悬空。
所述检测电极共有两个，分别位于两个检测梁的上表面，由压阻材料构成，通过电极引线联接至锚点上的接线电极板。
所述固定锚点共有一个，为正方体结构，下端同陀螺基座相连，两端联接检测梁，通过检测梁支撑驱动梁及活动叉指。固定锚点上分布有检测电极接线电极板。
所述陀螺基座共有一个，形状为空心长方体，为整个陀螺的支撑部件，陀螺的振子通过固定锚点固定于基座之上，固定叉指通过基座的框架固定在基座上。
上述部件的连接以及位置关系为：所述正方体形固定锚点位于空心长方体陀螺基座的中心；锚点左右两边的中心处连接陀螺的两个长方体形杆状悬臂检测梁；检测梁的另一端连接带有锤头形质量块的检测梁；两组活动叉指驱动电极一端同驱动梁连接，另一端悬空，位置分布关于两检测梁对称；两组固定叉指同活动叉指配合，一端固定在基座边框上，一端同活动叉指交叉配合并悬空；检测电极位于检测梁的上表面，位置偏向于检测梁固定端。
本发明利用两个带有锤头形质量块的驱动梁的面内模态作为参考振动，在该模态下同一驱动梁上两端质量块的运动方向相同，两个驱动梁上质量块的运动方向相反。通过在与驱动梁相连接的活动叉指和固定在基座边框上的固定叉指上施加电压对振子施加静电力激励振子产生驱动模态。当有垂直于检测梁（y轴）的角速度输入时，在科氏力作用下，检测梁会在力矩作用下产生垂直于基座方向（z轴）的弯曲。其中，弯曲时在检测电极上产生的正应力的大小同输入角速度的大小成正比。通过测量压阻材料做成的检测电极电阻值的变化即可检测垂直于检测梁（y轴）输入角速度的大小。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明所涉及的静电驱动压阻检测硅微陀螺因为采用静电驱动和压阻检测的方式，不需要如石英陀螺一样利用机械掩模在侧壁制作电极，因此可大大的缩小陀螺的体积。本发明的陀螺采用硅微加工工艺，加工工艺路线成熟，可靠性高，能保证较低的成本和较高的成品率。此外，本发明的硅微陀螺可以和CMOS电路兼容，因此具有更广泛的应用范围。
附图说明
图1是本发明的俯视结构示意图。
图2是本发明的三维立体结构示意图。
图3是本发明所采用的驱动模态示意图。
图4是本发明所受科氏力的示意图。
图5是本发明所采用的检测模态示意图。
其中：
1 驱动梁 2 检测梁
3 活动叉指 4 固定叉指
5检测电极 6 固定锚点
7基座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1和图2所示，本实施例包括两个带锤头的驱动梁1，两个与驱动梁垂直的检测梁2，两组活动叉指驱动电极3，两组固定叉指驱动电极4，两个检测电极5，一个固定锚点6及一个陀螺的基座7。
本实例中驱动梁1共有两个，截面为长方形，每个驱动梁1的两端分别有两个锤头形质量块。
本实例中检测梁2共有两个，截面为长方形结构，每个检测梁2的一端与驱动梁1长度方向上的中点处相连，另一端与固定锚点6相连。
本实例中活动叉指驱动电极3共有两组，分别位于两驱动梁1的外侧，活动叉指3一端固定在驱动梁1上，另一端悬空。
本实例中固定叉指驱动电极4共有两组，分别位于两驱动梁1的外侧，固定叉指4一端固定在基座的框架7上，另一端悬空。
本实例中检测电极5共有两个，分别位于两个检测梁2的上表面，由压阻材料构成。
本实施例中固定锚点6共有一个，为正方体结构，下端同陀螺基座7相连，两端联接检测梁2，通过检测梁2支撑驱动梁1及活动叉指3。
本实施例中陀螺基座7共有一个，为整个陀螺的支撑部件，陀螺的振子包括驱动梁1和检测梁2通过固定锚点6固定于基座7之上，固定叉指4通过基座的框架固定在基座7上。
上述部件的连接以及位置关系为：所述正方体形固定锚点6位于空心长方体陀螺基座7的中心；锚点6左右两边的中心处连接陀螺的两个长方体形杆状悬臂检测梁2；检测梁2的另一端连接带有锤头形质量块的检测梁1；两组活动叉指驱动电极3一端同驱动梁1连接，另一端悬空，位置分布关于两检测梁2对称；两组固定叉指4同活动叉3指配合，一端固定在基座7边框上，一端同活动叉指3交叉配合并悬空；检测电极5位于检测梁2的上表面，位置偏向于检测梁2固定端。
如图3所示，本发明利用两个带有锤头形质量块的驱动梁1的面内模态作为参考振动，在该模态下同一驱动梁2上两端质量块的运动方向相同，两个驱动梁1上质量块的运动方向相反。通过在与驱动梁1相连接的活动叉指3和固定在基座边框上的固定叉指4上施加电压对振子施加静电力激励振子产生驱动模态。当有垂直于检测梁2（y轴）的角速度输入时，在如图4所示科氏力作用下，检测梁2会在力矩作用下产生垂直于基座7方向（z轴）的弯曲，如图5所示。其中，弯曲时在检测电极5上产生的正应力的大小同输入角速度的大小成正比。通过惠斯通电桥法测量压阻材料做成的检测电极5电阻值的变化即可检测垂直于检测梁5（y轴）输入角速度的大小。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范畴。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也都应视为本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种静电驱动压阻检测的硅微陀螺仪，其特征在于：该微陀螺采用静电驱动，压阻检测。
2.根据权利要求1所述的静电驱动压阻检测的硅微陀螺仪，其特征在于：该微陀螺的采用体硅微加工工艺和表面硅微加工工艺制作。
3.一种静电驱动压阻检测的硅微陀螺仪，其特征在于：它包括两个带锤头的驱动梁（1），两个与驱动梁垂直的检测梁（2），两组叉指驱动电极，两个检测电极（5），一个固定锚点（6）及一个陀螺的基座。
4.根据权利要求3所述的静电驱动压阻检测的硅微陀螺仪，其特征在于：所述驱动梁（1）共有两个，截面为长方形，每个驱动梁（1）的两端分别有两个锤头形质量块。
5.根据权利要求3所述的静电驱动压阻检测的硅微陀螺仪，其特征在于：所述检测梁（2）共有两个，截面为长方形结构，每个检测梁（2）的一端与驱动梁长度方向上的中点处相连，另一端与固定锚点（6）相连。
6.根据权利要求3所述的静电驱动压阻检测的硅微陀螺仪，其特征在于：所述叉指驱动电极共有两组，分别位于两驱动梁（1）的两侧，每组叉指包括一个固定叉指（4）和两个活动叉指（3）。
7.固定叉指（4）一端固定在陀螺的框架上，另一端悬空；活动叉指（3）一段固定在驱动梁上，另一端悬空。
8.根据权利要求3所述的静电驱动压阻检测的硅微陀螺仪，其特征在于：所述检测电极共有两个，分别位于两个检测梁（2）的上表面，由压阻材料构成，通过电极引线联接至锚点上的接线电极板。
9.根据权利要求3所述的静电驱动压阻检测的硅微陀螺仪，其特征在于：所述固定锚点（6）共有一个，为正方体结构，下端同陀螺基座（7）相连，两端联接检测梁（2），通过检测梁（2）支撑驱动梁（1）及活动叉指（3）；固定锚点（6）上分布有检测电极接线电极板。
10.根据权利要求3所述的静电驱动压阻检测的硅微陀螺仪，其特征在于：所述陀螺基座（7）共有一个，形状为空心长方体，为整个陀螺的支撑部件，陀螺的振子通过固定锚点（6）固定于基座之上，固定叉指（4）通过基座的框架固定在基座上。
11.根据权利要求3至9任一项所述的静电驱动压阻检测的硅微陀螺仪，其特征在于：上述部件的连接以及位置关系为：所述正方体形固定锚点（6）位于空心长方体陀螺基座（7）的中心；锚点左右两边的中心处连接陀螺的两个长方体形杆状悬臂检测梁（2）；检测梁（2）的另一端连接带有锤头形质量块的检测梁（2）；两组活动叉指（3）驱动电极一端同驱动梁（1）连接，另一端悬空，位置分布关于两检测梁（2）对称；两组固定叉指（4）同活动叉指（3）配合，一端固定在基座（7）边框上，一端同活动叉指（3）交叉配合并悬空；检测电极位于检测梁（2）的上表面，位置偏向于检测梁（2）固定端。
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|---|---|---|---|---|
| CN107979351A (zh) * | 2017-12-05 | 2018-05-01 | 西安交通大学 | 一种基于高阶同步的耦合压阻mems振荡器 |
| CN110207685A (zh) * | 2019-06-13 | 2019-09-06 | 华中科技大学 | 一种mems陀螺仪 |
| CN113847909A (zh) * | 2021-11-26 | 2021-12-28 | 北京晨晶电子有限公司 | 微机械石英音叉陀螺 |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140528 |