CN105352488A

CN105352488A - 变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺

Info

Publication number: CN105352488A
Application number: CN201510644300.8A
Authority: CN
Inventors: 管延伟; 高世桥; 刘海鹏; 李平
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2015-10-08
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2016-02-24

Abstract

本发明公开的变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺，涉及一种音叉式微机械陀螺，属于微机电系统领域。本发明包括玻璃基底、金属电极；还包括MEMS结构，MEMS结构采用能够充分利用结构空间的变面积检测梳齿差分电容以增加在有限空间内变面积检测梳齿差分电容的布设数量。采用锚点与耦合菱形梁连接实现检测模态的模态优化；采用锚点与杠杆结构连接实现驱动模态的模态优化。采用U型梁能够实现降低加工工艺缺陷造成的尺寸误差带来的正交耦合误差。本发明能够实现驱动模态和检测模态的模态优化，能够在不降低灵敏度的前提下，实现检测电容变化量与位移变化量的线性转换，有效解决变间距电容式微陀螺量程小的问题，能够降低正交耦合误差。

Description

变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺

技术领域

本发明公开的一种变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺，涉及一种音叉式微机械陀螺，尤其涉及一种变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺，属于微机电系统(MEMS)技术领域。

背景技术

微机械陀螺发展迅速，已广泛应用于电子行业，汽车，惯性导航等领域，这得益于其体积小，成本低，能耗小以及可批量生产等优点。振动式微机械陀螺的工作原理是基于哥氏效应，利用驱动模态和检测模态之间的能量传递，来敏感角速度的变化。

随着微机械陀螺性能(分辨率、灵敏度、带宽)的不断提高，外界振动对陀螺的性能影响愈发突出。为此，国内外学者设计了各种双质量块音叉式陀螺来消除振动带来的影响。此类音叉式陀螺(这里定义为直接耦合式)，一般使用弹性梁直接耦合两个质量块，并采用变间距式偏置梳齿差分检测的方式。然而，对于直接耦合式音叉陀螺来说，无论驱动模态还是检测模态，同相模态频率小于反相工作模态频率，且两者的频率差很难增大。为了降低振动灵敏度，必须提高反相工作频率，这必然导致陀螺灵敏度下降。另一方面，变间距式偏置梳齿差分检测引入了位移与电容转换非线性问题，同时小间距也带来了量程小的问题。

发明内容

本发明公开的一种变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺，要解决的技术问题是提供一种能够实现驱动模态和检测模态的模态优化，降低振动灵敏度，获得高线性、大量程的微机械陀螺。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开的一种变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺，包括玻璃基底、金属电极；还包括MEMS结构，其中，硅片键合在玻璃基底上，对玻璃基底上的硅片进行光刻深刻蚀形成锚点，对玻璃基底进行光刻，并溅射金属，通过剥离形成金属电极，再在硅片进行光刻深刻蚀释放出MEMS结构。所述的MEMS结构包括锚点、左质量块、左质量块左检测框架、左质量块右检测框架、左质量块上驱动框架、左质量块下驱动框架、右质量块、右质量块左检测框架、右质量块右检测框架、右质量块上驱动框架、右质量块下驱动框架、双U型梁、单U型梁、杠杆结构、耦合菱形梁、变面积检测梳齿差分电容、差分驱动器、正交消除电极、驱动检测电容、调谐电极、闭环检测力平衡电极。所述的锚点用于分别固定杠杆结构、耦合菱形梁和单U型梁，所述的锚点数量根据固定需要而定；所述的金属电极数量根据后续处理电路需要而定。所述的MEMS结构采用能够充分利用结构空间的变面积检测梳齿差分电容以增加在有限空间内变面积检测梳齿差分电容的布设数量。耦合菱形梁位于MEMS结构中间部分，采用锚点与耦合菱形梁连接实现检测模态的模态优化；杠杆结构对称分布于锚点与耦合菱形梁上下两侧，采用锚点与杠杆结构连接实现驱动模态的模态优化。采用U型梁能够实现降低加工工艺缺陷造成的尺寸误差带来的正交耦合误差。双U型弹性梁比单U型梁降低正交耦合误差效果更好。采用双U型弹性梁或单U型梁根据结构空间限制而定。

所述的MEMS结构具体实现为对称结构。耦合菱形梁位于MEMS结构中间部分，耦合菱形梁向左依次为左质量块右检测框架、左质量块、左质量块左检测框架，同样，耦合菱形梁向右依次为右质量块左检测框架、右质量块、右质量块右检测框架。左质量块上侧和下侧分别设有左质量块上驱动框架、左质量块下驱动框架，同样，右质量块上侧和下侧分别设有右质量块上驱动框架、右质量块下驱动框架。耦合菱形梁上侧的杠杆结构位于左质量块上驱动框架与右质量块上驱动框架之间，同样，耦合菱形梁下侧的杠杆结构位于左质量块下驱动框架与右质量块下驱动框架之间，杠杆结构通过锚点固定。左质量块上驱动框架、左质量块下驱动框架、右质量块上驱动框架、右质量块下驱动框架分别包括差分驱动器和驱动检测电容。分别在左质量块右检测框架、右质量块左检测框架上布置变面积检测梳齿差分电容。分别在左质量块左检测框架、右质量块右检测框架上布置闭环检测力平衡电极。在左质量块四个对角位置分别布置调谐电极，同样，在右质量块四个对角位置分别布置调谐电极。分别在左质量块、右质量块中心部分布置正交消除电极。

有益效果：

1、本发明公开的一种变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺，采用变面积检测梳齿差分电容能够充分利用结构空间，在有限的结构空间下，可布设更多的变面积检测梳齿差分电容，因此，能够在不降低灵敏度的前提下，实现检测电容变化量与位移变化量的线性转换，同时有效解决变间距电容式微陀螺量程小的问题，即实现获得高线性、大量程的微机械陀螺；

2、本发明公开的一种变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺，采用锚点与耦合菱形梁连接实现检测模态的模态优化；采用锚点与杠杆结构连接实现驱动模态的模态优化。所述的模态优化指同相模态频率要高于反相模态频率，降低了微机械陀螺的振动灵敏度；

3、本发明公开的一种变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺，双U型弹性梁结构与单U型相比解耦性能更好，能够降低加工工艺缺陷造成的尺寸误差带来的正交耦合误差。

附图说明

图1本发明的结构示意图；

其中：1—玻璃基底、2—金属电极、3—左质量块左检测框架、4—左质量块下驱动框架、5—左质量块上驱动框架、6—左质量块、7—双U型梁、8—杠杆结构、9—左质量块右检测框架、10—锚点、11—耦合菱形梁、12—右质量块左检测框架、13—变面积检测梳齿差分电容、14—差分驱动器、15—右质量块上驱动框架、16—单U型梁、17—驱动检测电容、18—调谐电极、19—正交消除电极、20—右质量块、21—右质量块右检测框架、22—闭环检测力平衡电极、23—右质量块下驱动框架。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达到预期目的所采取的技术手段及功效，使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效做如下详细说明。

如图1所示，本实施例公开的一种变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺，包括玻璃基底1、金属电极2；还包括MEMS结构，其中，硅片键合在玻璃基底1上，对玻璃基底1上的硅片进行光刻深刻蚀形成锚点10，对玻璃基底1进行光刻，并溅射金属，通过剥离形成金属电极2，再在硅片进行光刻深刻蚀释放出MEMS结构。所述的MEMS结构包括锚点10、左质量块6、左质量块左检测框架3、左质量块右检测框架9、左质量块上驱动框架5、左质量块下驱动框架4、右质量块20、右质量块左检测框架12、右质量块右检测框架21、右质量块上驱动框架15、右质量块下驱动框架23、双U型梁7、单U型梁16、杠杆结构8、耦合菱形梁11、变面积检测梳齿差分电容13、差分驱动器14、正交消除电极19、驱动检测电容17、调谐电极18、闭环检测力平衡电极22。所述的锚点10用于分别固定杠杆结构8、耦合菱形梁11和单U型梁16，所述的锚点10数量根据固定需要而定；所述的金属电极2数量根据后续处理电路需要而定。所述的MEMS结构采用能够充分利用结构空间的变面积检测梳齿差分电容13以增加在有限空间内变面积检测梳齿差分电容13的布设数量。耦合菱形梁11位于MEMS结构中间部分，采用锚点10与耦合菱形梁11连接实现检测模态的模态优化；杠杆结构8对称分布于锚点10与耦合菱形梁11上下两侧，采用锚点10与杠杆结构8连接实现驱动模态的模态优化。采用U型梁能够实现降低加工工艺缺陷造成的尺寸误差带来的正交耦合误差。双U型弹性梁7比单U型梁16降低正交耦合误差效果更好。采用双U型弹性梁7或单U型梁16根据结构空间限制而定。

所述的MEMS结构具体实现结构为对称结构。耦合菱形梁11位于MEMS结构中间部分，耦合菱形梁11向左依次为左质量块右检测框架9、左质量块6、左质量块左检测框架3，同样，耦合菱形梁11向右依次为右质量块左检测框架12、右质量块20、右质量块右检测框架21。左质量块6上侧和下侧分别设有左质量块上驱动框架5、左质量块下驱动框架4，同样，右质量块20上侧和下侧分别设有右质量块上驱动框架15、右质量块下驱动框架23。耦合菱形梁11上侧的杠杆结构8位于左质量块上驱动框架5与右质量块上驱动框架15之间，同样，耦合菱形梁11下侧的杠杆结构8位于左质量块下驱动框架4与右质量块下驱动框架23之间，杠杆结构8通过锚点10固定。左质量块上驱动框架5、左质量块下驱动框架4、右质量块上驱动框架15、右质量块下驱动框架23分别包括差分驱动器14和驱动检测电容17。分别在左质量块右检测框架9、右质量块左检测框架12上布置变面积检测梳齿差分电容13。分别在左质量块左检测框架3、右质量块右检测框架21上布置闭环检测力平衡电极22。在左质量块6四个对角位置分别布置调谐电极18，同样，在右质量块20四个对角位置分别布置调谐电极18。分别在左质量块6、右质量块20中心部分布置正交消除电极19。

本实施例公开的一种变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺工作过程为：在差分驱动器14的一端固定电极上施加电压V₁＝V_DC-V_ACsin(wt),另一端固定电极上施加电压V₁＝V_DC+V_ACsin(wt)，则在活动电极上产生交变的静电力，由于左质量块6和右质量块20上的差分驱动器施加的电压极性相反，左质量块6和右质量块20在活动电极的牵引下，沿Y轴定义为驱动方向，产生振动定义为驱动振动模态。当Z方向有角速度输入时，左质量块6和右质量块20在X轴受到哥氏力的作用，当该方向上产生振动，从而带动活动电极沿X轴向振动，定义为敏感方向与敏感振动模态，此时左质量块6和右质量块20的检测活动电极与检测固定电极的电容变化量，一个增加，另外一个等量减小，则变面积梳齿差分电容产生一个交变信号。该电容变化幅值与输入角速度成正比，通过接口电路检测电容变化从而可测得角速度信号。若受到外界振动的作用，可以通过音叉式结构的差分输出特性抑制振动的影响，由于进行了双模态优化，使同相模态振动频率远高于反相模态振动频率，这有效地降低了微陀螺的振动灵敏度。同时由于采用了双级解耦结构形式，检测活动电极只有敏感方向产生振动，而驱动活动电极只有驱动方向振动，有效地消除了驱动和检测振动模态之间的耦合作用。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺，包括玻璃基底(1)、金属电极(2)；硅片键合在玻璃基底(1)上，对玻璃基底(1)上的硅片进行光刻深刻蚀形成锚点(10)，对玻璃基底(1)进行光刻，并溅射金属，通过剥离形成金属电极(2)；其特征在于：还包括在硅片进行光刻深刻蚀释放出MEMS结构；所述的MEMS结构包括锚点(10)、左质量块(6)、左质量块左检测框架(3)、左质量块右检测框架(9)、左质量块上驱动框架(5)、左质量块下驱动框架(4)、右质量块(20)、右质量块左检测框架(12)、右质量块右检测框架(21)、右质量块上驱动框架(15)、右质量块下驱动框架(23)、双U型梁(7)、单U型梁(16)、杠杆结构(8)、耦合菱形梁(11)、变面积检测梳齿差分电容(13)、差分驱动器(14)、正交消除电极(19)、驱动检测电容(17)、调谐电极(18)、闭环检测力平衡电极(22)；所述的锚点(10)用于分别固定杠杆结构(8)、耦合菱形梁(11)和单U型梁(16)，所述的锚点(10)数量根据固定需要而定；所述的金属电极(2)数量根据后续处理电路需要而定；所述的MEMS结构采用能够充分利用结构空间的变面积检测梳齿差分电容(13)以增加在有限空间内变面积检测梳齿差分电容(13)的布设数量；耦合菱形梁(11)位于MEMS结构中间部分，采用锚点(10)与耦合菱形梁(11)连接实现检测模态的模态优化；杠杆结构(8)对称分布于锚点(10)与耦合菱形梁(11)上下两侧，采用锚点(10)与杠杆结构(8)连接实现驱动模态的模态优化。

2.根据权利要求1所述的一种变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺，其特征在于：采用U形梁能够实现降低加工工艺缺陷造成的尺寸误差带来的正交耦合误差；双U型弹性梁(7)比单U型梁(16)降低正交耦合误差效果更好；采用双U型弹性梁(7)或单U型梁(16)根据结构空间限制而定。

3.根据权利要求1或2所述的一种变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺，其特征在于：所述的MEMS结构具体实现结构为对称结构；耦合菱形梁(11)位于MEMS结构中间部分，耦合菱形梁(11)向左依次为左质量块右检测框架(9)、左质量块(6)、左质量块左检测框架(3)，同样，耦合菱形梁(11)向右依次为右质量块左检测框架(12)、右质量块(20)、右质量块右检测框架(21)；左质量块(6)上侧和下侧分别设有左质量块上驱动框架(5)、左质量块下驱动框架(4)，同样，右质量块(20)上侧和下侧分别设有右质量块上驱动框架(15)、右质量块下驱动框架(23)；耦合菱形梁(11)上侧的杠杆结构(8)位于左质量块上驱动框架(5)与右质量块上驱动框架(15)之间，同样，耦合菱形梁(11)下侧的杠杆结构(8)位于左质量块下驱动框架(4)与右质量块下驱动框架(23)之间，杠杆结构(8)通过锚点(10)固定；左质量块上驱动框架(5)、左质量块下驱动框架(4)、右质量块上驱动框架(15)、右质量块下驱动框架(23)分别包括差分驱动器(14)和驱动检测电容(17)；分别在左质量块右检测框架(9)、右质量块左检测框架(12)上布置变面积检测梳齿差分电容(13)；分别在左质量块左检测框架(3)、右质量块右检测框架(21)上布置闭环检测力平衡电极(22)；在左质量块(6)四个对角位置分别布置调谐电极(18)，同样，在右质量块(20)四个对角位置分别布置调谐电极(18)；分别在左质量块(6)、右质量块(20)中心部分布置正交消除电极(19)。