CN107063222B

CN107063222B - 直接频率输出的三框架式双质量硅微机械陀螺仪

Info

Publication number: CN107063222B
Application number: CN201710248848.XA
Authority: CN
Inventors: 李宏生; 高阳; 丁徐锴; 黄丽斌
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2017-04-17
Filing date: 2017-04-17
Publication date: 2019-07-12
Anticipated expiration: 2037-04-17
Also published as: CN107063222A

Abstract

本发明公开了一种直接频率输出的三框架式双质量硅微机械陀螺仪，包括下层玻璃基底、引线层、键合层和上层硅结构层，在下层玻璃基底的上表面溅射金属作为引线层，在下层玻璃基底上设有覆盖引线层和下层玻璃基底的键合层，通过键合层把上层硅结构层悬置于下层玻璃基底之上；上层硅结构层包括两个上层硅微机械子结构和耦合连接梁，两个上层硅微机械子结构关于结构竖直中心轴对称。本发明可以有效抑制线加速度和温度等共模误差的影响，更好地实现结构解耦，减小结构的正交误差，而且把检测的位移变化转化为音叉谐振器的频率变化，输出的频率信号稳定性好，不易受噪声干扰，在传输和处理过程中也不易出现误差。

Description

直接频率输出的三框架式双质量硅微机械陀螺仪

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)和微惯性测量技术领域，具体是一种直接频率输出的三框架式双质量硅微机械陀螺仪。

背景技术

20世纪80年代以来，微机电系统和微型制造技术的发展推动了微惯性技术和微惯性仪表的发展，导致了新一代加速度计和陀螺仪的产生。微惯性仪表大都通过半导体加工工艺制作，体积小、质量轻、功耗低。采用硅作为加工材料,并使用与微电子集成电路制造工艺兼容的加工工艺，可以将硅微惯性器件的敏感表头与信号处理电路集成在一个芯片上，从而实现批量生产，降低成本。与传统惯性仪表相比，微惯性器件还有可靠性高，测量范围大的特点。微惯性器件的这些特点使得它具有更宽广的应用范围，不仅可以用在汽车工程、移动通信、大地测量、地质勘探、微型卫星、运动器材等民用领域，还可以应用在军事领域上，包括制导炸弹、无人驾驶机智能炸弹等。

硅微陀螺仪是一种典型的微机械惯性器件，相较于传统陀螺具有体积小、功耗低、可批量生产等优势，经多年发展已实现了中低精度的应用，目前正向高精度发展，其工作原理是：其基本工作原理是振动质量块在旋转角速度作用下产生哥氏(Coriolis)力，实现驱动和敏感两个振动模态之问的能量转换。

目前MEMS陀螺仪普遍采用电容检测方式，由于结构的微尺寸效应，器件灵敏度较低，复杂的闭环电路提高了器件的设计和加工难度，并且受电-机耦合的影响，信噪比较小。因此,研制一种能实现信号容易检测,灵敏度高的微机械谐振陀螺,是目前微机械陀螺敏感结构函待解决的课题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种直接频率输出的三框架式双质量硅微机械陀螺仪。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种直接频率输出的三框架式双质量硅微机械陀螺仪，包括下层玻璃基底、引线层、键合层和上层硅结构层，在下层玻璃基底的上表面溅射金属作为引线层，在下层玻璃基底上设有覆盖引线层和下层玻璃基底的键合层，通过键合层把上层硅结构层悬置于下层玻璃基底之上；上层硅结构层包括两个上层硅微机械子结构和耦合连接梁，两个上层硅微机械子结构关于结构竖直中心轴对称。

其中，每个上层硅微机械子结构由外框架、中框架、内框架、梳齿驱动器、梳齿检测器、驱动支撑梁、检测支撑梁、一级杠杆放大机构子结构、音叉谐振器子结构组成。

其中，每个上层硅微机械子结构中有两组音叉谐振器子结构，两组音叉谐振器子结构呈竖直方向排列，构成一组差分测量模块。

其中，一级杠杆放大机构子结构包括输入梁、杠杆臂、支点梁、输出梁，支点梁和输出梁分别设置在杠杆臂的同一端，而杠杆臂的另一端设置输入梁，且所述输入梁与输出梁分别位于杠杆臂的两侧，同时所述支点梁处于输入梁与输出梁之间；一级杠杆放大机构子结构通过输入梁与内框架连接，而输出梁与音叉谐振器的第一连接块相连。

其中，每个音叉谐振器子结构与两个一级杠杆放大机构子结构相连，两个一级杠杆放大机构子结构位于同一条直线上，且两个一级杠杆放大机构子结构为对称设置。

其中，音叉谐振器子结构包括谐振器端部锚点、谐振器第一连接块、谐振器第二连接块、驱动固定梳齿、驱动电极、检测固定梳齿、检测电极、可动梳齿、梳齿架以及两个谐振梁；两根谐振梁平行排列，且两个谐振器梁的一端通过第一连接块的一端连接在一起，而第一连接块的另一端两个一级杠杆放大机构子结构的输出梁上，两个谐振梁的另一端通过第二连接块的一端连接在一起，而第二连接块的另一端连接到谐振器端部锚点；所述两根谐振梁相对的外侧均设置有梳齿架，而可动梳齿附加在梳齿架上，检测固定梳齿附加在检测电极上，驱动固定梳齿附加在驱动电极上，且可动梳齿分别与驱动固定梳齿、检测固定梳齿形成电容器。

其中，外框架、中框架、内框架分别为驱动机构、质量块、检测机构，采用三框架的形式，可以更好的实现结构解耦，减小正交误差。

其中，两个上层硅微机械子结构的中框架构成双质量形式，可以更好的实现减小线加速度影响，提高陀螺的g敏感性。

有益效果：本发明的一种直接频率输出的三框架式双质量硅微机械陀螺仪，具有以下有益效果：

(1)内框架通过一级杠杆放大机构与音叉谐振器子结构相连，把检测方向的位移变化转化为音叉谐振器的频率变化，输出为频率信号，提高信号的信噪比同时，一级杠杆放大机构可以提高检测的标度因数。

(2)驱动机构、哥氏质量块、检测机构采用三框架形式，更好地实现结构解耦，减小陀螺的正交误差影响。

(3)整体结构采用双质量的结构形式，大大抑制了线加速度的干扰。

(4)每个上层硅微机械子结构的两个谐振器尺寸完全相同，且差分布置，可有效抑制共模误差。

综上所述，本发明提出的直接频率输出的三框架式双质量硅微机械陀螺仪，可以有效抑制线加速度和温度等共模误差的影响，更好地实现结构解耦，减小结构的正交误差，而且把检测的位移变化转化为音叉谐振器的频率变化，输出的频率信号稳定性好，不易受噪声干扰，在传输和处理过程中也不易出现误差。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为梳齿驱动器子结构；

图3为本发明的一级杠杆放大机构结构示意图；

图4为本发明的音叉谐振器结构示意图。

图中，1a、1b、1c、1d、1e、1f、1g、1h均为外框架锚点，2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2h均为外框架支撑梁，3a、3b、3c、3d均为外框架，4a、4b、4c、4d均为梳齿驱动器，5a、5b、5c、5d均为梳齿检测器，6a、6b、6c、6d、6e、6f、6g、6h均为外框架与中框架连接梁，7a、7b均为中框架，8a、8b、8c、8d、8e、8f、8g、8h均为中框架与内框架连接梁，9a、9b均为内框架，10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h均为内框架支撑梁，11a、11b、11c、11d均为内框架锚点，12a、12b、12c、12d均为一级杠杆放大子结构，13a、13b、13c、13d均为音叉谐振器子结构，14为耦合连接梁，15为梳齿架，16为驱动器可动梳齿，17、18为固定电极，19、20为固定梳齿，21为杠杆输入梁，22为杠杆臂，23为杠杆支点梁，24为杠杆支点梁锚点，25为杠杆输出梁，26为音叉谐振器第一连接块，27a、27b为谐振梁，28a、28b为梳齿架连接梁，29a、29b为梳齿架，30a、30b为可动梳齿，31a1、31a2、31b1、31b2为驱动电极，32a1、32a2、32b1、32b2为检测电极，33a1、33a2、33b1、33b2为驱动固定梳齿，34a1、34a2、34b1、34b2为检测固定梳齿，35为谐振器第二连接块，36为谐振器端部锚点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1、图2所示，本发明的一种直接频率输出的三框架式双质量硅微机械陀螺仪，包括下层玻璃基底、引线层、键合层和上层硅结构层，在下层玻璃基底的上表面溅射金属作为引线层，在下层玻璃基底上设有覆盖引线层和下层玻璃基底的键合层，通过键合层把上层硅结构层悬置于下层玻璃基底之上；上层硅结构层包括两个上层硅微机械子结构和耦合连接梁，两个上层硅微机械子结构关于结构竖直中心轴对称。

如图1所示，第一上层硅微机械子结构包括外框架锚点1a、1b、1c、1d、外框架支撑梁2a、2b、2c、2d、外框架3a、3b、梳齿驱动器4a、4b、梳齿检测器5a、5b、外框架与中框架连接梁6a、6b、6c、6d、中框架7a、中框架与内框架连接梁8a、8b、8c、8d、内框架9a、内框架支撑梁10a、10b、10c、10d、内框架锚点11a、11b、一级杠杆放大子结构12a、12b、音叉谐振器子结构13a、13b；所述外框架3a、3b通过外框架支撑梁2a、2b、2c、2d连接到外框架锚点1a、1b、1c、1d上，梳齿驱动器4a、4b与梳齿检测器5a、5b连接在外框架3a、3b上，中框架7a通过连接梁6a、6b、6c、6d与外框架3a、3b相连接，内框架9a通过连接梁8a、8b、8c、8d与中框架7a相连接，并且通过内框架支撑梁10a、10b、10c、10d连接到内框架锚点11a、11b上，音叉谐振器子结构13a、13b通过一级杠杆放大子结构12a、12b与内框架9a相连接。

如图1所示，第二上层硅微机械子结构包括外框架锚点1e、1f、1g、1h、外框架支撑梁2e、2f、2g、2h、外框架3c、3d、梳齿驱动器4c、4d、梳齿检测器4c、4d、外框架与中框架连接梁6e、6f、6g、6h、中框架7b、中框架与内框架连接梁8e、8f、8g、8h、内框架9b、内框架支撑梁10e、10f、10g、10h、内框架锚点11c、11d、一级杠杆放大子结构12c、12d、音叉谐振器子结构13c、13d；所述外框架3c、3d通过外框架支撑梁2e、2f、2g、2h连接到外框架锚点1e、1f、1g、1h上，梳齿驱动器4c、4d与梳齿检测器4c、4d连接在外框架3c、3d上，中框架7b通过连接梁6e、6f、6g、6h与外框架3c、3d相连接，内框架9b通过连接梁8e、8f、8g、8h与中框架7b相连接，并且通过内框架支撑梁10e、10f、10g、10h连接到内框架锚点11c、11d上，音叉谐振器子结构13c、13d通过一级杠杆放大子结构12c、12d与内框架9b相连接。

由上述可知，本发明的第一、第二上层硅微机械子结构的结构均相同。

由于第一、第二硅微机械子结构的结构相同，因此，只需要对其中的一个结构进行说明即可，选择第一上层硅微机械子结构进行说明，所述上层硅微机械子结构包括两个外框架3a、3b，两个外框架均为半框结构，且关于结构层水平中心轴对称；所述中框架7a和内框架9a均为全框结构；

如图1所示，第一机械子结构包括两个梳齿驱动器子结构4a、4b和两个梳齿检测器子结构5a、5b，由于这四个结构完全一样，因此，只需对其中一个进行说明即可，图2为梳齿驱动器检测器结构示意图。所述梳齿驱动器检测器子结构包括梳齿架15，可动驱动梳齿16，固定电极17、18，固定梳齿19、20；可动驱动梳齿16连接在梳齿架15上；固定梳齿19、20分别连接在固定电极17、18上；两个固定电极17、18关于梳齿架16对称，行程差分驱动。

如图1、图3所示，所述第一机械子结构还包括四个一级杠杆放大机构12a、12b、12c、12d，由于四个一级杠杆放大机构12a、12b、12c、12d的结构均相同，只是放置方向和位置不同，因此只需说明任意一个即可，为便于说明，对一级杠杆放大机构12a进行说明，图3为一级杠杆放大机构结构示意图。所述一级杠杆放大机构12a包括杠杆输入梁21、杠杆臂22、杠杆支点梁23、杠杆支点梁锚点24，杠杆输出梁25，其中，杠杆支点梁23和杠杆输出梁25分别设置在杠杆臂22的同一端，而杠杆臂22的另一端设置杠杆输入梁21，且所述杠杆输入梁21与杠杆输出梁25分别位于杠杆臂22的两侧，同时所述杠杆支点梁23处于杠杆输入梁21与杠杆输出梁25之间，所述杠杆支点梁23与杠杆支点梁锚点24相连；一级杠杆放大机构12a通过杠杆输入梁21与内框架9a连接，通过输出梁25与音叉谐振器12a相连；另两个一级杠杆放大机构12a、12b也位于同一条直线上，且两个一级杠杆放大机构12a、12b对称设置；两个一级杠杆放大机构12c、12d位于同一条直线上，且两个一级杠杆放大机构12c、12d对称设置；两个一级杠杆放大机构12a、12b与另两个一级杠杆放大机构12c、12d关于结构水平中心轴对称。

如图1、图4所示，所述第一机械子结构包括音叉谐振器子结构13a、13b，图4为谐振器子结构的示意图，由于两个音叉谐振器子结构的结构均相同，因此只需说明任意一个谐振器子结构即可，为便于说明，对谐振器子结构13a进行说明，所述音叉谐振器包括音叉谐振器第一连接块26，谐振梁27a、27b，梳齿架连接梁28a、28b，梳齿架29a、29b，可动梳齿30a、30b，驱动电极31a1、31a2、31b1、31b2，检测电极32a1、32a2、32b1、32b2，驱动固定梳齿33a1、33a2、33b1、33b2，检测固定梳齿34a1、34a2、34b1、34b2，谐振器第二连接块35，谐振器端部锚点36；两根谐振梁27a、27b平行排列，且两个谐振梁27a、27b的一端通过第一连接块26的一端连接在一起，而第一连接块25的另一端连接到一级杠杆放大机构12a、12b上，同时两个谐振梁13a1、13a2的另一端通过第二连接块35的一端连接在一起，而第二连接块35的另一端与谐振器端部锚点36相接；所述两根谐振梁27a、27b相对的外侧均设置有梳齿架29a、29b，而可动梳齿30a、30b附加在梳齿架29a、29b上，检测固定梳齿34a、34b附加在检测电极32a、32b上，驱动固定梳齿33a、33b附加在驱动电极31a、31b上，且可动梳齿30a、30b分别与驱动固定梳齿33a1、33a2、33b1、33b2、检测固定梳齿34a1、34a2、34b1、34b2形成电容器。

外框架支撑梁2a、2b、2c、2d，外框架与中框架连接梁6a、6b、6c、6d，中框架与内框架连接梁8a、8b、8c、8d，内框架支撑梁10a、10b、10c、10d均采用双折梁形式，可以更好地实现结构解耦。

本发明工作原理：通过梳齿驱动器4a、4b、4c、4d驱动外框架3a、3b、中框架7a与外框架3c、3d、中框架7b沿水平方向做等幅反相振动，并通过梳齿检测器5a、5b、5c、5d检测其驱动振幅，与梳齿驱动器4a、4b、4c、4d形成闭环控制，其中，外框架3a、3b与中框架7a做等幅同相振动，外框架3c、3d与中框架7b也做等幅同相运动，当有垂直于平面的角速率载荷输入时，中框架7a与中框架7b把角速率转换成沿竖直方向的哥氏力，且通过中框架与内框架连接梁8a、8b、8c、8d以及8e、8f、8g、8h转移到内框架9a与9b上，内框架9a与9b承载的哥氏力大小相等、方向相反，并分别通过一级杠杆放大机构12a、12b与12c、12d作用到音叉谐振器子结构13a、13b与13c、13d上，音叉谐振器子结构13a、13b一个收拉力作用另一个受压力作用，谐振频率分别增大和减小，实现了差分效应，同样地，音叉谐振器子结构13c、13d也是一个收拉力作用另一个受压力作用，谐振频率分别增大和减小，也实现了差分效应，音叉谐振器子结构13a、13b与13c、13d分别差分可以抑制温度等共模误差的影响，差分后再用差分值二次差分，可以抑制线加速度的干扰，由于哥氏力方向相反，音叉谐振器子结构13a、13b与13c、13d的差分值的正负性也相反，所以二次差分后的值为单个差分值的两倍，提高了标度因数，根据频差，即二次差分值即可获得输入角速率载荷的大小。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种直接频率输出的三框架式双质量硅微机械陀螺仪，其特征在于：包括下层玻璃基底、引线层、键合层和上层硅结构层，在下层玻璃基底的上表面溅射金属作为引线层，在下层玻璃基底上设有覆盖引线层和下层玻璃基底的键合层，通过键合层把上层硅结构层悬置于下层玻璃基底之上；上层硅结构层包括两个上层硅微机械子结构和耦合连接梁，两个上层硅微机械子结构关于结构竖直中心轴对称，每个上层硅微机械子结构由外框架、中框架、内框架、梳齿驱动器、梳齿检测器、驱动支撑梁、检测支撑梁、一级杠杆放大机构子结构、音叉谐振器子结构组成，每个上层硅微机械子结构中有两组音叉谐振器子结构，两组音叉谐振器子结构呈竖直方向排列，构成一组差分测量模块；每个音叉谐振器子结构与两个一级杠杆放大机构子结构相连，两个一级杠杆放大机构子结构位于同一条直线上，且两个一级杠杆放大机构子结构为对称设置；音叉谐振器子结构包括谐振器端部锚点、谐振器第一连接块、谐振器第二连接块、驱动固定梳齿、驱动电极、检测固定梳齿、检测电极、可动梳齿、梳齿架以及两个谐振梁；两根谐振梁平行排列，且两个谐振器梁的一端通过第一连接块的一端连接在一起，而第一连接块的另一端两个一级杠杆放大机构子结构的输出梁上，两个谐振梁的另一端通过第二连接块的一端连接在一起，而第二连接块的另一端连接到谐振器端部锚点；所述两根谐振梁相对的外侧均设置有梳齿架，而可动梳齿附加在梳齿架上，检测固定梳齿附加在检测电极上，驱动固定梳齿附加在驱动电极上，且可动梳齿分别与驱动固定梳齿、检测固定梳齿形成电容器。

2.根据权利要求1所述的直接频率输出的三框架式双质量硅微机械陀螺仪，其特征在于：其中，一级杠杆放大机构子结构包括输入梁、杠杆臂、支点梁、输出梁，支点梁和输出梁分别设置在杠杆臂的同一端，而杠杆臂的另一端设置输入梁，且所述输入梁与输出梁分别位于杠杆臂的两侧，同时所述支点梁处于输入梁与输出梁之间；一级杠杆放大机构子结构通过输入梁与内框架连接，而输出梁与音叉谐振器的第一连接块相连。