CN107655466A - 双电极结构带裙边的w形微机电半球陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开双电极结构带裙边的W形微机电半球陀螺仪，包括谐振壳体，谐振壳体呈盆形，谐振壳体底面中心向开口侧凹陷，使谐振壳体内形成环形凹槽；环形凹槽由开口侧向封闭侧渐缩，使谐振壳体的纵剖面W形；谐振壳体沿顶部外边缘设有裙边；谐振壳体下方对应设有曲面立体电极，曲面立体电极与谐振壳体之间形成曲面电极间隙；曲面立体电极顶部对应设有柱状电极，柱状电极与裙边之间形成柱状电极间隙；由谐振壳体与裙边共同构成谐振器，本发明采用曲面立体电极和柱状电极共同驱动、检测谐振器的振动，传感陀螺仪的输入输出信号，利用裙边放大谐振器的振动幅度，并进行陀螺仪基频差的调节。

Description

双电极结构带裙边的W形微机电半球陀螺仪

技术领域

本发明涉及微机电技术领域，具体是双电极结构带裙边的W形微机电半球陀螺仪。

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，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的应用。随着消费电子、工业机器人、车辆、船舶导航、无人机制造业等工业的发展，对陀螺仪的需求也逐渐向着低成本、小体积、高精度、高可靠性的方向发展。基于微机电系统技术的微机电陀螺，采用微纳加工技术，具有批量生产成本低、一致性好的特点，已成为陀螺领域中的研究热点。

微半球陀螺仪因其自身的抗冲击能力强，具有做成高精度陀螺仪的潜力，目前已经成为微机电陀螺领域的研究热点。目前国际上研制的微机电半球陀螺仪各具特色，但也各存一些局限性，比如制备工艺复杂，涉及火焰高温、装备电极的对称性不易保证、压电驱动电压较高等。

发明内容

本发明的目的在于提供双电极结构带裙边的W形微机电半球陀螺仪，该陀螺仪采用曲面立体电极和柱状电极共同驱动、检测陀螺谐振器的振动，能够放大陀螺的输出信号，且可以对陀螺仪的基频差进行调整，减小陀螺仪驱动模态和检测模态间的频差。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

双电极结构带裙边的W形微机电半球陀螺仪，包括谐振壳体，谐振壳体呈盆形，谐振壳体底面中心向开口侧凹陷，使谐振壳体内形成环形凹槽；环形凹槽由开口侧向封闭侧渐缩，使谐振壳体的纵剖面W形；谐振壳体沿顶部外边缘设有裙边；

谐振壳体下方对应设有曲面立体电极，曲面立体电极包含底托、四个支撑电极以及一组功能电极，四个支撑电极分别连接在底托四周构成十字形，功能电极间隔设于四个支撑电极之间、且与支撑电极及底托通过隔离槽相互隔离；底托顶部与谐振壳体底面中心电连接；曲面立体电极呈圆周分布、且顶部形状与谐振壳体外表面相适应；曲面立体电极与谐振壳体之间形成曲面电极间隙；

所有支撑电极与功能电极的顶面均对应设有柱状电极，柱状电极与支撑电极及功能电极之间通过第一绝缘层隔离；柱状电极与裙边之间形成柱状电极间隙；

曲面立体电极外周设有密封环，密封环与曲面立体电极之间设有绝缘间隙环；密封环顶面设有对柱状电极密封的上密封环，上密封环与柱状电极之间设有上绝缘间隙环；密封环与上密封环之间通过第二绝缘层隔离；

所述陀螺仪还包括盖帽与封底，盖帽设有一组与柱状电极相对应的盖帽引线孔，柱状电极顶面通过盖帽金属焊盘焊接盖帽引线从盖帽引线孔穿出；

封底设有一组与支撑电极及功能电极相对应的封底引线孔，支撑电极及功能电极底面通过封底金属焊盘焊接封底引线从封底引线孔穿出。

进一步的，所述底托的斜坡与谐振壳体之间设有起辅助支撑作用的支撑层。

进一步的，所述盖帽的内表面设有吸气剂层。

进一步的，所述盖帽引线孔呈由上至下渐缩的圆锥台形，封底引线孔呈由上至下渐扩的圆锥台形。

进一步的，所述谐振壳体的口径为0.3～10mm，裙边的宽度为2～2000μm，谐振壳体与裙边的厚度为0.5～1000μm。

进一步的，所述曲面电极间隙为0.2～500μm，所述柱状电极间隙为0.2～500μm。

进一步的，所述盖帽与封底均为厚度300μm的玻璃材质，盖帽引线孔的上孔孔径400μm、下孔孔径200μm；封底引线孔的上孔孔径200μm、下孔孔径400μm。

进一步的，所述盖帽引线孔的下孔边缘距离相对应立体电极顶面边缘大于5μm；封底引线孔的上孔边缘距离相对应支撑电极及功能电极底面边缘大于5μm。

本发明的有益效果是：

由谐振壳体与裙边共同构成谐振器，裙边的设计能够调节谐振器基频差，另一方面间接增大了谐振器的口径，起到放大谐振器振动信号的作用；纵剖面呈W形的谐振壳体是谐振器主体部件，驱动后其产生四波腹振动，当外界有角速度的输入时，四波腹振动敏感外界角速度的信息，并转换为陀螺电信号输出；本发明采用曲面立体电极和柱状电极共同驱动、检测谐振器的振动，传感陀螺仪的输入输出信号，利用裙边放大谐振器的振动幅度，并进行陀螺仪基频差的调节。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明谐振器的立体示意图；

图3是图1的俯视图，盖帽未画出；

图4是图1的仰视图，封底未画出。

具体实施方式

结合图1与图2所示，本发明提供双电极结构带裙边的W形微机电半球陀螺仪，包括谐振壳体1，谐振壳体1呈盆形，谐振壳体1底面中心向开口侧凹陷，使谐振壳体1内形成环形凹槽1a；环形凹槽1a由开口侧向封闭侧渐缩，使谐振壳体1的纵剖面W形；谐振壳体1沿顶部外边缘设有裙边2；谐振壳体1与裙边2共同构成谐振器3。作为优选的，谐振壳体1的口径为0.3～10mm，裙边2的宽度为2～2000μm，谐振壳体1与裙边2的厚度为0.5～1000μm。

结合图3与图4所示，谐振壳体1下方对应设有曲面立体电极，曲面立体电极包含底托4a、四个支撑电极4b以及一组功能电极4c，四个支撑电极4b分别连接在底托4a四周构成十字形，功能电极4c间隔设于四个支撑电极4b之间、且与支撑电极4b及底托4a通过隔离槽4d相互隔离；底托4a顶部与谐振壳体1底面中心电连接；曲面立体电极呈圆周分布、且顶部形状与谐振壳体1外表面相适应；本实施例设置十二个功能电极4c，四个支撑电极4b与十二个功能电极4c呈圆周分布在底托4a外周；曲面立体电极与谐振壳体1之间形成曲面电极间隙5。底托4a的斜坡与谐振壳体1之间设有起辅助支撑作用的支撑层20。

所有支撑电极4b与功能电极4c的顶面均对应设有柱状电极6，本实施例也即有十六个柱状电极，柱状电极6与支撑电极4b及功能电极4c之间通过第一绝缘层7隔离；柱状电极6与裙边2之间形成柱状电极间隙8。

作为优选的，曲面电极间隙5为0.2～500μm，柱状电极间隙8为0.2～500μm。

曲面立体电极外周设有密封环9，密封环9与曲面立体电极之间设有绝缘间隙环10；密封环9顶面设有对柱状电极密封的上密封环11，上密封环11与柱状电极之间设有上绝缘间隙环12；密封环9与上密封环11之间通过第二绝缘层13隔离。

所述陀螺仪还包括盖帽14与封底15，盖帽14设有一组与柱状电极相对应的盖帽引线孔14a，本实施例也即十六个盖帽引线孔，柱状电极顶面通过盖帽金属焊盘16焊接盖帽引线17从盖帽引线孔14a穿出。

封底15设有一组与支撑电极及功能电极相对应的封底引线孔15a，本实施例也即十六个封底引线孔，支撑电极及功能电极底面通过封底金属焊盘18焊接封底引线19从封底引线孔15a穿出。

作为优选的，盖帽引线孔14a呈由上至下渐缩的圆锥台形，封底引线孔15a呈由上至下渐扩的圆锥台形。盖帽与封底均为厚度300μm的玻璃材质，盖帽引线孔的上孔孔径400μm、下孔孔径200μm；封底引线孔的上孔孔径200μm、下孔孔径400μm。为了保证陀螺仪腔体内的真空度，盖帽引线孔的下孔边缘距离相对应立体电极顶面边缘大于5μm；封底引线孔的上孔边缘距离相对应支撑电极及功能电极底面边缘大于5μm。盖帽的内表面还设有吸气剂层21，用于保持真空。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.双电极结构带裙边的W形微机电半球陀螺仪，其特征在于，包括谐振壳体，谐振壳体呈盆形，谐振壳体底面中心向开口侧凹陷，使谐振壳体内形成环形凹槽；环形凹槽由开口侧向封闭侧渐缩，使谐振壳体的纵剖面W形；谐振壳体沿顶部外边缘设有裙边；

谐振壳体下方对应设有曲面立体电极，曲面立体电极包含底托、支撑电极以及一组功能电极，支撑电极连接在底托上，底托顶部与谐振壳体中心顶部连接，

功能电极间隔设于支撑电极之间、且与支撑电极及底托通过隔离槽相互隔离；曲面立体电极呈圆周分布、且顶部形状与谐振壳体外表面相适应；曲面立体电极与谐振壳体之间形成曲面电极间隙；

所有支撑电极与功能电极的顶面均对应设有柱状电极，柱状电极与支撑电极及功能电极之间通过第一绝缘层隔离；柱状电极与裙边之间形成柱状电极间隙；

曲面立体电极外周设有密封环，密封环与曲面立体电极之间设有绝缘间隙环；密封环顶面设有对柱状电极密封的上密封环，上密封环与柱状电极之间设有上绝缘间隙环；密封环与上密封环之间通过第二绝缘层隔离；

所述陀螺仪还包括盖帽与封底，盖帽设有一组与柱状电极相对应的盖帽引线孔，柱状电极顶面通过盖帽金属焊盘焊接盖帽引线从盖帽引线孔穿出；

封底设有一组与支撑电极及功能电极相对应的封底引线孔，支撑电极及功能电极底面通过封底金属焊盘焊接封底引线从封底引线孔穿出。

2.根据权利要求1所述的双电极结构带裙边的W形微机电半球陀螺仪，其特征在于，所述底托的斜坡与谐振壳体之间设有起辅助支撑作用的支撑层。

3.根据权利要求1或2所述的双电极结构带裙边的W形微机电半球陀螺仪，其特征在于，所述盖帽的内表面设有吸气剂层。

4.根据权利要求1或2所述的双电极结构带裙边的W形微机电半球陀螺仪，其特征在于，陀螺仪的谐振器由剖面成W形的谐振壳体与裙边一起组成，W形的谐振壳体与曲面立体电极具有相同的曲率，曲面立体电极深入到谐振腔内与W形的谐振壳体形成曲面立体电极间隙，W形的谐振壳体的上边沿沿着水平方向向四周同步延伸形成环状的裙边，裙边与柱状电极之间形成柱状电极间隙。

5.根据权利要求1或2所述的双电极结构带裙边的W形微机电半球陀螺仪，其特征在于，所述盖帽引线孔呈由上至下渐缩的圆锥台形，封底引线孔呈由上至下渐扩的圆锥台形。

6.根据权利要求1或2所述的双电极结构带裙边的W形微机电半球陀螺仪，其特征在于，所述谐振壳体的口径为0.3～10mm，裙边的宽度为2～2000μm，谐振壳体与裙边的厚度为0.5～1000μm。

7.根据权利要求1所述的双电极结构带裙边的W形微机电半球陀螺仪，其特征在于，所述曲面电极间隙为0.2～500μm，所述柱状电极间隙为0.2～500μm。

8.根据权利要求4所述的双电极结构带裙边的W形微机电半球陀螺仪，其特征在于，所述盖帽与封底均为厚度300μm的玻璃材质，盖帽引线孔的上孔孔径400μm、下孔孔径200μm；封底引线孔的上孔孔径200μm、下孔孔径400μm。

9.根据权利要求8所述的双电极结构带裙边的W形微机电半球陀螺仪，其特征在于，所述盖帽引线孔的下孔边缘距离相对应立体电极顶面边缘大于5μm；封底引线孔的上孔边缘距离相对应支撑电极及功能电极底面边缘大于5μm。