CN109556589A - 一种抗高过载的双质量块音叉式角速率陀螺仪 - Google Patents
一种抗高过载的双质量块音叉式角速率陀螺仪 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种抗高过载的双质量块音叉角速率陀螺仪，通过合理的止档结构设计，限制驱动模态方向和检测模态方向的位移，防止机械结构在过大的冲击作用下发生破坏，并且通过对质量块连接结构的改进设计进一步提高结构面外的刚度，增加结构面外的抗冲击能力，从而实现了陀螺在三个方向上都具有一定的抗高过载能力。所述陀螺仪的结构增加了梳齿宽度、减小了梳齿长度、增加了梳齿间隙以及两端对称布置梳齿对等优化设计，避免由于高过载作用引起的梳齿断裂和粘附失效。所述陀螺仪的止档结构合理利用陀螺机械结构外的单晶硅圆片设计的，经济合理，且与机械结构一同刻蚀加工，降低了具有抗高过载能力的微机械陀螺的加工难度。
Description
技术领域
本发明属于微电子机械系统和微惯性测量技术，特别是一种抗高过载的双质量块音叉式角速率陀螺仪。
背景技术
微机械惯性仪表包括微机械陀螺(MMG)和微机械加速度计(MMA)。利用微电子加工工艺允许将微机械结构与所需的电子线路完全集成在一个硅片上，从而达到性能、价格、体积、重量、可靠性诸方面的高度统一。因而，这类仪表具有一系列的优点(如体积小、重量轻、价格便宜、可靠性高、能大批量生产等)，在军民两方面都具有广泛的应用前景。在民用方面，主要用于汽车工业、工业监控及消费类产品和机器人技术，如气囊、防抱死系统、偏航速率传感器、翻滚速率传感器、图象稳定及玩具等等；在军用领域，主要用于灵巧炸弹、智能炮弹、战术导弹、新概念武器和微型飞机的自主导航制导系统等。
1993年，美国德雷珀实验室通过在玻璃表面复盖硅层技术制作了一种新颖的微机械陀螺—音叉式线振动陀螺。该陀螺由双质量块、支承梁和横梁组成，陀螺采用线振动驱动和角振动检测的方式，可以敏感陀螺平面内轴向的角速率。由于该陀螺的驱动运动与敏感运动完全耦合，限制了其灵敏度的提高。
2007年，苏岩等人研制了双质量振动式硅微陀螺(申请号：200710133223.5)，在驱动力的作用下双质量在做平行于衬底的线振动，有角速率输入时，双质量块做平行于衬底的垂直于驱动方向的线振动，通过检测敏感电容的变化，测试输入角速率。该陀螺采用了八根驱动支承梁和八根敏感支承梁实现驱动模态与敏感模态的分离。由于微电子工艺存在误差，会导致两个子结构没有很好的一致性，产生敏感模态不同步等现象。
2009年，苏岩等人又研制了摆动式硅微陀螺(申请号：200920037290.1)。采用扭杆和横梁，使陀螺绕Z轴转动，实现陀螺的敏感运动，实现了驱动方向与检测方向的运动解耦。扭杆代替了敏感支承梁，减小了支承梁数目，降低了加工误差对陀螺性能的影响。但是在体硅工艺中，对竖直扭杆的加工具有相当大的难度。
2011年，苏岩等人研制了硅微角振动输出陀螺(申请号：201110170673.8)和扭摆式角速率陀螺(申请号：201120340974.6)。二者都采用水平扭杆和横梁，实现陀螺的角振动输出。水平扭杆的使用，降低了对加工过程的要求。同时设置了质量块链接机构，增大了工作模态与干扰模态的频率差，增加了陀螺的稳定性。二者不同的地方在于横梁与固定基座的连接方式不同。
2016年，杨海波等人研制了微机械双质量线振动输出陀螺(申请号：申请号：201610878920.2)。通过质量连接结构和桁架结构的设计，实现了驱动模态与检测模态为第一阶模态和第二阶模态，提高所有常见的驱动同向、检测同向和Z向模态等干扰模态的频率，稳定性较强，提高了陀螺的抗振动能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗高过载的双质量块音叉角速率陀螺仪，通过合理的止档结构设计，限制驱动模态方向和检测模态方向的位移，防止机械结构在过大的冲击作用下发生破坏，并且通过对质量块连接结构的改进设计进一步提高结构面外的刚度，增加结构面外的抗冲击能力，从而实现了陀螺在三个方向上都具有一定的抗高过载能力。所述陀螺仪的结构增加了梳齿宽度、减小了梳齿长度、增加了梳齿间隙以及两端对称布置梳齿对等优化设计，避免由于高过载作用引起的梳齿断裂和粘附失效。所述陀螺仪的止档结构合理利用陀螺机械结构外的单晶硅圆片设计的，经济合理，且与机械结构一同刻蚀加工，降低了具有抗高过载能力的微机械陀螺的加工难度。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种抗高过载的双质量块音叉角速率陀螺仪，包括上层真空封装盖板、下层硅衬底和中层单晶硅片，中层单晶硅片上设有陀螺机械结构和止档结构，所述陀螺机械结构包括质量块连接机构、两个子结构、两个桁架与水平直梁的组合机构、两个U型梁组合梁、八个第一U型梁和四个直梁，所述两个子结构对称分布在质量块连接机构和两个桁架与水平直梁的组合机构的两侧，质量块连接机构和两个桁架与水平直梁的组合机构呈直线分布，且质量块连接机构位于两个桁架与水平直梁的组合机构之间，第一U型梁沿子结构的长边设置，且位于长边的两端，桁架与水平直梁的组合机构通过第一U型梁与子结构连接，U型梁组合梁沿子结构的长边设置，且位于远离质量块连接机构一侧的两个第一U型梁的中间；直梁沿子结构宽度方向设置，用于连接子结构两侧的第一U型梁。
微机械陀螺止档结构包括两个检测框架止档结构、四个外侧驱动梁止档结构、四个检测梁止档结构和四个质量块连接机构止档结构；两个检测框架止档结构对称设置在两个子结构的外侧，且位于子结构的外侧中央位置，四个外侧驱动梁止档结构分别布置在两侧位置的四根第一U型梁上，四个检测梁止档结构分别对称布置在两个桁架与水平直梁的组合机构上，且位于靠近质量块连接机构的一侧，四个质量块连接机构止档结构布置在质量块连接机构的长度方向的两侧。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)通过止档结构设计，限制驱动模态方向和检测模态方向的位移，防止机械结构在过大的冲击作用下发生破坏，并且通过质量块连接结构的设计进一步提高Z向的结构刚度，增加Z向的抗冲击能力，从而实现了陀螺在三个方向上都具有一定的抗高过载能力。
(2)对梳齿电容结构进行了优化，增加了梳齿宽度，减小了梳齿长度，增加了梳齿间的间隙，以及合理布置梳齿等避免由于高过载作用引起的梳齿断裂和粘附失效。
(3)止档结构是合理利用陀螺机械结构外的硅圆片设计的，经济合理，并且与机械结构一同刻蚀加工，降低了具有抗高过载能力的微机械陀螺的加工难度。
附图说明
图1是本发明双质量块音叉式角速率陀螺仪的整体结构示意图。
图2是本发明本发明双质量块音叉式角速率陀螺仪的质量块连接机构结构示意图。
图3是本发明本发明双质量块音叉式角速率陀螺仪的检测框架止档结构示意图。
图4是本发明本发明双质量块音叉式角速率陀螺仪的外侧驱动梁止档结构示意图。
图5是本发明本发明双质量块音叉式角速率陀螺仪的检测梁止档结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明抗高过载双质量块音叉式角速率陀螺仪，用于测量有高过载环境的被测物Z轴方向的角速率。其包括上层真空封装盖板、下层硅衬底和中层单晶硅片，中层单晶硅片上设有陀螺机械结构和固定止档结构。本发明采用了圆片级真空封装工艺，上层真空封装盖板、中层单晶硅片与下层硅衬底为硅材料，上层真空封装盖板、下层硅衬底之间形成了密闭的真空腔体，中层单晶硅片设置在所述真空腔体内，使陀螺仪机械结构悬空在下层硅衬底之上，上层真空封装盖板布置信号引线及键合区域。陀螺仪机械结构不会受到灰尘颗粒的污染和外界机械力的影响，提高了陀螺仪的性能。
结合图1，所述陀螺机械结构包括质量块连接机构2、两个子结构1、两个桁架与水平直梁的组合机构3、两个U型梁组合梁4、八个第一U型梁6和四个直梁12，所述两个子结构1对称分布在质量块连接机构2和两个桁架与水平直梁的组合机构3的两侧，质量块连接机构2和两个桁架与水平直梁的组合机构3呈直线分布，且质量块连接机构2位于两个桁架与水平直梁的组合机构3之间，第一U型梁6沿子结构1的长边设置，且位于长边的两端，桁架与水平直梁的组合机构3通过第一U型梁6与子结构1连接，U型梁组合梁4沿子结构1的长边设置，且位于远离质量块连接机构2一侧的两个第一U型梁6的中间；直梁12沿子结构1宽度方向设置，用于连接子结构1两侧的第一U型梁6。
位于子结构1同一侧的两个U型梁6开口方向相对。
结合图1，微机械陀螺止档结构包括两个检测框架止档结构13、四个外侧驱动梁止档结构14、四个检测梁止档结构15和四个质量块连接机构止档结构16；两个检测框架止档结构13对称设置在两个子结构1的外侧，且位于子结构1的外侧中央位置，四个外侧驱动梁止档结构14分别布置在两侧位置的四根第一U型梁6上，四个检测梁止档结构15分别对称布置在两个桁架与水平直梁的组合机构3上，且位于靠近质量块连接机构2的一侧，四个质量块连接机构止档结构16布置在质量块连接机构2的长度方向的两侧。
结合图2，所述质量块连接机构2包括6个直梁201和4个第二U型梁202，水平直梁201b的两端分别通过两个开口相对设置的第二U型梁202与子结构1连接，四个直梁201a的一端共同与水平直梁201b中点相连，与水平直梁201b成45°、135°、225°和315°夹角布置，四个直梁201a的另一端均与上层真空封装盖板和下层硅衬底锚固。四个质量块连接机构止档结构16布置在水平直梁201b长度方向的两侧。
所述两个开口相对设置的第二U型梁202的开口端相连。
结合图3，所述检测框架止档结构13包括固定锚点和固定锚点外沿一圈的多个等距排列的半圆结构。其在驱动方向与机械结构的间隙为设计的可允许的驱动最大位移，在检测方向与机械结构的间隙为设计的可允许的检测最大位移。具体尺寸根据结构间隙和对应的给定陀螺抗高过载加速度幅值进行确定。
结合图4，所述四个外侧驱动梁止档结构14包括与固定锚点相连的非机械结构硅圆片位置的伸出结构以及所述伸出结构外沿的多个等距排列的半圆结构，同样其在驱动方向与机械结构的间隙为设计的可允许的驱动最大位移，在检测方向与机械结构的间隙为设计的可允许的检测最大位移。具体尺寸根据结构间隙和对应的给定陀螺抗高过载加速度幅值进行确定。
结合图5，所述四个检测梁止档结构15包括与固定锚点相连的非机械结构硅圆片位置的伸出结构以及所述伸出结构外沿的多个等距排列的半圆结构，同样其在驱动方向与机械结构的间隙为设计的可允许的驱动最大位移，在检测方向与机械结构的间隙为设计的可允许的检测最大位移。具体尺寸根据结构间隙和对应的给定陀螺抗高过载加速度幅值进行确定。
质量块连接机构止档结构16包括与固定锚点相连的非机械结构硅圆片位置的伸出结构以及所述伸出结构外沿的多个等距排列的半圆结构，其在检测方向与水平直梁201b的间隙为设计的可允许的检测最大位移。具体尺寸根据结构间隙和对应的给定陀螺抗高过载加速度幅值进行确定。
所述子结构1(在专利201610878920.2中已公开)包括检测质量块5、上驱动支撑框架7a、下驱动支撑框架7b、固定驱动电极、固定驱动检测电极、固定检测电极、驱动梳齿、驱动检测梳齿和活动梳齿，所述上驱动支撑框架7a位于检测质量块5的上方，下驱动支撑框架7b位于检测质量块5的下方，上驱动支撑框架7a和下驱动支撑框架7b结构相同并关于检测质量块5的中心线对称，检测质量块5通过第四U形梁10a和第五U形梁10b与上驱动支撑框架7a相固连，检测质量块5同时通过第六U形梁10c和第七U形梁10d与下驱动支撑框架7b相固连，上驱动支撑框架7a和下驱动支撑框架7b之间通过连接梁11相连，所述连接梁11位于检测质量块5的外侧。
上驱动支撑框架7a内部设置3个相同的第一固定驱动电极8a和3个相同的第二固定驱动检测电极8b，所述3个第一固定驱动电极8a和3个第二固定驱动检测电极8b间隔排列，每个第一固定驱动电极8a均连接对应的驱动梳齿，每个第二固定驱动检测电极8b均连接对应的驱动检测梳齿。
下驱动支撑框架7b内部设置3个相同的第三固定驱动电极8c和4个相同的第四固定驱动检测电极8d，所述3个第三固定驱动电极8c和3个第四固定驱动检测电极8d间隔排列，每个第三固定驱动电极8c均连接对应的驱动梳齿，每个第四固定驱动检测电极8d均连接对应的驱动检测梳齿。
驱动梳齿包括固定锚点和布置在固定锚点两端的梳齿，所述梳齿沿固定锚点长度方向分布；
驱动检测梳齿包括固定锚点和布置在固定锚点两端的梳齿，所述梳齿沿固定锚点长度方向分布。
检测质量块5的内部上下对称设置上三个固定检测电极9a和三个下固定检测电极9b，检测质量块5的内部同时设置活动梳齿，上固定检测电极9a和下固定检测电极9b分别与质量块5连接的活动梳齿行成差分的检测电容。
所述检测电容中的梳齿包括固定锚点和布置在固定锚点两端的梳齿，所述梳齿沿固定锚点长度方向分布。
本发明的双质量块音叉式角速率陀螺仪，采用单边静电驱动，电容检测的工作方式。子结构1的上下各3对第一固定驱动电极8a和第三固定驱动电极8c上施加带直流偏置的交流电压，产生交变的静电力，实现陀螺仪的单边静电驱动，静电驱动力Fd为：
式中，n为谐振器的活动梳齿数，ε为介电常数，h为结构的厚度，d为梳齿间距，Ud为驱动电压的直流偏置电压，Ua为交流电压，ωd为交流电压的角频率，t为时间。第二固定驱动电极8b、第四固定驱动电极8d实现陀螺仪的静电驱动检测。
在一个子结构1的静电驱动力与作用在另一个子结构1上的静电驱动力相差180度。因此两个子结构1的整个活动结构在静电驱动力的作用下，沿驱动轴作相向简谐线振动。当驱动交流电压的频率与陀螺仪驱动模态的固有频率一致时，线振动位移x为：
式中，Fd0为静电驱动力幅值，kx为X方向的弹性刚度，Qx为驱动模态的品质因数。线振动速度V为：
当陀螺有绕z轴的外界输入角速率ωz时，根据右手定则，检测质量受到检测轴方向的哥氏加速度ac作用，其大小为：
式中，为输入角速率和线振动速度之间右旋夹角。
设检测质量为ms，则作用在检测质量上的哥氏惯性力Fc为：
哥氏惯性力的方向与哥氏加速度方向相反，因此，作用在两个子结构1上的哥氏惯性力的方向相反，形成力矩作用在陀螺结构上，使得两个子结构1以陀螺的几何中心为中心绕敏感轴作角振动。这样，使得活动敏感梳齿与固定敏感梳齿之间的间隙按一定的简谐振动规律变动，电容差值信号经电子线路处理后，可获得输出电压信号。输出电压信号为两个子结构1输出电压信号之和，且输出电压信号的大小正比于输入角速率的大小。通过鉴相器比较输出电压信号与激励信号的相位关系，则可判明输入角速率的方向。
本发明是在发明专利(申请号：201610878920.2)的基础上，通过合理的止档结构设计，限制驱动模态方向和检测模态方向的位移，防止机械结构在过大的冲击作用下发生破坏，并且通过对质量块连接结构的改进设计进一步提高结构面外的刚度，增加结构面外的抗冲击能力，从而实现了陀螺在三个方向上都具有一定的抗高过载能力。本发明专利所提出的微机械陀螺结构增加了梳齿宽度、减小了梳齿长度、增加了梳齿间隙以及两端对称布置梳齿对等优化设计，避免由于高过载作用引起的梳齿断裂和粘附失效。本发明专利所提出的微机械陀螺结构的止档结构是合理利用陀螺机械结构外的单晶硅圆片设计的，经济合理，且与机械结构一同刻蚀加工，降低了具有抗高过载能力的微机械陀螺的加工难度。
Claims (10)
1.一种抗高过载的双质量块音叉角速率陀螺仪，包括上层真空封装盖板、下层硅衬底和中层单晶硅片，其特征在于：中层单晶硅片上设有陀螺机械结构和止档结构，所述陀螺机械结构包括质量块连接机构（2）、两个子结构（1）、两个桁架与水平直梁的组合机构（3）、两个U型梁组合梁（4）、八个第一U型梁（6）和四个直梁（12），所述两个子结构（1）对称分布在质量块连接机构（2）和两个桁架与水平直梁的组合机构（3）的两侧，质量块连接机构（2）和两个桁架与水平直梁的组合机构（3）呈直线分布，且质量块连接机构（2）位于两个桁架与水平直梁的组合机构（3）之间，第一U型梁（6）沿子结构（1）的长边设置，且位于长边的两端，桁架与水平直梁的组合机构（3）通过第一U型梁（6）与子结构（1）连接，U型梁组合梁（4）沿子结构（1）的长边设置，且位于远离质量块连接机构（2）一侧的两个第一U型梁（6）的中间；直梁（12）沿子结构（1）宽度方向设置，用于连接子结构（1）两侧的第一U型梁（6）；
微机械陀螺止档结构包括两个检测框架止档结构（13）、四个外侧驱动梁止档结构（14）、四个检测梁止档结构（15）和四个质量块连接机构止档结构（16）；两个检测框架止档结构（13）对称设置在两个子结构（1）的外侧，且位于子结构（1）的外侧中央位置，四个外侧驱动梁止档结构（14）分别布置在两侧位置的四根第一U型梁（6）上，四个检测梁止档结构（15）分别对称布置在两个桁架与水平直梁的组合机构（3）上，且位于靠近质量块连接机构（2）的一侧，四个质量块连接机构止档结构（16）布置在质量块连接机构（2）的长度方向的两侧。
2.根据权利要求1所述的双质量块音叉角速率陀螺仪，其特征在于：位于子结构（1）同一侧的两个U型梁（6）开口方向相对。
3.根据权利要求1所述的双质量块音叉角速率陀螺仪，其特征在于：所述质量块连接机构（2）包括水平直梁（201b）、4个直梁（201a）和4个第二U型梁（202），水平直梁（201b）的两端分别通过两个开口相对设置的第二U型梁（202）与子结构（1）连接，四个直梁（201a）的一端共同与水平直梁（201b）中点相连，与水平直梁（201b）成45°、135°、225°和315°夹角布置，四个直梁（201a）的另一端均与上层真空封装盖板和下层硅衬底锚固，四个质量块连接机构止档结构（16）布置在水平直梁（201b）长度方向的两侧。
4.根据权利要求3所述的双质量块音叉角速率陀螺仪，其特征在于：所述两个开口相对设置的第二U型梁（202）的开口端相连。
5.根据权利要求1所述的双质量块音叉角速率陀螺仪，其特征在于：所述桁架与水平直梁的组合机构（3）包括V型桁架（301）和水平直梁（302），V型桁架（301）的顶点与水平直梁（302）中心连接，水平直梁（302）与质量块连接机构（2）同侧，V型桁架（301）的两个自由端与第一U型梁（6）封闭端侧壁连接，水平直梁（302）两端均与上层真空封装盖板和下层硅衬底锚固。
6.根据权利要求1所述的双质量块音叉角速率陀螺仪，其特征在于：所述U型梁组合梁（4）包括两个第三U型梁（401），两个第三U型梁（401）开口端相连，连接处外壁与上层真空封装盖板和下层硅衬底锚固。
7.根据权利要求1所述的双质量块音叉角速率陀螺仪，其特征在于：所述检测框架止档结构（13）包括固定锚点和固定锚点外沿一圈的多个等距排列的半圆结构。
8.根据权利要求1所述的双质量块音叉角速率陀螺仪，其特征在于：外侧驱动梁止档结构（14）包括与固定锚点相连的非机械结构硅圆片位置的伸出结构以及所述伸出结构外沿的多个等距排列的半圆结构；
检测梁止档结构（15）包括与固定锚点相连的非机械结构硅圆片位置的伸出结构以及所述伸出结构外沿的多个等距排列的半圆结构；
质量块连接机构止档结构（16）包括与固定锚点相连的非机械结构硅圆片位置的伸出结构以及所述伸出结构外沿的多个等距排列的半圆结构。
9.根据权利要求1所述的双质量块音叉角速率陀螺仪，其特征在于：子结构（1）包括检测质量块（5）、上驱动支撑框架（7a）、下驱动支撑框架（7b）、固定驱动电极、固定驱动检测电极、固定检测电极、驱动梳齿、驱动检测梳齿和活动梳齿，所述上驱动支撑框架（7a）位于检测质量块（5）的上方，下驱动支撑框架（7b）位于检测质量块（5）的下方，上驱动支撑框架（7a）和下驱动支撑框架（7b）结构相同并关于检测质量块（5）的中心线对称，检测质量块（5）通过第四U形梁（10a）和第五U形梁（10b）与上驱动支撑框架（7a）相固连，检测质量块（5）同时通过第六U形梁（10c）和第七U形梁（10d）与下驱动支撑框架（7b）相固连，上驱动支撑框架（7a）和下驱动支撑框架（7b）之间通过连接梁（11）相连，所述连接梁（11）位于检测质量块（5）的外侧；
驱动梳齿包括固定锚点和布置在固定锚点两端的梳齿，所述梳齿沿固定锚点长度方向分布；
驱动检测梳齿包括固定锚点和布置在固定锚点两端的梳齿，所述梳齿沿固定锚点长度方向分布。
10.根据权利要求1所述的双质量块音叉角速率陀螺仪，其特征在于：检测质量块（5）的内部上下对称设置上三个固定检测电极（9a）和三个下固定检测电极（9b），检测质量块（5）的内部同时设置活动梳齿，上固定检测电极（9a）和下固定检测电极（9b）分别与质量块（5）连接的活动梳齿行成差分的检测电容；
所述检测电容中的梳齿包括固定锚点和布置在固定锚点两端的梳齿，所述梳齿沿固定锚点长度方向分布。
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