CN110207685A - 一种mems陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种MEMS陀螺仪，属于惯性测量器件领域。本发明的梳齿石英陀螺由具有一定厚度的z切石英晶体经过雕刻或者刻蚀加工而成，包括两个驱动叉指、两个感测叉指、多个驱动电极、多个感测电极和基座。驱动叉指和感测叉指并排布置并且均相距间隔，并关于基座中心线对称。驱动叉指和感测叉指的分离避免了叉指运动的耦合以及布置在叉指上的电极间的寄生耦合，保证了陀螺的测量精度。基座开圆弧槽和方槽结构降低了陀螺的工作模态阶数和工作频率，使得驱动叉指位移增大，还提高了叉指科式振动传递效率，从而增大了输出信号，并且隔离了陀螺的有效模态和干扰模态，保证了陀螺工作的稳定性。本发明的梳齿石英陀螺整体结构简单，易于加工。
Description
技术领域
本发明属于惯性测量器件领域，更具体地，涉及一种MEMS陀螺仪。
背景技术
陀螺仪作为一种重要的惯性传感器，广泛应用于战略武器制导、航天飞行器导航等军事领域和汽车稳定控制系统、电子玩具等民用领域。但体积大、成本高等缺陷限制了陀螺仪的应用空间。随着MEMS技术在惯性传感器领域的应用，催生了MEMS陀螺。它具有成本低、体积小、可靠性高、结构简单等优点，可进一步满足军事领域和民用领域的应用需求。
目前，硅微陀螺发展很快，这得益于硅微加工工艺。但硅是半导体，导致陀螺电极之间存在漏电现象，且硅的温度稳定性较差，会产生较大的误差信号。而石英本身具有压电效应，可简化陀螺微结构，且石英还具有绝缘性好、温度稳定性较好、高品质因数等优点，是一种优良的MEMS陀螺制造材料。
国外关于MEMS陀螺的研究起步较早，发展也比较成熟，已经实现了批量生产。由于MEMS陀螺在军事领域拥有极其重要的作用，国外精度较高的MEMS陀螺对我国的出口是受限制的。而我国在MEMS陀螺领域的研究相对来说是比较薄弱的，目前已知的单芯片MEMS陀螺仪还存在以下不足：结构较为复杂，加工难度大；体积较大；灵敏度不够高；驱动叉指与感测叉指之间耦合较严重。
因此，需要开发一种新型的陀螺仪以克服现有MEMS陀螺仪的缺陷。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种MEMS陀螺仪，其目的在于，提出一种梳齿状的石英陀螺，在结构上简化单芯片MEMS陀螺结构，减小陀螺体积，在保证带宽合适的前提下提高陀螺灵敏度，减小驱动叉指和感测叉指间的耦合，隔离干扰模态。
为实现上述目的，本发明提供了一种MEMS陀螺仪，其包括梳齿陀螺本体，梳齿陀螺本体包括基座、均设置在基座上的感测叉指和驱动叉指，感测叉指上设置有感测正电极和感测负电极，驱动叉指上设置有驱动正电极和驱动负电极，均设置在基座上的感测叉指和驱动叉指共同并排设置在基座上，并且所有的叉指均相距间隔，所有的驱动叉指相邻布置，并且关于基座的中心线对称，感测叉指也关于基座中心线对称，并且平均分布在驱动叉指的两侧。
进一步的，所述感测叉指和所述驱动叉指数量分别为两个，驱动叉指分别为第一驱动叉指和第二驱动叉指，第一驱动叉指和第二驱动叉指对称位于基座中心线的两侧，感测叉指分别为第一感测叉指和第二感测叉指，第一感测叉指和第二感测叉指也对称位于基座中心线的两侧，驱动叉指上设置有多个驱动负电极和多个驱动正电极，多个感测叉指上设置多个感测正电极和多个感测负电极。
进一步的，所述两个驱动叉指的形状及质量相同，所述两个感测叉指的形状及质量也相同。
进一步的，所述两个驱动叉指的形状及质量与所述两个感测叉指的形状及质量均相同。
进一步的，所述感测叉指和所述驱动叉指呈横截面为矩形的长条状。
进一步的，多个驱动正电极分别布置在第一驱动叉指的左右表面和第二驱动叉指的上下表面，多个驱动负电极分别布置在第一驱动叉指的上下表面和第二驱动叉指的左右表面；多个感测正电极分别布置在第一感测叉指的左侧面的上半部、右侧面的下半部和第二感测叉指的左侧面的下半部、右侧面的上半部，多个感测负电极分别布置在第一感测叉指的左侧面的下半部、右侧面的上半部和第二感测叉指的左侧面的上半部、右侧面的下半部。
进一步的，所述基座在驱动叉指和感测叉指之间以及感测叉指外侧均开有圆弧槽，基座中间开有关于基座中心线对称的大方槽，大方槽中间有一根连接杠，连接杠也关于基座中心线对称。
进一步的，整个梳齿陀螺本体为具有设定厚度的Z切石英晶体经过加工而得的整体。
进一步的，整个梳齿陀螺本体为具有设定厚度的Z切石英晶体经过刻蚀或者雕刻加工而得的整体。
本发明中，在驱动叉指和感测叉指之间基座处以及感测叉指外侧的基座处均开有圆弧槽，基座中间开有关于基座中心线对称的大方槽，大方槽中间有一根连接杠，连接杠也关于基座中心线对称。驱动叉指和感测叉指对称地并排设置在基座上，使得陀螺整体结构紧凑，有助于陀螺的微型化，且感测叉指成对地工作，可增大感测叉指输出信号，其信号值是单个叉指的两倍，成对的叉指工作也能减小加速度、冲击等不利环境因素的影响。驱动电极和感测电极分别布置在不同叉指上，可避免电极间的耦合。在叉指之间以及感测叉指外侧的基座上开圆弧槽，可以降低陀螺的工作模态阶数和工作频率，使驱动叉指获得较大的驱动位移。在基座中间设计方槽结构并留有连接杠，可降低基座的刚度，便于将驱动叉指的科氏振动传递到感测叉指上，提高叉指振幅传递效率，且还能有效降低干扰模态的影响。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
驱动叉指和感测叉指的形成并排布置并且均相距间隔，并关于基座中心线对称，其既可增大陀螺的输出信号，又能减小加速度、冲击这些不利环境因素的影响，还使得陀螺整体布局紧凑，有助于陀螺的微型化。驱动叉指和感测叉指的分离避免了叉指运动耦合和电极间的耦合，保证了陀螺的测量精度。基座开圆弧槽和方槽降低了陀螺的工作模态阶数和工作频率，使驱动叉指位移增大，还提高了叉指科氏振动传递效率，从而增大了输出信号，进而提高了陀螺灵敏度，并且隔离了陀螺的有效模态和干扰模态，保证了陀螺工作的稳定性。此外，本发明的梳齿石英陀螺整体结构简单，易于加工。
附图说明
图1是梳齿石英陀螺结构图(电极厚度起示意作用，并非真实尺寸)，其为梳齿石英陀螺正等轴测图；
图2为梳齿石英陀螺主视图；
图3是梳齿石英陀螺叉指上的电极布置示意图；其中(a)为第一驱动叉指电极布置示意图，(b)为第二驱动叉指电极布置示意图，(c)为第一感测叉指电极布置示意图，(d)为第二感测叉指电极布置示意图；
图4是梳齿石英陀螺工作时的驱动模态；
图5是梳齿石英陀螺工作时的感测模态；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1—第一感测叉指，2—感测正电极，3—感测负电极，4—驱动负电极，5—驱动正电极，6—第一驱动叉指，7—第二驱动叉指，8—第二感测叉指，9—连接杠，10—基座。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明公开一种MEMS陀螺仪，是一种惯性器件，特别涉及一种梳齿石英陀螺。本发明的梳齿石英陀螺是由具有一定厚度的z切石英晶体加工而成，比如是一整块的z切石英晶体经过刻蚀或者雕刻加工获得的，其总体的形状类似一把梳子，梳齿类似于驱动叉指和感测叉指，设置梳齿的长条板块部分可以称为梳背，梳背部分如同梳齿石英陀螺的基座，基座为板块状。本发明的梳齿石英陀螺中驱动叉指和感测叉指形成并排布置并且均相距间隔，并关于基座中心线对称，这样的设计既可增大陀螺的输出信号，又能减小加速度、冲击这些不利环境因素的影响，还使得陀螺整体布局紧凑，有助于陀螺的微型化。驱动叉指和感测叉指的分离避免了电极间的耦合，保证了陀螺的测量精度。基座开圆弧槽和方槽降低了陀螺的工作模态阶数和工作频率，使驱动叉指位移增大，还提高了叉指科氏振动传递效率，从而增大了输出信号，并且隔离了陀螺的有效模态和干扰模态，保证了陀螺工作的稳定性。
下面进一步结合具体的实施例和附图进一步解释说明本发明的梳齿石英陀螺。
图1是梳齿石英陀螺结构图(电极厚度起示意作用，并非真实尺寸)，其为梳齿石英陀螺正等轴测图，图2为梳齿石英陀螺主视图，结合两图可知，其包括两个驱动叉指、两个感测叉指、多个驱动电极、多个感测电极和一个基座。其中，基座类似平板状或者板块状，两个驱动叉指、两个感测叉指共同并排设置在基座上10一个端部上。驱动叉指和感测叉指呈矩形体状，分别相隔间距。两个驱动叉指分别为第一驱动叉指6和第二驱动叉指7，两个感测叉指分别为第一感测叉指1和第二感测叉指8。驱动电极包括多个驱动负电极4和多个驱动正电极5，感测电极包括多个感测正电极2和多个感测负电极3。
两个驱动叉指和两个感测叉指并排设置在基座10上，第一驱动叉指6和第二驱动叉指7对称位于基座10中心线的两侧，第一感测叉指1和第二感测叉指8也对称位于基座10中心线的两侧，其中，驱动叉指位于内侧，感测叉指位于外侧，且所述两个驱动叉指的形状及质量相同，其中左侧驱动叉指为第一驱动叉指6，右侧驱动叉指为第二驱动叉指7，所述两个感测叉指的形状及质量相同，左侧感测叉指为第一感测叉指1，右侧感测叉指为第二感测叉指8(其中左右位置是相对的，以基座中心线为分界划定左右侧)。基座10在驱动叉指和感测叉指之间以及第一感测叉指1、第二感测叉指8的外侧均开有圆弧槽，基座10板块部中间开有关于基座10中心线对称的大方槽，大方槽中间有一根连接杠9，连接杠9也关于基座10中心线对称。
本发明各叉指上的电极布置如图3所示，其中，第一驱动叉指6上的电极布置如图3中(a)图所示：驱动正电极5分别布置在第一驱动叉指6的左右表面，驱动负电极4分别布置在第一驱动叉指6的上下表面。第二驱动叉指7上的电极布置如图3中(b)图所示：驱动正电极5分别布置在第二驱动叉指7的上下表面，驱动负电极4分别布置在第二驱动叉指7的左右表面。第一感测叉指1上的电极布置如图3中(c)图所示：感测正电极2分别布置在第一感测叉指1的左侧面的上半部和右侧面的下半部，感测负电极3分别布置在第一感测叉指1的左侧面的下半部和右侧面的上半部。第二感测叉指8上的电极布置如图3中(d)图所示：感测正电极2分别布置在第二感测叉指8的左侧面的下半部和右侧面的上半部，感测负电极3分别布置在第二感测叉指8的左侧面的上半部和右侧面的下半部。
如图4所示，分别对第一驱动叉指6、第二驱动叉指7上的驱动正电极5和驱动负电极4施加频率、幅值、相位都相同的正弦电压信号，通过石英晶体的逆压电效应使得第一驱动叉指6和第二驱动叉指7产生x方向的相对或相反的简谐振动。当输入的正弦电压信号的频率与梳齿石英陀螺驱动模态谐振频率相同时，驱动叉指将产生x方向的谐振。
如图5所示，当第一驱动叉指6和第二驱动叉指7产生x方向的谐振时，若y轴有角速度输入，则驱动叉指受科氏力作用将产生z向的方向相反的简谐振动，并通过基座将科氏振动传递到感测叉指上，使第一感测叉指1和第二感测叉指8产生z向的方向相反的简谐振动。由于石英晶体的压电效应，在第一感测叉指1和第二感测叉指8上将积累电信号，外部电路可通过感测叉指上的感测电极捕获该电信号，经过放大、滤波、解调可得到y轴输入的角速度。由于两个感测叉指的感测振动方向相反，则梳齿石英陀螺输出的信号是位于两个感测叉指上的感测电极的电荷量之和，这样就可以使输出的电信号增大一倍。
基于以上设计，本发明的梳齿石英陀螺具有如下的显著效果：
基座10开槽降低了陀螺的工作模态阶数和工作频率，使驱动叉指位移增大，且提高了叉指振动传递效率，从而增大了输出信号，提高了陀螺灵敏度，并且隔离了陀螺的有效模态和干扰模态，保证了陀螺工作的稳定性；驱动叉指和感测叉指的分离避免了叉指运动耦合和电极间的耦合，保证了陀螺的测量精度；驱动叉指和感测叉指均为对称并排布置，既可增大陀螺的输出信号，又能减小加速度、冲击等不利环境因素的影响，还使得陀螺整体布局紧凑，有助于陀螺的微型化；本发明申请梳齿石英陀螺整体结构简单，易于加工。
本发明的梳齿石英陀螺的工作流程为：通过在驱动电极上施加正弦电压信号，利用石英的逆压电效应，驱使第一驱动叉指和第二驱动叉指在x轴方向做相对或相反的简谐振动，当y轴有角速度输入时，驱动叉指受科氏力作用产生沿z方向的振动信号，并传递给感测叉指，使感测叉指沿z方向振动。感测叉指的振动频率等于驱动电压的频率，振动幅值正比于驱动电压的振幅和外加角速度大小。由于石英的压电效应，感测叉指的z向振动会输出电信号，外部电路通过感测电极捕获该输出信号，经过放大解调得到一个正比于输入角速度的直流电压信号，从而推出输入角速度的大小。
本发明对于改善单芯片MEMS陀螺性能，提升装备的精确对准能力具有重要意义。
本发明中，在以上的所有附图中，以梳齿石英陀螺底面中心点为坐标原点，陀螺宽度方向向右为x轴正向，陀螺高度方向向上为y轴正向，按右手定则建立三维坐标系来确定方向。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种MEMS陀螺仪，其特征在于，其包括梳齿陀螺本体，梳齿陀螺本体包括基座、均设置在基座上的感测叉指和驱动叉指，感测叉指上设置有感测正电极和感测负电极，驱动叉指上设置有驱动正电极和驱动负电极，
均设置在基座上的感测叉指和驱动叉指共同并排设置在基座上，并且所有的叉指均相距间隔，所有的驱动叉指相邻布置，并且关于基座中心线对称，感测叉指也关于基座中心线对称，并且平均分布在驱动叉指的两侧。
2.如权利要求1所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述感测叉指和所述驱动叉指数量均为两个，驱动叉指分别为第一驱动叉指(6)和第二驱动叉指(7)，第一驱动叉指(6)和第二驱动叉指(7)对称位于基座(10)中心线的两侧，
感测叉指分别为第一感测叉指(1)和第二感测叉指(8)，第一感测叉指(1)和第二感测叉指(8)也对称位于基座(10)中心线的两侧，
驱动叉指上设置有多个驱动负电极(4)和多个驱动正电极(5)，感测叉指上也设置有多个感测正电极(2)和多个感测负电极(3)。
3.如权利要求2所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述两个驱动叉指的形状及质量相同，所述两个感测叉指的形状及质量也相同。
4.如权利要求2所述的MEMS陀螺仪，其特征在于，所述两个驱动叉指的形状及质量与所述两个感测叉指的形状及质量均相同。
5.如权利要求1-4之一所述的一种MEMS陀螺仪，其特征在于，所述感测叉指和所述驱动叉指呈横截面为矩形的长条状。
6.如权利要求5所述的一种MEMS陀螺仪，其特征在于，多个驱动正电极分别布置在第一驱动叉指的左右表面和第二驱动叉指的上下表面，多个驱动负电极分别布置在第一驱动叉指的上下表面和第二驱动叉指的左右表面；
多个感测正电极分别布置在第一感测叉指的左侧面的上半部、右侧面的下半部和第二感测叉指的左侧面的下半部、右侧面的上半部，多个感测负电极分别布置在第一感测叉指的左侧面的下半部、右侧面的上半部和第二感测叉指的左侧面的上半部、右侧面的下半部。
7.如权利要求6所述的一种MEMS陀螺仪，其特征在于，所述基座在驱动叉指和感测叉指之间以及感测叉指外侧均开有圆弧槽，基座中间开有关于基座中心线对称的大方槽，大方槽中间有一根连接杠，连接杠也关于基座中心线对称。
8.如权利要求7所述的一种MEMS陀螺仪，其特征在于，整个梳齿陀螺本体为具有设定厚度的Z切石英晶体经过加工而得的整体。
9.如权利要求8所述的一种MEMS陀螺仪，其特征在于，整个梳齿陀螺本体为具有设定厚度的Z切石英晶体经过刻蚀或者雕刻加工而得的整体。
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