CN111521170A - 一种驱动振幅放大的主从质量微机械毛发陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了的一种驱动振幅放大的主从质量微机械毛发陀螺仪,采用三层结构，具体包括第一层用于增大主质量块质量的铜制立柱毛发，第二层用于敏感科氏力的硅微传感器和第三层用于信号输入输出控制的硼基玻璃绝缘层；所述铜制立柱毛发通过微组装工艺粘合在硅微传感器中心位置，硅微传感器和硼基玻璃绝缘层通过标准的Si‑Glass阳极键合工艺键合在一起，硼基玻璃绝缘层上通过金属溅射工艺布置有Au电极及信号引线；所述第二层硅微传感器具体包括主质量块、从质量块和解耦框；解耦框布置在从质量块的内部并通过第一、二驱动耦合梁与从质量块相连；主质量块布置在解耦框的内部，并通过第一、二检测耦合梁与解耦框相连。

Description

一种驱动振幅放大的主从质量微机械毛发陀螺仪
技术领域
本发明涉及微机电系统和角速度测量领域，特别是涉及一种驱动振幅放大的主从质量微机械毛发陀螺仪。
背景技术
微机械陀螺仪是一种典型的MEMS惯性传感器，用于测量载体的角速度。具有体积小、重量轻、低成本、低能耗、高可靠性、易于数字化、可满足恶劣环境应用等特点，有着重要的军用价值和广阔的应用前景。
毛发传感器是一种模仿自然界昆虫等生物体的超敏感的毛发感知系统而研制的人工替代结构。常规的微机械陀螺仪一般工作在较高的频率(几KHz到几十KHz)和欠阻尼状态(真空封转)；而昆虫等生物体为了节省能量，其平衡棒陀螺工作在临界阻尼，且工作频率只有几百个Hz(昆虫翅膀振动频率)。因此，模仿昆虫等生物体上仿生陀螺仪的毛发陀螺仪具有低功耗、高灵敏度和快速响应等优点。
近年来，国内的研究机构逐渐展开了关于微机械毛发陀螺仪的研究。加州大学Berkeley分校的Robert J.Wood在2003年研发了一种毛发微机械陀螺仪，该陀螺仪通过一个5mm压电片(PZT)进行驱动，能测量1rad/s的角速度，功耗仅1mW。但是，目前大部分机构研发的毛发微机械陀螺仪的机械灵敏度已经达到了研究瓶颈，很难进一步突破。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种驱动振幅放大的主从质量微机械毛发陀螺仪,采用三层结构，具体包括第一层用于增大主质量块质量的铜制立柱毛发，第二层用于敏感科氏力的硅微传感器和第三层用于信号输入输出控制的硼基玻璃绝缘层；
所述铜制立柱毛发通过微组装工艺粘合在硅微传感器中心位置，硅微传感器和硼基玻璃绝缘层通过标准的Si-Glass阳极键合工艺键合在一起，硼基玻璃绝缘层上通过金属溅射工艺布置有Au电极及信号引线；
所述第二层硅微传感器具体包括主质量块、从质量块和解耦框；解耦框布置在从质量块的内部并通过第一、二驱动耦合梁与从质量块相连；主质量块布置在解耦框的内部，并通过第一、二检测耦合梁与解耦框相连。
本发明进一步改进在于：所述从质量块包括从质量主体，第一、二支撑梁，第一、二支撑锚点；其中第一支撑锚点位于从质量主体的左侧，通过第一支撑梁与从质量柱体相连接；第二支撑锚点位于从质量主体的右侧，通过第二支撑梁与从质量柱体相连接。
本发明进一步改进在于：所述解耦框包括解耦框主体，第一、二驱动耦合梁，第一、二检测解耦梁；第一、二驱动耦合梁布置在解耦框主体的左、右两侧，将解耦框主体和从质量块主体连接起来，其中第一驱动耦合梁位于解耦框主体的左侧，第二驱动耦合梁位于解耦框主体的右侧；第一、二检测耦合梁布置在解耦框主体的上、下两侧，并将解耦框主体和主质量块主体连接起来，其中第一检测解耦梁位于解耦框主体的上侧，第二检测解耦梁位于解耦框主体的下侧。
本发明进一步改进在于：所述主质量块的几何中心位置布置有铜制立柱毛发。
本发明进一步改进在于：所述硼基玻璃绝缘层上设有包括第一、二驱动电极，第一、二驱动引出电极，第一、二检测电极，第一、二检测引出电极，第一、二公共电极，第一、二公共引出电极以及相应的金属连接引线；其中所述第一、二公共电极与第二层硅微传感器上的第一、二支撑锚点相连接。
本发明工作原理：
1、驱动引出电极上施加频率和微机械毛发陀螺仪的同相驱动模态频率一致的交流驱动电压信号时，主从质量块会在静电驱动力的作用下上下摆动，从而带动铜制立柱毛发在绕X轴方向做简谐摆动运动。
2、在驱动引出电极上施加频率和微机械毛发陀螺仪的同相驱动模态频率一致的交流驱动电压信号时，由于质量的不同以及支撑刚度的不同，主从质量块的振动幅度同样也会产生差异；通过调整设计主从质量以及支撑刚度的大小，可以调整使得主质量块的振动幅度远远大于从质量块，从而导致在主质量块获得较大驱动振动位移的同时，从质量块的驱动位移较小；这样可以保证从质量块摆动时和驱动电极之间的距离与静电驱动力的大小近似呈线性关系，从而提升陀螺仪的性能。
3、在驱动引出电极上施加频率和微机械毛发陀螺仪的同相驱动模态频率一致的交流驱动电压信号时，铜制立柱毛发会在主质量块的带动下在绕X轴方向做简谐摆动运动；在外界有角速度输入时，由于科氏效应，铜制立柱毛发同样也会在绕Y轴方向做简谐摆动运动，进一步带动主质量块在绕Y轴方向上的运动。因此，通过检测在检测引出电极上的变化的简谐电容信号，即可得到外界输入角速度的大小。
本发明的有益效果：本发明相对于现有技术而言具有以下优点：
(1)采用上下、左右对称结构布置，有利于器件的批量加工；
(2)采用铜制立柱毛发用于增大陀螺仪质量块的大小，从而降低陀螺仪的工作频率，从而提升器件的机械灵敏度；
(3)采用主从质量块耦合结构，相对于传统的单质量陀螺仪，具备更优的静态偏置稳定性；
(4)采用主从质量块耦合结构，可以通过调整质量及刚度比例来调整主从质量块的振幅的比例，从而在确保较大的主质量块驱动位移的同时维持较小的从质量块的驱动位移。进一步保证从质量块运动时和驱动电极之间的距离与静电驱动力的大小近似呈线性关系。
附图说明
图1为本发明的整体机械结构示意图；
图2为本发明的硅微传感器示意图；
图3为本发明的解耦框示意图；
图4为本发明的外框示意图；
图5为本发明的硼基玻璃绝缘层上信号电极及信号引线示意图；
具体实施方案
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本实施例提供的一种驱动振幅放大的主从质量微机械毛发陀螺仪包括三层结构，具体包括第一层用于增大主质量块质量的铜制立柱毛发1，第二层用于敏感科氏力的硅微传感器和第三层用于信号输入输出控制的硼基玻璃绝缘层5。所述铜制立柱毛发1通过微组装工艺粘合在硅微传感器中心位置，硅微传感器和硼基玻璃绝缘层5通过标准的Si-Glass阳极键合工艺键合在一起。硼基玻璃5上通过金属溅射工艺布置有Au电极及信号引线。
如图2所示，所述第二层硅微传感器具体包括主质量块2、从质量块4和解耦框3；解耦框3布置在从质量块4的内部并通过第一、二驱动耦合梁3-4、3-5与从质量块4相连；主质量块2几何中心位置布置有铜制立柱毛发1；主质量块2布置在解耦框3的内部，并通过第一、二检测耦合梁3-2、3-3与解耦框3相连。
如图3所示：所述解耦框3包括解耦框主体3-1，第一、二驱动耦合梁3-4、3-5，第一、二检测解耦梁3-2、3-3；第一、二驱动耦合梁3-4、3-5布置在解耦框主体3-1的左、右两侧，将解耦框主体3-1和从质量块主体4-1连接起来，其中第一驱动耦合梁3-4位于解耦框主体3-1的左侧，第二驱动耦合梁3-5位于解耦框主体3-1的右侧；第一、二检测耦合梁3-2、3-3布置在解耦框主体3-1的上、下两侧，并将解耦框主体3-1和主质量块主体2连接起来，其中第一检测解耦梁3-2位于解耦框主体3-1的上侧，第二检测解耦梁3-3位于解耦框主体3-1的下侧。
如图4所示：所述从质量块4包括从质量主体4-1，第一、二支撑梁4-2、4-3，第一、二支撑锚点4-4、4-5；其中第一支撑锚点4-4位于从质量主体4-1的左侧，通过第一支撑梁4-2与从质量柱体4-1相连接；第二支撑锚点4-5位于从质量主体4-1的右侧，通过第二支撑梁4-3与从质量柱体4-1相连接。
如图5所示，所述硼基玻璃绝缘层5上设有第一、二驱动电极6-1-1、6-1-2，第一、二驱动引出电极6-3-1、6-3-2，第一、二检测电极6-2-1、6-2-2，第一、二检测引出电极6-4-1、6-4-2，第一、二公共电极6-5-1、6-5-2，第一、二公共引出电极6-6-1、6-6-2以及相应的金属连接引线；其中所述第一、二公共电极6-5-1、6-5-2与第二层硅微传感器上的第一、二支撑锚点4-4、4-5相连接。
本发明的驱动振幅放大的主从质量微机械毛发陀螺仪在驱动引出电极上施加频率和微机械毛发陀螺仪的同相驱动模态频率一致的交流驱动电压信号时，由于质量的不同以及支撑刚度的不同，主从质量块的振动幅度同样也会产生差异。陀螺仪的运动方程表达如下：
Figure BDA0002504861490000071
其中，m1为从质量块的质量，m2为主质量块的质量，c1为从质量块的阻尼系数，c2为主质量块的阻尼系数，kx1为从质量块支撑梁的刚度，kx2为驱动耦合梁的刚度，Fx1为从质量块上所受到的外界驱动力。求解上式可以得到主从质量块的振幅比为：
Figure BDA0002504861490000072
从上式中可以看出，通过调整设计主从质量以及驱动耦合梁刚度的大小，可以调整使得主质量块的振动幅度远远大于从质量块，从而导致在主质量块获得较大驱动振动位移的同时，从质量块的驱动位移较小。这样可以保证从质量块摆动时和驱动电极之间的距离与静电驱动力的大小近似呈线性关系，从而提升陀螺仪的性能。在外界有角速度输入时，由于科氏效应，铜制立柱毛发1同样也会在绕Y轴方向做简谐摆动运动，进一步带动主质量块在绕Y轴方向上的运动。因此，通过检测在检测引出电极上的变化的简谐电容信号，即可得到外界输入角速度的大小。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (5)

1.一种驱动振幅放大的主从质量微机械毛发陀螺仪，其特征在于：所述陀螺仪采用三层结构，具体包括第一层用于增大主质量块质量的铜制立柱毛发（1），第二层用于敏感科氏力的硅微传感器和第三层用于信号输入输出控制的硼基玻璃绝缘层（5）；
所述铜制立柱毛发（1）通过微组装工艺粘合在硅微传感器中心位置，硅微传感器和硼基玻璃绝缘层（5）通过标准的Si-Glass阳极键合工艺键合在一起，硼基玻璃绝缘层（5）上通过金属溅射工艺布置有Au电极及信号引线；
所述第二层硅微传感器具体包括主质量块（2）、从质量块（4）和解耦框（3）；解耦框（3）布置在从质量块（4）的内部并通过第一、二驱动耦合梁（3-4、3-5）与从质量块（4）相连；
主质量块（2）布置在解耦框（3）的内部，并通过第一、二检测耦合梁（3-2、3-3）与解耦框（3）相连。
2.根据权利要求1所述的一种驱动振幅放大的主从质量微机械毛发陀螺仪，其特征在于：所述从质量块（4）包括从质量主体（4-1），第一、二支撑梁（4-2、4-3），第一、二支撑锚点（4-4、4-5）；
其中第一支撑锚点（4-4）位于从质量主体（4-1）的左侧，通过第一支撑梁（4-2）与从质量柱体（4-1）相连接；第二支撑锚点（4-5）位于从质量主体（4-1）的右侧，通过第二支撑梁（4-3）与从质量柱体（4-1）相连接。
3.根据权利要求1所述的一种驱动振幅放大的主从质量微机械毛发陀螺仪，其特征在于：所述解耦框（3）包括解耦框主体（3-1），第一、二驱动耦合梁（3-4、3-5），第一、二检测解耦梁（3-2、3-3）；
第一、二驱动耦合梁（3-4、3-5）布置在解耦框主体（3-1）的左、右两侧，将解耦框主体（3-1）和从质量块主体（4-1）连接起来，其中第一驱动耦合梁（3-4）位于解耦框主体（3-1）的左侧，第二驱动耦合梁（3-5）位于解耦框主体（3-1）的右侧；
第一、二检测耦合梁（3-2、3-3）布置在解耦框主体（3-1）的上、下两侧，并将解耦框主体（3-1）和主质量块主体（2）连接起来，其中第一检测解耦梁（3-2）位于解耦框主体（3-1）的上侧，第二检测解耦梁（3-3）位于解耦框主体（3-1）的下侧。
4.根据权利要求1所述的一种驱动振幅放大的主从质量微机械毛发陀螺仪，其特征在于：所述主质量块（2）的几何中心位置布置有铜制立柱毛发（1）。
5.根据权利要求1所述的一种驱动振幅放大的主从质量微机械毛发陀螺仪，其特征在于：所述硼基玻璃绝缘层（5）上设有第一、二驱动电极（6-1-1、6-1-2），第一、二驱动引出电极（6-3-1、6-3-2），第一、二检测电极（6-2-1、6-2-2），第一、二检测引出电极（6-4-1、6-4-2），第一、二公共电极（6-5-1、6-5-2），第一、二公共引出电极（6-6-1、6-6-2）以及相应的金属连接引线；其中所述第一、二公共电极（6-5-1、6-5-2）与第二层硅微传感器上的第一、二支撑锚点（4-4、4-5）相连接。
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