CN117146791B - 一种微机械石英音叉陀螺及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微机械陀螺仪技术领域，提供微机械石英音叉陀螺及电子设备。该微机械石英音叉陀螺驱动梁的一端与音叉基部连接，驱动梁具有一对相对设置的第一相对面和一对相对设置的第二相对面，第一相对面上设置有第一驱动电极，一个第二相对面上设置有第二驱动电极；驱动叉指与驱动梁的另一端连接，且在与上盖板以及下底板相对的两个侧面上分别设置有第一接地电极，上盖板以及下底板在与第一接地电极相对应的位置分别对应设置有校正电极组；校正电极组包括第一校正电极和第二校正电极，第一校正电极与第二校正电极的极性相反。通过调整第一接地电极的电压输入值，使驱动叉指与上盖板或下底板之间的间隙保持在平衡位置，从而实现抑制正交力的作用。

Description

一种微机械石英音叉陀螺及电子设备

技术领域

本发明涉及微机械陀螺仪技术领域，尤其涉及一种微机械石英音叉陀螺及电子设备。

背景技术

微机械陀螺仪，凭借其体积小、质量轻、功耗低、可批量化生产及成本低等优势，已广泛应用于消费电子、航空航天等技术领域。随着性能的不断提升，微机械陀螺仪成为微型惯性系统的核心和推动导航系统微小型化发展的关键器件。

正交误差是限制微机械陀螺精度的显著误差之一。这是由于微机械陀螺在加工时不可避免的存在非线性刚度耦合误差，对于石英音叉陀螺而言，湿法腐蚀是实现音叉三维结构加工的常规手段，石英水晶和X方向侧面晶棱的存在是不可避免的，这必然会引入正交误差。

目前有关消除正交误差影响的方式大都通过设计解耦的微陀螺结构来消除正交误差以及通过对检测轴输出进行同步解调的方法来消除正交误差。解耦结构设计是在陀螺驱动方向设计校准梳齿，在梳齿上布置电极，通过在电极上加载电压调整陀螺刚度误差，达到校正正交的效果；在检测方向的检测电极上施加校准力。电路校正技术是需要外围接口电路产生反馈静电力去平衡抵消微机械陀螺上的等效正交误差力，达到校正的结果。

但是梳齿结构的加工工艺复杂，对对称性要求高。加工精度误差会引入新的误差干扰。研究表明，基于高阶微机电Sigma-Delta陀螺技术还无法对微机械陀螺正交误差进行有效的校正，这也制约了微机电Sigma-Delta陀螺精度的进一步提高。因此如何提高对微机械陀螺的正交误差的抑制能力是业界急需解决的问题。

发明内容

本发明提供一种微机械石英音叉陀螺及电子设备，用于解决如何提高对微机械陀螺的正交误差的抑制能力是业界急需解决的问题。

本发明提供一种微机械石英音叉陀螺，包括封装于上盖板与下底板之间的音叉部件，所述音叉部件包括：

外框结构，所述外框结构的一侧与所述上盖板键合连接，另一侧与所述下底板键合连接，所述外框结构设置有镂空部区域；

音叉结构，设置于所述镂空部区域，所述音叉结构包括：

音叉基部，通过耦合梁与所述外框结构连接；

驱动梁，一端与所述音叉基部连接，具有一对相对设置的第一相对面和一对相对设置的第二相对面，所述第一相对面上设置有第一驱动电极，一个所述第二相对面上设置有第二驱动电极；所述第一驱动电极与所述第二驱动电极的极性相反；

驱动叉指，与所述驱动梁的另一端连接，所述驱动叉指朝向所述上盖板的一侧以及所述驱动叉指朝向所述下底板的一侧均设置有第一接地电极，所述上盖板朝向所述驱动叉指的一侧，以及所述下底板朝向所述驱动叉指的一侧均设置有与所述第一接地电极相对应的校正电极组；所述校正电极组包括第一校正电极和第二校正电极，所述第一校正电极与所述第二校正电极的极性相反。

根据本发明提供的微机械石英音叉陀螺，所述第一接地电极的数量为多个，多个所述第一接地电极间隔设置，相邻的两个所述第一接地电极电连接；每一个所述第一接地电极对应一个所述校正电极组。

根据本发明提供的微机械石英音叉陀螺，另一个所述第二相对面上设置有第二接地电极，所述第二接地电极与所述第一接地电极电连接。

根据本发明提供的微机械石英音叉陀螺，所述音叉结构还包括：

检测梁，一端与所述音叉基部远离所述驱动梁的一侧连接，所述检测梁具有一对相对设置的第三相对面，所述第三相对面上设置有反馈电极，所述反馈电极与电源连接；

检测叉指，与所述检测梁的另一端连接，所述检测叉指朝向所述上盖板的一侧，以及所述检测叉指朝向所述下底板的一侧均设置有第一静电电极，所述上盖板朝向所述检测叉指的一侧，以及所述下底板朝向所述检测叉指的一侧均设置有与所述第一静电电极相对应的检测电极。

根据本发明提供的微机械石英音叉陀螺，所述第三相对面上还设置有第二静电电极，所述第二静电电极与所述反馈电极绝缘，与所述第一静电电极电连接。

根据本发明提供的微机械石英音叉陀螺，所述耦合梁的宽度S₁与所述音叉基部的厚度H满足：H/3≤S1≤2H/3。

根据本发明提供的微机械石英音叉陀螺，所述外框结构分别与所述上盖板以及所述下底板之间采用玻璃粉装配。

根据本发明提供的微机械石英音叉陀螺，所述上盖板以及所述下底板在与所述第一静电电极相对的位置分别设置有第一减薄凹槽，所述第一减薄凹槽的深度S₂满足10μm≤S₂≤30μm；所述第一减薄凹槽内设置有检测电极。

根据本发明提供的微机械石英音叉陀螺，所述上盖板以及所述下底板在与所述第一接地电极相对应的位置分别设置有第二减薄凹槽，所述第二减薄凹槽的深度S₃满足10μm≤S₃≤30μm；所述第二减薄凹槽内设置有校正电极组。

本发明还提供了一种电子设备，包括电子设备本体，以及上述任一所述的微机械石英音叉陀螺；所述微机械石英音叉陀螺设置于所述电子设备本体。

本发明提供的微机械石英音叉陀螺及电子设备。本发明的微机械石英音叉陀螺通过在驱动梁上设置第一驱动电极和第二驱动电极，结合石英的逆压电效应，给第一驱动电极和第二驱动电极输入方波驱动信号，驱动叉指会在驱动梁的带动下沿着X轴方向振动，振幅正比于方波驱动信号的驱动电压。但是因为存在工艺误差，会导致正交力的存在，使得驱动叉指在沿Z轴方向有正交作用，进而会产生Z方向的位移，为了消除驱动叉指在Z方向的位移，通过给第一接地电极施加直流电压，此时第一接地电极与第一校正电极及第二校正电极之间会有静电力的存在，进而通过第一校正电极和第二校正电极输出的电压值，调整第一接地电极的电压输入值，使驱动叉指与上盖板或下底板之间的间隙保持在平衡位置不变，从而实现对正交误差的抑制，提高微机械石英音叉陀螺的检测精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的微机械石英音叉陀螺的立体结构示意图；

图2是图1所示的微机械石英音叉陀螺的音叉部件的结构示意图之一；

图3是图1所示的微机械石英音叉陀螺的音叉部件的结构示意图之二；

图4是图2中B-B截面的结构示意图；

图5是图1所示的微机械石英音叉陀螺的上盖板结构示意图；

图6是图1所示的微机械石英音叉陀螺的下底板的结构示意图之一；

图7是图6所示的微机械石英音叉陀螺的下底板的结构示意图之二；

图8是图1所示的微机械石英音叉陀螺的第一接地电极与校正电极组的结构示意图。

附图标记：

100、上盖板；

200、下底板；

300、音叉部件；310、外框结构；320、音叉结构；330、第一接地电极；340、校正电极组；350、第一静电电极；360、第二接地电极；370、反馈电极；380、检测电极；

321、音叉基部；322、驱动梁；323、驱动叉指；324、检测梁；325、检测叉指；326、耦合梁；341、第一校正电极；342、第二校正电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1至图8描述本发明的微机械石英音叉陀螺。其中，图1是本发明提供的微机械石英音叉陀螺的立体结构示意图；图2是图1所示的微机械石英音叉陀螺的音叉部件的结构示意图之一；图3是图1所示的微机械石英音叉陀螺的音叉部件的结构示意图之二；图4是图2中B-B截面的结构示意图；图5是图1所示的微机械石英音叉陀螺的上盖板结构示意图；图6是图1所示的微机械石英音叉陀螺的下底板的结构示意图之一；图7是图6所示的微机械石英音叉陀螺的下底板的结构示意图之二；图8是图1所示的微机械石英音叉陀螺的第一接地电极与校正电极组的结构示意图。

在发明的具体实施例中，如图1所示，本发明提供的微机械石英音叉陀螺包括上盖板100、下底板200和音叉部件300；音叉部件300包括外框结构310和音叉结构320；如图2、图3和图4所示，外框结构310的一侧与上盖板100键合连接，另一侧与下底板200键合连接，外框结构310设置有镂空部区域；音叉结构320设置于镂空部区域，音叉结构320包括音叉基部321、耦合梁326、驱动梁322和驱动叉指323；驱动梁322的一端与音叉基部321连接，驱动梁322具有一对相对设置的第一相对面和一对相对设置的第二相对面，第一相对面上设置有第一驱动电极，一个第二相对面上设置有第二驱动电极；第一驱动电极与第二驱动电极的极性相反；驱动叉指323与驱动梁322的另一端连接，驱动叉指323朝向上盖板100的一侧以及驱动叉指323朝向下底板200的一侧均设置有第一接地电极330，上盖板100朝向驱动叉指323的一侧，以及下底板200朝向驱动叉指323的一侧均设置有与第一接地电极330相对应的校正电极组340；校正电极组340包括第一校正电极341和第二校正电极342，第一校正电极341与第二校正电极342的极性相反。

在本发明的具体实施例中，通过在驱动梁322上设置极性相反的第一驱动电极和第二驱动电极，结合石英的逆压电效应，给第一驱动电极和第二驱动电极输入方波驱动信号，驱动叉指323会在驱动梁322的带动下沿着X轴方向振动，振幅正比于方波驱动信号的驱动电压。但是因为存在工艺误差，会导致正交力的存在，使得驱动叉指323在沿Z轴方向有正交作用，进而会产生Z方向的位移，为了消除驱动叉指323在Z方向的位移，通过给第一接地电极330施加直流电压，此时第一接地电极330与第一校正电极341及第二校正电极342之间会有静电力的存在，进而通过第一校正电极341和第二校正电极342输出的电压值，调整第一接地电极330的电压输入值，使驱动叉指323与上盖板100或下底板200之间的间隙保持在平衡位置不变，如图8所示，从而实现对正交误差的抑制，提高微机械石英音叉陀螺的检测精度。还因为本发明具体实施例提供的微机械石英音叉陀螺不需要额外加工梳齿等结构，不会引入新的工艺误差，所以本发明的微机械石英音叉陀螺能够在不引入新的工艺误差的前提下提高微机械石英音叉陀螺的正交误差的抑制能力。

可以理解地是，Z轴方向与上盖板100与下底板200中心连线的方向重合，也是指附图中垂直于上盖板正面的方向。

可以理解地是，X轴方向指附图中的左右方向。

可以理解地是，驱动叉指323与上盖板100或下底板200之间的间隙保持在平衡位置时，第一接地电极330与第一校正电极341以及第二校正电极342的交叠面积始终在驱动振幅范围内。

可以理解地是，第一驱动电极、第二驱动电极、第一校正电极341、第二校正电极342和第一接地电极330优选为金电极。

在一些实施例中，驱动梁322的数量为两个，驱动叉指323的数量也是两个；两个驱动梁322间隔设置于音叉基部321的同一侧，驱动梁322与驱动叉指323一一对应连接。

在一些实施例中，耦合梁326的数量也是两个，分别对称的设置于音叉基部321的两侧，用于将音叉基部321与外框结构310固定连接。

在本发明的具体实施例中，上盖板100和下底板200均设有用于对准音叉结构320的驱动叉指323的第一定位标记，外框结构310设有与第一定位标记相对应的第二定位标记。用于方便定位安装，确保封装精度。

在本发明的具体实施例中，如图2和图3所示，第一接地电极330的数量为多个，多个第一接地电极330间隔设置，相邻的两个第一接地电极330电连接；每一个第一接地电极330对应一个校正电极组340，每一个校正电极组340的第一校正电极341串接，每一个校正电极组340的第二校正电极342串接，进一步的提高校正精度，确保驱动叉指323与上盖板100或下底板200之间的间隙保持在平衡位置不变，从而实现抑制正交力的作用。

在本发明的具体实施例中，如图2和图3所示，另一个第二相对面上设置有第二接地电极360，第二接地电极360与第一接地电极330电连接。通过在驱动梁322的第二相对面上设置第二接地电极360，能够实现直接对第二驱动梁322的正交校正，再结合对驱动叉指323的正交校正快速的实现使驱动叉指323与上盖板100或下底板200之间的间隙保持在平衡位置不变的目的。

在本发明的具体实施例中，如图2和图3所示，音叉结构320还包括检测梁324和检测叉指325；检测梁324的一端与音叉基部321远离驱动梁322的一侧连接，检测梁324具有一对相对设置的第三相对面，第三相对面上设置有反馈电极370，反馈电极370与电源连接；检测叉指325与检测梁324的另一端连接，检测叉指325朝向上盖板100的一侧，以及检测叉指325朝向下底板200的一侧均设置有第一静电电极350，上盖板100朝向检测叉指325的一侧，以及下底板200朝向检测叉指325的一侧均设置有与第一静电电极350相对应的检测电极380。

在本发明的具体实施例中，当驱动叉指323上的电音叉开始工作后，有角速度输入时，在柯氏力作用下检测梁324会带动检测叉指325沿Z轴方向往复摆动，进而使第一静电电极350与上盖板100以及下底板200上的检测电极380之间的电容会发生变化。因为检测叉指325上设置有反馈电极370，能够给反馈电极370施加相反电压以抑制检测叉指325的振动，直至上盖板100和下底板200的检测电极380输出的电容为恒定值为止，其中反馈电压的大小即为微机械石英音叉陀螺的检测输出信号。

在一些实施例中，检测梁324的数量为两个，检测叉指325的数量也是两个；两个检测梁324间隔设置于音叉基部321背离驱动梁322的另一侧，检测梁324与检测叉指325一一对应连接。

在一些实施例中，音叉基部321、两个驱动梁322、两个耦合梁326、两个检测梁324、两个驱动叉指323和两个检测叉指325形成H型结构的音叉结构320，音叉结构320嵌设于外框结构310的镂空部区域。

在本发明的具体实施例中，第三相对面上还设置有第二静电电极，第二静电电极与反馈电极370绝缘，与第一静电电极350电连接，能够通过抑制检测梁324的摆动来实现抑制检测叉指325摆动的目的，进一步的提高了抑制检测叉指325沿Z轴摆动的效率。

在本发明的具体实施例中，耦合梁326的宽度S₁与音叉结构320的厚度H满足：H/3≤S1≤2H/3，可以保证音叉结构320的强度，又能够减小阻力，有利于耦合梁326传递振动。

在本发明的具体实施例中，外框结构310分别与上盖板100以及下底板200之间采用玻璃粉装配，便于加工。

在本发明的具体实施例中，上盖板100以及下底板200在与静电电极相对的位置分别设置有第一减薄凹槽，第一减薄凹槽的深度S₂满足10μm≤S₂≤30μm；第一减薄凹槽内设置有检测电极380，避免检测电极380凸出上盖板100或下底板200。

在本发明的具体实施例中，上盖板100以及下底板200在与第一接地电极330相对应的位置分别设置有第二减薄凹槽，第二减薄凹槽的深度S₃满足10μm≤S₃≤30μm；第二减薄凹槽内设置有校正电极组，避免校正电极组凸出上盖板100或下底板200。

在本发明的具体实施例中，本发明还提供了一种电子设备，包括电子设备本体，以及上述任意实施例中的微机械石英音叉陀螺；微机械石英音叉陀螺设置于电子设备本体。

因为微机械石英音叉陀螺具有抑制正交力的作用，所以本发明的电子设备也具有抑制正交力的作用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种微机械石英音叉陀螺，包括封装于上盖板（100）与下底板（200）之间的音叉部件（300），其特征在于，所述音叉部件（300）包括：

外框结构（310），所述外框结构（310）的一侧与所述上盖板（100）键合连接，另一侧与所述下底板（200）键合连接，所述外框结构（310）设置有镂空部区域；

音叉结构（320），设置于所述镂空部区域，所述音叉结构（320）包括：

音叉基部（321），通过耦合梁（326）与所述外框结构（310）连接；

驱动梁（322），一端与所述音叉基部（321）连接，具有一对相对设置的第一相对面和一对相对设置的第二相对面，所述第一相对面上设置有第一驱动电极，一个所述第二相对面上设置有第二驱动电极；所述第一驱动电极与所述第二驱动电极的极性相反；

驱动叉指（323），与所述驱动梁（322）的另一端连接，所述驱动叉指（323）朝向所述上盖板（100）的一侧以及所述驱动叉指（323）朝向所述下底板（200）的一侧均设置有第一接地电极（330），所述上盖板（100）朝向所述驱动叉指（323）的一侧，以及所述下底板（200）朝向所述驱动叉指（323）的一侧均设置有与所述第一接地电极（330）相对应的校正电极组（340）；所述校正电极组（340）包括第一校正电极（341）和第二校正电极（342），所述第一校正电极（341）与所述第二校正电极（342）的极性相反；

另一个所述第二相对面上设置有第二接地电极（360），所述第二接地电极（360）与所述第一接地电极（330）电连接；通过在所述驱动梁（322）的所述第二相对面上设置所述第二接地电极（360），实现直接对所述驱动梁（322）的正交校正。

2.根据权利要求1所述的微机械石英音叉陀螺，其特征在于，所述第一接地电极（330）的数量为多个，多个所述第一接地电极（330）间隔设置，相邻的两个所述第一接地电极（330）电连接；每一个所述第一接地电极（330）对应一个所述校正电极组（340）。

3.根据权利要求1至2任一项所述的微机械石英音叉陀螺，其特征在于，所述音叉结构（320）还包括：

检测梁（324），一端与所述音叉基部（321）远离所述驱动梁（322）的一侧连接，所述检测梁（324）具有一对相对设置的第三相对面，所述第三相对面上设置有反馈电极（370），所述反馈电极（370）与电源连接；

检测叉指（325），与所述检测梁（324）的另一端连接，所述检测叉指（325）朝向所述上盖板（100）的一侧，以及所述检测叉指（325）朝向所述下底板（200）的一侧均设置有第一静电电极（350），所述上盖板（100）朝向所述检测叉指（325）的一侧，以及所述下底板（200）朝向所述检测叉指（325）的一侧均设置有与所述第一静电电极（350）相对应的检测电极（380）。

4.根据权利要求3所述的微机械石英音叉陀螺，其特征在于，所述第三相对面上还设置有第二静电电极，所述第二静电电极与所述反馈电极（370）绝缘，与所述第一静电电极（350）电连接。

5.根据权利要求3所述的微机械石英音叉陀螺，其特征在于，所述耦合梁（326）的宽度S₁与所述音叉基部（321）的厚度H满足：H/3≤S1≤2H/3。

6.根据权利要求3所述的微机械石英音叉陀螺，其特征在于，所述外框结构（310）分别与所述上盖板（100）以及所述下底板（200）之间采用玻璃粉装配。

7.根据权利要求6所述的微机械石英音叉陀螺，其特征在于，所述上盖板（100）以及所述下底板（200）在与所述第一静电电极（350）相对的位置分别设置有第一减薄凹槽，所述第一减薄凹槽的深度S₂满足10μm≤S₂≤30μm；所述第一减薄凹槽内设置有检测电极。

8.根据权利要求6所述的微机械石英音叉陀螺，其特征在于，所述上盖板（100）以及所述下底板（200）在与所述第一接地电极（330）相对应的位置分别设置有第二减薄凹槽，所述第二减薄凹槽的深度S₃满足10μm≤S₃≤30μm；所述第二减薄凹槽内设置有校正电极组。

9.一种电子设备，其特征在于，包括电子设备本体，以及权利要求1至8任一项所述的微机械石英音叉陀螺；所述微机械石英音叉陀螺设置于所述电子设备本体。