改进型音叉式微机械陀螺.pdf

一种改进型音叉式微机械陀螺，由第一基板及其上的两组对称检测用栅形固定电极、固定于第一基板上的中央锚点和两侧锚点、悬于第一基板上方的第二基板组成；第二基板包括可沿驱动方向振动的两个结构相同且对称的驱动质量块、中央锚点与驱动质量块连接的第一弹性梁、两侧锚点与驱动质量块连接的第二弹性梁、连接两个驱动质量块的耦合弹性梁、可沿垂直于驱动方向的检测方向振动的两个结构相同且对称的检测质量块、检测质量块与驱动质量块之间的连接弹性梁组成。本陀螺采用微电子机械系统技术制作，在大气环境下工作，具有较高的灵敏度和带宽。

1.  一种改进型音叉式微机械陀螺，其特征在于：
(a)由第一基板(1)及其上的两组对称检测用栅形固定电极(2)、固定于第一基板上的中央锚点(3)和两侧锚点(4)、悬于第一基板上方的第二基板(5)组成；
(b)第二基板包括可沿驱动方向振动的两个结构相同且对称的驱动质量块(6)、连接中央锚点与驱动质量块的第一弹性梁(7)、连接两侧锚点与驱动质量块的第二弹性梁(8)、连接两个驱动质量块的耦合弹性梁(9)、可沿垂直于驱动方向的检测方向振动的两个结构相同且对称的检测质量块(10)、检测质量块与驱动质量块之间的连接弹性梁(11)组成。

2.  根据权利要求1所述的改进型音叉式微机械陀螺，其特征在于：每个驱动质量块通过四个第一弹性梁与第一基板锚接在一起，每个检测质量块均通过两个连接弹性梁与驱动质量块连接。

3.  根据权利要求1所述的改进型音叉式微机械陀螺，其特征在于：所述驱动质量块由可动条形驱动电极(12)和连接可动条形驱动电极的边框组成。

4.  根据权利要求1所述的改进型音叉式微机械陀螺，其特征在于：所述检测质量块由可动栅形检测电极(13)和连接栅形检测电极的边框组成，同时，栅形检测电极的厚度等于所述驱动质量块的厚度。

5.  根据权利要求4所述的改进型音叉式微机械陀螺，其特征在于：可动栅形检测电极的各栅形电极位于每组检测用固定对电极对应电极的上方。

6.  根据权利要求4所述的改进型音叉式微机械陀螺，其特征在于：所述检测用栅形固定电极上表面与第二基板的栅形检测电极下表面之间的间隙小于栅形检测电极的栅条宽度。

7.  根据权利要求1所述的改进型音叉式微机械陀螺，其特征在于：第一基板与第二基板之间为滑膜阻尼。

8.  根据权利要求1所述的改进型音叉式微机械陀螺，其特征在于：第一基板(1)为Pyrex7740玻璃基板，第二基板(5)为导电单晶硅片。

9.  根据权利要求1所述的改进型音叉式微机械陀螺，其特征在于：该检测质量块与驱动质量块之间的连接弹性梁采用抗扭转结构，用以抑制模态耦合和振动中的扭转。

10.  根据权利要求9所述的改进型音叉式微机械陀螺，其特征在于：该检测质量块与驱动质量块之间的连接弹性梁为非规则形态。

改进型音叉式微机械陀螺
技术领域
本发明属于微电子机械系统领域，涉及一种音叉式微机械陀螺，特别是涉及一种具有较高灵敏度和带宽的音叉式微机械陀螺。
背景技术
微机械陀螺是利用科氏效应来检测转动物体角速度的一种惯性传感器。微机械陀螺采用微电子机械加工技术制备，具有成本低、体积小、质量轻、功耗低、结构与工艺简单以及适合量产等优点，在武器制导、航空航天、汽车、消费电子产品等领域具有极其广泛的应用前景。
目前的微机械陀螺产品大多精度较低，主要应用在精度要求不高的中低端领域，提高微机械陀螺的灵敏度和带宽是提高现有微机械陀螺性能的重要手段。陈永和焦继伟等人开发了一种大气环境下工作的音叉式微机械陀螺(陈永，焦继伟，熊斌，等.一种基于滑膜阻尼效应的新型微机械陀螺，中国机械工程，2004，15(2)：103-106)，该陀螺具有工艺简单、可靠性好等优点，但是灵敏度和带宽偏低，限制了其使用。该陀螺结构见图1，采用电磁驱动和电容检测方式，由对称的两部分构成，每一部分包含一个驱动质量块11和一个检测质量块12，还包括锚点14，检测质量块12位于驱动质量块11的中间，通过O型弹性梁13和驱动质量块11连接，两个驱动质量块11由弹性梁连接起来构成音叉式结构。检测质量块12上制作有栅型可动电极。为实现电磁力驱动，在z方向施加有匀强磁场。陀螺工作时，两驱动质量块11沿x方向反相振动。当绕z方向有角速度输入时，检测质量块12在Coriolis力的作用下沿y方向振动。此时差分检测电容由于极板交叠面积发生变化而改变，通过检测差分电容的变化量，可以得到系统的角速度。该结构由于在其振动的驱动模态和检测模态之间存在一第三振动模态，此第三振动模态与检测模态产生耦合；由于采用的O型弹性梁13未能较好平衡振动系统的刚度和柔度，致使结构出现一定扭转；这些因素均导致灵敏度和带宽的降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有较高的灵敏度和带宽、可靠性好的微机械陀螺的改进设计方案，以及与之相适应的结构。
为实现上述目的，本发明提出以下技术解决方案：一种音叉式微机械陀螺，由第一基板及其上的两组对称检测用栅形固定电极、固定于第一基板上的中央锚点和两侧锚点、悬于第一基板上方的第二基板组成；第二基板包括可沿驱动方向振动的两个结构相同且对称的驱动质量块、中央连接锚点与驱动质量块的第一弹性梁、连接两侧锚点与驱动质量块的第二弹性梁、连接两个驱动质量块的耦合弹性梁、可沿垂直于驱动方向的检测方向振动的两个结构相同且对称的检测质量块、检测质量块与驱动质量块之间的连接弹性梁组成；每个驱动质量块通过四个弹性梁与第一基板锚接在一起，每个检测质量块均通过两个弹性梁与驱动质量块连接；所述的驱动质量块由可动条形驱动电极和连接可动条形驱动电极的边框组成；所述的检测质量块由可动栅形电极和连接栅形电极的边框组成，同时，栅形电极的厚度等于所述驱动质量块的厚度；所述的检测用栅形固定电极上表面与第二基板的栅形电极下表面之间的间隙小于栅形电极的栅条宽度。在该方案中，驱动和检测分开进行，检测质量块与驱动质量块之间的连接弹性梁采用抗扭转结构设计，用以抑制模态耦合和振动中的扭转。该连接弹性梁设计过程是一个优化过程，即根据一定的初始形态，设定包含“抗扭转”性能要求在内的目标函数，然后对该初始形态进行优化得到弹性梁的“非规则形态”。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1.由于陀螺工作时第二基板沿与第一基板平行的方向运动，检测质量块的栅形电极与第一基板上的固定电极之间起主要作用的阻尼是滑膜阻尼，因而有效降低了驱动和检测模态的空气阻尼；
2.由于有效降低了空气阻尼，陀螺在大气环境下即可获得较高的品质因子(Q值)，可以有效提高器件的灵敏度，无需真空封装即可工作，降低了器件的加工成本；
3.检测质量块与驱动质量块之间的连接弹性梁采用非规则形态，限制了陀螺在振动时有可能出现的扭转，并增加其在检测方向的有效振幅。
附图说明
图1是陈永和焦继伟等人开发的音叉式微机械陀螺示意图。
图2是本发明实施例的第一基板及其上的检测用栅形固定电极示意图。
图3是本发明实施例音叉式微机械陀螺的俯视示意图。
图4是本发明实施例音叉式微机械陀螺的连接弹性梁示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明音叉式微机械陀螺作进一步的说明。
如图2所示，第一基板1上形成有两组对称检测用栅形固定电极2，与第二基板5相连的中央锚点3和两侧锚点4固定在第一基板1上。如图3所示，悬于第一基板1上方的第二基板5由可沿驱动方向振动的两个结构相同且对称的驱动质量块6、连接中央锚点3与驱动质量块6的第一弹性梁7、连接两侧锚点4与驱动质量块6的第二弹性梁8、连接两个驱动质量块6的耦合弹性梁9、可沿垂直于驱动方向的检测方向振动的两个结构相同且对称的检测质量块10、检测质量块10与驱动质量块6之间的连接弹性梁11组成。每个驱动质量块6通过四个第一弹性梁7与第一基板1锚接在一起，每个检测质量块10均通过两个连接弹性梁11与驱动质量块6连接。驱动质量块6包括可动条形驱动电极12。检测质量块10包括可动栅形检测电极13。检测用栅形固定电极2和可动栅形检测电极13的厚度均等于驱动质量块6的厚度。可动可动栅形检测电极13和第一基板上检测用栅形固定电极2之间的间隙为3微米。
对于上述本发明涉及的音叉式微机械陀螺，在可动条形驱动电极12中施加一定频率的交变驱动电流，该交变电流在垂直于微机械陀螺表面的外加磁场B(Z轴方向)作用下驱动两组驱动质量块6沿X轴方向做反相谐振运动；当有绕Z轴方向的角速度施加于系统时，将在Y轴方向产生科氏(Coriolis)加速度，如公式(1)表示：
a→=2×ω→×v→---(1)]]>
其中，即是所谓的科氏加速度，是外部角速度，是驱动质量块6和检测质量块10在X轴方向的运动速度。
两个检测质量块10受科氏加速度作用，沿Y轴方向做反相运动，从而引起可动栅形检测电极13和第一基板上检测用栅形固定电极2交叠面积相对于初始交叠面积发生变化，从而引起电容变化，角速度与检测电容变化幅值ΔC成正比例关系。因此，通过接口电路检测ΔC的变化，就可以测得角速度信号。
第一基板1与第二基板5之间起主要作用的是滑膜阻尼，而滑膜阻尼比压膜阻尼要小很多，因此该微机械陀螺在大气环境下工作即可获得较大的品质因子。同时，由于检测质量块与驱动质量块之间的连接弹性梁11采用非规则形态，这可带来以下好处：
1.有效限制了结构的扭转，确保输出的稳定性和结构的长期可靠性；
2.增加了检测方向的弹性系数，由此提高了检测灵敏度，器件的总体灵敏度和分辩率等指标也相应得到提高；
3.由于检测灵敏度的提高，所需的驱动力和驱动速度更小，器件的功耗得以降低；
4.改变了结构的固有频率，有效提高微机械陀螺的带宽。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。