專利名稱：一種諧振式微機械陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種諧振式微機械陀螺，屬于微機電系統(tǒng)MEMS中的微機械傳感器領(lǐng)域，作為微慣性器件廣泛應(yīng)用于汽車電子、航空航天、武器裝備等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
基于角動量原理的經(jīng)典的框架式機械轉(zhuǎn)子陀螺儀，由數(shù)百個(約300多個)零件組裝而成，結(jié)構(gòu)復雜，體積大，使用壽命短，不能滿足技術(shù)發(fā)展和許多新應(yīng)用的要求。因而相繼發(fā)展了沒有機械轉(zhuǎn)子的固態(tài)陀螺，代表性的有激光陀螺、半球諧振陀螺以及光纖陀螺。前兩種陀螺的性能可達到慣性導航級的漂移精度(0.01°/h)；但價格高，體積較大，仍不能適用于正在發(fā)展的微型慣性測量單元和低價格商用市場的需求。而MEMS正處于發(fā)展時期，它的技術(shù)和市場都尚未成熟，但其孕育的廣闊發(fā)展前景和巨大的社會、經(jīng)濟效益是世人共知的。于是，研制新一代微機械陀螺(MMG)受到世界范圍的普遍重視，并在汽車工業(yè)需求的推動下，已經(jīng)成為20世紀80年代中期至今廣泛研究和發(fā)展的主題。
從測試原理上講，目前硅微機械陀螺普遍采用電容檢測方式。電容檢測具有溫漂小，靈敏度高，可靠性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點。但隨著微慣性器件結(jié)構(gòu)尺寸的不斷縮小，其靈敏度和分辨率大大降低，達到了檢測的極限狀態(tài)。檢測輸出信號的信噪比非常低，信號檢測電路和處理電路非常復雜，不利小型化和集成化。2002年，美國Berkeley的A.A.Seshia等人提出了硅諧振式微機械陀螺的設(shè)想，該設(shè)想將以往的硅微機械陀螺與微機械諧振器有效地結(jié)合在一起，從而有效地避免電容檢測中噪聲干擾的影響，實現(xiàn)頻率信號的輸出。目前的微機械陀螺產(chǎn)品大多是中低精度的，嚴重地制約其應(yīng)用范圍，較多地應(yīng)用在精度要求不高的商用領(lǐng)域，提高現(xiàn)有微機械陀螺的性能就是要實現(xiàn)高靈敏度、高分辨率、低噪聲、低漂移和大的動態(tài)范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種諧振式微機械陀螺，以解決現(xiàn)有微機械陀螺靈敏度、分辨率不夠高，以及電容檢測中存在的問題，實現(xiàn)了頻率信號輸出，易于數(shù)字信號處理。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種諧振式微機械陀螺，包括梳狀叉指驅(qū)動器、平板質(zhì)量塊、杠桿放大機構(gòu)和雙端音叉諧振器，平板質(zhì)量塊處于中間位置，通過支撐梁懸浮在基底上，具有x和y兩個方向的自由度，其x方向上對稱放置兩個固定于基底上的梳狀叉指驅(qū)動器，其y方向上對稱設(shè)置兩對杠桿放大機構(gòu)，并與外側(cè)兩個雙端音叉諧振器DETF相連。平板質(zhì)量塊在受到梳狀叉指驅(qū)動器的靜電力驅(qū)動作用時，沿x方向作往復振蕩運動，沿z軸負方向的外界加速度將使質(zhì)量塊受到沿y方向的科氏力，并通過杠桿放大機構(gòu)放大后傳遞到對稱分布的兩個雙端音叉諧振器上，且大小相等方向相反，使其諧振運動受到周期性的調(diào)制。通過測量這兩個雙端音叉諧振器的差動輸出可實現(xiàn)對輸入角頻率的測量。
本發(fā)明工作原理諧振式微機械陀螺屬于振動陀螺VG，是基于受激振動在有科氏加速度時存在模態(tài)耦合效應(yīng)的原理來工作的，實質(zhì)上是由于科式加速度的存在引起了兩種模態(tài)間的能量傳遞。其基本原理如圖2所示，其中平板質(zhì)量塊2固連在旋轉(zhuǎn)坐標系的xoy平面，質(zhì)量塊2在受到梳狀叉指驅(qū)動器的靜電力驅(qū)動作用后將沿x軸方向以相對旋轉(zhuǎn)坐標系的速度υ運動，旋轉(zhuǎn)坐標系繞負z軸以角速度ω旋轉(zhuǎn)。因科氏效應(yīng)產(chǎn)生科氏力的公式為Fcor＝-2mP[ω×υ]，即質(zhì)量塊2在旋轉(zhuǎn)坐標系中受到沿正y軸的科氏力Fcor，其中mP為平板質(zhì)量塊2的質(zhì)量?？梢娍剖狭cor直接與作用在質(zhì)量塊2上的輸入角速度ω成正比，獲得該科氏力Fcor的信息也即獲得輸入角速度ω的信息。
該科氏力Fcor通過兩對杠桿被放大并傳遞到兩側(cè)的兩個雙端音叉諧振器，由于設(shè)計的結(jié)構(gòu)為軸對稱圖形，放大后的科氏力F′cor以等幅反向的形式作用在兩個雙端音叉諧振器上，使其彈性系數(shù)kl受到調(diào)制發(fā)生周期性的變化，其彈性系數(shù)kl與科氏力成正比，可表示為kl=CmodeA|Fcor|2Lr,]]>其中A為杠桿因子，F(xiàn)′cor＝AFcor。如圖3所示，雙端音叉諧振器在軸向時變科氏力F′cor作用下的動力學方程為mrx··r+brx·r+(kr+klsin(ωpt))xr=Fd,]]>其中，F(xiàn)d為加在諧振器上的驅(qū)動電壓產(chǎn)生的驅(qū)動力，kr為諧振器在未受科氏力作用時系統(tǒng)的彈性系數(shù)，klsin(ωpt)為諧振器在驅(qū)動頻率為fp＝ωp/2π的科氏力F′cor的調(diào)制作用下附加的彈性系數(shù)。上述雙端音叉諧振器的動力學方程的近似解可表示為xr＝x0(1+βsin(ωpt))sin(ωrt-βcos(ωpt)+φ)，即諧振器的幅度和頻率都受到調(diào)制，β為調(diào)頻系數(shù)。當kl＜＜kr時，調(diào)頻系數(shù)β可以表示為諧振器調(diào)制前后諧振頻偏與科氏力F′cor驅(qū)動頻率fp之比，即β=Δffp,]]>其中Δf為單個雙端音叉諧振器的頻偏，對稱的兩個雙端音叉諧振器的頻偏的差動輸出實現(xiàn)了此系統(tǒng)的頻率量輸出。最終，此諧振式微機械陀螺從輸入角速度ω到兩個雙端音叉諧振器差動頻偏輸出(δf＝Δf1-Δf2)的傳遞系數(shù)S可表示為S=δfω=Cmode2π·A·mpmr·fpfr·xpLr,]]>即傳遞系數(shù)S為無量綱量，且只與材料和系統(tǒng)的幾何參數(shù)有關(guān)。且從其表達式可知，增加平板質(zhì)量塊的質(zhì)量mP將提高傳遞系數(shù)S，從而提高系統(tǒng)分辨率。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(1)本發(fā)明所采用的平板質(zhì)量塊設(shè)計能夠在有限體積條件下實現(xiàn)較大的質(zhì)量，使角速度速度高效轉(zhuǎn)化為科氏力，提高了微機械陀螺的靈敏度。實際工作時，將微機械陀螺處于真空封裝的環(huán)境中，以減小諧振式微機械陀螺在驅(qū)動和敏感模態(tài)中所受到的滑膜阻尼，提高驅(qū)動和敏感模態(tài)的品質(zhì)因數(shù)，從而提高了系統(tǒng)的工作特性。
(2)本發(fā)明所采用的雙端音叉諧振器能夠?qū)崿F(xiàn)將陀螺敏感角速度產(chǎn)生的科氏力的變化轉(zhuǎn)換成諧振器諧振頻率的變化，有效避免了電容檢測中噪聲干擾的影響，且易于數(shù)字信號處理。


圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為科氏效應(yīng)基本原理示意圖；圖3為本發(fā)明的雙端音叉諧振器的結(jié)構(gòu)圖；圖4為本發(fā)明的雙端音叉諧振器信號處理結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明由梳狀叉指驅(qū)動器1、平板質(zhì)量塊2、杠桿放大機構(gòu)3和雙端音叉諧振器4組成，平板質(zhì)量塊2處于中間位置，通過支撐梁懸浮在基底上，其x方向上對稱放置兩個固定于基底上的梳狀叉指驅(qū)動器1，其y方向上對稱設(shè)置兩對杠桿放大機構(gòu)3，并與外側(cè)兩個雙端音叉諧振器(DETF)4相連。
如圖2所示，平板質(zhì)量塊2為薄實體立方體結(jié)構(gòu)，其長和寬為100～1000μm，厚度為70～80μm，固連在旋轉(zhuǎn)坐標系的xoy平面，平板質(zhì)量塊2在受到梳狀叉指驅(qū)動器1的靜電力驅(qū)動作用后將沿x軸方向以相對旋轉(zhuǎn)坐標系的速度υ運動，旋轉(zhuǎn)坐標系繞負z軸以角速度ω旋轉(zhuǎn)，因科氏效應(yīng)使平板質(zhì)量塊2在旋轉(zhuǎn)坐標系中受到沿正y軸的科氏力Fcor。
如圖3所示，雙端音叉諧振器4包括梁和動齒組成的質(zhì)量塊12、驅(qū)動靜齒10、測量靜齒11，在驅(qū)動靜齒10上加頻率為雙端音叉諧振器4諧振頻率的驅(qū)動信號后，質(zhì)量塊12做y方向的諧振運動，測量靜齒11輸出諧振頻率信號。
如圖4所示，雙端音叉諧振器4在軸向時變科氏力F′cor作用下其諧振回路5諧振運動的幅度和頻率都受到調(diào)制，通過緩存器6和鎖相環(huán)7解調(diào)后經(jīng)差動放大器8輸出這兩個對稱雙端音叉諧振器4的諧振頻偏，并經(jīng)過低通濾波器9濾波后輸出所需頻率信號，解算即得輸入角速度值。
本發(fā)明的基片材料為玻璃，整個敏感結(jié)構(gòu)材料為單晶硅，采用標準的體硅工藝制作，引線通過磁控濺射形成，基片與硅片以鍵合的方式通過錨點相連。
權(quán)利要求
1.一種諧振式微機械陀螺，其特征在于包括梳狀叉指驅(qū)動器(1)、平板質(zhì)量塊(2)、杠桿放大機構(gòu)(3)和雙端音叉諧振器(4)，整個結(jié)構(gòu)為軸對稱圖形，中間為平板質(zhì)量塊(2)，其x方向上放置兩個固定于基底上的梳狀叉指驅(qū)動器(1)，其y方向上設(shè)置兩對杠桿放大機構(gòu)(3)，并與外側(cè)兩個雙端音叉諧振器(DETF)(4)相連，平板質(zhì)量塊(2)受外側(cè)梳狀叉指驅(qū)動器(1)的靜電力驅(qū)動，沿×方向作振蕩運動，沿z軸負方向的外界加速度將使平板質(zhì)量塊(2)受到沿y方向的科氏力，并通過杠桿放大機構(gòu)(3)放大后傳遞到對稱分布的兩個雙端音叉諧振器(4)上，且大小相等方向相反，使其諧振運動受到周期性的調(diào)制，測量這兩個雙端音叉諧振器(4)的差動輸出可實現(xiàn)對輸入角頻率的測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振式微機械陀螺，其特征在于所述的平板質(zhì)量塊(2)的長和寬為100～1000μm，厚度為70～80μm，與兩側(cè)的動梳狀叉指是同一質(zhì)量塊，能夠充分利用有限體積條件，使角速度速度高效轉(zhuǎn)化為科氏力，提高微機械陀螺的靈敏度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振式微機械陀螺，其特征在于所述的雙端音叉諧振器(4)包括梁和動齒組成的質(zhì)量塊(12)、驅(qū)動靜齒(10)、測量靜齒(11)，在驅(qū)動靜齒10上加頻率為雙端音叉諧振器4諧振頻率的驅(qū)動信號后，質(zhì)量塊12做y方向的諧振運動，測量靜齒11輸出諧振頻率信號。
全文摘要
一種諧振式微機械陀螺，包括梳狀叉指驅(qū)動器、平板質(zhì)量塊、杠桿放大機構(gòu)和雙端音叉諧振器。在梳狀叉指驅(qū)動器上加驅(qū)動電壓時，平板質(zhì)量塊作沿x軸方向的振蕩運動，并在外部繞z軸的旋轉(zhuǎn)作用下產(chǎn)生沿y方向的科氏力，通過杠桿放大機構(gòu)放大后傳遞到對稱分布的兩個雙端音叉諧振器上，使其諧振運動受到周期性的調(diào)制，測量這兩個雙端音叉諧振器的差動輸出可實現(xiàn)對輸入角頻率的測量。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)形式提高了微機械陀螺的靈敏度、分辨率和動態(tài)范圍，實現(xiàn)了將陀螺敏感角速度產(chǎn)生的科氏力的變化轉(zhuǎn)換成諧振器諧振頻率的變化，有效避免了電容檢測中噪聲干擾的影響，且易于數(shù)字信號處理。
文檔編號G01C19/5733GK1865851SQ20061001221
公開日2006年11月22日 申請日期2006年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月13日
發(fā)明者樊尚春, 王瑩瑩 申請人:北京航空航天大學