專利名稱：改進(jìn)型音叉式微機(jī)械陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域，涉及一種音叉式微機(jī)械陀螺，特別是涉 及一種具有較高靈敏度和帶寬的音叉式微機(jī)械陀螺。
背景技術(shù)：
微機(jī)械陀螺是利用科氏效應(yīng)來檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)物體角速度的一種慣性傳感器。微 機(jī)械陀螺采用微電子機(jī)械加工技術(shù)制備，具有成本低、體積小、質(zhì)量輕、功耗 低、結(jié)構(gòu)與工藝簡(jiǎn)單以及適合量產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在武器制導(dǎo)、航空航天、汽車、消 費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用前景。
目前的微機(jī)械陀螺產(chǎn)品大多精度較低，主要應(yīng)用在精度要求不高的中低端 領(lǐng)域，提高微機(jī)械陀螺的靈敏度和帶寬是提高現(xiàn)有微機(jī)械陀螺性能的重要手段。 陳永和焦繼偉等人開發(fā)了一種大氣環(huán)境下工作的音叉式微機(jī)械陀螺(陳永，焦 繼偉，熊斌，等. 一種基于滑膜阻尼效應(yīng)的新型微機(jī)械陀螺，中國機(jī)械工程，
2004， 15(2): 103-106)，該陀螺具有工藝簡(jiǎn)單、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，但是靈敏度 和帶寬偏低，限制了其使用。該陀螺結(jié)構(gòu)見圖1，采用電磁驅(qū)動(dòng)和電容檢測(cè)方式， 由對(duì)稱的兩部分構(gòu)成，每一部分包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊11和一個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊12， 還包括錨點(diǎn)14，檢測(cè)質(zhì)量塊12位于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊11的中間，通過O型彈性梁13 和驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊11連接，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊11由彈性梁連接起來構(gòu)成音叉式結(jié)構(gòu)。 檢測(cè)質(zhì)量塊12上制作有柵型可動(dòng)電極。為實(shí)現(xiàn)電磁力驅(qū)動(dòng)，在z方向施加有勻 強(qiáng)磁場(chǎng)。陀螺工作時(shí)，兩驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊ll沿x方向反相振動(dòng)。當(dāng)繞z方向有角速 度輸入時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量塊12在Coriolis力的作用下沿y方向振動(dòng)。此時(shí)差分檢測(cè) 電容由于極板交疊面積發(fā)生變化而改變，通過檢測(cè)差分電容的變化量，可以得 到系統(tǒng)的角速度。該結(jié)構(gòu)由于在其振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)之間存在一第三 振動(dòng)模態(tài)，此第三振動(dòng)模態(tài)與檢測(cè)模態(tài)產(chǎn)生耦合；由于采用的0型彈性梁13未 能較好平衡振動(dòng)系統(tǒng)的剛度和柔度，致使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定扭轉(zhuǎn)；這些因素均導(dǎo)致 靈敏度和帶寬的降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有較高的靈敏度和帶寬、可靠性好的微機(jī)械 陀螺的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，以及與之相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出以下技術(shù)解決方案 一種音叉式微機(jī)械陀螺， 由第一基板及其上的兩組對(duì)稱檢測(cè)用柵形固定電極、固定于第一基板上的中央錨點(diǎn)和兩側(cè)錨點(diǎn)、懸于第一基板上方的第二基板組成；第二基板包括可沿驅(qū)動(dòng) 方向振動(dòng)的兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊、中央連接錨點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的 第一彈性梁、連接兩側(cè)錨點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的第二彈性梁、連接兩個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊 的耦合彈性梁、可沿垂直于驅(qū)動(dòng)方向的檢測(cè)方向振動(dòng)的兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱的 檢測(cè)質(zhì)量塊、檢測(cè)質(zhì)量塊與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊之間的連接彈性梁組成；每個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量 塊通過四個(gè)彈性梁與第一基板錨接在一起，每個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊均通過兩個(gè)彈性梁 與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊連接；所述的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊由可動(dòng)條形驅(qū)動(dòng)電極和連接可動(dòng)條形驅(qū) 動(dòng)電極的邊框組成；所述的檢測(cè)質(zhì)量塊由可動(dòng)?xùn)判坞姌O和連接?xùn)判坞姌O的邊框 組成，同時(shí)，柵形電極的厚度等于所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的厚度；所述的檢測(cè)用柵形 固定電極上表面與第二基板的柵形電極下表面之間的間隙小于柵形電極的柵條 寬度。在該方案中，驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)分開進(jìn)行，檢測(cè)質(zhì)量塊與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊之間的連 接彈性梁采用抗扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用以抑制模態(tài)耦合和振動(dòng)中的扭轉(zhuǎn)。該連接彈 性梁設(shè)計(jì)過程是一個(gè)優(yōu)化過程，即根據(jù)一定的初始形態(tài)，設(shè)定包含"抗扭轉(zhuǎn)" 性能要求在內(nèi)的目標(biāo)函數(shù)，然后對(duì)該初始形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化得到彈性梁的"非規(guī)則 形態(tài)"。
本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)
1. 由于陀螺工作時(shí)第二基板沿與第一基板平行的方向運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)質(zhì)量塊 的柵形電極與第一基板上的固定電極之間起主要作用的阻尼是滑膜 阻尼，因而有效降低了驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模態(tài)的空氣阻尼；
2. 由于有效降低了空氣阻尼，陀螺在大氣環(huán)境下即可獲得較高的品質(zhì)因 子(Q值)，可以有效提高器件的靈敏度，無需真空封裝即可工作，降 低了器件的加工成本；
3. 檢測(cè)質(zhì)量塊與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊之間的連接彈性梁采用非規(guī)則形態(tài)，限制了 陀螺在振動(dòng)時(shí)有可能出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)，并增加其在檢測(cè)方向的有效振幅。


圖1是陳永和焦繼偉等人開發(fā)的音叉式微機(jī)械陀螺示意圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例的第一基板及其上的檢測(cè)用柵形固定電極示意圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例音叉式微機(jī)械陀螺的俯視示意圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例音叉式微機(jī)械陀螺的連接彈性梁示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明音叉式微機(jī)械陀螺作進(jìn)一步的說明。 如圖2所示，第一基板1上形成有兩組對(duì)稱檢測(cè)用柵形固定電極2，與第二 基板5相連的中央錨點(diǎn)3和兩側(cè)錨點(diǎn)4固定在第一基板1上。如圖3所示，懸 于第一基板1上方的第二基板5由可沿驅(qū)動(dòng)方向振動(dòng)的兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱的 驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊6、連接中央錨點(diǎn)3與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊6的第一彈性梁7、連接兩側(cè)錨點(diǎn)
54與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊6的第二彈性梁8、連接兩個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊6的耦合彈性梁9、可 沿垂直于驅(qū)動(dòng)方向的檢測(cè)方向振動(dòng)的兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱的檢測(cè)質(zhì)量塊10、檢 測(cè)質(zhì)量塊10與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊6之間的連接彈性梁11組成。每個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊6通 過四個(gè)第一彈性梁7與第一基板1錨接在一起，每個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊10均通過兩個(gè) 連接彈性梁11與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊6連接。驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊6包括可動(dòng)條形驅(qū)動(dòng)電極12。 檢測(cè)質(zhì)量塊10包括可動(dòng)?xùn)判螜z測(cè)電極13。檢測(cè)用柵形固定電極2和可動(dòng)?xùn)判螜z 測(cè)電極13的厚度均等于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊6的厚度?？蓜?dòng)可動(dòng)?xùn)判螜z測(cè)電極13和第 一基板上檢測(cè)用柵形固定電極2之間的間隙為3微米。
對(duì)于上述本發(fā)明涉及的音叉式微機(jī)械陀螺，在可動(dòng)條形驅(qū)動(dòng)電極12中施加 一定頻率的交變驅(qū)動(dòng)電流，該交變電流在垂直于微機(jī)械陀螺表面的外加磁場(chǎng)B (Z軸方向)作用下驅(qū)動(dòng)兩組驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊6沿X軸方向做反相諧振運(yùn)動(dòng)；當(dāng)有繞 Z軸方向的角速度施加于系統(tǒng)時(shí)，將在Y軸方向產(chǎn)生科氏(Coriolis)加速度， 如公式(1)表示
5 = 2x^>xf (1)
其中，5即是所謂的科氏加速度，6是外部角速度，v—是驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊6和檢測(cè)質(zhì) 量塊10在X軸方向的運(yùn)動(dòng)速度。
兩個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊10受科氏加速度作用，沿Y軸方向做反相運(yùn)動(dòng)，從而引起 可動(dòng)?xùn)判螜z測(cè)電極13和第一基板上檢測(cè)用柵形固定電極2交疊面積相對(duì)于初始 交疊面積發(fā)生變化，從而引起電容變化，角速度與檢測(cè)電容變化幅值A(chǔ)C成正比 例關(guān)系。因此，通過接口電路檢測(cè)AC的變化，就可以測(cè)得角速度信號(hào)。
第一基板1與第二基板5之間起主要作用的是滑膜阻尼，而滑膜阻尼比壓 膜阻尼要小很多，因此該微機(jī)械陀螺在大氣環(huán)境下工作即可獲得較大的品質(zhì)因 子。同時(shí)，由于檢測(cè)質(zhì)量塊與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊之間的連接彈性梁ll采用非規(guī)則形態(tài)， 這可帶來以下好處
1. 有效限制了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，確保輸出的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期可靠性；
2. 增加了檢測(cè)方向的彈性系數(shù)，由此提高了檢測(cè)靈敏度，器件的總體靈敏 度和分辯率等指標(biāo)也相應(yīng)得到提高；
3. 由于檢測(cè)靈敏度的提高，所需的驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)速度更小，器件的功耗得 以降低；
4. 改變了結(jié)構(gòu)的固有頻率，有效提高微機(jī)械陀螺的帶寬。 上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用
本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改， 并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此， 本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明 做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種改進(jìn)型音叉式微機(jī)械陀螺，其特征在于(a)由第一基板(1)及其上的兩組對(duì)稱檢測(cè)用柵形固定電極(2)、固定于第一基板上的中央錨點(diǎn)(3)和兩側(cè)錨點(diǎn)(4)、懸于第一基板上方的第二基板(5)組成；(b)第二基板包括可沿驅(qū)動(dòng)方向振動(dòng)的兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(6)、連接中央錨點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的第一彈性梁(7)、連接兩側(cè)錨點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的第二彈性梁(8)、連接兩個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的耦合彈性梁(9)、可沿垂直于驅(qū)動(dòng)方向的檢測(cè)方向振動(dòng)的兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱的檢測(cè)質(zhì)量塊(10)、檢測(cè)質(zhì)量塊與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊之間的連接彈性梁(11)組成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)型音叉式微機(jī)械陀螺，其特征在于每個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊通過四個(gè)第一彈性梁與第一基板錨接在一起，每個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊均通過兩個(gè)連接彈性梁與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)型音叉式微機(jī)械陀螺，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊由可動(dòng)條形驅(qū)動(dòng)電極(12)和連接可動(dòng)條形驅(qū)動(dòng)電極的邊框組成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)型音叉式微機(jī)械陀螺，其特征在于所述檢測(cè)質(zhì)量塊由可動(dòng)?xùn)判螜z測(cè)電極(13)和連接?xùn)判螜z測(cè)電極的邊框組成，同時(shí)，柵形檢測(cè)電極的厚度等于所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的厚度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的改進(jìn)型音叉式微機(jī)械陀螺，其特征在于可動(dòng)?xùn)判螜z測(cè)電極的各柵形電極位于每組檢測(cè)用固定對(duì)電極對(duì)應(yīng)電極的上方。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的改進(jìn)型音叉式微機(jī)械陀螺，其特征在于所述檢測(cè)用柵形固定電極上表面與第二基板的柵形檢測(cè)電極下表面之間的間隙小于柵形檢測(cè)電極的柵條寬度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)型音叉式微機(jī)械陀螺，其特征在于第一基板與 第二基板之間為滑膜阻尼。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的改進(jìn)型音叉式微機(jī)械陀螺，其特征在于第一基板(l) 為Pyrex 7740玻璃基板，第二基板(5)為導(dǎo)電單晶硅片。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)型音叉式微機(jī)械陀螺，其特征在于該檢測(cè)質(zhì)量 塊與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊之間的連接彈性梁采用抗扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，用以抑制模態(tài)耦合和振 動(dòng)中的扭轉(zhuǎn)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的改進(jìn)型音叉式微機(jī)械陀螺，其特征在于該檢測(cè)質(zhì)量塊與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊之間的連接彈性梁為非規(guī)則形態(tài)。
全文摘要
一種改進(jìn)型音叉式微機(jī)械陀螺，由第一基板及其上的兩組對(duì)稱檢測(cè)用柵形固定電極、固定于第一基板上的中央錨點(diǎn)和兩側(cè)錨點(diǎn)、懸于第一基板上方的第二基板組成；第二基板包括可沿驅(qū)動(dòng)方向振動(dòng)的兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊、中央錨點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊連接的第一彈性梁、兩側(cè)錨點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊連接的第二彈性梁、連接兩個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的耦合彈性梁、可沿垂直于驅(qū)動(dòng)方向的檢測(cè)方向振動(dòng)的兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱的檢測(cè)質(zhì)量塊、檢測(cè)質(zhì)量塊與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊之間的連接彈性梁組成。本陀螺采用微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)制作，在大氣環(huán)境下工作，具有較高的靈敏度和帶寬。
文檔編號(hào)G01C19/5621GK101514897SQ20081003368
公開日2009年8月26日 申請(qǐng)日期2008年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月19日
發(fā)明者劉廣軍, 濤 姜, 張正福, 王安麟 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)