專利名稱：一種高性能諧振硅微機(jī)械陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，為一種新型的微機(jī)械陀螺。
技術(shù)背景微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectroraechanical System,簡(jiǎn)稱MEMS)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使得它可廣泛運(yùn) 用于各種慣性器件中。對(duì)于陀螺，傳統(tǒng)陀螺存在體積大、重量大等缺點(diǎn)，尤其是在航空航天 等領(lǐng)域需要小體積和重量的陀螺是一個(gè)趨勢(shì)。微機(jī)電系統(tǒng)的出現(xiàn)使陀螺向體積小、重量輕方 向的發(fā)展成為可能。微機(jī)械陀螺的種類很多，按驅(qū)動(dòng)方式可將微機(jī)械陀螺劃分為靜電驅(qū)動(dòng)陀 螺、電磁驅(qū)動(dòng)陀螺和壓電驅(qū)動(dòng)陀螺等。按檢測(cè)方式可將微機(jī)械陀螺劃分成電容式陀螺、諧振 式陀螺、壓阻式陀螺、壓電式陀螺、光學(xué)陀螺和隧道陀螺等。當(dāng)今很多陀螺是通過測(cè)量與驅(qū) 動(dòng)方向和角速度輸入方向都垂直的敏感方向的位移來(lái)得到科氏力，此種陀螺要求驅(qū)動(dòng)模態(tài)與 檢測(cè)模態(tài)高度匹配，從而限制了帶寬。且其為兩自由度系統(tǒng)，設(shè)計(jì)難度較大。而且此類陀螺 電路較為復(fù)雜，也限制了陀螺整體性能的進(jìn)一步提高。我們現(xiàn)在的工作是利用諧振原理直接 測(cè)量科式力，相比與其他類型的微機(jī)械陀螺，諧振式微機(jī)械陀螺具有直接準(zhǔn)數(shù)字輸出、高靈 敏度、大動(dòng)態(tài)范圍，參數(shù)設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)。目前，國(guó)外已有許多科研機(jī)構(gòu)在進(jìn)行相關(guān)研究， 最典型的樣件就是美國(guó)的加州大學(xué)伯克利分校Seshia A A， Howe R T， Montague S. An Integrated Microelectromechanical Resonant Output Gyroscope[J] 15th IEEE Micro Electro Mechanical Systems Conference, 2002. (1) :20-24.研制的利用靜電激勵(lì)、電容拾 振的DETF在質(zhì)量塊外面的硅諧振式陀螺。雖然上述該種傳感器目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)檢測(cè)， 但是其存在的問題就是精度較低，且工藝要求高，依我國(guó)目前的MEMS加工工藝水平，很難 加工出類似的傳感器。另外，檢索到相關(guān)專利申請(qǐng)名稱為"一種諧振式微機(jī)械陀螺"、申請(qǐng) 號(hào)200610012216. 5，但申請(qǐng)的結(jié)構(gòu)也為集中質(zhì)量，激勵(lì)和拾振都在質(zhì)量塊外部，選用一級(jí)杠 桿放大機(jī)構(gòu)，對(duì)提高靈敏度不利。此外，此陀螺無(wú)專門結(jié)構(gòu)來(lái)提高自解耦性能。本發(fā)明的結(jié) 構(gòu)采用了 "回型"質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)、兩級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)、細(xì)長(zhǎng)折型梁連接質(zhì)量塊與杠桿機(jī)構(gòu)，此 有利于從結(jié)構(gòu)上提高傳感器的測(cè)試精度。杠桿結(jié)構(gòu)中一級(jí)放大杠桿中支點(diǎn)軸向與杠桿臂軸向 平行、質(zhì)量塊內(nèi)的懸臂解耦機(jī)構(gòu)可有效地提高結(jié)構(gòu)自解耦能力。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種靈敏度高、解耦、抗干擾性強(qiáng)和低成本 的諧振式微機(jī)械陀螺。本發(fā)明的技術(shù)解決方案 一種自解耦高靈敏度諧振硅微機(jī)械陀螺主要包括其特征在于 主要包括質(zhì)量塊、蛇型支撐梁、兩個(gè)對(duì)稱的杠桿放大機(jī)構(gòu)、四個(gè)懸臂梁組成的懸臂解耦機(jī) 構(gòu)、兩個(gè)對(duì)稱的音叉DETF(double-ended tuning fork)、驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極；質(zhì)量塊呈"回" 字型，通過蛇型梁支撐；兩個(gè)對(duì)稱的兩級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)、兩個(gè)對(duì)稱的音叉DETF、驅(qū)動(dòng)電極和 檢測(cè)電極位于內(nèi)質(zhì)量塊里，四個(gè)懸臂梁中每?jī)蓚€(gè)對(duì)稱的懸臂梁分別作用于兩級(jí)級(jí)杠桿放大機(jī) 構(gòu)的第二級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)端處，利用梁難于被拉伸的特點(diǎn)，減小驅(qū)動(dòng)方向?qū)蓚€(gè)對(duì)稱的音叉 DETF的影響，從而提高自解耦特性；兩個(gè)音叉的一端之間通過中間錨點(diǎn)連接，兩個(gè)音叉的另 一端通過杠桿放大機(jī)構(gòu)與質(zhì)量塊連接，且在每個(gè)音叉兩側(cè)有梳齒，構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電極和檢測(cè)電極。 所述的兩級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)中第一級(jí)放大杠桿中支點(diǎn)在力輸入和輸出軸的一側(cè)，且支點(diǎn) 軸向與杠桿臂軸向平行；第二級(jí)放大杠桿中支點(diǎn)在力輸入和輸出軸的一側(cè)，且支點(diǎn)軸向與杠桿臂軸向垂直。所述連接兩級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)中，細(xì)長(zhǎng)折型梁連接質(zhì)量塊與杠桿機(jī)構(gòu)，有利于提高陀螺相 對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，從而有利于提高靈敏度。所述支撐質(zhì)量塊的蛇型支撐梁采用具有兩折型的蛇型支撐梁結(jié)構(gòu)，有效地減小了支撐梁 對(duì)檢測(cè)方向上剛度的影響，提高了陀螺靈敏度。所述兩^^對(duì)稱的音叉結(jié)構(gòu)參數(shù)相同。本發(fā)明的原理和工作過程是質(zhì)量塊通過梳齒驅(qū)動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)方向(沿y軸方向)作往復(fù) 運(yùn)動(dòng)。由于科式效應(yīng)，當(dāng)陀螺受到外加角速度時(shí)，質(zhì)量塊會(huì)產(chǎn)生科氏力。科氏力被杠桿機(jī)構(gòu) 放大后作甩于服TP—端，從而改變DETF的固有頻率。因此，通過解調(diào)正弦輸出頻率，可以得到外界輸入的角速度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1) 利用懸臂解耦機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)解耦。(2) 兩級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)中，細(xì)長(zhǎng)折型梁連接質(zhì)量塊與杠桿機(jī)構(gòu)，有利于提高靈敏度。(3) 質(zhì)量塊支撐梁采用具有兩次折型的蛇型支撐梁結(jié)構(gòu)，有效地減小了支撐梁對(duì)檢測(cè)方 向上剛度的影響，提高了陀螺靈敏度。(4) 利用雙DETF實(shí)現(xiàn)了差動(dòng)測(cè)量，有效地降低了共模干擾，且有效地實(shí)現(xiàn)諧振頻率的差動(dòng)輸出。(5) 本發(fā)明由于輸出的是頻率信號(hào)毋須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換便可方便地與計(jì)算機(jī)接口，因此其 測(cè)試精度也得到了大大提高?？傊?，本發(fā)明具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)解耦、抗干擾性能好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為蛇型支撐梁結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為一對(duì)細(xì)長(zhǎng)折型梁示意圖； 圖4為一對(duì)懸臂梁解耦機(jī)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明硅微機(jī)械陀螺包括質(zhì)量塊18;對(duì)稱支撐質(zhì)量塊的蛇型支撐梁2、11、 20、 28;蛇型支撐梁的錨點(diǎn)1、 12、 19、 29;質(zhì)量塊驅(qū)動(dòng)梳齒(包括可動(dòng)梳齒和固定梳 齒)6、 24;兩個(gè)對(duì)稱的兩級(jí)杠桿放大結(jié)構(gòu)17、 30;兩級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)17—級(jí)放大的支點(diǎn) 15、 16;兩級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)17二級(jí)放大的支點(diǎn)9、 22;兩級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)30—級(jí)放大的支 點(diǎn)31、 32;兩級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)30 二級(jí)放大的支點(diǎn)4、 26;四個(gè)對(duì)稱的懸臂梁解耦機(jī)構(gòu)5、 8、 23、 25;質(zhì)量塊18為"回字型"通過蛇型梁支撐2、 11、 20、 28支撐；兩個(gè)對(duì)稱的兩級(jí)杠 桿放大機(jī)構(gòu)17、 30、兩個(gè)對(duì)稱的音叉DETF 14、 33、驅(qū)動(dòng)電極13和檢測(cè)電極34位于內(nèi)質(zhì)量 塊18里，四個(gè)懸臂梁5、 8、 23、 25中每?jī)蓚€(gè)對(duì)稱的懸臂梁分別作用于每級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)的 第二級(jí)杠桿放大機(jī)枸兩端處，利用梁難于被拉伸的特點(diǎn)，減小驅(qū)動(dòng)方向?qū)蓚€(gè)對(duì)稱的音叉 DETF的影響，從而提高自解耦特性；為了提高靈敏度，兩級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)30通過細(xì)長(zhǎng)折型 梁3、 27與質(zhì)量塊18連接，同時(shí)兩級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)17通過細(xì)長(zhǎng)折型梁10、 Sl與質(zhì)量塊18 連接；DETF33與錨點(diǎn)7和兩級(jí)杠桿機(jī)構(gòu)30連接，與DETF 33對(duì)稱的DETF14與錨點(diǎn)7和兩 級(jí)杠桿機(jī)構(gòu)17連接，此種形式可以實(shí)現(xiàn)諧振頻率的差動(dòng)輸出；且在DETF33、 14兩側(cè)有驅(qū)動(dòng) 和檢測(cè)梳齒34、 13 (包括可動(dòng)梳齒和固定梳齒)，實(shí)現(xiàn)了靜電驅(qū)動(dòng)、電容檢測(cè)頻率量。本發(fā)明的工作過程質(zhì)量塊18在梳齒24、 6的驅(qū)動(dòng)下，作y方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)有z 軸方向角速度的輸入時(shí)，質(zhì)量塊18產(chǎn)生沿x方向的科氏力。通過細(xì)長(zhǎng)折型梁3、 27、 10、 21 科氏力被傳遞到了兩級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)30、 17兩端，科氏力經(jīng)過兩級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)30和17 的放大，施加在音叉33和14的軸向，使音叉33和14分別承受拉力和壓力。受拉的音叉諧 振頻率增大，受壓的音叉諧振頻率減小，檢測(cè)兩個(gè)諧振頻率之差作為輸出，利用音叉33和 14兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)梳齒34、 13實(shí)現(xiàn)靜電激振和電容拾振，由測(cè)得的諧振頻率變化可解算 出被測(cè)角速度。綜上所述，本發(fā)明提出了一種高性能諧振硅微機(jī)械陀螺，它可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)解耦、高靈敏度 的角速度測(cè)量，開拓了這類角速度傳感器在高精度領(lǐng)域的應(yīng)用。盡管為說(shuō)明目的公開了本發(fā)明的最佳實(shí)施例和附圖，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解-在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的。 因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于最佳實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1、一種高性能諧振硅微機(jī)械陀螺，其特征在于主要包括質(zhì)量塊、蛇型支撐梁、兩個(gè)對(duì)稱的兩級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)、四個(gè)懸臂梁組成的懸臂解耦機(jī)構(gòu)、兩個(gè)對(duì)稱的音叉DETF、驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極；質(zhì)量塊呈“回”字型，通過蛇型梁支撐；兩個(gè)對(duì)稱的兩級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)、兩個(gè)對(duì)稱的音叉DETF、驅(qū)動(dòng)電極和檢測(cè)電極位于內(nèi)質(zhì)量塊里；四個(gè)懸臂梁中每?jī)蓚€(gè)對(duì)稱的懸臂梁分別作用于兩級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)的第二級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)端處，利用梁難于被拉伸的特點(diǎn)，減小驅(qū)動(dòng)方向?qū)蓚€(gè)對(duì)稱的音叉DETF的影響，從而提高自解耦特性；兩個(gè)音叉的一端之間通過中間錨點(diǎn)連接，兩個(gè)音叉的另一端通過杠桿放大機(jī)構(gòu)與質(zhì)量塊連接，且在每個(gè)音叉兩側(cè)有梳齒，構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電極和檢測(cè)電極。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能諧振硅微機(jī)械陀螺，其特征在于所述的兩級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)中第一級(jí)放大杠桿中支點(diǎn)在力輸入和輸出軸的一側(cè)，且支點(diǎn)軸向與杠桿臂軸向平行；第二級(jí)放大杠桿中支點(diǎn)在力輸入和輸出軸的一側(cè)，且支點(diǎn)軸向與杠桿臂軸向垂直。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自解耦高靈敏度諧振硅微機(jī)械陀螺，其特征在于所述 連接兩級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)中，細(xì)長(zhǎng)折型梁連接質(zhì)量塊與杠桿機(jī)構(gòu)，有利于提高陀螺相對(duì)運(yùn)動(dòng)速 度，從而有利于提高靈敏度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自解耦高靈敏度諧振硅微機(jī)械陀螺，其特征在于所述 支撐質(zhì)量塊的蛇型支撐梁采用具有兩折型的蛇型支撐梁結(jié)構(gòu)，有效地減小了支撐梁對(duì)檢測(cè)方 向上剛度的影響，提高了陀螺靈敏度。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自解耦高靈敏度諧振硅微機(jī)械陀螺，其特征在于所述 兩個(gè)對(duì)稱的音叉結(jié)構(gòu)參數(shù)相同。
全文摘要
一種高性能諧振硅微機(jī)械陀螺主要包括質(zhì)量塊、蛇型支撐梁、兩級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)、懸臂解耦機(jī)構(gòu)、DETF(double-ended tuning fork)、驅(qū)動(dòng)電極、檢測(cè)電極幾部分。結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱圖形，質(zhì)量塊都顯“回”字型。質(zhì)量塊里是兩級(jí)杠桿放大機(jī)構(gòu)、懸臂解耦機(jī)構(gòu)、音叉、驅(qū)動(dòng)電極和檢測(cè)電極。本發(fā)明中的“回”字型設(shè)計(jì)能夠使元件在有限體積下實(shí)現(xiàn)較大的質(zhì)量塊；懸臂解耦機(jī)構(gòu)有效降低了耦合；諧振梁采用DETF形式；以對(duì)稱布置的兩個(gè)音叉實(shí)現(xiàn)諧振頻率的差動(dòng)輸出，有效減少了共模干擾。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)形式提高了陀螺的靈敏度、分辨率，并且運(yùn)用懸臂解耦機(jī)構(gòu)減小了驅(qū)動(dòng)方向振動(dòng)對(duì)檢測(cè)方向的耦合。
文檔編號(hào)G01C19/5733GK101324434SQ20081011756
公開日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2008年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月1日
發(fā)明者樊尚春, 王路達(dá), 郭占社 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)