CN101303234A

CN101303234A - 一种自解耦高灵敏度谐振硅微机械陀螺

Info

Publication number: CN101303234A
Application number: CNA2008101122937A
Authority: CN
Inventors: 樊尚春; 王路达; 郭占社
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2008-05-22
Filing date: 2008-05-22
Publication date: 2008-11-12

Abstract

一种自解耦高灵敏度谐振硅微机械陀螺主要包括：外质量块、内质量块、悬臂梁、杠杆放大机构、DETF(double－ended tuning fork)、驱动电极、检测电极几部分。结构为轴对称图形，内外质量块都显“回”字型。内质量块里是杠杆放大机构、音叉、驱动电极和检测电极。发明中的“回”字型设计能够使元件在有限体积下实现较大的质量块；内外质量用折叠梁隔开，有效降低了耦合；谐振梁采用DETF形式，并且两端通过细颈结构与外围连接，有效减小谐振梁和外围结构的能量耦合；以对称布置的两个音叉实现谐振频率的差动输出，有效减少了共模干扰。本发明的结构形式提高了加速度计的灵敏度、分辨率，并且运用框架结构减小了驱动方向振动对检测方向的耦合。

Description

一种自解耦高灵敏度谐振硅微机械陀螺

技术领域

本发明属微机电系统技术领域，为一种新型的微机械陀螺。

背景技术

微机电系统(Microelectromechanical System，简称MEMS)技术的发展及其加工技术的逐渐趋于成熟使得研制成本低、重量轻、体积小以及功耗低的MEMS传感器成为可能，同时也成为未来传感器研究的趋势。

陀螺是一种航空、航天等领域广泛应用的对角速度进行测试的传感器。在许多领域尤其是航空航天等对器件质量和体积要求都非常严格的领域，发展MEMS角速度传感器已经成为必然。在众多种类的MEMS陀螺中，谐振式硅微机械角速度传感器由于具有准数字输出、受外界干扰低、测试精度高等优点而成为国内外研究热点。目前，国外已有许多科研机构在进行相关研究，最典型的样件就是美国的加州大学伯克利分校Seshia A A，Howe R T，Montague S.An Integrated Microelectromechanical Resonant Output Gyroscope[J].15thIEEE Micro Electro Mechanical Systems Conference，2002.(1)：20-24.研制的利用静电激励、电容拾振的DETF在质量块外面的硅谐振式陀螺。虽然上述该种传感器目前已经实现了信号检测，但是其存在的问题就是精度较低，且工艺要求高，依我国目前的MEMS加工工艺水平，很难加工出类似的传感器。另外，检索到相关专利申请名称为“一种谐振式微机械陀螺”、申请号200610012216.5，但申请的结构也为集中质量，激励和拾振都在质量块外部，对提高灵敏度不利。本发明的结构采用了内外双质量块结构，且DETF拾振部分设置在质量块内部，有利于从结构上提高传感器的测试精度。

发明内容

本发明的目的：克服现有技术的不足，提供一种解耦、抗干扰性强、测试精度高和低成本的谐振式微机械陀螺。

本发明的技术解决方案：一种自解耦高灵敏度谐振硅微机械陀螺主要包括：外质量块、内质量块、悬臂梁、两个对称的杠杆放大机构、两个对称的音叉DETF、驱动电极、检测电极；整个结构为轴对称图形的双质量块结构，内外质量块呈“回”字型，两者通过折叠梁对称连接，可实现结构解耦；外质量通过悬臂梁支撑；两个对称的杠杆放大机构、两个对称的音叉DETF、驱动电极和检测电极位于内质量块里，两个音叉的一端之间通过中间锚点连接，两个音叉的另一端通过杠杆放大机构与内质量块连接，且在每个音叉两侧有梳齿，构成驱动电极和检测电极。

所述的杠杆放大机构中有细颈结构与锚点连接，所述的细颈结构为2至10微米。

所述的每个音叉的两端分别通过细颈结构与中间的锚点和杠杆放大机构连接，所述的细颈结构为2至10微米。

所述两个对称的音叉结构参数相同。

本发明的原理和工作过程是：外质量块通过梳齿驱动，在驱动方向作往复运动。当陀螺受到外加角速度时，外质量块同时产生科氏力，科氏力通过折叠梁传入内质量块，然后被杠杆机构放大作用于音叉DETF一端。通过两个DETF的差动输出，可以使输出量两倍于一个DETF。因此，通过解调正弦输出频率，可以得到外界输入的角速度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)利用内外质量块结构，且内外质量用折叠梁隔开，有效降低了耦合，从而实现了结构解耦。

(2)将音置于内质量块内，使其能够在有效的面积内实现较长的长度，提高了灵敏度。

(3)结构为轴对称图形，质量块显“回”型，在有限面积内增大了质量，提高了灵敏度。

(4)杠杆放大机构中有细颈结构(2至10微米)与锚点连接，有效减小了锚点能量消耗。

(5)DETF两端通过细颈结构(2至10微米)与锚点和杠杆固连，有效地减少了DETF和外围结构地能量耦合。

(6)利用双DETF实现了差动测量，有效地降低了共模干扰，且有效地实现谐振频率的差动输出。

(7)梳齿偏置式的静电驱动、电容检测结构可实现较高的驱动强度和检测灵敏度，同时具有好的工艺兼容性。

(8)本发明由于输出的是频率信号毋须经过A/D转换便可方便地与计算机接口，因此其测试精度也得到了大大提高。

(9)由于本发明利用现有MEMS工艺制作，使得器件的批量化生产成为可能，同时也降低了其制作成本。

本发明的结构形式提高了加速度计的灵敏度、分辨率，并且运用框架结构减小了驱动方向振动对检测方向的耦合。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明硅微机械陀螺包括：15、16外内质量块；2、8、22、28对称支撑外质量的悬臂梁；1、9、21、29为悬臂梁的锚点；6、24为外质量的驱动梳齿(包括可动梳齿和固定梳齿)；3、4、5、7、23、25、26、27为对称的连接内外质量的折叠梁；37、10为对称的杠杆放大结构；为减小锚点的能量消耗，杠杆放大机构37通过细颈结构(2至10微米)32、35与锚点34连接，同时杠杆放大机构10通过细颈结构(2至10微米)12、14与锚点13连接；DETF36通过细颈结构(2至10微米)30、31分别与锚点19和杠杆机构37连接，与DETF 36对称的DETF11通过细颈结构(2至10微米)18、17分别与锚点19和杠杆机构10连接，此种形式可以有效地消除音叉与外界的振动耦合，且实现谐振频率的差动输出；且在DETF36、11两侧有驱动和检测梳齿20、33(包括可动梳齿和固定梳齿)，实现了静电驱动、电容检测。

本发明的工作过程：外质量块15在梳齿24、6的驱动下，作y方向的往复运动。当有z轴方向角速度的输入时，外质量块15产生沿x方向的科氏力。通过折叠梁3、4、5、7、23、25、26、27科氏力被传递到了内质量块16，科氏力经过杠杆放大机构37和10的放大，施加在音叉36和11的轴向，使音叉36和11分别承受拉力和压力。受拉的音叉谐振频率增大，受压的音叉谐振频率减小，检测两个谐振频率之差作为输出，利用音叉36和11两侧的驱动和检测梳齿20、33实现静电激振和电容拾振，由测得的谐振频率变化可解算出被测角速度。

综上所述，本发明提出了一种自解耦高灵敏度谐振硅微机械陀螺，它体积小、重量轻、可实现结构解耦、高灵敏度的角速度测量，开拓了这类角速度传感器在高精度领域的应用。

Claims

1、一种自解耦高灵敏度谐振硅微机械陀螺，其特征在于：主要包括：外质量块、内质量块、悬臂梁、两个对称的杠杆放大机构、两个对称的音叉DETF、驱动电极、检测电极；整个结构为轴对称图形的双质量块结构，内外质量块呈“回”字型，两者通过折叠梁对称连接，可实现结构解耦；外质量通过悬臂梁支撑；两个对称的杠杆放大机构、两个对称的音叉DETF、驱动电极和检测电极位于内质量块里，两个音叉的一端之间通过中间锚点连接，两个音叉的另一端通过杠杆放大机构与内质量块连接，且在每个音叉两侧有梳齿，构成驱动电极和检测电极。

2、根据权利要求1所述的一种自解耦高灵敏度谐振硅微机械陀螺，其特征在于：所述的杠杆放大机构中有细颈结构与锚点连接，所述的细颈结构为2至10微米。

3、根据权利要求1所述的一种自解耦高灵敏度谐振硅微机械陀螺，其特征在于：所述的每个音叉的两端分别通过细颈结构与中间的锚点和杠杆放大机构连接，所述的细颈结构为2至10微米。

4、根据权利要求1所述的一种自解耦高灵敏度谐振硅微机械陀螺，其特征在于：所述两个对称的音叉结构参数相同。