CN101441081A - 一种振动式微机械陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种振动式微机械陀螺，属于微机电系统中惯性传感器技术领域。微机械陀螺中，驱动质量块固定在微机械陀螺玻璃衬底的锚点上。检测质量块和隔离质量块位于驱动质量块内，检测质量块固定在微机械陀螺玻璃衬底的锚点上，隔离质量块与驱动质量块和检测质量块相对固定。检测电容固定电极和检测电容可动电极位于检测质量块内，检测电容的固定电极固定在微机械陀螺玻璃衬底上，检测电容的可动电极与检测质量块相对固定。驱动电容可动电极与驱动质量块相对固定，驱动电容的固定电极固定在微机械陀螺玻璃衬底上。本发明微机械陀螺的优点是：不存在机械耦合问题；完全消除了机械耦合带来的检测干扰，提高了机械陀螺灵敏度，易于批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种振动式微机械陀螺，属于微机电系统中的惯性传感器技术领域，特别涉及一种振动式解耦微机械陀螺，可广泛用于汽车电子、航空航天、武器装备的运动状态测量与控制。
背景技术
陀螺主要利用哥氏效应产生的哥氏力来测量运动物体相对惯性空间的角运动参数，在民用产品和国防产品领域可广泛用于对物体运动状态的测量及控制。传统的陀螺受体积、重量、功耗和成本等因素的限制，难以在民用领域推广应用。以集成电路(IC)工艺和精密机械加工工艺为基础制作的微机械陀螺具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等突出优点，因而可用于汽车运动状态控制系统、摄像机稳定系统、运动机械控制、机器人测控、大地测量、医用仪器等广泛的民用应用领域。
目前获得广泛应用的振动式微机械陀螺基本结构如图1所示。整个微机械陀螺的驱动质量块3、检测质量块8、驱动电容的固定电极4和检测电容的固定电极7等是在同一硅片上进行蚀刻得到。驱动质量块3通过驱动弹性梁1固定在玻璃衬底的锚点9上。驱动电容的固定电极4和检测电容的固定电极7也被固定在玻璃衬底上。x方向为微机械陀螺的横向驱动轴，y方向为纵向敏感轴。在驱动电容的固定电极4上施加周期性变化的电压，可使微机械陀螺驱动质量块3在驱动方向上产生周期性变化的静电驱动力，使驱动质量块3和检测质量块8产生x方向的振动。当z方向有敏感角速度输人时，由于哥氏力的作用，检测质量块8沿y方向产生振动，振幅的大小与静电驱动力以及z方向角速度大小成线性关系。随着检测质量块8的振动，检测电容的可动电极与固定电极之间的间距随即发生变化，使输出差动电容量改变，通过检测差动电容量的变化可实现振动幅度的大小的检测，通过后级处理电路可获得z轴角速度。
上述的振动式微机械陀螺工作时存在着严重的驱动模态与检测模态之间的机械耦合问题，制约着微机械陀螺性能的进一步提高。图1所示的微机械陀螺在受到x方向静电力作用时，驱动质量块3带动检测质量块8同时沿x轴方向振动，使检测电容可动电极与固定电极的相对面积发生变化，导致检测电容的差动电容量也随之发生变化，从而给y方向振动信号的检测带来严重的干扰，降低了振动式微机械陀螺的性能，不易实现高精度的角速度测量。
发明内容
本发明的目的是提出一种振动式微机械陀螺，以克服已有振动式微机械陀螺的机械耦合(驱动方向的振动会引起检测方向的振动)问题，使驱动振动模态与检测振动模态完全独立，可消除驱动模态与检测模态之间的机械耦合问题，有效地抑制驱动方向的振动给检测信号带来的寄生干扰，提高振动式微机械陀螺的性能。
本发明提出的振动式微机械陀螺，包括驱动质量块、检测质量块、隔离质量块、驱动电容固定电极、驱动电容可动电极、检测电容固定电极和检测电容可动电极；所述的驱动质量块通过驱动弹性梁固定在微机械陀螺玻璃衬底的锚点上；所述的检测质量块和隔离质量块位于驱动质量块内，检测质量块通过检测弹性梁固定在微机械陀螺玻璃衬底的锚点上，所述的隔离质量块通过y方向隔离弹性支撑梁与驱动质量块相对固定，并通过x方向隔离弹性支撑梁与检测质量块相对固定；检测电容固定电极和检测电容可动电极位于检测质量块内，检测电容的固定电极固定在微机械陀螺玻璃衬底上，检测电容的可动电极与检测质量块相对固定；所述的驱动电容可动电极与驱动质量块相对固定，驱动电容的固定电极固定在微机械陀螺玻璃衬底上。
本发明提出的振动式微机械陀螺，其优点是：
(1)现有振动式微机械陀螺上的检测质量块具有x和y两个方向的自由度，因此在结构设计上就存在机械耦合问题。本发明的检测质量块只有y轴一个方向的自由度，而且与驱动质量块的x方向正交，因此在设计上不存在机械耦合问题。
(2)本发明的振动式微机械陀螺，增加了具有两自由度的隔离质量块结构，可隔离驱动质量块与检测质量块之间的机械耦合，保证驱动振动模态与检测振动模态的运动完全独立，从结构设计上完全消除了机械耦合带来的检测干扰，提高微机械陀螺灵敏度。
(3)与传统微机械陀螺的加工完全相同，不增加工艺难度和加工成本，易于批量生产。
附图说明
图1是已有常规的振动式微机械陀螺平面结构示意图。
图2是本发明振动式微机械陀螺的平面结构示意图。
图1和图2中，1是驱动弹性梁，2是检测弹性梁，3是驱动质量块，4是驱动电容固定电极，5是驱动电容的可动电极，6是检测电容的可动电极，7是检测电容固定电极，8是检测质量块，9是驱动弹性梁锚点，10是隔离质量块，11是检测弹性梁锚点，12是x方向隔离弹性支撑梁，13是y方向隔离弹性支撑梁。
具体实施方式
本发明提出的振动式微机械陀螺，其平面结构图如图2所示，包括驱动质量块3、检测质量块8、隔离质量块10、驱动电容固定电极4、驱动电容可动电极5、检测电容固定电极6和检测电容可动电极7。驱动质量块3通过驱动弹性梁1固定在微机械陀螺玻璃衬底的锚点9上。检测质量块8和隔离质量块10位于驱动质量块3内，检测质量块8通过检测弹性梁2固定在微机械陀螺玻璃衬底的锚点11上。隔离质量块10通过y方向隔离弹性支撑梁13与驱动质量块3相对固定，并通过x方向隔离弹性支撑梁12与检测质量块2相对固定。检测电容固定电极7和检测电容可动电极6位于检测质量块8内，检测电容的固定电极7固定在微机械陀螺玻璃衬底上，检测电容的可动电极6与检测质量块8相对固定。驱动电容可动电极5与驱动质量块3相对固定，驱动电容的固定电极4固定在微机械陀螺玻璃衬底上。
以下结合附图，详细介绍本发明振动式微机械陀螺的工作原理：
在结构设计时，驱动质量块的弹性支撑梁沿x轴方向的等效刚度很低，y轴方向的等效刚度很大，只能作x轴方向的运动；检测质量块的弹性支撑梁沿y轴方向的等效刚度很低，x轴方向的等效刚度很大，由于检测质量块弹性支撑梁被固定在玻璃衬底，只能做y轴方向的运动；隔离质量块弹性支撑梁沿x、y轴方向的等效刚度均很低，可参与x和y两个方向的运动。
当驱动质量块沿x轴方向振动时，带动隔离质量块沿x轴同时振动，由于检测质量块的弹性支撑梁沿x轴方向的等效刚度很大，因此检测质量块不产生运动。当在z轴方向有角速度输入时，隔离质量块受到沿y轴方向的哥氏力作用，迫使隔离质量块带动检测质量块沿y轴方向上下振动，其振幅与输入角速度大小成正比。
本发明的微机械陀螺驱动质量块只在x轴(驱动)方向运动，检测质量块只在y轴(驱动)方向运动，只有隔离质量块参与x轴和y轴两个方向的运动，因此驱动振动模态与检测振动模态完全独立，完全消除了驱动方向的运动对检测方向运动的机械耦合干扰。
参照图2，本发明包括驱动质量块3、隔离质量块10、检测质量块8、驱动质量块弹性支撑梁1、检测质量块弹性支撑梁2、x和y方向隔离弹性支撑梁12、13、驱动电容固定电极4、驱动电容可动电极5、检测电容固定电极7、检测电容可动电极6等部分，除驱动电容固定电极4和检测电容固定动电极7外，其余部分均被蚀刻加工在同一硅片上。驱动质量块弹性支撑梁1和检测质量块弹性支撑梁2分别被键合在玻璃衬底的锚点9和锚点11上，整个硅片平面相对于玻璃衬底平面悬空平行，驱动电容的固定电极4和检测电容的固定电极7也被固定在玻璃衬底上。
驱动质量块3在驱动质量块弹性支撑梁1的约束下，只能进行x方向的运动，检测质量块8在检测质量块弹性支撑梁2的约束下，只能进行y方向的运动。驱动质量块3在静电驱动力的作用下进行x方向运动时，带动隔离质量块10作相同的运动，由于隔离质量块10上的x方向隔离弹性支撑梁12在x方向的等效刚度很低，而检测质量块弹性支撑梁2在x方向的等效刚度很大，因此隔离质量块10相对检测质量块8作弹性运动，无法将x方向的运动传递到检测质量块8上，检测质量块8静止不动。
在z轴方向有角速度输入时，隔离质量块10受到沿y轴方向的哥氏力作用，迫使隔离质量块10沿y轴方向上下振动，由于隔离质量块10上的x方向隔离弹性支撑梁12在y方向的等效刚度很大，而检测质量块弹性支撑梁2在y方向的等效刚度很小，因此隔离质量块10带动检测质量块8沿y方向作弹性运动。另一方面，隔离质量块10上的y方向隔离弹性支撑梁13在y方向的等效刚度很低，隔离质量块10的y方向运动也无法传递到驱动质量块3上。通过检测固定电极7与可动电极6的差动电容量的变化，可实现z轴角速度的检测。
Claims (1)
1、一种振动式微机械陀螺，其特征在于，该微机械陀螺包括驱动质量块、检测质量块、隔离质量块、驱动电容固定电极、驱动电容可动电极、检测电容固定电极和检测电容可动电极；所述的驱动质量块通过驱动弹性梁固定在微机械陀螺玻璃衬底的锚点上；所述的检测质量块和隔离质量块位于驱动质量块内，检测质量块通过检测弹性梁固定在微机械陀螺玻璃衬底的锚点上，所述的隔离质量块通过y方向隔离弹性支撑梁与驱动质量块相对固定，并通过x方向隔离弹性支撑梁与检测质量块相对固定；检测电容固定电极和检测电容可动电极位于检测质量块内，检测电容的固定电极固定在微机械陀螺玻璃衬底上，检测电容的可动电极与检测质量块相对固定；所述的驱动电容可动电极与驱动质量块相对固定，驱动电容的固定电极固定在微机械陀螺玻璃衬底上。
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