CN107607100B - 一种硅微机械角振动陀螺抗冲击弹性止挡结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅微机械角振动陀螺抗冲击弹性止挡结构，质量块由中心锚点支撑悬浮于基底上，质量块与中心锚点之间通过梁结构连接，在中心锚点上设置若干个悬臂梁结构，悬臂梁结构以中心锚点为固定支点，悬臂梁结构的活动端一直延伸伸入质量块内。本发明中止挡结构通过中心锚点与质量块等电位连接，避免了由于止挡结构与质量块存在电位差而产生静电吸引力的问题。止挡结构可以在质量块与止挡碰撞接触后产生形变，进一步的缓冲冲击能量。本发明避免了在质量块外围增加止挡结构而导致的增加陀螺面积，进而显著增加陀螺成本的问题，同时也简化了陀螺结构的外围电信号互联设计。

Description

一种硅微机械角振动陀螺抗冲击弹性止挡结构

技术领域

本发明涉及电子领域，具体涉及一种硅微机械角振动陀螺的抗冲击过载的微机械结构。

背景技术

硅微机械陀螺仪是一种基于硅材料制作的，敏感结构特征尺寸在微米到毫米量级的，用于检测旋转角速度或角度的微型传感器。硅微机械陀螺仪内含敏感可动微结构，通过哥式效应（Coriolis effect）测量检测轴向的角速度或者角度信号。当检测轴向存在输入角速度或角度信号时，哥氏效应将驱动轴的能量耦合到敏感轴上，通过检测可动质量块在敏感轴向上的运动情况，即可反推测算出输入角速度或角度信号。

硅微机械陀螺仪具有体积小、质量轻、价格低廉的特点，可广泛的应用于军事和民用领域。在工业自动化领域，其主要应用于先进的自动安全系统、高性能的导航系统、航行稳定性、翻滚的检测和预防、以及安全气囊和制动系统。在消费电子产品领域，主要应用于手机、平板电脑等数码产品、摄影器材中的图像稳定、虚拟现实产品以及计算机游戏。在军事应用方面，主要运用于弹药的惯性制导、飞行器的导航和姿态控制、平台稳定、便携式单兵导航等。

在部分冲击和振动较强的应用场合，硅微机械陀螺仪需具备相应的抗冲击能力才能保证强冲击或振动环境下器件不发生失效或性能退化，实现恶劣环境下的角速度测量。

发明专利申请《一种带声学腔的电容式加速度传感器》提出在加速度传感器敏感结构的背面设计加工出带有阻尼孔和限位凸点的背极板。通过综合运用背极板上的阻尼孔调节系统阻尼，同时利用限位凸点防止过载时的粘附，提高了电容式加速度传感器抗强冲击的能力。发明专利申请《一种抗高过载的MEMS陀螺》提出在陀螺质量块的四周对称分布带有防撞凸点的固定块，同时在质量块中心掏空区域设置带有防撞凸点的中心固定块，质量块采用网格空腔设计，提高陀螺抗过载能力。发明专利申请《微机电系统器件、减速挡块、减轻冲击的方法及陀螺仪》、欧洲专利申请EP2146182A1《Multistage Proof-mass movementdeceleration within mems structure》提出从质量块上延伸出至少一个减速梁。减速梁与减速凹槽构造成减速结构，使得陀螺梳齿结构在冲击条件下发生碰撞之前得以减速或停止。

美国专利US Patent 6065341《Semiconductor Physical Quantity Sensor WithStopper Portion》、美国专利US Patent 4882933《Accelerometer with integralbidirectional shock protection and controllable viscous damping》、美国专利USPatent 5721377《Angular Velocity sensor with built-in Limit stops》等提出了不同结构形式的抗冲击过载的止挡结构。

现有专利大多止挡结构布置在硅微机械陀螺仪质量块的外围。通常该止挡结构接地或电位悬浮，而在陀螺工作过程中质量块电位通常为非零值，因此接地的外围止挡结构或悬浮的止挡结构（通过感应会产生非恒定电位）与质量块存在一定的电压差。而该电压差会在止挡结构与质量块之间产生相互吸引的静电力。该静电吸引力不利于质量块与止挡碰撞接触后分离并恢复初始位置。为解决止挡结构与质量块之间的静电吸引力问题，采用导电介质将止挡结构与质量块进行等电位连接。然而通常陀螺的工作电极也布置在质量块的外围，因此将止挡结构与质量块进行等电位连接与陀螺工作电极的引线互连一般会发生交叉，这会极大的增加陀螺外围结构设计和加工工艺的复杂程度。

《一种抗高过载的MEMS陀螺》等专利提出在质量块外围设计的止挡结构为固定止挡。然而固定止挡的缺点是，当质量块在大冲击过载环境下，与固定止挡发生碰撞接触后。固定止挡由于刚度很大，不容易发生较大的变形，碰撞能量难以通过较大的形变将能量吸收，导致质量块与止挡接触部位应力很大，容易发生破碎、断裂等失效。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本专利提供了一种基于硅微机械角振动陀螺结构的特有抗冲击微机械弹性止挡结构。

硅微机械角振动陀螺的质量块结构由中心锚点支撑悬浮于基底上，质量块与中心锚点通过梁结构连接。合理的设计梁结构，可以使得质量块即可以绕中心锚点在平面内转动，又可以沿穿过中心锚点的水平轴线在水平面外上下摆动。当陀螺正常工作时，驱动力使得陀螺质量块绕中心锚点在平面内转动，即实现陀螺的驱动运动状态；此时若外界有检测轴的角速度输入，则陀螺质量块在哥式效应的作用下会绕穿过中心锚点的水平轴线在水平面外上下摆动，即实现陀螺的敏感运动状态。

当外界存在冲击过载时，无特殊抗冲击设计的陀螺质量块在强冲击作用下将发生偏移或偏转，导致质量块上的动梳齿结构与对应质量块外围电极上固定梳齿发生碰撞。为避免强冲击条件下，薄弱的梳齿结构由于碰撞发生失效或梁结构由于大幅形变发生断裂失效，需限制质量块在强冲击条件下的位移或偏转。

通过在陀螺结构中心锚点上设计加工出若干个延伸悬臂梁结构可以提高现有硅微机械角振动陀螺结构的抗强冲击的能力。

悬臂梁结构以中心锚点为固定支点，悬臂梁的活动端一直延伸伸入角振动陀螺质量块内。中心锚点上延伸出的悬臂梁结构绕中心锚点成中心对称分布。悬臂梁结构的数量可以为4个、6个或8个。在悬臂梁伸入质量块的端部设计加工出止挡碰撞结构，止挡碰撞结构的俯视图形为圆形、椭圆型或矩形等特殊形状。相应的原角振动陀螺质量块的结构上设计加工出较悬臂梁止挡碰撞结构稍大的凹槽结构，该凹槽结构将悬臂梁活动端的止挡碰撞结构包含在其中。质量块上的凹槽结构与悬臂梁活动端的止挡碰撞结构设计成相等间隙的共形结构。

当外界环境存在平面内强冲击过载时，质量块在强冲击作用下，发生偏移或偏转。通过合理的设计凹槽结构与止挡碰撞结构之间的间歇，既可以保证质量块在正常工作状态下不与止挡碰撞结构发生接触碰撞，又可以在强冲击条件下保证止挡碰撞结构与质量块发生接触，限制质量块的偏移或偏转。

由于质量块与止挡碰撞结构接触后，质量块被悬臂梁限制住，质量块的偏移量或偏转角度得以控制，保证了强冲击下梳齿结构不发生碰撞，同时陀螺梁结构不会发生大形变。更进一步的当陀螺质量块与止挡碰撞结构发生接触后，悬臂梁可以通过形变缓冲吸收碰撞能量。虽然弹性的悬臂梁在质量块与其碰撞后会发生形变，但该形变量远远小于质量块在无止挡结构下的偏移或偏转，因此强冲击下质量块的偏移量或偏转角可以得到有效控制。

本发明所达到的有益效果：

该基于硅微机械角振动陀螺结构的抗冲击微机械弹性止挡结构，止挡结构通过中心锚点与陀螺质量块等电位连接，避免了由于止挡结构与质量块存在电位差而产生静电吸引力的问题。悬臂梁状的止挡结构为弹性止挡结构，可以在质量块与止挡碰撞接触后产生形变，进一步的缓冲冲击能量。通过采用中心锚点延伸出的悬臂梁状弹性止挡结构，避免在质量块外围增加止挡结构而导致的增加陀螺面积，进而显著增加陀螺成本的问题。同时也简化了陀螺结构的电信号互连设计。

附图说明

图1为一种硅微机械角振动陀螺结构俯视示意图。

图2为一种硅微机械角振动陀螺结构侧视示意图。

图3为哥氏效应产生的硅微机械角振动陀螺敏感质量块偏转示意图。

图4为基于硅微机械角振动陀螺结构的抗冲击微机械结构示意图。

图5为采用抗冲击微机械弹性止挡结构的硅微机械角振动陀螺结构俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种实现形式作进一步描述。

传统的硅微机械角振动陀螺的敏感结构的俯视图如图1所示，侧视图如图2所示。硅微机械角振动陀螺的质量块结构103由中心锚点101支撑悬浮于硅基底（图中未显示）上，质量块103与中心锚点101之间通过梁结构102连接。通过合理的设计梁结构102，可以使得质量块103即可以绕中心锚点101在XY平面内转动，又可以绕穿过中心锚点101的水平Y轴在水平面外上下摆动。当陀螺正常工作时，驱动力使得陀螺质量块103绕中心锚点101在XY平面内转动，即陀螺的驱动模态运动；此时若外界有检测轴（Z轴）的角速度输入，则陀螺质量块103在哥式效应的作用下会绕穿过中心锚点101的Y轴，在XY平面外上下摆动，即陀螺的敏感模态运动。

陀螺的驱动电极104分布在陀螺质量块103的外围，驱动电极104上有固定梳齿结构105。与固定梳齿结构105相对应的，在质量块103上有动梳齿结构106。固定梳齿结构105与动梳齿结构106构成梳齿电容，当梳齿电容上存在电压差时，梳齿电容之间即产生静电吸引力，通过改变该电压差即可实现陀螺的驱动模态运动。

在陀螺质量块103的下方分布有陀螺敏感检测电极110a和敏感检测电极110b。当外界有检测Z轴的角速度输入时，陀螺质量块103在哥氏效应的作用下发生绕Y轴的XY平面外的偏转，偏转角度为θ，如图3所示。该敏感运动导致陀螺质量块103与敏感检测电极110a和110b的间距一个增大，一个减小。通过检测陀螺质量块103与敏感检测电极110a和110b构成的电容变化量，即可实现输入角速度的测量。

当外界输入XY平面内冲击过载时，陀螺质量块103将在强冲击作用下将发生偏移或偏转，会导致质量块上的动梳齿结构106与对应电极上固定梳齿105发生碰撞。为避免强冲击条件下，薄弱的梳齿结构由于碰撞发生失效或梁结构102由于大幅形变发生断裂失效，需限制质量块102在强冲击条件下的偏移或偏转。

本发明通过在陀螺结构中心锚点101上设计加工出4个延伸悬臂梁结构201，可以提高现有硅微机械角振动陀螺结构的抗强冲击的能力。中心锚点101上延伸出的悬臂梁结构201绕中心锚点101成中心对称分布。悬臂梁结构201以原结构的中心锚点101为固定支点，悬臂梁的另一端一直延伸深入原角振动陀螺质量块内。在悬臂梁201深入质量块的端部设计加工出圆形的止挡碰撞结构202。相应的原角振动陀螺质量块的结构上设计加工出较悬臂梁201的止挡碰撞结构202稍大的凹槽结构210，该凹槽结构210将悬臂梁201活动端的止挡碰撞结构202包含在其中。质量块上的凹槽结构210与悬臂梁结构201活动端的止挡碰撞结构202设计成间隙相等的共形结构。

当外界环境存在XY平面内强冲击过载时，质量块103在强冲击作用下，发生偏移或偏转。通过合理的设计凹槽结构210与止挡碰撞结构202之间的间隙，既可以保证质量块103在正常工作状态下不与止挡碰撞结构202发生接触碰撞，又可以在强冲击条件下让止挡碰撞结构202与质量块103发生接触，限制质量块的偏移或偏转。

弹性的悬臂梁结构201在质量块与其接触碰撞后，发生进一步的形变，缓冲吸收碰撞能量。悬臂梁结构201的该形变量远远小于质量块在无止挡结构条件下的偏移或偏转，因此强冲击条件下，质量块的偏移或偏转得以有效控制，保证了梳齿结构105和106不会发生碰撞且陀螺梁结构102不会发生大形变。

悬臂梁结构201绕中心锚点成中心对称分布，悬臂梁的数量可根据抗冲击要求合理设计，可以为4个或8个或其他数量。止挡碰撞结构202的XY面内图形可以为圆形，也可以设计成椭圆型或矩形等特殊形状。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种硅微机械角振动陀螺抗冲击弹性止挡结构，质量块由中心锚点支撑悬浮于基底上，质量块与中心锚点之间通过梁结构连接，其特征是，在中心锚点上设置若干个悬臂梁结构，悬臂梁结构以中心锚点为固定支点，悬臂梁结构的活动端一直延伸伸入质量块内。

2.根据权利要求1所述的一种硅微机械角振动陀螺抗冲击弹性止挡结构，其特征是，所述悬臂梁结构绕中心锚点成中心对称分布。

3.根据权利要求1所述的一种硅微机械角振动陀螺抗冲击弹性止挡结构，其特征是，悬臂梁伸入质量块的端部形成止挡碰撞结构。

4.根据权利要求3所述的一种硅微机械角振动陀螺抗冲击弹性止挡结构，其特征是，所述止挡碰撞结构的俯视形状为圆形、椭圆型或矩形。

5.根据权利要求3所述的一种硅微机械角振动陀螺抗冲击弹性止挡结构，其特征是，质量块上设置有与止挡碰撞结构相对应的凹槽结构，该凹槽结构将对应的止挡碰撞结构包含在其中。

6.根据权利要求5所述的一种硅微机械角振动陀螺抗冲击弹性止挡结构，其特征是，质量块上的凹槽结构与悬臂梁结构活动端的止挡碰撞结构之间形成间距相等的间隙。

7.根据权利要求1或2所述的一种硅微机械角振动陀螺抗冲击弹性止挡结构，其特征是，悬臂梁结构的数量为4个、6个或8个。