專(zhuān)利名稱(chēng)：二軸角速度傳感器的制作方法
二軸角速度傳感器技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于傳感器術(shù)領(lǐng)域，特別一種涉及基于MEMS的二軸角速度傳感器。
技術(shù)背景
科里奧利力是對(duì)旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)由于慣性相對(duì)于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運(yùn)動(dòng)的偏移的一種描述。絕大多數(shù)的MEMS角速度傳感器依賴(lài)于相互正交的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)引起的交變科里奧利力。MEMS角速度傳感器的設(shè)計(jì)和工作原理主要都采用振動(dòng)部件傳感角速度的概念。MEMS角速度傳感器廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)物體的角度檢測(cè)領(lǐng)域。現(xiàn)有基于科里奧利力的角速度傳感器技術(shù)按照驅(qū)動(dòng)原理和檢測(cè)原理分為靜電驅(qū)動(dòng)電容檢出、電磁驅(qū)動(dòng)電磁檢出、壓電驅(qū)動(dòng)靜電檢出等類(lèi)型；按照可檢測(cè)角度維數(shù)可分為單軸陀螺，雙軸陀螺以及三軸陀螺。按照解耦方式的不同，
單軸陀螺主要應(yīng)用方向?yàn)閱我惠S向的角速度測(cè)量。二軸的陀螺主要應(yīng)用方向?yàn)閮蓚€(gè)正交軸向的角速度測(cè)量。
靜電驅(qū)動(dòng)，電容檢出的角速度傳感器主要特點(diǎn)是測(cè)量靈敏度比較高，但是靜電驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)是輸出位移與輸出靜電力有限，所以這種角速度傳感器不可以通過(guò)增加驅(qū)動(dòng)位移的方法來(lái)提高角速度傳感器的分辨率，這也就從根本上限制了角速度傳感器分辨率的提尚ο
電磁驅(qū)動(dòng)，電磁檢出的角速度傳感器主要特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)位移較大，可以通過(guò)提高驅(qū)動(dòng)輸入，增加驅(qū)動(dòng)位移的辦法對(duì)微小角速度輸入進(jìn)行高靈敏度檢測(cè)。這種驅(qū)動(dòng)方式一般要求較大的電流，所以在工藝過(guò)程中要求器件線路電阻率較小以保障器件不會(huì)燒壞， 并且由于大的電流可能會(huì)產(chǎn)生熱量，所以對(duì)于一些對(duì)溫度較為敏感的檢測(cè)方式影響會(huì)比較大。
壓電驅(qū)動(dòng)靜電檢出的角速度傳感器主要特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)位移較大，并且傳感器靈敏度較高，其難點(diǎn)在于壓電材料成膜工藝較困難，并且壓電材料有滯回效應(yīng)，所以相關(guān)的誤差要在設(shè)計(jì)中考慮。
微型化、多軸檢測(cè)，降低成本是角速傳感器發(fā)展的重要方向。利用MEMS微加工技術(shù)制作多軸角微型速傳感器是角速傳感器發(fā)展的熱點(diǎn)方向。由美國(guó)的UCBerkeley設(shè)計(jì)、AD 公司制造的雙軸雙軸陀螺，采用2μπι厚的多晶硅材料，集成了運(yùn)算放大器。當(dāng)多晶硅厚度增加到5 μ m時(shí)，在0. IPa的真空中驅(qū)動(dòng)和測(cè)量模式的Q值分別可以達(dá)到2800和16000，噪采用外延多晶硅技術(shù)，結(jié)構(gòu)層可以增加到Ι μπι，可以進(jìn)一步降低表面微加工陀螺的噪聲。
現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)現(xiàn)有二軸角速度檢測(cè)傳感器不能夠?qū)崿F(xiàn)單一質(zhì)量塊驅(qū)動(dòng)式的雙軸角速度檢測(cè)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有微型角速傳感器局限性而提出的一種基于電磁驅(qū)動(dòng)，磁電/電容檢出的雙軸角速度傳感器，以達(dá)到低成本，微型化，二軸角速度檢測(cè)目的。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種二軸角速度傳感器，其關(guān)鍵在于包括安裝有永磁體的底座，該底座的上方設(shè)置有質(zhì)量塊，該質(zhì)量塊經(jīng)連接機(jī)構(gòu)與底座相連，該質(zhì)量塊上布置有感應(yīng)線圈，該感應(yīng)線圈的兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；
將二軸角速度傳感器的底座固定在被測(cè)物體上，當(dāng)被測(cè)物體開(kāi)始自轉(zhuǎn)，底座和永磁體跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)線圈在磁場(chǎng)中的洛倫茲力驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊，由于科氏力的作用，被測(cè)物體自轉(zhuǎn)角速度的大小確定了感應(yīng)線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小。
所述質(zhì)量塊的下端面固定有檢測(cè)電容上電極，底座上表面固定有檢測(cè)電容下電極，所述檢測(cè)電容上電極與檢測(cè)電容下電極平行相對(duì)，二者形成檢測(cè)電容；
所述底座上表面還固定有參考電容下電極，所述底座的上方還固定有參考電容上電極，所述參考電容上電極與參考電容下電極平行相對(duì)，二者形成參考電容。
質(zhì)量塊及檢測(cè)電容上電極與檢測(cè)電容下電極之間是柔性連接，當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生翻轉(zhuǎn)，由于科里奧利力的作用，二者的距離發(fā)生改變，檢測(cè)電容的電容值跟隨改變，而參考電容上電極和參考電容下電極之間是剛性連接，參考電容的電容值保持不變。故通過(guò)比較檢測(cè)電容與參考電容的電容值，就可以檢測(cè)出被測(cè)物體翻轉(zhuǎn)加速度的大小。
所述連接機(jī)構(gòu)包括安裝在所述底座四角的支柱，所述質(zhì)量塊的四角經(jīng)絕緣硅梁連接在所述支柱上。
整個(gè)二軸角速度傳感器是微米級(jí)工藝制作，故絕緣硅梁也是微米級(jí)的尺寸，絕緣硅梁保證了質(zhì)量塊的柔性連接。
所述質(zhì)量塊的相鄰兩邊分別布置有一條所述感應(yīng)線圈，每條所述感應(yīng)線圈的兩端分別經(jīng)所述絕緣硅梁連接在感應(yīng)導(dǎo)線焊盤(pán)上。
所述檢測(cè)電容上電極與參考電容上電極的總面積相等，靜止時(shí)檢測(cè)電容上電極與檢測(cè)電容下電極之間的距離為a，參考電容上電極與參考電容下電極之間的距離為b，且a =b。
所述底座的四邊分別設(shè)置有一對(duì)絕緣支架，每對(duì)所述絕緣支架上固定有一個(gè)所述參考電容上電極，四個(gè)所述參考電容上電極的面積和等于所述檢測(cè)電容上電極的面積。
所述檢測(cè)電容上電極的引線經(jīng)所述絕緣硅梁后，連接在所述絕緣支架的電容焊盤(pán)上。
所述質(zhì)量塊上還布置有驅(qū)動(dòng)線圈，該驅(qū)動(dòng)線圈的兩端引線經(jīng)所述絕緣硅梁后，連接在所述絕緣支架的電源焊盤(pán)上。
在二軸角速度傳感器制成后，可通過(guò)驅(qū)動(dòng)線圈通電方式，驅(qū)動(dòng)線圈所受洛倫茲力驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊振動(dòng)，感應(yīng)線圈對(duì)質(zhì)量塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，便于獲得質(zhì)量塊穩(wěn)定可靠的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
所述底座為玻璃底座。
所述永磁體固定在底座的下底面。
有益效果本發(fā)明提供了一種二軸角速度傳感器，基于電磁驅(qū)動(dòng)，磁電/電容檢出的技術(shù)，以達(dá)到低成本，微型化，二軸角速度檢測(cè)目的。本發(fā)明采用電磁力驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊，在有其他兩個(gè)軸向角速度輸入時(shí)可以對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。本發(fā)明擁有集成化的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減小系統(tǒng)體積，性能更穩(wěn)定；采用電磁驅(qū)動(dòng)，提高了驅(qū)動(dòng)輸出，提升了檢測(cè)靈敏度；可同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)軸向的角速度輸入，可用于便攜式儀器的在線檢測(cè)。此外，由于本發(fā)明采用了標(biāo)準(zhǔn)MEMS工藝制造，因此可以批量生產(chǎn)，對(duì)于減少器件成本，提高應(yīng)用化范圍都有著很大優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明特別適用于對(duì)于低成本多軸向的角速度檢測(cè)領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的上表面布局圖2是結(jié)構(gòu)示意圖3是底座的布局圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
請(qǐng)參見(jiàn)圖1、2 —種二軸角速度傳感器，包括安裝有永磁體1的底座2，該底座2的上方設(shè)置有質(zhì)量塊3，該質(zhì)量塊3經(jīng)連接機(jī)構(gòu)與底座2相連，該質(zhì)量塊3上布置有感應(yīng)線圈 4，該感應(yīng)線圈4的兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；
所述質(zhì)量塊3的下端面固定有檢測(cè)電容上電極5，底座2上表面固定有檢測(cè)電容下電極5 ’，所述檢測(cè)電容上電極5與檢測(cè)電容下電極5 ’平行相對(duì)，二者形成檢測(cè)電容；
請(qǐng)參見(jiàn)圖2、3 所述底座2上表面還固定有參考電容下電極6’，所述底座2的上方還固定有參考電容上電極6，所述參考電容上電極6與參考電容下電極6，平行相對(duì)，二者形成參考電容。
所述連接機(jī)構(gòu)包括安裝在所述底座2四角的支柱7，所述質(zhì)量塊3的四角經(jīng)絕緣硅梁8連接在所述支柱7上。
所述質(zhì)量塊3的相鄰兩邊分別布置有一條所述感應(yīng)線圈4，每條所述感應(yīng)線圈4的兩端分別經(jīng)所述絕緣硅梁8連接在感應(yīng)導(dǎo)線焊盤(pán)如上。
所述檢測(cè)電容上電極5與參考電容上電極6的總面積相等，檢測(cè)電容上電極5與檢測(cè)電容下電極5’之間的距離為a，參考電容上電極6與參考電容下電極6’之間的距離為 b,且 a = b0
所述底座2的四邊分別設(shè)置有一對(duì)絕緣支架9，每對(duì)所述絕緣支架9上固定有一個(gè)所述參考電容上電極6，四個(gè)所述參考電容上電極6的面積和等于所述檢測(cè)電容上電極5 的面積。
所述檢測(cè)電容上電極5的引線經(jīng)所述絕緣硅梁8后，連接在所述絕緣支架9的電容焊盤(pán)fe上。
所述質(zhì)量塊3上還布置有驅(qū)動(dòng)線圈10，該驅(qū)動(dòng)線圈10的兩端引線經(jīng)所述絕緣硅梁 8后，連接在所述絕緣支架9的電源焊盤(pán)IOa上。
所述底座2為玻璃底座。
所述永磁體1固定在底座2的下底面。
工作方式驅(qū)動(dòng)電流經(jīng)由驅(qū)動(dòng)線圈10，在永磁體1磁場(chǎng)下，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊3，在外界帶動(dòng)傳感器自身旋轉(zhuǎn)時(shí)，質(zhì)量塊3在科氏力的作用下做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，因此在絕緣硅梁8的金鎘制感應(yīng)線圈4兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，以此作為自轉(zhuǎn)角速度的信號(hào)；
在外界帶動(dòng)傳感器翻轉(zhuǎn)時(shí)，質(zhì)量塊3在科氏力的作用下做上下離面運(yùn)動(dòng)，因此電容值會(huì)發(fā)生變化，將該電容值與參考電容進(jìn)行比較，以此作為翻轉(zhuǎn)角速度的信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種二軸角速度傳感器，其特征在于包括安裝有永磁體(1)的底座0)，該底座 (2)的上方設(shè)置有質(zhì)量塊(3)，該質(zhì)量塊C3)經(jīng)連接機(jī)構(gòu)與底座( 相連，該質(zhì)量塊(3)上布置有感應(yīng)線圈G)，該感應(yīng)線圈的兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；所述質(zhì)量塊C3)的下端面固定有檢測(cè)電容上電極(5)，底座( 上表面固定有檢測(cè)電容下電極(5’)，所述檢測(cè)電容上電極( 與檢測(cè)電容下電極(5’)平行相對(duì)，二者形成檢測(cè)電容；所述底座( 上表面還固定有參考電容下電極(6’)，所述底座O)的上方還固定有參考電容上電極(6)，所述參考電容上電極(6)與參考電容下電極(6’ )平行相對(duì)，二者形成參考電容。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二軸角速度傳感器，其特征在于所述連接機(jī)構(gòu)包括安裝在所述底座O)四角的支柱(7)，所述質(zhì)量塊C3)的四角經(jīng)絕緣硅梁( 連接在所述支柱(7)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的二軸角速度傳感器，其特征在于所述質(zhì)量塊(3)的相鄰兩邊分別布置有一條所述感應(yīng)線圈G)，每條所述感應(yīng)線圈的兩端分別經(jīng)所述絕緣硅梁(8)連接在感應(yīng)導(dǎo)線焊盤(pán)Ga)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二軸角速度傳感器，其特征在于所述檢測(cè)電容上電極(5) 與參考電容上電極(6)的總面積相等，檢測(cè)電容上電極(5)與檢測(cè)電容下電極(5，)之間的距離為a，參考電容上電極(6)與參考電容下電極(6’)之間的距離為b，且a = b。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的二軸角速度傳感器，其特征在于所述底座O)的四邊分別設(shè)置有一對(duì)絕緣支架(9)，每對(duì)所述絕緣支架(9)上固定有一個(gè)所述參考電容上電極 (6)，四個(gè)所述參考電容上電極(6)的面積和等于所述檢測(cè)電容上電極(5)的面積。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的二軸角速度傳感器，其特征在于所述檢測(cè)電容上電極(5) 的引線經(jīng)所述絕緣硅梁(8)后，連接在所述絕緣支架(9)的電容焊盤(pán)(5a)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的二軸角速度傳感器，其特征在于所述質(zhì)量塊C3)上還布置有驅(qū)動(dòng)線圈(10)，該驅(qū)動(dòng)線圈(10)的兩端引線經(jīng)所述絕緣硅梁(8)后，連接在所述絕緣支架(9)的電源焊盤(pán)(IOa)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二軸角速度傳感器，其特征在于所述底座( 為玻璃底座。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二軸角速度傳感器，其特征在于所述永磁體(1)固定在底座⑵的下底面。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種二軸角速度傳感器，其特征在于包括安裝有永磁體的底座，該底座的上方設(shè)置有質(zhì)量塊，該質(zhì)量塊經(jīng)連接機(jī)構(gòu)與底座相連，該質(zhì)量塊上布置有感應(yīng)線圈，該感應(yīng)線圈的兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；所述質(zhì)量塊的下端面固定有檢測(cè)電容上電極，底座上表面固定有檢測(cè)電容下電極，所述檢測(cè)電容上電極與檢測(cè)電容下電極平行相對(duì)，二者形成檢測(cè)電容；所述底座上表面還固定有參考電容下電極，所述底座的上方還固定有參考電容上電極，所述參考電容上電極與參考電容下電極平行相對(duì)，二者形成參考電容。本發(fā)明基于電磁驅(qū)動(dòng)，磁電/電容檢出的技術(shù)，以達(dá)到低成本，微型化，二軸角速度檢測(cè)目的。
文檔編號(hào)G01C19/02GK102507975SQ20111035134
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者劉宇, 向毅, 吳英, 周兆英, 柏俊杰, 歐益宏, 江刺正喜, 羅彪 申請(qǐng)人:重慶科技學(xué)院