專利名稱：一種間接連接型音叉振動式微機(jī)械陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域，涉及一種間接連接型音叉振動式微機(jī)械陀螺， 特別是涉及一種左結(jié)構(gòu)和右結(jié)構(gòu)間接連接、靜電梳齒驅(qū)動和靜電梳齒電容和平行板電容相結(jié)合共同檢測的、主要的阻尼為滑膜阻尼的音叉振動式微機(jī)械陀螺。
背景技術(shù)：
微機(jī)械陀螺是利用科氏效應(yīng)來檢測轉(zhuǎn)動物體角速度的一種微慣性傳感器。采用微電子機(jī)械加工技術(shù)制備的微機(jī)械陀螺因其成本低、體積小、質(zhì)量輕、功耗低、結(jié)構(gòu)與工藝簡單以及適合量產(chǎn)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、汽車、消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。音叉振動式微機(jī)械陀螺是一種具有對稱結(jié)構(gòu)的典型微機(jī)械陀螺，與傳統(tǒng)微機(jī)械陀螺相比具有雙倍的檢測輸出、有效的抑制軸向加速度干擾、較高的品質(zhì)因子⑴值)和靈敏度等特點(diǎn)。音叉振動式微機(jī)械陀螺的兩個(gè)對稱結(jié)構(gòu)若通過中間質(zhì)量塊-彈簧結(jié)構(gòu)間接相連，則這種陀螺就是間接連接型音叉振動式微機(jī)械陀螺，這種陀螺對提高驅(qū)動方向振動并消除檢測方向干擾模態(tài)的影響有一定促進(jìn)作用，因此，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。微機(jī)械陀螺通常的驅(qū)動方式是電磁驅(qū)動和靜電驅(qū)動兩種。電磁驅(qū)動采用洛侖茲力來實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動力較大，但是不穩(wěn)定，并且需要一定附加絕緣措施，工藝復(fù)雜；靜電驅(qū)動是利用兩組電極之間的靜電吸引力實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動力較小，但驅(qū)動穩(wěn)定，無需附加措施，較易實(shí)現(xiàn)。微機(jī)械陀螺通常的檢測方式是梳齒壓阻檢測、靜電梳齒電容檢測和平行板電容檢測三種。梳齒壓阻檢測通過梳齒之間距離改變從而使電容發(fā)生改變進(jìn)行檢測的，其阻尼是典型的壓膜阻尼，影響系統(tǒng)品質(zhì)因子的提高，采用這種檢測方式的陀螺往往需要真空封裝， 以避免靈敏度的降低；靜電梳齒電容檢測通過梳齒之間交疊面積的改變從而使電容發(fā)生改變進(jìn)行檢測的，其阻尼是壓膜阻尼和滑膜阻尼，壓膜阻尼的存在使系統(tǒng)品質(zhì)因子降低的可能，但主要是滑膜阻尼，使系統(tǒng)保證較高的品質(zhì)因子；平行板電容檢測與靜電梳齒電容檢測類似，也是通過交疊面積的改變而實(shí)現(xiàn)電容檢測，不同的是其阻尼均屬于滑膜阻尼，無需真空封裝，在大氣壓下就能獲得較高的靈敏度，缺點(diǎn)是需要嚴(yán)格控制加工精度以保證固定柵極和可動?xùn)艠O的對中。如能設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)形式，可采用靜電驅(qū)動，能將平行板電容檢測和靜電梳齒電容檢測結(jié)合并用的雙重檢測方法，而且能將兩種檢測方式優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合的話，則不僅能解決上述單一檢測方式的各種缺點(diǎn)，能在大氣環(huán)境下可獲得更高靈敏度、更穩(wěn)定的檢測輸出，而且在復(fù)雜環(huán)境中仍能保持較高精度和穩(wěn)定性，獲得現(xiàn)在采用單一檢測方式的產(chǎn)品不能達(dá)到的優(yōu)良性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種間接連接型音叉振動式微機(jī)械陀螺，能提供穩(wěn)定的驅(qū)動力和兩種檢測方式優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合的并行檢測方式，獲得較高靈敏度和穩(wěn)定的檢測輸出。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出以下技術(shù)解決方案一種間接連接型音叉振動式微機(jī)械陀螺，其特征在于(a)該陀螺由第一基板及懸于第一基板上方的第二基板組成，第一基板和第二基板通過四個(gè)錨點(diǎn)固定；(b)所述第一基板包括兩組對稱的檢測柵形固定電極、兩個(gè)檢測梳齒固定電極、兩組對稱的驅(qū)動梳齒固定電極，所述各固定電極通過電極錨點(diǎn)固定；(c)第二基板包括對稱的左結(jié)構(gòu)和右結(jié)構(gòu)以及連接左結(jié)構(gòu)和右結(jié)構(gòu)的中間結(jié)構(gòu)； 左結(jié)構(gòu)或右結(jié)構(gòu)包括一個(gè)帶驅(qū)動梳齒的驅(qū)動質(zhì)量塊、兩個(gè)位于驅(qū)動質(zhì)量塊內(nèi)部的檢測質(zhì)量塊以及驅(qū)動質(zhì)量塊外沿的驅(qū)動彈性梁，所述檢測質(zhì)量塊包括檢測柵形可動?xùn)艠O和檢測可動梳齒，并通過檢測彈性梁和驅(qū)動質(zhì)量塊連接；中間結(jié)構(gòu)包括與驅(qū)動彈性梁相連的兩個(gè)中間耦合質(zhì)量塊和通過四個(gè)錨點(diǎn)與中間耦合質(zhì)量塊相連的四個(gè)中間耦合彈性梁。所述第二基板的每個(gè)檢測質(zhì)量塊均與驅(qū)動質(zhì)量塊連接，每個(gè)驅(qū)動質(zhì)量塊通過四個(gè)驅(qū)動彈性梁與中間耦合質(zhì)量塊連接，每個(gè)中間耦合質(zhì)量塊通過兩個(gè)中間耦合彈性梁與第一基板錨接在一起。所述驅(qū)動彈性梁和中間耦合彈性梁均采用“U+I”結(jié)構(gòu)型梁，即采用U型結(jié)構(gòu)，但U 型的一邊比另一邊長一段；檢測彈性梁采用等腰梯形結(jié)構(gòu)。每個(gè)驅(qū)動質(zhì)量塊帶有一組驅(qū)動梳齒，驅(qū)動梳齒左右對稱分布，驅(qū)動梳齒和驅(qū)動梳齒固定電極通電后能產(chǎn)生驅(qū)動方向的靜電驅(qū)動力。每個(gè)檢測質(zhì)量塊在檢測方向一端通過檢測彈簧梁與驅(qū)動質(zhì)量塊相連，另外一端帶有檢測可動梳齒，每個(gè)檢測質(zhì)量塊有檢測柵形可動?xùn)艠O，檢測可動梳齒與檢測梳齒固定電極共同構(gòu)成梳齒電容檢測，檢測柵形可動?xùn)艠O和檢測柵形固定電極共同構(gòu)成平行板電容檢測。第一基板上驅(qū)動梳齒固定電極與第二基板上驅(qū)動梳齒一一對應(yīng)，梳齒之間的間距相等；第一基板上檢測梳齒固定電極與第二基板上檢測可動梳齒一一對應(yīng)，梳齒之間的間距相等；第一基板上的檢測柵形固定電極與第二基板上的檢測柵形可動?xùn)艠O的各柵形電極一一對應(yīng)，檢測柵形可動?xùn)艠O的厚度等于驅(qū)動質(zhì)量塊的厚度；所有梳齒之間交疊部分的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于梳齒之間的距離。第一基板上的檢測柵形固定電極上表面與第二基板的檢測柵形可動?xùn)艠O下表面之間的間隙小于檢測柵形可動?xùn)艠O的柵條寬度。第一基板與第二基板之間為滑膜阻尼；所有梳齒之間驅(qū)動和檢測運(yùn)動均屬于平行板電容切向運(yùn)動，也屬于滑膜阻尼。第一基板采用Pyrex 7740玻璃基板，第二基板采用導(dǎo)電單晶硅片。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，具有以下優(yōu)點(diǎn)1.采用靜電梳齒驅(qū)動方式，避免了電磁驅(qū)動力不穩(wěn)定，提供較為驅(qū)動穩(wěn)定，無需附加措施，較易實(shí)現(xiàn)；2.充分利用檢測質(zhì)量塊的設(shè)計(jì)空間，同時(shí)實(shí)現(xiàn)靜電梳齒電容檢測和平行板電容電容檢測，并將兩種檢測方式優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，避免采用單一方式影響檢測精度；3.從驅(qū)動和檢測方式可見，主要采用的滑膜阻尼，陀螺在大氣環(huán)境下即可獲得較高的品質(zhì)因子，可以有效提高器件的靈敏度，無需真空封裝即可工作，降低了器件的加工成本；
4.采用中間耦合結(jié)構(gòu)，使左結(jié)構(gòu)和右結(jié)構(gòu)間接連接，有效減少了左結(jié)構(gòu)和右結(jié)構(gòu)直接相互影響，消除了耦合模態(tài)對檢測模態(tài)的干擾，此外，中間結(jié)構(gòu)對于加工誤差不敏感， 甚至可以適當(dāng)放寬其加工精度，這使陀螺的整體加工更加方便；5.驅(qū)動彈性梁、中間耦合彈性梁采用“U+I”結(jié)構(gòu)型梁，增大了驅(qū)動和檢測方向的剛度比，并且U形結(jié)構(gòu)有助于釋放硅片殘余應(yīng)力；檢測彈性梁采用等腰梯形結(jié)構(gòu)，具有較高的驅(qū)動和檢測方向的剛度比，有效抑制了驅(qū)動和檢測模態(tài)的耦合，并且由于等腰梯形各邊均為直線，加工容易且能實(shí)現(xiàn)較高的加工精度。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的第一基板示意圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的第二基板示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例的包含第一基板和第二基板的整體示意圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例的驅(qū)動彈性梁、中間耦合彈性梁采用的“U+I”結(jié)構(gòu)型梁示意圖。圖5是本發(fā)明實(shí)施例檢測彈性梁采用的等腰梯形結(jié)構(gòu)示意圖。其中1-第一基板，2-第二基板，3-錨點(diǎn)，4-檢測柵形固定電極，5-檢測梳齒固定電極，6-驅(qū)動梳齒固定電極，7-固定電極錨點(diǎn)，8-左結(jié)構(gòu)，9-驅(qū)動梳齒，10-驅(qū)動質(zhì)量塊， 11-檢測質(zhì)量塊，12-驅(qū)動彈性梁，13-檢測柵形可動?xùn)艠O，14-檢測可動梳齒，15-檢測彈性梁，16-中間結(jié)構(gòu)，17-中間耦合質(zhì)量塊，18-中間耦合彈性梁。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明所述的間接連接型音叉振動式微機(jī)械陀螺作進(jìn)一步的說明。如圖1所示，第一基板1包括兩組對稱檢測柵形固定電極4、兩個(gè)檢測梳齒固定電極5、兩組對稱驅(qū)動梳齒固定電極6、固定電極錨點(diǎn)7。如圖2所示，懸于第一基板1上方的第二基板2包括對稱的左結(jié)構(gòu)8和右結(jié)構(gòu)以及連接左結(jié)構(gòu)8和右結(jié)構(gòu)的中間結(jié)構(gòu)16 ；左結(jié)構(gòu)8或右結(jié)構(gòu)包括一個(gè)帶驅(qū)動梳齒9的驅(qū)動質(zhì)量塊10、兩個(gè)檢測質(zhì)量塊11以及四個(gè)驅(qū)動彈性梁12，帶有檢測柵形可動?xùn)艠O13和檢測可動梳齒14的檢測質(zhì)量塊11位于驅(qū)動質(zhì)量塊10的內(nèi)部，通過一個(gè)檢測彈性梁15和驅(qū)動質(zhì)量塊10連接；中間結(jié)構(gòu)16包括與驅(qū)動彈性梁12相連的兩個(gè)中間耦合質(zhì)量塊17、通過四個(gè)錨點(diǎn)3與中間耦合質(zhì)量塊17相連的四個(gè)中間耦合彈性梁18。對于上述本發(fā)明涉及的間接連接型音叉振動式微機(jī)械陀螺，其左結(jié)構(gòu)8、右結(jié)構(gòu)間接連接、靜電梳齒驅(qū)動和靜電梳齒電容和平行板電容相結(jié)合共同檢測，具體的說，驅(qū)動梳齒 9和驅(qū)動梳齒固定電極6分別通有交流電產(chǎn)生相異電荷，并滿足梳齒交疊部分的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于梳齒之間的距離，可產(chǎn)生驅(qū)動方向(χ向)的靜電驅(qū)動力，使左結(jié)構(gòu)8和右結(jié)構(gòu)的驅(qū)動質(zhì)量塊10相異運(yùn)動，當(dāng)有繞ζ軸方向的角速度施加于系統(tǒng)時(shí)，在檢測方向(y向)產(chǎn)生科氏 (Coriolis)加速度會使兩個(gè)檢測質(zhì)量塊11沿垂直于驅(qū)動方向的檢測方向做反向運(yùn)動，從而引起檢測柵形可動?xùn)艠O13和第一基板1上檢測柵形固定電極4之間交疊面積相對于初始交疊面積發(fā)生變化，從而引起檢測電容AC1變化，此外，檢測可動梳齒14和檢測梳齒固定電極5之間交疊面積也發(fā)生了改變，也會引起檢測電容C2變化，由于角速度與總檢測電容變化(ACAAC2)或ACp AC2均成一定比例關(guān)系。因此，通過測量各檢測電容變化，就可以測得角速度大小。檢測電容AC1和檢測電容△ C2均可單獨(dú)作為最終檢測電容輸出，再通過輸入Ω與Δ(^、AC2進(jìn)一步校核，從一定程度上避免了單獨(dú)靜電梳齒電容檢測或平行板電容檢測的缺點(diǎn)，使加工誤差對系統(tǒng)檢測精度的影響降低，從而提高了角速度的測量精確性。如圖3所示，驅(qū)動彈性梁12、中間耦合彈性梁18采用“U+I”結(jié)構(gòu)型梁，其中U型的一邊L1比另一邊L2長，滿SL1 > L2，可采用卡式能量法進(jìn)行推導(dǎo)獲得χ向剛度Kj^Py向剛度Ky。Kx = 12EI (81^山2+3 π L1IHSL2 π R+ ji 2R2) / A，Ky = 2ΕΙ (1^+41^-61^+41,1^+1^+41" π R+4L23 π R+241^+241^+61, π R3+6L2 π R3_48R4+6 π 2R4) / Λ其中Λ = 8Ι^4“+8Ι^24+3 π RL^+12 π RLl3L2+6 π RL12L22+^ π RL1L2^S π RL24
+961^1^+961,1^+4: π 2R2L/+4 π 2R2L23+24 π 鏟“2+48 π R3L1L2+24 π 鏟1^22-961^1 4-961^1 4+18 π 2R4L1+^ π 2R4L2_48 π R5+6 π 3R5這種類型結(jié)構(gòu)梁，驅(qū)動和檢測方向的剛度比較大可達(dá)到，并且U形結(jié)構(gòu)有助于釋放硅片殘余應(yīng)力。如圖4所示，檢測彈性梁15采用等腰梯形結(jié)構(gòu)，角度可行的范圍為，這種類型結(jié)構(gòu)梁具有較高的驅(qū)動和檢測方向的剛度比，有效抑制了驅(qū)動和檢測模態(tài)的耦合，確保輸出的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的長期可靠性，并且由于等腰梯形各邊均為直線，加工容易且能實(shí)現(xiàn)較高的加工精度。上述的對實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種間接連接型音叉振動式微機(jī)械陀螺，其特征在于(a)該陀螺由第一基板(1)及懸于第一基板(1)上方的第二基板( 組成，第一基板 (1)和第二基板⑵通過四個(gè)錨點(diǎn)⑶固定；(b)所述第一基板(1)包括兩組對稱的檢測柵形固定電極G)、兩個(gè)檢測梳齒固定電極 (5)、兩組對稱的驅(qū)動梳齒固定電極(6)，所述各固定電極通過電極錨點(diǎn)(7)固定；(c)第二基板(2)包括對稱的左結(jié)構(gòu)⑶和右結(jié)構(gòu)以及連接左結(jié)構(gòu)⑶和右結(jié)構(gòu)的中間結(jié)構(gòu)(16)；左結(jié)構(gòu)(8)或右結(jié)構(gòu)包括一個(gè)帶驅(qū)動梳齒(9)的驅(qū)動質(zhì)量塊(10)、兩個(gè)位于驅(qū)動質(zhì)量塊(10)內(nèi)部的檢測質(zhì)量塊(11)以及驅(qū)動質(zhì)量塊(10)外沿的驅(qū)動彈性梁(12)， 所述檢測質(zhì)量塊(11)包括檢測柵形可動?xùn)艠O(1 和檢測可動梳齒(14)，并通過檢測彈性梁(1 和驅(qū)動質(zhì)量塊(10)連接；中間結(jié)構(gòu)(16)包括與驅(qū)動彈性梁(1 相連的兩個(gè)中間耦合質(zhì)量塊(17)和通過四個(gè)錨點(diǎn)(3)與中間耦合質(zhì)量塊(17)相連的四個(gè)中間耦合彈性梁 (18)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的間接連接型音叉振動式微機(jī)械陀螺，其特征在于所述第二基板( 的每個(gè)檢測質(zhì)量塊(11)均與驅(qū)動質(zhì)量塊(10)連接，每個(gè)驅(qū)動質(zhì)量塊(10)通過四個(gè)驅(qū)動彈性梁(1 與中間耦合質(zhì)量塊(17)連接，每個(gè)中間耦合質(zhì)量塊(17)通過兩個(gè)中間耦合彈性梁(18)與第一基板(1)錨接在一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的間接連接型音叉振動式微機(jī)械陀螺，其特征在于所述驅(qū)動彈性梁(12)和中間耦合彈性梁(18)均采用“U+I”結(jié)構(gòu)型梁，即采用U型結(jié)構(gòu)，但U型的一邊比另一邊長一段；檢測彈性梁(15)采用等腰梯形結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的間接連接型音叉振動式微機(jī)械陀螺，其特征在于每個(gè)驅(qū)動質(zhì)量塊(10)帶有一組驅(qū)動梳齒(9)，驅(qū)動梳齒(9)左右對稱分布，驅(qū)動梳齒(9)和驅(qū)動梳齒固定電極(6)通電后能產(chǎn)生驅(qū)動方向的靜電驅(qū)動力。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的間接連接型音叉振動式微機(jī)械陀螺，其特征在于每個(gè)檢測質(zhì)量塊(11)在檢測方向一端通過檢測彈簧梁(1 與驅(qū)動質(zhì)量塊(10)相連，另外一端帶有檢測可動梳齒(14)，每個(gè)檢測質(zhì)量塊(11)有檢測柵形可動?xùn)艠O(13)，檢測可動梳齒(14) 與檢測梳齒固定電極( 共同構(gòu)成梳齒電容檢測，檢測柵形可動?xùn)艠O(1 和檢測柵形固定電極(6)共同構(gòu)成平行板電容檢測。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的間接連接型音叉振動式微機(jī)械陀螺，其特征在于第一基板 (1)上驅(qū)動梳齒固定電極(6)與第二基板( 上驅(qū)動梳齒(9) 一一對應(yīng)，梳齒之間的間距相等；第一基板(1)上檢測梳齒固定電極( 與第二基板上檢測可動梳齒(14) 一一對應(yīng)，梳齒之間的間距相等；第一基板(1)上的檢測柵形固定電極(4)與第二基板( 上的檢測柵形可動?xùn)艠O(1 的各柵形電極一一對應(yīng)，檢測柵形可動?xùn)艠O(1 的厚度等于驅(qū)動質(zhì)量塊 (10)的厚度；所有梳齒之間交疊部分的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于梳齒之間的距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的間接連接型音叉振動式微機(jī)械陀螺，其特征在于第一基板 (1)上的檢測柵形固定電極(4)上表面與第二基板( 的檢測柵形可動?xùn)艠O(1 下表面之間的間隙小于檢測柵形可動?xùn)艠O(13)的柵條寬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的間接連接型音叉振動式微機(jī)械陀螺，其特征在于第一基板 (1)與第二基板( 之間為滑膜阻尼；所有梳齒之間驅(qū)動和檢測運(yùn)動均屬于平行板電容切向運(yùn)動，也屬于滑膜阻尼。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的間接連接型音叉振動式微機(jī)械陀螺，其特征在于第一基板 (1)采用Pyrex 7740玻璃基板，第二基板(2)采用導(dǎo)電單晶硅片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種間接連接型音叉振動式微機(jī)械陀螺，該陀螺由第一基板及懸于其上方的第二基板組成，第一基板和第二基板通過四個(gè)錨點(diǎn)固定；第二基板包括對稱的左結(jié)構(gòu)和右結(jié)構(gòu)以及連接左右兩邊的中間結(jié)構(gòu)；所述左結(jié)構(gòu)或右結(jié)構(gòu)包括一個(gè)帶驅(qū)動梳齒的驅(qū)動質(zhì)量塊、兩個(gè)檢測質(zhì)量塊以及四個(gè)驅(qū)動彈性梁，帶有檢測柵形可動?xùn)艠O和檢測可動梳齒的檢測質(zhì)量塊位于驅(qū)動質(zhì)量塊的內(nèi)部，通過一個(gè)檢測彈性梁和驅(qū)動質(zhì)量塊連接；中間結(jié)構(gòu)包括與驅(qū)動彈性梁相連的兩個(gè)中間耦合質(zhì)量塊和通過四個(gè)錨點(diǎn)與中間耦合質(zhì)量塊相連的四個(gè)中間耦合彈性梁。本陀螺采用硅微加工技術(shù)制備，在大氣環(huán)境下可獲得較高靈敏度、較穩(wěn)定的檢測輸出，可應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境仍能保持較高精度和穩(wěn)定性。
文檔編號G01C19/5621GK102506843SQ20111035139
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者尚慧琳, 文永蓬 申請人:上海工程技術(shù)大學(xué)