一種單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀，其結(jié)構(gòu)形式為四方全對稱結(jié)構(gòu)，主要包括驅(qū)動(dòng)模塊、驅(qū)動(dòng)檢測模塊、航向角檢測模塊、俯仰角檢測模塊、橫滾角檢測模塊以及相應(yīng)的耦合折疊梁、工字型梁、T型梁、U型梁等組成部分。所設(shè)計(jì)四方全對稱三軸硅微陀螺儀在每個(gè)方向上都具有相同的結(jié)構(gòu)，四邊的四個(gè)大框架通過對角處的耦合折疊梁實(shí)現(xiàn)連接支撐，這種對稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及對角處的耦合連接保證了陀螺儀工作時(shí)的音叉效果。本發(fā)明的單片集成三軸硅微陀螺儀可以同時(shí)測量航向、俯仰、橫滾三個(gè)方向的角速度，其中驅(qū)動(dòng)檢測模態(tài)與航向角檢測模態(tài)同其他模態(tài)之間實(shí)現(xiàn)了解耦。
【專利說明】一種單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微機(jī)電陀螺儀領(lǐng)域，特別是一種單片集成全對稱三軸硅微機(jī)械音叉式陀螺儀。
【背景技術(shù)】
[0002]陀螺儀是一種重要的慣性傳感器，它可以實(shí)現(xiàn)角速度的測量。目前在高精度應(yīng)用領(lǐng)域，已經(jīng)發(fā)展比較成熟傳統(tǒng)陀螺儀更具有性能優(yōu)勢，而在中低精度領(lǐng)域，硅微機(jī)械陀螺儀則已逐漸取而代之。與傳統(tǒng)陀螺儀相比，硅微機(jī)械陀螺儀具有體積小，重量輕，成本低，可靠性高，功耗小，可批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于航空、汽車、醫(yī)療、攝影、電子消費(fèi)等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前在陀螺儀研究應(yīng)用上較為廣泛的是單軸陀螺儀，它只能檢測一個(gè)方向的角速度輸入，而三軸陀螺儀則可以同時(shí)敏感三個(gè)方向的角速度輸入，能夠進(jìn)一步擴(kuò)大陀螺儀的應(yīng)用范圍。
[0003]在三軸陀螺儀的研制方面，AD公司、利頓公司等已經(jīng)有了商業(yè)級的產(chǎn)品問世，但其較多三軸陀螺儀產(chǎn)品并非單片集成，而是由三個(gè)單軸陀螺儀組裝而成，由于存在著安裝偏心等問題，這種形式的三軸陀螺儀難以達(dá)到較高精度，目前已經(jīng)到了進(jìn)一步提高的瓶頸期。在單片集成三軸陀螺儀研制上，意法半導(dǎo)體公司推出了一款單片集成的三軸陀螺儀產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)尺寸僅為3.2X3.2毫米，但是它并沒有實(shí)現(xiàn)各驅(qū)動(dòng)、檢測方向的解耦，各模態(tài)之間的耦合誤差較大，而且也沒有設(shè)置相應(yīng)的正交校正電極，因此難以達(dá)到較高性能。臺灣成功大學(xué)的蔡南全設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)環(huán)式硅微陀螺儀，理論上可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的角速度測量，但是其結(jié)構(gòu)與加工工藝復(fù)雜，難以達(dá)到較好的性能，因此還需要進(jìn)一步研究提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提出一種新型的單片集成全對稱三軸硅微音叉式陀螺儀。
[0005]—種單片集成全對稱三軸娃微音叉陀螺儀,包括襯底和位于襯底上的驅(qū)動(dòng)模塊、驅(qū)動(dòng)檢測模塊、航向角檢測模塊、俯仰角檢測模塊、橫滾角檢測模塊、正方形大框架和耦合折疊梁；正方形大框架有四件，兩兩相對設(shè)置且構(gòu)成四方對稱結(jié)構(gòu)，四件正方形大框架通過耦合折疊梁連為一體，耦合折疊梁固定在襯底上；驅(qū)動(dòng)模塊有四件，分別連接在四件正方形大框架的內(nèi)邊上，內(nèi)邊指兩兩相對設(shè)置的正方形大框架內(nèi)側(cè)的邊；驅(qū)動(dòng)檢測模塊有四件，分別連接在四件正方形大框架的外邊上，外邊指同一正方形大框架上與內(nèi)邊相對的邊；航向角檢測模塊有八件，分別兩兩對稱地連接在四個(gè)正方形大框架的兩側(cè)；俯仰角檢測模塊有兩件，分別置于一對相對設(shè)置的兩件正方形大框架內(nèi)部，橫滾角檢測模塊有兩件，分別置于另一對相對設(shè)置的兩件正方形大框架內(nèi)部，俯仰角檢測部分與橫滾角檢測部分結(jié)構(gòu)相同。
[0006]俯仰角(橫滾)檢測部分分別位于兩對對邊正方形大框架內(nèi)部，可以實(shí)現(xiàn)差分檢測。
[0007]為了提高檢測的準(zhǔn)確性，上述單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀，為四方全對稱結(jié)構(gòu)。[0008]上述四方全對稱三軸硅微陀螺儀在每個(gè)方向上都具有相同的結(jié)構(gòu)，四邊的四個(gè)大框架通過對角處的耦合折疊梁實(shí)現(xiàn)連接支撐，這種對稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及對角處的耦合連接保證了陀螺儀工作時(shí)的音叉效果。本發(fā)明的單片集成三軸硅微陀螺儀可以同時(shí)測量航向、俯仰、橫滾三個(gè)方向的角速度，其中驅(qū)動(dòng)檢測模態(tài)與航向角檢測模態(tài)同其他模態(tài)之間實(shí)現(xiàn)了解耦，而俯仰角與橫滾角檢測模態(tài)雖未對驅(qū)動(dòng)與航向角檢測模態(tài)結(jié)構(gòu)，但是通過合理的檢測結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免了其他模態(tài)的干擾影響，此外在俯仰角與橫滾角檢測部分還設(shè)置了相應(yīng)的正交校正電極，從而可以達(dá)到較為良好的測量性能。
[0009]為了提高陀螺儀的穩(wěn)固性，耦合折疊梁有四件，分別將相鄰的兩正方形大框架連為一體。
[0010]優(yōu)選，每個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊包括連接于襯底之上的固定驅(qū)動(dòng)梳齒和連接在正方形大框架內(nèi)邊上的可動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒，固定驅(qū)動(dòng)梳齒和可動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒構(gòu)成變面積式電容檢測；四件驅(qū)動(dòng)部分的固定驅(qū)動(dòng)梳齒通過電極引線連接在一起。
[0011]當(dāng)在固定驅(qū)動(dòng)梳齒上施加疊加的直流電壓信號與交流電壓信號時(shí)，四邊的框架將在靜電驅(qū)動(dòng)力的作用下同時(shí)周期性向內(nèi)收縮或向外擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)梳齒采用電容式變面積靜電驅(qū)動(dòng)形式。
[0012]為了制備簡便，同時(shí)保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性，可動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒通過T型折疊梁與正方形大框架內(nèi)邊相連，可動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒還通過帶固定錨點(diǎn)的U型折疊梁固定在襯底上。
[0013]為了進(jìn)一步提高檢測的準(zhǔn)確性，優(yōu)選，驅(qū)動(dòng)檢測模塊包括:與正方形大框架的外邊相連的可動(dòng)驅(qū)動(dòng)檢測梳齒和連接于襯底之上的固定驅(qū)動(dòng)檢測梳齒，可動(dòng)驅(qū)動(dòng)檢測梳齒與固定驅(qū)動(dòng)檢測梳齒構(gòu)成變面積電容檢測，固定驅(qū)動(dòng)檢測梳齒所在的襯底下方設(shè)有引線電極。
[0014]可動(dòng)驅(qū)動(dòng)檢測梳齒通過T型折疊梁與正方形大框架外邊相連，可動(dòng)驅(qū)動(dòng)檢測梳齒還通過帶固定錨點(diǎn)的U型折疊梁固定在襯底上，以限制其在除驅(qū)動(dòng)方向以外的運(yùn)動(dòng)自由度，從而實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)檢測模態(tài)與其他模態(tài)之間的解耦。
[0015]為了簡化裝置，同時(shí)提高檢測的準(zhǔn)確性，航向角檢測部分包括與正方形大框架的側(cè)邊相連的可動(dòng)航向角檢測梳齒和連接于襯底之上的固定航向角檢測梳齒，與可動(dòng)航向角檢測梳齒組成變間距式電容檢測，測固定航向角檢測梳齒下方設(shè)有引線電極，正方形大框架的側(cè)邊指正方形大框架除內(nèi)邊和外邊之外的邊。
[0016]優(yōu)選，可動(dòng)航向角檢測梳齒通過T型梁與正方形大框架側(cè)邊相連，并通過帶固定錨點(diǎn)的U型折疊梁固定在襯底上。
[0017]上述大框架兩邊的航向角檢測梳齒為差分排列形式，其檢測形式為變間距式電容檢測，當(dāng)陀螺儀敏感到航向角運(yùn)動(dòng)時(shí)，大框架兩邊的梳齒電容檢測信號為差動(dòng)變化，其中一路梳齒間距增大，另一路間距減小。
[0018]上述俯仰角檢測模塊或橫滾角檢測模塊包括:檢測上極板和位于檢測上極板正下方的檢測下極板，檢測上極板通過位于檢測上極板兩側(cè)的兩個(gè)工字型梁與正方形大框架相連，檢測下極板固定在襯底上，檢測下極板所在的襯底下方設(shè)有引線電極，檢測上極板和檢測下極板組成平行平板電容檢測。
[0019]陀螺儀工作時(shí)，四邊正方形大框架在各自驅(qū)動(dòng)方向做周期性運(yùn)動(dòng)，其內(nèi)部工字型梁和檢測質(zhì)量塊(檢測上極板)也隨著大框架一起運(yùn)動(dòng)，當(dāng)陀螺儀感受到外界俯仰(橫滾)角速度時(shí)，工字型梁則起到了在面外方向上檢測質(zhì)量塊與大框架的運(yùn)動(dòng)隔離，即檢測質(zhì)量塊將在哥氏力的作用下做面外運(yùn)動(dòng)，而大框架則由于其外側(cè)的耦合折疊梁及其他連接梁限制不能做面外運(yùn)動(dòng)，工字型梁由于在垂直方向剛度較小因而可以實(shí)現(xiàn)檢測質(zhì)量塊和大框架的耦合連接。
[0020]上述每個(gè)下極板優(yōu)選分為一大兩小的三塊，其中位于兩邊的兩小塊極板作為反饋校正電極。
[0021]上述當(dāng)上極板受哥氏力做面外運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩極板間距改變，通過在固定于襯底上的下極板引線即可測得相應(yīng)的電容變化，從而可以計(jì)算出相應(yīng)輸入角速度大小。
[0022]上述單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀，所述俯仰(橫滾)角檢測模態(tài)雖然與驅(qū)動(dòng)和航向角檢測模態(tài)未能實(shí)現(xiàn)解耦，但是通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)模態(tài)和航向角檢測模態(tài)耦合誤差的消除，即由所述俯仰(橫滾)角檢測質(zhì)量塊所構(gòu)成的可動(dòng)上極板的面積大于固定下極板，當(dāng)上極板(檢測質(zhì)量塊)隨著大框架在驅(qū)動(dòng)方向和航向角檢測方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩極板的重合面積將保持不變，只有當(dāng)敏感到俯仰(橫滾)角上極板進(jìn)行面外運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩極板才由于間距的改變而產(chǎn)生電容變化。
[0023]上述述四方全對稱結(jié)構(gòu)中，四邊正方形大框架外部的耦合折疊梁在四個(gè)對角處會(huì)合連接在一起，并固定連接于四角處的固定錨點(diǎn)，這種對稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于保證測量時(shí)的音叉效果。
[0024]上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)檢測以及航向角檢測三個(gè)方向的解耦，而俯仰(橫滾)角檢測方向雖然沒有解耦，但是通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效減小機(jī)械耦合誤差。
[0025]上述T型梁、工字型梁具有分別具有較小的面內(nèi)水平切向剛度與面外垂直方向剛度，通過合理安排放置這兩種折疊梁，可以實(shí)現(xiàn)對所連接質(zhì)量塊或框架在面內(nèi)切向或者面外垂直方向的運(yùn)動(dòng)解耦。
[0026]上述驅(qū)動(dòng)部分均設(shè)計(jì)于正方形大框架內(nèi)側(cè)，其中，固定驅(qū)動(dòng)梳齒位于四方結(jié)構(gòu)中央正方形錨區(qū)的四邊上，可動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒通過T型梁連接于四邊的大框架上，可直接在中央正方形錨區(qū)上施加疊加的直流與交流電壓信號即可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。
[0027]上述結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式為，四邊驅(qū)動(dòng)梳齒在驅(qū)動(dòng)電壓所產(chǎn)生的交變的靜電力作用下，同時(shí)周期性向內(nèi)收縮或向外擴(kuò)張，并通過T型梁推動(dòng)框架運(yùn)動(dòng)，使整個(gè)四方對稱結(jié)構(gòu)做如同心臟的規(guī)律性收縮與擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)形式有利于實(shí)現(xiàn)檢測時(shí)的音叉效果，從而減小檢測誤差。
[0028]上述驅(qū)動(dòng)部分梳齒、驅(qū)動(dòng)檢測均為梳齒變面積式電容檢測，航向角檢測為梳齒變間距式電容檢測，俯仰角(橫滾)檢測為平行平板電容檢測；所述平行平板電容檢測設(shè)置了正交校正電極，可以進(jìn)行正交校正以調(diào)整減小由于加工制造誤差造成的極板不平衡等問題。
[0029]本發(fā)明的有益效果:
[0030]一、本發(fā)明所設(shè)計(jì)的單片集成三軸硅微機(jī)械陀螺儀結(jié)構(gòu)簡單，對稱性好，可通過MEMS加工工藝實(shí)現(xiàn)大批量加工生產(chǎn)以降低成本。
[0031]二、該三軸陀螺儀可以同時(shí)測量三個(gè)方向上的角速度輸入，而且驅(qū)動(dòng)檢測模態(tài)和航向角檢測模態(tài)均實(shí)現(xiàn)了解耦，俯仰(橫滾)角檢測模態(tài)從雖未解耦，但是從檢測原理上避免了其他模態(tài)的耦合影響，有效減小了可能存在的機(jī)械耦合誤差。
[0032]三、該三軸陀螺儀的四邊固定驅(qū)動(dòng)梳齒位于同一個(gè)中央錨區(qū)上，這樣一經(jīng)加載驅(qū)動(dòng)電壓信號，很容易即可實(shí)現(xiàn)四邊同時(shí)驅(qū)動(dòng)。
[0033]四、所設(shè)計(jì)的航向角檢測梳齒為變間距式電容檢測，而且在每一邊均實(shí)現(xiàn)了差分檢測，能夠有效提高測量靈敏度。
[0034]五、俯仰(橫滾)角檢測為平行平板電容檢測，其中固定于襯底上的下極板分為了三小塊，其中兩個(gè)可以作為正交反饋校正電極。
[0035]六、所采用的工字型梁在面外垂直方向剛度較低，可以有效實(shí)現(xiàn)大框架與檢測質(zhì)量塊面外垂直方向的運(yùn)動(dòng)解耦。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1為一種單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖2為所述三軸硅微陀螺儀Y方向大框架結(jié)構(gòu)圖；
[0038]圖3為所述三軸硅微陀螺儀所采用的T型梁立體圖；
[0039]圖4為所述三軸硅微陀螺儀所采用的工字型梁立體圖；
[0040]圖5為所述帶校正電極的俯仰(橫滾)角檢測平行平板電容結(jié)構(gòu)圖；
[0041]圖中，I為固定驅(qū)動(dòng)梳齒、2為可動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒、3為固定驅(qū)動(dòng)檢測梳齒、4為帶固定錨點(diǎn)的U型梁、5為T型梁、6為可動(dòng)驅(qū)動(dòng)檢測梳齒、7為正方形大框架、8為固定航向角檢測梳齒、9為可動(dòng)航向角檢測梳齒、10為工字型梁、11檢測上極板(質(zhì)量塊)、12為檢測下極板、13為耦合折疊梁、14為對角處固定錨區(qū)。
【具體實(shí)施方式】
[0042]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步具體說明。
[0043]圖1所示單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀，包括襯底和位于襯底上的驅(qū)動(dòng)模塊、驅(qū)動(dòng)檢測模塊、航向角檢測模塊、俯仰角檢測模塊、橫滾角檢測模塊、正方形大框架和耦合折疊梁；正方形大框架有四件，兩兩相對設(shè)置且構(gòu)成四方對稱結(jié)構(gòu)，四件正方形大框架通過耦合折疊梁連為一體，耦合折疊梁固定在襯底上；驅(qū)動(dòng)模塊有四件，分別連接在四件正方形大框架的內(nèi)邊上，內(nèi)邊指兩兩相對設(shè)置的正方形大框架內(nèi)側(cè)的邊；驅(qū)動(dòng)檢測模塊有四件，分別連接在四件正方形大框架的外邊上，外邊指同一正方形大框架上與內(nèi)邊相對的邊；航向角檢測模塊有八件，分別兩兩對稱地連接在四個(gè)正方形大框架的兩側(cè)；俯仰角檢測模塊有兩件，分別置于一對相對設(shè)置的兩件正方形大框架內(nèi)部，橫滾角檢測模塊有兩件，分別置于另一對相對設(shè)置的兩件正方形大框架內(nèi)部，俯仰角檢測部分與橫滾角檢測部分結(jié)構(gòu)相同。
[0044]前述單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀，為四方全對稱結(jié)構(gòu)；耦合折疊梁有四件，分別將相鄰的兩正方形大框架連為一體。
[0045]每個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊包括連接于襯底之上的固定驅(qū)動(dòng)梳齒和連接在正方形大框架內(nèi)邊上的可動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒，固定驅(qū)動(dòng)梳齒和可動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒構(gòu)成變面積式電容檢測；四件驅(qū)動(dòng)部分的固定驅(qū)動(dòng)梳齒通過電極引線連接在一起；可動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒通過T型折疊梁與正方形大框架內(nèi)邊相連，可動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒還通過帶固定錨點(diǎn)的U型折疊梁固定在襯底上。
[0046]驅(qū)動(dòng)檢測模塊包括:與正方形大框架的外邊相連的可動(dòng)驅(qū)動(dòng)檢測梳齒和連接于襯底之上的固定驅(qū)動(dòng)檢測梳齒,可動(dòng)驅(qū)動(dòng)檢測梳齒與固定驅(qū)動(dòng)檢測梳齒構(gòu)成變面積電容檢測，固定驅(qū)動(dòng)檢測梳齒所在的襯底下方設(shè)有引線電極；可動(dòng)驅(qū)動(dòng)檢測梳齒通過T型折疊梁與正方形大框架外邊相連，可動(dòng)驅(qū)動(dòng)檢測梳齒還通過帶固定錨點(diǎn)的U型折疊梁固定在襯底上。
[0047]航向角檢測部分包括與正方形大框架的側(cè)邊相連的可動(dòng)航向角檢測梳齒和連接于襯底之上的固定航向角檢測梳齒，與可動(dòng)航向角檢測梳齒組成變間距式電容檢測，測固定航向角檢測梳齒下方設(shè)有弓I線電極，正方形大框架的側(cè)邊指正方形大框架除內(nèi)邊和外邊之外的邊；可動(dòng)航向角檢測梳齒通過τ型梁與正方形大框架側(cè)邊相連，并通過帶固定錨點(diǎn)的U型折疊梁固定在襯底上。
[0048]俯仰角檢測模塊或橫滾角檢測模塊包括:檢測上極板和位于檢測上極板正下方的檢測下極板，檢測上極板通過位于檢測上極板兩側(cè)的兩個(gè)工字型梁與正方形大框架相連，檢測下極板固定在襯底上，檢測下極板所在的襯底下方設(shè)有引線電極，檢測上極板和檢測下極板組成平行平板電容檢測；每個(gè)下極板分為一大兩小的三塊，其中位于兩邊的兩小塊極板作為反饋校正電極。
[0049]上述單片集成三軸硅微陀螺儀可以同時(shí)測量航向(繞Z軸角速度)、俯仰(繞X軸角速度)、橫滾(繞Y軸角速度)三個(gè)方向的角速度，而且驅(qū)動(dòng)檢測模態(tài)、航向角檢測模態(tài)相對其他模態(tài)解耦，未解耦的俯仰(橫滾)角檢測模態(tài)則從檢測結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上避免了其他模態(tài)的耦合干擾，而且引入了正交反饋校正電極，因而能夠達(dá)到較為良好的測量性能。
[0050]上述單片集成全對稱三軸硅微陀螺儀的工作過程可具體闡述如下。
[0051](I)驅(qū)動(dòng)部分:在固定驅(qū)動(dòng)梳齒I的引線上同時(shí)施加疊加的直流和交流電壓信號，根據(jù)梳齒電容靜電力產(chǎn)生機(jī)理，這時(shí)固定驅(qū)動(dòng)梳齒I與可動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒2之間將產(chǎn)生沿驅(qū)動(dòng)方向(X或Y方向)的交變力，可動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒2沿X或Y方向做周期性簡諧振動(dòng)，進(jìn)而通過T型梁5推動(dòng)正方形大框架7也沿著驅(qū)動(dòng)方向做簡諧振動(dòng)；帶固定錨點(diǎn)的U型梁4被用來限制可動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒2在除驅(qū)動(dòng)方向以外的運(yùn)動(dòng)自由度，這樣當(dāng)大框架7上受到哥氏力作用時(shí)，可動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒2將不會(huì)受其帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)模態(tài)對其他模態(tài)的解耦。
[0052](2)驅(qū)動(dòng)檢測部分:由于可動(dòng)驅(qū)動(dòng)檢測梳齒6通過T型梁5與大框架7連接，當(dāng)大框架7沿驅(qū)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，可動(dòng)驅(qū)動(dòng)檢測梳齒6被T型梁5推動(dòng)運(yùn)動(dòng)，從而使得可動(dòng)驅(qū)動(dòng)檢測梳齒6與固定驅(qū)動(dòng)檢測梳齒3之間的叉指電容發(fā)生變化，通過在固定驅(qū)動(dòng)檢測梳齒3下端做出電極引線即可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)檢測功能；由于可動(dòng)驅(qū)動(dòng)檢測梳齒6被兩個(gè)帶固定錨點(diǎn)的U型梁4連接，限制了其在除了驅(qū)動(dòng)方向以外的運(yùn)動(dòng)自由度，從而實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)檢測模態(tài)對其他模態(tài)的解耦。
[0053](3)航向角(繞Z軸角速度)檢測部分:如圖2所示，當(dāng)大框架7沿Y方向驅(qū)動(dòng)振動(dòng)時(shí)，若陀螺儀敏感到外界航向角速度輸入，由于哥氏效應(yīng)的存在，大框架7將受到一個(gè)沿X方向的哥氏力，從而推動(dòng)大框架7沿X方向運(yùn)動(dòng)；由于可動(dòng)航向角檢測梳齒9與大框架7是通過如圖3所示的T型梁5相連的，且該T型梁5可以隔離Y方向力同時(shí)傳遞X方向力，因此可動(dòng)航向角檢測梳齒9將在大框架7的帶動(dòng)下沿X方向運(yùn)動(dòng)，使得可動(dòng)航向角檢測梳齒9與固定航向角檢測梳齒8之間的間隙發(fā)生改變，通過在固定航向角檢測梳齒8下方設(shè)置電極引線即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的信號檢測；顯然，大框架7左側(cè)與右側(cè)的航向角檢測梳齒可以形成差分檢測，即其中一側(cè)的可動(dòng)梳齒與固定梳齒之間的間隙增大，而另一側(cè)則是間隙縮小，因此這種梳齒排列方式在單邊即可實(shí)現(xiàn)差動(dòng)檢測，有效提高了航向角檢測靈敏度；在可動(dòng)航向角檢測梳齒9上，帶固定錨點(diǎn)的U型梁4限制了其只能沿著敏感方向(Y方向)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了航向角檢測模態(tài)對其他模態(tài)的解耦。
[0054](4)俯仰角(繞X軸角速度)檢測部分:俯仰角檢測部分位于Y方向兩邊的大框架內(nèi)部，如圖2所示，當(dāng)大框架7沿Y方向驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部俯仰角檢測質(zhì)量塊11受兩個(gè)工字型梁10的推動(dòng)也沿驅(qū)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)陀螺儀敏感到外界輸入的俯仰角速度時(shí)，由于哥氏效應(yīng)的存在，俯仰角檢測質(zhì)量塊11將受到沿Z方向的哥氏力作用，使其在Z方向做垂直于XY平面的面外運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致俯仰角檢測質(zhì)量塊11與下極板12之間的平板電容發(fā)生改變，通過在下極板12上引出電極導(dǎo)線即可實(shí)現(xiàn)測量，從而計(jì)算得輸入的俯仰角速度；由于如圖4所示的工字型梁在Z方向上剛度較小，因此可以實(shí)現(xiàn)大框架7與俯仰角檢測質(zhì)量塊11在Z方向的運(yùn)動(dòng)解耦；俯仰角檢測為平行平板電容檢測，其結(jié)構(gòu)形式如圖5所示，其中俯仰角檢測質(zhì)量塊11作為可動(dòng)的上極板，而固定于襯底上的下極板12分為了如圖2所示的三個(gè)虛線框部分，其中兩個(gè)小虛線框代表了正交反饋校正電極，通過這兩個(gè)電極可以實(shí)現(xiàn)電剛度調(diào)整以及加工制造誤差校正；所設(shè)計(jì)的俯仰角檢測質(zhì)量塊11面積要大于下極板12，其目的是使所形成的平板電容在俯仰角檢測質(zhì)量塊11沿X、Y方向運(yùn)動(dòng)時(shí)保持重疊面積不變，只有當(dāng)檢測質(zhì)量塊11沿Z方向運(yùn)動(dòng)時(shí)才存在電容變化，這種設(shè)計(jì)形式雖然沒有解耦效果，但是有效減小了其它模態(tài)對俯仰角檢測模態(tài)的耦合影響。
[0055](5)橫滾角(繞Y軸角速度)檢測部分:橫滾角檢測部分的檢測原理與俯仰角檢測完全一致，只是其檢測部分位于X方向的兩邊大框架內(nèi)部，它們都是帶正交校正電極的平行平板電容檢測。
[0056]本發(fā)明的單片集成全對稱三軸硅微陀螺儀可以通過目前已經(jīng)較為成熟的體硅MEMS加工工藝(SOI或者SOG工藝)實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，以SOG (silicon-on-glass)工藝為例，其加工工藝流程可以簡要闡述如下:
[0057](I)在硅晶圓片背面用一塊掩模版光刻得到所需懸空結(jié)構(gòu)的圖案，即除了需要固定到襯底上的錨區(qū)部分，其它部分均光刻曝光，利用干法刻蝕一定深度，并去除光刻膠；
[0058](2)采用如圖1所示圖案的掩模版在硅晶圓片正面光刻出所需圖形，DRIE刻蝕去除多余的結(jié)構(gòu)，使硅晶圓片正面獲得所需圖案；
[0059](3)在Pyrex7740玻璃上用第三塊掩模版光刻得到所需設(shè)置電極和引線的圖案，通過淀積多晶硅或者濺射工藝，并去除光刻膠即可得到所需電極和引線；
[0060](4)將硅結(jié)構(gòu)層與玻璃上的電極層采用陽極鍵合技術(shù)鍵合在一起，并真空封裝即可實(shí)現(xiàn)陀螺儀的加工。
[0061]應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。本實(shí)施例中未明確的各組成部分均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種單片集成全對稱三軸娃微音叉陀螺儀,其特征在于:包括襯底和位于襯底上的驅(qū)動(dòng)模塊、驅(qū)動(dòng)檢測模塊、航向角檢測模塊、俯仰角檢測模塊、橫滾角檢測模塊、正方形大框架和耦合折疊梁；正方形大框架有四件，兩兩相對設(shè)置且構(gòu)成四方對稱結(jié)構(gòu)，四件正方形大框架通過耦合折疊梁連為一體，耦合折疊梁固定在襯底上；驅(qū)動(dòng)模塊有四件，分別連接在四件正方形大框架的內(nèi)邊上，內(nèi)邊指兩兩相對設(shè)置的正方形大框架內(nèi)側(cè)的邊；驅(qū)動(dòng)檢測模塊有四件，分別連接在四件正方形大框架的外邊上，外邊指同一正方形大框架上與內(nèi)邊相對的邊；航向角檢測模塊有八件，分別兩兩對稱地連接在四個(gè)正方形大框架的兩側(cè)；俯仰角檢測模塊有兩件，分別置于一對相對設(shè)置的兩件正方形大框架內(nèi)部，橫滾角檢測模塊有兩件，分別置于另一對相對設(shè)置的兩件正方形大框架內(nèi)部，俯仰角檢測部分與橫滾角檢測部分結(jié)構(gòu)相同。
2.如權(quán)利要求1所述的單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀，其特征在于:為四方全對稱結(jié)構(gòu)；耦合折疊梁有四件，分別將相鄰的兩正方形大框架連為一體。
3.如權(quán)利要求1或2所述的單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀，其特征在于:每個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊包括連接于襯底之上的固定驅(qū)動(dòng)梳齒和連接在正方形大框架內(nèi)邊上的可動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒，固定驅(qū)動(dòng)梳齒和可動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒構(gòu)成變面積式電容檢測；四件驅(qū)動(dòng)部分的固定驅(qū)動(dòng)梳齒通過電極引線連接在一起。
4.如權(quán)利要求3所述的單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀，其特征在于:可動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒通過T型折疊梁與正方形大框架內(nèi)邊相連，可動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒還通過帶固定錨點(diǎn)的U型折疊梁固定在襯底上。
5.如權(quán)利要求1或2所述的單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀，其特征在于:驅(qū)動(dòng)檢測模塊包括:與正方形大框架的外邊相連的可動(dòng)驅(qū)動(dòng)檢測梳齒和連接于襯底之上的固定驅(qū)動(dòng)檢測梳齒，可動(dòng)驅(qū)動(dòng)檢測梳齒與固定驅(qū)動(dòng)檢測梳齒構(gòu)成變面積電容檢測，固定驅(qū)動(dòng)檢測梳齒所在的襯底下方設(shè)有引線電極。
6.如權(quán)利要求5所述的單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀，其特征在于:可動(dòng)驅(qū)動(dòng)檢測梳齒通過T型折疊梁與正方形大框架外邊相連，可動(dòng)驅(qū)動(dòng)檢測梳齒還通過帶固定錨點(diǎn)的U型折疊梁固定在襯底上。
7.如權(quán)利要求1或2所述的單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀，其特征在于:航向角檢測部分包括與正方形大框架的側(cè)邊相連的可動(dòng)航向角檢測梳齒和連接于襯底之上的固定航向角檢測梳齒，與可動(dòng)航向角檢測梳齒組成變間距式電容檢測，測固定航向角檢測梳齒下方設(shè)有引線電極，正方形大框架的側(cè)邊指正方形大框架除內(nèi)邊和外邊之外的邊。
8.如權(quán)利要求7所述的單片集成的全解耦三軸硅微陀螺儀，其特征在于:可動(dòng)航向角檢測梳齒通過T型梁與正方形大框架側(cè)邊相連，并通過帶固定錨點(diǎn)的U型折疊梁固定在襯底上。
9.如權(quán)利要求1或2所述的單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀，其特征在于:俯仰角檢測模塊或橫滾角檢測模塊包括:檢測上極板和位于檢測上極板正下方的檢測下極板，檢測上極板通過位于檢測上極板兩側(cè)的兩個(gè)工字型梁與正方形大框架相連，檢測下極板固定在襯底上，檢測下極板所在的襯底下方設(shè)有引線電極，檢測上極板和檢測下極板組成平行平板電容檢測。
10.如權(quán)利要求9所述的單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀，其特征在于:每個(gè)下極板分為一大兩小的 三塊，其中位于兩邊的兩小塊極板作為反饋校正電極。
【文檔編號】G01C19/5621GK103900545SQ201410105276
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】夏敦柱, 孔倫, 虞成, 胡異煒, 倪佩圳 申請人:東南大學(xué)