[發(fā)明專利]靜電驅(qū)動壓阻檢測硅微陀螺儀

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210463520.7
• 申請日: 2012-11-17
• 公開（公告）號: CN103822622A
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孟繁錕
• 申請（專利權(quán)）人: 上海市閔行區(qū)知識產(chǎn)權(quán)保護協(xié)會
• 主分類號: G01C19/5656
• 分類號: G01C19/5656
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微機電技術(shù)領(lǐng)域(MEMS)，具體地說，涉及的是一種靜電驅(qū)動壓阻檢測的硅微陀螺儀。

背景技術(shù)

陀螺儀是一種能夠敏感載體角度或角速度的慣性器件，在姿態(tài)控制和慣性導(dǎo)航定位等領(lǐng)域有著非常重要的作用。隨著MEMS微陀螺在航空航天工業(yè)、汽車安全及導(dǎo)航系統(tǒng)、消費電子及物聯(lián)網(wǎng)中的大規(guī)模應(yīng)用，陀螺儀正朝著低成本、小體積、高可靠性和與CMOS電路兼容的方向發(fā)展。

經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利“基于剪應(yīng)力檢測的石英微機械陀螺及其制作方法”（專利申請?zhí)枺篊N?200810143292.9）利用z切石英晶體，通過濕法刻蝕加工的方法制作出一種具有帶錘頭的雙音叉微陀螺。該陀螺利用陀螺兩個叉指的橫向面內(nèi)振動作為驅(qū)動模態(tài)，利用兩叉指的面內(nèi)豎向模態(tài)作為檢測模態(tài)，利用剪應(yīng)力檢測技術(shù)而非傳統(tǒng)的正應(yīng)力檢測敏感z軸角速度的變化，并通過優(yōu)化敏感梁的錐度增大陀螺的靈敏度。該陀螺的結(jié)構(gòu)尺寸13×12.2×0.5mm³。

此技術(shù)存在如下不足：該石英微陀螺體積過大，限制了其在很多小體積條件下的應(yīng)用；陀螺材料為石英，不能與CMOS電路直接兼容；石英材料在加工過程中側(cè)壁會產(chǎn)生晶棱，產(chǎn)生機械耦合，影響陀螺的精度。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于新型驅(qū)動和檢測模態(tài)，體積小，加工工藝易于實現(xiàn)，能夠與CMOS電路兼容，適用于批量化生產(chǎn)，利用靜電驅(qū)動，壓阻檢測的硅微陀螺。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出以下解決方案：

一種靜電驅(qū)動壓阻檢測的硅微陀螺儀，它包括兩個帶錘頭的驅(qū)動梁，兩個與驅(qū)動梁垂直的檢測梁，兩組叉指驅(qū)動電極，兩個檢測電極，一個固定錨點及一個陀螺的基座。

所述驅(qū)動梁共有兩個，截面為長方形，每個驅(qū)動梁的兩端分別有兩個錘頭形質(zhì)量塊。

所述檢測梁共有兩個，截面為長方形結(jié)構(gòu)，每個檢測梁的一端與驅(qū)動梁長度方向上的中點處相連，另一端與固定錨點相連。

所述叉指驅(qū)動電極共有兩組，分別位于兩驅(qū)動梁的兩側(cè)，每組叉指包括一個固定叉指和兩個活動叉指。固定叉指一端固定在陀螺的框架上，另一端懸空。活動叉指一段固定在驅(qū)動梁上，另一端懸空。

所述檢測電極共有兩個，分別位于兩個檢測梁的上表面，由壓阻材料構(gòu)成，通過電極引線聯(lián)接至錨點上的接線電極板。

所述固定錨點共有一個，為正方體結(jié)構(gòu)，下端同陀螺基座相連，兩端聯(lián)接檢測梁，通過檢測梁支撐驅(qū)動梁及活動叉指。固定錨點上分布有檢測電極接線電極板。

所述陀螺基座共有一個，形狀為空心長方體，為整個陀螺的支撐部件，陀螺的振子通過固定錨點固定于基座之上，固定叉指通過基座的框架固定在基座上。

上述部件的連接以及位置關(guān)系為：所述正方體形固定錨點位于空心長方體陀螺基座的中心；錨點左右兩邊的中心處連接陀螺的兩個長方體形桿狀懸臂檢測梁；檢測梁的另一端連接帶有錘頭形質(zhì)量塊的檢測梁；兩組活動叉指驅(qū)動電極一端同驅(qū)動梁連接，另一端懸空，位置分布關(guān)于兩檢測梁對稱；兩組固定叉指同活動叉指配合，一端固定在基座邊框上，一端同活動叉指交叉配合并懸空；檢測電極位于檢測梁的上表面，位置偏向于檢測梁固定端。?

本發(fā)明利用兩個帶有錘頭形質(zhì)量塊的驅(qū)動梁的面內(nèi)模態(tài)作為參考振動，在該模態(tài)下同一驅(qū)動梁上兩端質(zhì)量塊的運動方向相同，兩個驅(qū)動梁上質(zhì)量塊的運動方向相反。通過在與驅(qū)動梁相連接的活動叉指和固定在基座邊框上的固定叉指上施加電壓對振子施加靜電力激勵振子產(chǎn)生驅(qū)動模態(tài)。當(dāng)有垂直于檢測梁（y軸）的角速度輸入時，在科氏力作用下，檢測梁會在力矩作用下產(chǎn)生垂直于基座方向（z軸）的彎曲。其中，彎曲時在檢測電極上產(chǎn)生的正應(yīng)力的大小同輸入角速度的大小成正比。通過測量壓阻材料做成的檢測電極電阻值的變化即可檢測垂直于檢測梁（y軸）輸入角速度的大小。

本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點：本發(fā)明所涉及的靜電驅(qū)動壓阻檢測硅微陀螺因為采用靜電驅(qū)動和壓阻檢測的方式，不需要如石英陀螺一樣利用機械掩模在側(cè)壁制作電極，因此可大大的縮小陀螺的體積。本發(fā)明的陀螺采用硅微加工工藝，加工工藝路線成熟，可靠性高，能保證較低的成本和較高的成品率。此外，本發(fā)明的硅微陀螺可以和CMOS電路兼容，因此具有更廣泛的應(yīng)用范圍。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的三維立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明所采用的驅(qū)動模態(tài)示意圖。

?圖4是本發(fā)明所受科氏力的示意圖。

圖5是本發(fā)明所采用的檢測模態(tài)示意圖。

其中：