[發明專利]一種抗高強度沖擊的音叉式微機械陀螺

無效

• 申請號: 201310192746.2
• 申請日: 2013-05-22
• 公開（公告）號: CN103292798A
• 公開（公告）日: 2013-09-11
• 發明（設計）人: 姜濤;周健;魏云
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01C19/5621
• 分類號: G01C19/5621
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 吳林松

技術領域

本發明屬于微電子機械系統領域，涉及音叉式微機械陀螺結構。

背景技術

微機械陀螺是利用科氏效應來檢測轉動物體角速度的一種慣性傳感器。微機械陀螺采用微電子加工設備制備，具有體積小、質量輕、成本低、易于批量生成的特點，在武器制導、航空航天、汽車、生物醫學器械、消費品電子等領域具有極其廣泛的應用前景。

由于MEMS陀螺在工作過程中會受到各種外力和加速度的影響，在搬運存放過程中也難免存在沖擊，微機械陀螺可能被損壞。當器件應用在如航空航天、武器制導等存在高強度沖擊的場合時，微機械陀螺的抗沖擊性尤為重要。國內從20世紀90年代開始進行微機械陀螺的研究工作，并相繼取得了一定的研究成果。典型成果如中國科學院上海微系統與信息技術研究所在2001年左右研制的柵結構振動式微機械陀螺、振子框架式微機械陀螺、基于滑膜阻尼效應的音叉式微機械陀螺，中國上海復旦大學電子工程系2001年研制的具有矩形梁式質量塊結構的微機械陀螺，清華大學還研制有振動輪式微機械陀螺等。但國內對MEMS器件的抗沖擊設計的研究較少，且主要集中于微加速度計的研究。截止目前，國內未見有關于抗高沖擊微陀螺研制成功的相關文獻、專利或報道，國外在抗高沖擊微陀螺方面對中國采取嚴格的技術封鎖政策。基于此，有必要對音叉式微機械陀螺的抗沖擊性能進行研究，以使其可應用對存在較高強度沖擊的民用與軍用場合進行角速度檢測。

發明內容

本發明的目的在于提供一種微機械陀螺儀，具有抗高強度沖擊的能力，可以應用于存在高強度沖擊的應用場合。

為達到上述目的，本發明的解決方案是：

一種新型音叉式抗高沖擊微機械陀螺，包括左右對稱設置的兩個單框式結構，所述兩個單框式結構經由中間耦合梁連接，每個單框式結構均包括驅動質量框、設于所述驅動質量框內部的檢測質量框、檢測彈性梁結構、驅動彈性梁結構以及在水平方向和豎直方向單方向上成對設置彈性限位結構，所述檢測彈性梁結構連接所述驅動質量框與所述檢測質量框，所述驅動質量框經由驅動彈性梁結構與錨點連結，所述彈性限位結構包括連接于錨點上的至少一組彈性限位梳齒和連接于驅動質量框或檢測質量框上的限位擋塊。

所述與驅動質量框相連的彈性限位結構為差動式的限位結構，在驅動質量框外側沿水平方向單方向成對設置，且均包括三組彈性限位梳齒：第一彈性限位梳齒、第二彈性限位梳齒與第三彈性限位梳齒。

初始狀態下限位擋塊距離第一限位梳齒和第三彈性限位梳齒的距離d1與其距離第二限位梳齒的距離d2不同。

所述與檢測質量框相連的彈性限位結構設于檢測質量框內部四側，左右兩側各沿豎直方向單方向成對設置彈性限位結構，上下兩側各沿水平方向單方向成對設置彈性限位結構，且所述與檢測質量框相連的彈性限位結構分別設有兩組彈性限位梳齒：第四彈性限位梳齒與第五彈性限位梳齒，限位擋塊到第四彈性限位梳齒與第五彈性限位梳齒的距離不同。

所述驅動彈性梁結構包括四根驅動彈性梁，所述四根驅動彈性梁位于所述驅動質量框外側，以所述驅動質量框的中軸線為中心對稱設置，用于連接錨點。

所述檢測彈性梁結構包括四根檢測彈性梁，所述四根檢測彈性梁位于所述檢測質量框外側的四角位置，用于連接所述驅動質量框與所述檢測質量框。

所述的微機械陀螺的驅動彈性梁與檢測彈性梁均由多根直彈性梁以串聯的方式進行連接構成。

所述微機械陀螺的制作材料為硅片，制作方法為反應離子刻蝕（RIE）、硅硅鍵合和深反應離子刻蝕（DRIE）。

驅動質量框和檢測質量框均為中空式結構。

優選的，檢測質量框的中空部分的內部為鍵合區，鍵合區內設有多條溝槽。

驅動質量框與檢測質量框上均勻分布多個小孔。

所述微機械陀螺的厚度為300μm，驅動質量框和檢測質量框的厚度為150μm，驅動質量框長度為4970μm，寬度為2368μm，檢測質量框長度為4290μm，寬度為2008μm，驅動彈性梁的長度為1130μm，驅動彈性梁的寬度為50μm，檢測彈性梁的長度為660μm，檢測彈性梁的寬度為25μm，中間耦合梁的長度為370μm，寬度為6μm，第一彈性限位梳齒、第二彈性限位梳齒、第三彈性限位梳齒的長度為760μm，寬度為30μm，d1與d2的大小分別為20μm和21μm，第四彈性限位梳齒與第五彈性限位梳齒的長度為512μm，寬度為20μm，第四限位梳齒與第五限位梳齒距離限位擋塊的距離分別為15μm和16μm。

由于采用上述方案，本發明的有益效果是：