[發明專利]一種單片集成的全解耦三軸硅微陀螺儀

有效

• 申請號: 201410105807.1
• 申請日: 2014-03-20
• 公開（公告）號: CN103900547A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 夏敦柱;孔倫;虞成;胡異煒;倪佩圳
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01C19/5719
• 分類號: G01C19/5719
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明涉及微機電陀螺儀領域，特別是一種單片集成的全解耦三軸硅微陀螺儀。

背景技術

與傳統陀螺儀相比，硅微機械陀螺儀具有體積小，重量輕，成本低，可靠性高，功耗小，可批量生產等優點，可廣泛用于航空、汽車、醫療、攝影、電子消費等領域，具有廣闊的應用前景。目前研究應用較為廣泛的是單軸陀螺儀，它只能敏感檢測一個方向的角速度輸入，而三軸陀螺儀則可以同時敏感三個方向的角速度輸入。

在三軸陀螺儀的研制方面，目前意法半導體公司、AD公司等已經有了商業級的產品問世，但其較多三軸陀螺儀產品并非單片集成，而是由水平軸陀螺儀、Z軸陀螺儀組裝而成，其精度極限有限，目前已經到了進一步提高的瓶頸期。意法半導體設計了一種單片集成的三軸陀螺儀產品，其結構尺寸僅為3.2×3.2毫米，但是它并沒有實現各驅動、檢測方向的完全解耦，因此難以達到較高性能。臺灣成功大學的蔡南全設計了一種振動環式硅微陀螺儀，理論上可以實現三個方向的角速度測量，但是其結構與加工工藝復雜，難以達到較好的性能，因此還需要進一步研究提高。

發明內容

本發明的目的是提出一種單片集成的全解耦三軸硅微陀螺儀。

一種單片集成的全解耦三軸硅微陀螺儀，包括襯底和位于襯底上的驅動部分、驅動檢測部分、航向角檢測部分、俯仰角檢測部分、橫滾角檢測部分、正方形大框架和耦合折疊梁；正方形大框架有四件，兩兩相對設置且構成四方對稱結構，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；驅動部分有四件，分別連接在四件正方形大框架的內邊上，內邊指兩兩相對設置的正方形大框架內側的邊；驅動檢測部分有兩件，分別連接在一對相對設置的兩件正方形大框架的外邊上，航向角檢測部分有兩件，分別連接在另一對相對設置的兩件正方形大框架的外邊上，外邊為同一正方形大框架上與內邊相對的邊；俯仰角檢測部分有兩件，分別置于一對相對設置的兩件正方形大框架內部，橫滾角檢測部分有兩件，分別置于另一對相對設置的兩件正方形大框架內部，俯仰角檢測部分與橫滾角檢測部分結構相同。

本發明的單片集成三軸硅微陀螺儀可以同時測量航向、俯仰、橫滾三個方向的角速度，而且各模態之間通過合理的結構設計實現了完全解耦，從而能夠達到較為良好的測量性能。

為了提高陀螺儀的穩定性，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。

驅動部分優選為電容式變面積靜電驅動，每個驅動部分包括連接于襯底之上的固定驅動梳齒和連接在正方形大框架內邊上的可動驅動梳齒，固定驅動梳齒和可動驅動梳齒構成變面積式電容檢測；四件驅動部分的固定驅動梳齒通過電極引線連接在一起。

通過在固定驅動梳齒上施加疊加的直流電壓信號與交流電壓信號來驅動四邊的正方形大框架運動；在驅動電壓所產生的靜電力作用下，所述結構的運動形式為四邊大框架同時周期性向內收縮或向外擴張，如同心臟的規律性收縮與擴張運動。

為了保證陀螺儀的穩定性及測量的準確性，可動驅動梳齒通過T型折疊梁與正方形大框架內邊相連，可動驅動梳齒還通過帶固定錨點的U型折疊梁固定在襯底上。

為了方便制備、同時保證測量的準確性，驅動檢測部分包括：與正方形大框架的外邊相連的可動驅動檢測梳齒和連接于襯底之上的固定驅動檢測梳齒，可動驅動檢測梳齒與固定驅動檢測梳齒構成變間距式電容檢測，固定驅動檢測梳齒所在的襯底下方設有引線電極。

優選，可動驅動檢測梳齒通過T型折疊梁與正方形大框架外邊相連，可動驅動檢測梳齒還通過帶固定錨點的U型折疊梁固定在襯底上。

航向角檢測部分包括與正方形大框架的外邊相連的可動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，固定航向角檢測梳齒從中間斷開分為兩部分、且與可動航向角檢測梳齒組成變間隙式差動電容檢，測固定航向角檢測梳齒下方設有引線電極。

上述設計方式能夠有效減小由于制造誤差、梳齒運動過程中的梳齒傾斜等非理想因素對檢測結果的影響。

優選，可動航向角檢測梳齒通過U型折疊梁與正方形大框架外邊相連，并通過帶固定錨點的U型折疊梁固定在襯底上。