[實用新型]徑向支撐體聲波硅微陀螺儀

有效

• 申請號: 201420716782.4
• 申請日: 2014-11-26
• 公開（公告）號: CN204241001U
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 司紅康
• 申請（專利權）人: 司紅康
• 主分類號: G01C19/5719
• 分類號: G01C19/5719
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本實用新型涉及的是一種微機電技術領域的微陀螺，具體地說，涉及的是一種徑向支撐體聲波硅微陀螺儀。

背景技術

微陀螺儀是一種利用微機械電子（MEMS）工藝制作的能夠敏感載體角度或角速度的慣性器件，在姿態控制和導航定位等領域有著非常重要的作用。得益于近來微電子加工技術的進步，硅微陀螺儀由于加工工藝可和集成電路工藝兼容而得到了快速的發展，體積小，能耗低的硅微陀螺儀在消費電子姿態控制系統、汽車輔助導航和安全控制系統、工業機器人姿態控制、武器慣性制導等方面得到了廣泛的應用。

體聲波硅微陀螺儀是采用體聲波技術來制作新型固態MEMS陀螺儀，相比現有的陀螺儀，具有以下優點：尺寸更小、動態響應好、可靠性高、成本更低、容易實現CMOS工藝集成。現有的MEMS陀螺儀技術利用質量塊低頻振動（5~50kHz）來測量角速度，而體聲波?MEMS陀螺儀的工作頻率高出幾個數量級，是兆赫茲范圍（1~10MHz）。使用體聲波技術制作的陀螺儀剛度較高，這不僅使陀螺儀對環境中的振動不敏感，還可以防止在生產制造過程中出現粘附問題，因此提高了MEMS器件的可靠性和成品率。在實際應用中，往往存在振動影響陀螺儀正常工作，而體聲波MEMS陀螺儀擁有更出色的性能表現。

由于體聲波陀螺圓盤諧振子剛度較大、工作頻率較高，因此其驅動模態和檢測模態下諧振子的振動幅值都在20nm左右，為增大陀螺的靈敏度，圓弧形驅動電極和檢測電極同圓盤狀諧振子之間的電容間隙只有200nm，圓盤厚40μm，其深寬比高達200:1，電容間隙加工十分困難，且由于間隙寬度較小，側壁表面粗糙度精度難以控制，工作過程中容易引起隧穿；為減小體聲波陀螺儀中圓柱狀支撐柱振動引起的支撐阻尼，增大硅微陀螺儀的機械品質因數，陀螺儀的支撐柱直徑要非常小，在工藝制作過程中利用控制SiO₂刻蝕液的刻蝕時間來控制SiO₂支撐柱直徑大小的方法使得陀螺的工藝難度加大；同圓盤諧振子中心固定的單一的小直徑支撐柱由于尺寸較小，使得陀螺抗沖擊能力較弱；驅動模態下圓弧形檢測電極同諧振子之間輸出并不為零，增大了陀螺的零偏和噪聲，影響了陀螺的測量精度。

實用新型內容

本實用新型針對現有技術的不足提供了一種徑向支撐體聲波硅微陀螺儀，陀螺儀采用圓盤形諧振子徑向支撐代替圓盤狀諧振子中心圓柱支撐的方案，采用三角型位移放大機構放大檢測模態位移輸出的方法，提高了陀螺的靈敏度，簡化了體聲波硅微陀螺儀加工工藝，提升了陀螺儀的抗沖擊能力，減小了陀螺的零偏，提高了陀螺的精度。

為實現上述目的，本實用新型提出如下的技術方案：一種徑向支撐體聲波硅微陀螺儀，包括圓盤形諧振子，側向支撐臂，具有位移放大機構的電容檢測電極，檢測電極固定凸臺，圓弧形驅動電極和基板。陀螺儀采用圓盤狀諧振子的2個面內四波幅波節頻率匹配模態作為驅動模態和檢測模態，驅動模態和檢測模態具有相同的振型，且其徑向振動正交，即驅動模態的波幅為檢測模態的波節，驅動模態的波節為檢測模態的波幅。

側向支撐臂共有四個，四個側向支撐臂位于驅動模態徑向振動的波節處，形狀為長方體，側向支撐臂一端同圓盤狀諧振子在半徑方向固定連接，另一端同具有位移放大機構的電容檢測電極固定。

具有位移放大機構的電容檢測電極由左右對稱的兩個三角形位移放大機構和兩個電容極板組成，三角形位移放大機構為無下底邊的等腰梯形結構，等腰梯形的兩腰為彈性梁，上底邊為剛性梁，等腰梯形兩腰之間的夾角為鈍角。三角形位移放大機構的上底邊剛性梁和電容極板之間固定連接，電容極板平行于三角形位移放大機構的上底邊剛性梁，兩個三角形位移放大機構的兩腰彈性梁通過兩個剛性固定梁連接。具有位移放大機構的電容檢測電極一端同側向支撐臂固定連接，另一端和檢測電極固定凸臺固定連接，電容極板和檢測電極固定凸臺之間形成平行的電容間隙作為檢測電容。具有位移放大機構的電容檢測電極共有四個，電容極板和檢測電極固定凸臺之間的間隙為1-10μm，具有位移放大機構的電容檢測電極通過重離子摻雜的工藝提高其電導率。

圓盤形諧振子上開有關于圓心對稱均勻分布的貫穿孔，可以通過改變孔的大小調節諧振子的剛度，圓盤形諧振子通過重離子摻雜的工藝提高其電導率。

圓弧形驅動電極和圓盤狀諧振子同心，圓弧形驅動電極位于圓盤形諧振子驅動模態的波幅處，共有四個，圓弧形驅動電極和圓盤狀諧振子之間的間隙為1-10μm，間隙的深寬比小于20:1，圓弧形驅動電極通過重離子摻雜的工藝提高其電導率。