[發明專利]一種切向驅動雙差分蝶翼式硅微陀螺及其應用方法

有效

• 申請號: 201711286906.4
• 申請日: 2017-12-07
• 公開（公告）號: CN108020220B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 肖定邦;吳學忠;侯占強;周劍;卓明;徐強;徐向明;李文印
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G01C19/5656
• 分類號: G01C19/5656
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所(普通合伙) 43008
• 代理人: 譚武藝

本發明公開了一種切向驅動雙差分蝶翼式硅微陀螺及其應用方法，硅微陀螺由硅敏感結構和玻璃電極板組成的硅?玻璃雙層結構，硅敏感結構包括外部框架和內設的耦合彈簧結構及兩個硅敏感子結構，硅敏感子結構包括通過懸臂梁連接到支撐梁上的四個慣性質量塊，慣性質量塊上設有驅動梳齒，玻璃電極板上設有驅動電極、檢測電極及電極焊盤，兩個硅敏感子結構的檢測電容組成雙差分平板檢測電容；應用方法包括對單側硅敏感結構額外施加靜電剛度來改變系統模態頻率的模態控制方法。本發明能夠有效解決法向位移對驅動振幅以及電容間隙的限制，能夠有效提升驅動Q值，改善陀螺工作狀態，從而提高陀螺的靈敏度、增強帶寬和穩定性。

技術領域

本發明涉及微機電系統中的微機械傳感器技術，具體涉及一種切向驅動雙差分蝶翼式硅微陀螺及其應用方法。

背景技術

與傳統機械陀螺相比，以MEMS技術為基礎的微機械陀螺具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等突出優點，在各個領域得到越來越廣泛的應用。以蝶翼式硅微陀螺為例，它是一種基于哥氏效應的電容式微機電陀螺，采用靜電驅動、電容檢測的工作方式。傳統的蝶翼式微陀螺最早由瑞典IMEGO研究所提出，其敏感結構是一種四質量塊全差分結構，利用了單晶硅的各向異性濕法腐蝕，采用了平行四邊形截面的支撐梁。支撐梁截面為平行四邊形，可以利用垂直于驅動方向的法向靜電力實現質量塊的平行于驅動方向的切向運動。

然而，采用這種平行四邊形截面支撐梁的蝶翼式微陀螺，在其工作在驅動模態下，質量塊受到法向靜電力作用時，不僅在切向產生位移，在法向也會產生位移。當驅動振幅較大時，振動質量塊將會與玻璃極板碰撞。所以，這種法向位移嚴重限制了驅動振幅的大小以及檢測電容的間隙，從而限制了蝶翼式微陀螺靈敏度的提升。其次，傳統蝶翼式微陀螺在驅動模態下振動過程中，會對錨點處產生一個彎矩，引起支撐損耗，從而較小驅動Q值，限制驅動幅值的大小，從而限制了靈敏度的提升。另外，微陀螺的靈敏度與其固有模態與工作模態的關系密切相關。傳統蝶翼式微陀螺敏感結構，具有一個驅動模態和一個檢測模態，在結構設計中，當微陀螺的檢測模態與驅動模態重合（即模態匹配）時，靈敏度最大，但是此時微陀螺的工作模態受對環境的適應性差，穩定性不高。

發明內容

本發明要解決的技術問題：針對現有技術的上述問題，提供一種切向驅動雙差分蝶翼式硅微陀螺及其應用方法，本發明的切向驅動雙差分蝶翼式硅微陀螺采用切向力驅動、雙差分對稱陣列結構，能夠有效解決法向位移對驅動振幅以及電容間隙的限制，能夠有效提升驅動Q值，應用方法利用靜電負剛度效應，在單個硅敏感子結構上施加一定的靜電剛度來進行模態控制，可提升陀螺的靈敏度、穩定性和帶寬。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：

一種切向驅動雙差分蝶翼式硅微陀螺，包括由硅敏感結構和玻璃電極板組成的硅-玻璃雙層結構，所述硅敏感結構包括外部框架，所述外部框架內設有耦合彈簧結構以及通過耦合彈簧結構相連的兩個硅敏感子結構，兩個硅敏感子結構相對耦合彈簧結構對稱布置，所述硅敏感子結構包括支撐梁、四根懸臂梁以及四個慣性質量塊，所述四個慣性質量塊分別通過一根懸臂梁連接到支撐梁上，所述慣性質量塊上設有均勻分布的驅動梳齒，所述玻璃電極板上設有驅動電極、檢測電極以及電極焊盤，所述驅動電極分別布置于驅動梳齒的下方與慣性質量塊構成驅動電容，所述檢測電極布置于慣性質量塊的下方且與慣性質量塊構成檢測電容，且兩個硅敏感子結構的檢測電容組成雙差分平板檢測電容，所述電極焊盤與驅動電極、檢測電極連接導通。

優選地，所述耦合彈簧結構由菱形環和連接梁組成，所述菱形環的一對角分別與外部框架相連、另一對角分別通過一根連接梁與一個硅敏感子結構相連。

優選地，所述菱形環的一對角與外部框架之間分別連接有折疊彈簧。

優選地，所述折疊彈簧包括一個T字形部件和兩個環形部件，所述T字形部件兩側的端部各與一個環形部件相連，所述環形部件由端部相連的內外兩個杯狀部件組件，且外部的杯狀部件的外側與外部框架相連、內部的杯狀部件的杯底內側中部與T字形部件一側的端部相連。