[發明專利]一種基于杠桿效應位移放大音叉式微機械陀螺儀

有效

• 申請號: 201910571347.4
• 申請日: 2019-06-28
• 公開（公告）號: CN110307832B
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 李澤章;高世橋;彭世剛;劉海鵬;金磊
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01C19/5621
• 分類號: G01C19/5621;G01C19/5614
• 代理公司: 重慶市信立達專利代理事務所(普通合伙) 50230
• 代理人: 包曉靜

本發明屬于微機械系統技術領域，公開了一種基于杠桿效應位移放大音叉式微機械陀螺儀，對玻璃基底進行光刻，并濺射金屬，通過剝離形成的金屬電極；硅片鍵合在玻璃基底上，玻璃基底上的硅片光刻深刻蝕形成的錨點；在硅片上進行光刻深刻蝕釋放出來的MEMS機械結構，MEMS機械結構為全解耦全對稱結構音叉式結構。本發明在檢測模態的中心質量塊與檢測框之間巧妙設置一柔性杠桿機構，將中心質量塊的檢測位移放大傳遞到檢測框，檢測框檢測電容變化更加明顯，同時基于杠桿的死點效應以及杠桿U形傳力梁的解耦性實現二次解耦，進一步降低正交耦合，從而實現更高的靈敏度和更高的分辨率。

技術領域

本發明屬于微機械系統技術領域，尤其涉及一種基于杠桿效應位移放大音叉式微機械陀螺儀。

背景技術

目前，最接近的現有技術：微機械陀螺儀是一種測量角速度或者角位移的慣性傳感器，在過去的三十年中已取得快速的發展，與傳統陀螺相比，微機械陀螺具有成本低、體積小、重量輕、功耗低、可批量生產、易數字化，智能化等諸多優點。隨著微機械陀螺性能的不斷提高，微機械陀螺已廣泛應用于汽車的穩定系統和防滑系統、機器人的姿態控制等工業領域，部分可應用于小型飛機的自動控制系統、雷達的穩定控制系統、短時工作的戰術導彈和智能炮彈的制導系統，未來可望應用于航天飛機、月球及火星探測器以及新概念武器等軍事領域由此可見，微陀螺的應用場合越來越廣。

但是，微機械陀螺儀在檢測模態中的位移非常小，當檢測1°/s的轉動時檢測位移不足1nm，由于位移太小，造成位移檢測難度大，機械靈敏度底，導致現有的微機械陀螺儀檢測精度較低只能實現短期戰術級角度檢測。當前普遍采用的檢測方法是變面積電容檢測法，由于梳齒尺寸為微米量級，位移變化量為納米量級，檢測出極小的電容變化量極為困難。加上存在的機械耦合振動，可能掩蓋了梳齒的微小檢測振動，造成檢測不準、甚至檢測不到的問題。

綜上所述，現有技術存在的問題是：

微機械陀螺儀在檢測模態中的位移非常小，當檢測1°/s的轉動時檢測位移不足1nm，由于位移太小，造成位移檢測難度大，機械靈敏度底，導致現有的微機械陀螺儀檢測精度較低只能實現短期戰術級角度檢測。

解決上述技術問題的難度：

當前普遍采用的檢測方法是變面積電容檢測法，由于梳齒尺寸為微米量級，位移變化量為納米量級，檢測出極小的電容變化量極為困難。加上存在的機械耦合振動，可能掩蓋了梳齒的微小檢測振動，造成檢測不準、甚至檢測不到的問題。

解決上述技術問題的意義：

微機械陀螺儀靈敏度問題是阻礙其向戰術級和慣性級應用的關鍵瓶頸之一。靈敏度的大小取決兩個因素：陀螺器件自身的機械靈敏度和外圍處理電路的精度。當前外圍處理電路的精度與水平已經達到極限，處理電路精度提升的效果很小，因此，提高微機械陀螺儀的機械靈敏度至關重要。通過增大檢測梳齒的位移，可以在相同哥氏力的驅動下獲得更大的機械位移，同時基于杠桿的二次解耦降低正交耦合誤差，提升陀螺的機械精度，從而獲得更高性能的微機械陀螺儀。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供了一種基于杠桿效應位移放大音叉式微機械陀螺儀。

本發明是這樣實現的，一種基于杠桿效應位移放大音叉式微機械陀螺儀設置有玻璃基底；

硅片鍵合在玻璃基底上，玻璃基底上的硅片光刻深刻蝕形成錨點，對玻璃基底進行光刻，濺射金屬并通過剝離形成的金屬電極；

所述在硅片上進行光刻深刻蝕釋放出來的MEMS機械結構，MEMS機械結構為全解耦全對稱結構音叉式結構，包括：左側子結構、右側子結構、驅動耦合梁結構和檢測耦合梁結構；左側子結構和右側子結構通過驅動耦合梁結構和檢測耦合梁結構相連；

所述左側子結構和右側子均設置有杠桿機構；杠桿機構包括：檢測支撐梁、杠桿動力梁、杠桿、杠桿阻力梁、杠桿支點梁和第一錨點，實現檢測位移的放大，提高其機械靈敏度。