[發(fā)明專利]一種解耦式雙框架微陀螺

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• 申請日: 2020-09-02
• 公開（公告）號: CN112097751A
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 丁希聰;凌方舟;蔣樂躍;劉堯;劉海東;蘇云鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 美新半導(dǎo)體（天津）有限公司
• 主分類號: G01C19/5747
• 分類號: G01C19/5747;B81B7/02
• 代理公司: 蘇州簡理知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32371
• 代理人: 朱亦倩

本發(fā)明公開了一種解耦式雙框架微陀螺，其包括：左驅(qū)動質(zhì)量塊組、右驅(qū)動質(zhì)量塊組、左哥氏質(zhì)量塊組和右哥氏質(zhì)量塊組，其均為一側(cè)開口的半包圍結(jié)構(gòu)，且所述左驅(qū)動質(zhì)量塊組和右驅(qū)動質(zhì)量塊組的開口相對設(shè)置，所述左驅(qū)動質(zhì)量塊組和右驅(qū)動質(zhì)量塊組對稱分布；所述左哥氏質(zhì)量塊組和右哥氏質(zhì)量塊組的開口相對設(shè)置；所述左哥氏質(zhì)量塊組和所述左驅(qū)動質(zhì)量塊組依次套設(shè)在左檢測質(zhì)量塊的外圍；所述右哥氏質(zhì)量塊組和所述右驅(qū)動質(zhì)量塊組依次套設(shè)在右檢測質(zhì)量塊的外圍。本發(fā)明所述的解耦式雙框架微陀螺實(shí)現(xiàn)了檢測電容的差分放大，提高了該結(jié)構(gòu)的靈敏度，抑制了微陀螺的機(jī)械耦合，提高了微陀螺的檢測精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有高檢測精度的解耦式雙框架微陀螺。

背景技術(shù)

陀螺是用于測量角速率的傳感器，是慣性技術(shù)的核心器件之一，在現(xiàn)代工業(yè)控制、航空航天、國防軍事及消費(fèi)電子等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

陀螺的發(fā)展大致可分為三個(gè)階段：

第一階段是傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺，它精度很高，在核潛艇、洲際戰(zhàn)略導(dǎo)彈等軍用戰(zhàn)略武器上發(fā)揮著不可替代的作用，但它的體積較大、制造過程復(fù)雜、價(jià)格昂貴、周期長且不適合批量化生產(chǎn)；第二階段是光學(xué)檢測陀螺，主要包括激光陀螺和光纖陀螺，主要利用薩格納克效應(yīng)，其優(yōu)點(diǎn)是無旋轉(zhuǎn)部件、精度較高，在航海和航空航天方面發(fā)揮著重要作用，但仍面臨著體積較大、成本較高、不易集成的問題；第三階段是微機(jī)械陀螺，發(fā)展于20世紀(jì)90年代，其研究起步較晚，但憑借著體積小、功耗小、重量輕、可批量生產(chǎn)、價(jià)格低、抗過載能力強(qiáng)和可集成的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)發(fā)展迅速，適用于飛機(jī)導(dǎo)航、汽車制造、數(shù)碼電子、工業(yè)器械等民用領(lǐng)域和無人機(jī)、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、智能炸彈、軍用瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等現(xiàn)代國防軍事領(lǐng)域，其具有廣泛的應(yīng)用前景，越來越受到人們的關(guān)注。

目前，微機(jī)械陀螺常用的驅(qū)動方式有壓電式、電磁式、靜電式等；檢測方式有壓阻式、壓電式、共振隧穿式、電子隧道效應(yīng)式、電容式等。

對于驅(qū)動方式，壓電驅(qū)動具有精度高、誤差小的優(yōu)點(diǎn)，但其對陀螺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求高，不易加工制作；電磁驅(qū)動幅值大，但難以穩(wěn)定控制；靜電驅(qū)動雖驅(qū)動幅值小但具有穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。

對于檢測方式，其中壓阻效應(yīng)檢測，靈敏度較低，溫度系數(shù)大，因而限制了檢測精度的進(jìn)一步提高；壓電效應(yīng)檢測的靈敏度易漂移，需要經(jīng)常校正，歸零慢，不宜連續(xù)測試；共振隧穿效應(yīng)的靈敏度較硅壓阻效應(yīng)高一個(gè)數(shù)量級，但檢測靈敏度較低，存在的問題是偏置電壓容易因陀螺驅(qū)動而漂移，導(dǎo)致陀螺不能穩(wěn)定工作；電子隧道效應(yīng)式器件制造工藝極其復(fù)雜，檢測電路也相對較難實(shí)現(xiàn)，成品率低，難以正常工作，不利于集成，特別是很難控制隧道結(jié)隧尖和電極板之間的距離在納米級，無法保障傳感器正常工作。

而電容檢測采用梳齒結(jié)構(gòu)，位移分辨率較高，電容結(jié)構(gòu)適用于MEMS工藝加工，現(xiàn)如今靜電驅(qū)動、電容檢測仍為微陀螺加工的主流工藝。

然而現(xiàn)有加工技術(shù)中微陀螺的檢測精度一直無法得到提高，究其原因主要有兩點(diǎn)：其一是由于陀螺儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝等誤差，使得驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)存在著較大的機(jī)械耦合，導(dǎo)致微陀螺輸出信號中耦合有正交誤差干擾信號；其二是由于陀螺儀無法避免外界線性加速度的影響，導(dǎo)致微陀螺輸出信號中耦合有同頻同向的干擾信號。

參見中國發(fā)明專利CN109737943A，其公開了一種高精度MEMS陀螺儀，該專利所公開的微陀螺結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)，且其創(chuàng)新點(diǎn)在于通過所述干擾模態(tài)隔離結(jié)構(gòu)將質(zhì)量塊內(nèi)框相連，使得干擾模態(tài)遠(yuǎn)離工作模態(tài)，但同時(shí)該結(jié)構(gòu)微陀螺驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)存在較大的機(jī)械耦合，會帶來很大的正交誤差。繼續(xù)參見中國發(fā)明專利CN108507555A，其公開了一種MEMS微機(jī)械全解耦閉環(huán)陀螺儀，該專利公開的微陀螺結(jié)構(gòu)驅(qū)動沿X方向，檢測沿Y方向，且考慮到了結(jié)構(gòu)解耦，但其無法避免外界線性加速度的影響，此外，其也無法使微陀螺檢測時(shí)共模干擾模態(tài)遠(yuǎn)離反向工作模態(tài)，這樣最終會導(dǎo)致微陀螺輸出信號受到影響，影響檢測精度。

因此，亟需提出一種新的技術(shù)方案來解決現(xiàn)有技術(shù)中微陀螺的檢測精度低的問題。

發(fā)明內(nèi)容