[發明專利]一種微機械音叉陀螺

有效

• 申請號: 202011005131.0
• 申請日: 2020-09-23
• 公開（公告）號: CN113137959B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 趙前程;閆桂珍;崔健;楊振川
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01C19/5747
• 分類號: G01C19/5747
• 代理公司: 北京潤澤恒知識產權代理有限公司 11319
• 代理人: 茍冬梅

本發明涉及一種微機械音叉陀螺，它包括襯底、在襯底上固定陀螺可動結構的錨點、驅動框架結構、慣性質量塊、敏感框架結構、連接驅動框架結構和慣性質量塊的彈性梁、連接慣性質量塊與敏感框架結構的彈性梁、連接敏感框架結構與錨點結構的彈性梁、連接驅動框架結構與錨點結構的彈性梁、連接驅動框架結構的彈性梁、檢測電極單元和驅動電極單元；所述檢測電極單元由非可動電極、固定非可動電極的錨點、連接于陀螺可動結構的可動電極組成；所述驅動電極單元由非可動電極、固定非可動電極的錨點、連接于陀螺可動結構的可動電極。本發明由于采用軸對稱結構并將可動結構錨點至于一條對稱軸上，可以抑制陀螺工作模態間的機械耦合，并使陀螺性能對環境溫度變化和加工誤差不敏感。本發明可以廣泛應用于各種領域中物體轉動角速度的檢測中。

技術領域

本發明涉及一種微機械陀螺，特別是關于一種可以抑制機械耦合、對環境溫度變化和加工誤差不敏感的微機械音叉陀螺。

背景技術

近30年來，基于微機電系統(MEMS)技術的微機械陀螺受到廣泛的研究并得到迅猛發展。基于電容檢測方式的振動式微機械陀螺因工藝簡單、檢測精度高、工作穩定可靠等優點，發展尤為迅速，已在消費電子、汽車、醫療康復、航天甚至軍事領域得到廣泛應用。為獲得高性能電容式微機械陀螺，研究人員要面臨諸如結構設計、器件加工和封裝和控制系統等技術難題。其中，器件結構類型與總體布局是器件設計中的核心問題。

振動式微機械陀螺驅動模態和檢測模態間的機械耦合是影響陀螺性能的關鍵因素之一。機械耦合雖然可以通過控制電路抑制或消除，但會增加控制系統的復雜度，在陀螺結構中加入解耦結構是一種簡易有效的解決方案。陀螺解耦結構通常采用單自由度的彈性梁約束陀螺的驅動單元和檢測單元只能在各自的模態方向振動，兩個模態之間的科里奧利加速度振動耦合只通過與它們以單自由度彈性梁連接的振動質量塊實現。如美國加州大學歐文分校發明的四質量陀螺結構(美國專利US 8,322,213)、申請人發明的水平軸微機械音叉陀螺(中國專利ZL200610114485.2)等。為了抑制機械耦合和減小加工誤差對微機械陀螺性能的影響，陀螺結構通常采用軸對稱結構，但陀螺加工和使用過程中環境溫度變化產生的熱應力會導致結構發生形變，從而破壞原設計的對稱性，影響陀螺的性能和穩定性。將陀螺可動結構的錨點置于結構中心，可以減小熱應力的影響，但該設計方案在采用扭轉驅動或扭轉檢測的水平軸陀螺上較易實現，如美國專利US6513380B2采用單錨點結構方案，但對于檢測垂直方向轉動的垂直軸陀螺實現難度較大，特別是具有解耦結構的垂直軸振動式音叉陀螺，缺乏合理的結構設計方案。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種能有效抑制驅動模態和檢測模態之間機械耦合、對加工誤差和環境溫度變化不敏感的微機械音叉陀螺。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：

1、一種微機械音叉陀螺，其特征在于：它包括襯底、在襯底上固定陀螺可動結構的錨點、驅動框架結構、慣性質量塊、敏感框架結構、連接驅動框架結構和慣性質量塊的彈性梁、連接慣性質量塊與敏感框架結構的彈性梁、連接敏感框架結構與錨點結構的彈性梁、連接驅動框架結構與錨點結構的彈性梁、連接驅動框架結構的彈性梁、檢測電極單元和驅動電極單元；所述檢測電極單元由非可動電極、固定非可動電極的錨點、連接于陀螺可動結構的可動電極組成；所屬驅動電極單元由非可動電極、固定非可動電極的錨點、連接于陀螺可動結構的可動電極組成。

2、如權利要求1所述的一種微機械音叉陀螺，其特征在于：所述陀螺的結構分別在陀螺驅動軸方向和檢測軸方向上軸對稱。

3、如權利要求1所述的一種微機械音叉陀螺，其特征在于：所述固定陀螺可動結構的錨點的中心點布置于陀螺結構的同一條對稱軸上。

4、如權利要求1所述的一種微機械音叉陀螺，其特征在于：在結構空間允許的條件下，驅動電極單元和檢測電極單元中非可動結構的錨點中心點處于如權利要求3所述的同一對稱軸上或最大限度的靠近如權利要求3所述的對稱軸。