CN101614544B - 复合密度和刚度的微机电固态陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
一种微机电***技术领域的复合密度和刚度的微机电固态陀螺仪，包括：检测质量块、起振驱动机构和检测机构，其中：检测质量块的上表面和下表面分别对称设有两组相同的起振驱动机构和检测机构；所述的起振驱动机构包括两个对称设置于检测质量块上表面的驱动电极；所述的检测机构包括：信号干扰隔离电极、角速度检测电极和模态检测电极，其中：四个角速度检测电极两两对称地设置于检测质量块下表面的外沿，两个模态检测电极对称布置于检测质量块下表面的中部，信号干扰隔离电极环绕设置于模态检测电极的外侧。本发明不需要专门的支撑梁结构，整体结构简单，抗冲击能力大，不需要真空封装，陀螺性能可大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微机电技术领域的微型陀螺仪，具体是一种复合密度和刚度的微机电固态陀螺仪。
背景技术
微机电***(Microelectromechanical systems，MEMS)1989年由当时为加州大学Berkeley分校的Roger Howe教授首次于盐湖城举行的微型无线操作机器人会议上正式提出，之后的十几年来，微机电***技术在世界各国纷纷投入大量人力、财力的情况下快速发展，成为了一个非常重要的研究领域。
微陀螺等微惯性传感器件是MEMS的最重要的研究领域之一。目前，大多数微惯性器件的检测质量块是通过支撑梁与衬底相连，经对现有技术的文献检索发现，半导体学报第28卷第10期2007年10月1630-1635“基于“8悬臂梁-2质量块”结构的新颖x轴音叉式硅微机械陀螺”报道了一种振动微陀螺，但仍然没有摆脱检测质量块是通过支撑梁与衬底相连这种结构模式，具有8个悬臂梁2个质量块，结构和加工都比较复杂，这类支承结构限制了质量块的振动频率和幅值并且受制造缺陷的影响大又不易调整，从而限制了微惯性器件的性能进一步提高，器件的抗冲击性能也很难提高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种复合密度和刚度的微机电固态陀螺仪，不使用支撑梁结构，检测质量块体自身产生参考振动和检测振动，固定节点直接设在检测质量块上，对检测质量块的刚度和密度进行控制，器件的结构简单，安装方便，抗冲击能力强，检测性能也得到提高。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：检测质量块、起振驱动机构和检测机构，其中：检测质量块的上表面和下表面分别对称设有两组相同的起振驱动机构和检测机构。
所述的起振驱动机构包括两个对称设置于检测质量块上表面的驱动电极；
所述的检测机构包括：信号干扰隔离电极、角速度检测电极和模态检测电极，其中：四个角速度检测电极两两对称地设置于检测质量块下表面的外沿，两个模态检测电极对称布置于检测质量块下表面的中部，信号干扰隔离电极环绕设置于模态检测电极的外侧。
所述的检测质量块为若干结构、刚度和密度均不相同的多层膜复合结构，该多层膜为高分子聚合物、金属或陶瓷制成；
所述的多层膜内设有若干高密度聚集体或掺杂，其中所述的高密度聚集体为金属，所述的掺杂为碳纳米管掺杂。
本发明通过在驱动电极上施加一定频率的交变电压，使检测质量产生参考振动，当外界输入角速度，在与参考振动和外界输入角速度垂直的方向上产生检测振动，振动的大小与外界角速度的大小成正比，进而通过对检测振动的测量，来得到外界输入的角速度。
本发明检测质量块不需要专门的支撑梁结构，固定节点直接位于检测质量块上，检测量块的刚度和密度是按照需要调整的，即检测质量块的刚度和密度的分布并不是均匀和不变的，而是变化的，***整体结构简单，抗冲击能力大，不需要真空封装，陀螺性能可大大提高。
附图说明
图1为本发明俯视图。
图2为实施例1检测质量块示意图。
图3为实施例2检测质量块示意图。
图4为实施例3检测质量块示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1和图2所示，本实施例包括：起振驱动机构1、检测机构2和检测质量块3，其中：检测质量块3的上表面和下表面分别对称设有两组相同的起振驱动机构1和检测机构2。
所述的起振驱动机构1包括两个对称设置于检测质量块3上表面的驱动电极4；
所述的检测机构2包括：信号干扰隔离电极5、角速度检测电极6和模态检测电极7，其中：四个角速度检测电极6两两对称地设置于检测质量块3下表面的外沿，两个模态检测电极7对称布置于检测质量块3下表面的中部，信号干扰隔离电极5环绕设置于模态检测电极7的外侧。
所述的检测质量块3为9层结构、刚度和密度均不相同的多层膜复合结构，包括：中间结构层8、第一结构层9、第二结构层10、第一功能材料层11和结构驱动检测层12，其中：中间结构层8的上下平面分别对称设有第一结构层9、第二结构层10、第一功能材料层11和结构驱动检测层12，固定节点分别设置在中间结构层8的侧表面几何中心的位置。
所述的中间结构层8的厚度为1mm，由聚合物制成；
所述的第一结构层9的厚度为1mm，由AL制成；
所述的第二结构层10的厚度为1mm，由Ni制成；
所述的第一功能材料层11的厚度为0.1mm，由PZT制成；
所述的结构驱动检测层12的厚度为0.01mm，由铜制成。
如图3所示，实施例2中的检测质量块3为9层结构、刚度和密度均不相同的多层膜复合结构，包括：中间掺杂层14、第一掺杂层15、第二掺杂层16、第一功能材料层11和结构驱动检测层12，其中：中间掺杂层14的上下平面分别对称设有第一掺杂层15、第二掺杂层16、第一功能材料层11和结构驱动检测层12，固定节点分别设置在中间掺杂层14的侧表面几何中心的位置。
所述的中间掺杂层14的厚度为1mm，该中间掺杂层14由掺有碳纳米管13的SU-8制成，掺杂浓度为5％；
所述的第一掺杂层15的厚度为1mm，该第一掺杂层15由掺有碳纳米管13的SU-8制成，掺杂浓度为15％；
所述的第二掺杂层16的厚度为1mm，该第二掺杂层16由掺有碳纳米管13的SU-8制成，掺杂浓度为30％；
如图4所示，实施例3中的检测质量块3为9层结构、刚度和密度均不相同的多层膜复合结构，包括：中间结构层8、第一结构层9、第二结构层10、第一功能材料层11和结构驱动检测层12，其中：中间结构层8的上下平面分别对称设有第一结构层9、第二结构层10、第一功能材料层11和结构驱动检测层12，固定节点分别设置在中间结构层8的上表面和上表面几何中心的位置。
所述的中间结构层8、第一结构层9和第二结构层10中均嵌有高密度嵌入体17；该高密度嵌入体17的厚为1mm，由金属Ni制成。
本实施例在工作时，在某个频率下存在一种特殊的振动模态，在此振动模态下，检测质量块在沿着同一个方向作拉伸运动或压缩运动，以此运动作为参考振动，参考振动中各质点的振动方向、敏感方向和参考振动感应哥氏力的加速度的方向相垂直。
当外界有角速度输入的时候，由参考振动感应哥氏力的感应振动引起某个方向上的挤压运动或拉伸运动，这个挤压或拉伸运动的方向和压电体极化方向一致，在压电结构功能材料层表面感应出能检测的表征外界输入角速度大小的压电电荷，经检测机构输出。模态检测为了寻找参考模态而设置的，根据模态检测电极的输出判断当前振动状态是否是所需要的参考振动模态。
该种微小型固态陀螺仪使用多层不同密度和刚度膜结构、使用掺杂碳纳米管技术、制作内嵌高密度聚集体结构的技术方案使检测质量块的质量和刚度得到调整，该种技术方案的陀螺抗冲击能力强，陀螺检测性能高，不需要真空封装，特别适合短时间使用高过载使用情况。
Claims (7)
1.一种复合密度和刚度的微机电固态陀螺仪，其特征在于，包括：检测质量块、起振驱动机构和检测机构，其中：检测质量块的上表面和下表面分别对称设有两组相同的起振驱动机构和检测机构；
位于上表面的起振驱动机构包括两个对称设置于检测质量块上表面的驱动电极；
位于下表面的检测机构包括：信号干扰隔离电极、角速度检测电极和模态检测电极，其中：四个角速度检测电极两两对称地设置于检测质量块下表面的外沿，两个模态检测电极对称布置于检测质量块下表面的中部，信号干扰隔离电极环绕设置于模态检测电极的外侧；
所述的检测质量块为若干多层膜复合结构，该多层膜为高分子聚合物、金属或陶瓷制成。
2.根据权利要求1所述的复合密度和刚度的微机电固态陀螺仪，其特征是，所述的多层膜内设有若干高密度聚集体或掺杂，所述的高密度聚集体为金属，所述的掺杂为碳纳米管掺杂。
3.根据权利要求1所述的复合密度和刚度的微机电固态陀螺仪，其特征是，所述的检测质量块为9层膜复合结构，包括：中间结构层、第一结构层、第二结构层、第一功能材料层和结构驱动检测层，其中：中间结构层的上下平面分别对称设有第一结构层、第二结构层、第一功能材料层和结构驱动检测层，固定节点分别设置在中间结构层的侧表面几何中心的位置。
4.根据权利要求1所述的复合密度和刚度的微机电固态陀螺仪，其特征是，所述的检测质量块为9层膜复合结构，包括：中间掺杂层、第一掺杂层、第二掺杂层、第一功能材料层和结构驱动检测层，其中：中间掺杂层的上下平面分别对称设有第一掺杂层、第二掺杂层、第一功能材料层和结构驱动检测层，固定节点分别设置在中间掺杂层的侧表面几何中心的位置。
5.根据权利要求3所述的复合密度和刚度的微机电固态陀螺仪，其特征是，所述的9层膜复合结构中的中间结构层的厚度为1mm，由聚合物制成；第一结构层的厚度为1mm，由AL制成；第二结构层的厚度为1mm，由Ni制成；第一功能材料层的厚度为0.1mm，由PZT制成；结构驱动检测层的厚度为0.01mm，由铜制 成。
6.根据权利要求4所述的复合密度和刚度的微机电固态陀螺仪，其特征是，所述的中间掺杂层的厚度为1mm，该中间掺杂层由掺有碳纳米管的SU-8胶制成，掺杂浓度为5％；所述的第一掺杂层的厚度为1mm，该第一掺杂层由掺有碳纳米管的SU-8胶制成，掺杂浓度为15％；所述的第二掺杂层的厚度为1mm，该第二掺杂层由掺有碳纳米管的SU-8胶制成，掺杂浓度为30％。
7.根据权利要求5所述的复合密度和刚度的微机电固态陀螺仪，其特征是，所述的中间结构层、第一结构层和第二结构层中均嵌有高密度嵌入体；该高密度嵌入体的厚度为1mm，由金属Ni制成。
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