CN108225295A - 基于音叉驱动效应的三轴微陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于音叉驱动效应的三轴微陀螺仪，包括上层陀螺仪结构和下层玻璃衬底，上层陀螺仪结构由左机械结构、右机械结构、中间机械结构、上横梁、下横梁、短梁以及锚点组成，中间机械结构中设计了基于音叉驱动的转向机构，通过对左、右机械结构的X轴单一方向驱动，实现其X轴的简谐驱动和中间机械结构敏感质量Y轴的简谐驱动，保证了不同轴之间驱动频率的一致性。当外界有角速度输入时，敏感质量受到科里奥利力而产生位移。本发明采用双敏感质量设计和变间距式电容差分检测，能够抑制温度，结构应力，加速度等共模干扰；本发明结构对称布置，稳定性好，抗干扰能力强。

Description

基于音叉驱动效应的三轴微陀螺仪

技术领域

本发明涉及微机电***及微惯性器件，尤其涉及一种基于音叉驱动效应的三轴微陀螺仪。

背景技术

区别于传统的惯性器件，MEMS(MicroElectroMechanical Systems，微机电***)微惯性器件具有体积小、重量轻、成本低、能耗低、可靠性高，易于数字化、可满足恶劣环境应用等独特优点，有着广阔的民用前景和重要的军用价值。

MEMS三轴微陀螺仪是MEMS微惯性器件中的重要成员，同样具有上述优点，其应用范围包括普通消费品，工业稳定平台，微纳卫星，稳瞄稳像***以及无人作战平台等。

传统三个单轴陀螺仪集成方式，需要三路闭环驱动谐振回路控制，控制电路复杂，多路驱动回路间容易发生信号串扰。三个单轴陀螺集成方式将导致传感器体积增加，不利于微型化。

另外，国内单片集成三轴陀螺仪的精度、集成度等与国外先进技术相比仍然存在较大的差距，极大的限制了国内微惯性器件的发展应用。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种体积小、重量轻、集成度高、抗干扰能力强的基于音叉驱动效应的三轴微陀螺仪。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于音叉驱动效应的三轴微陀螺仪，包括上层陀螺仪结构和下层玻璃衬底；所述陀螺仪结构包括左机械结构、右机械结构、中间机械结构、上横梁、下横梁、短梁和锚点；所述左机械结构、中间机械结构和右机械结构依次相连接，且关于陀螺仪结构中轴线对称；所述上横梁分别与左、右机械结构的上端相连接，下横梁分别与左、右机械结构的下端相连接；所述短梁分别位于上、下横梁的左右两端、上横梁中部上端以及下横梁中部下端，并与所述锚点相连接；所述下层玻璃衬底上设有金属电容极板、信号引线与金属电极；所述上层陀螺仪结构的锚点键合在下层玻璃衬底上。

进一步地，所述左机械结构与右机械结构完全相同。

进一步地，所述左/右机械结构包括驱动框架，第一连接梁，第一敏感质量，第二连接梁，活动驱动梳齿，固定驱动梳齿，敏感电极，敏感弹性梁和固定锚点；所述第一连接梁有四个，其中两个设在驱动框架的外部上端左右两侧，与上横梁连接，另外两个设在驱动框架的外部下端左右两侧，与下横梁连接；所述第一敏感质量位于驱动框架内部；所述第二连接梁有两个，设在驱动框架内部中端左右两侧，与第一敏感质量相连接；所述活动驱动梳齿共四排，分别位于驱动框架外部左侧上、左侧下、右侧上、右侧下，每排活动驱动梳齿有两个以上，且等间距垂直设在驱动框架上；所述固定驱动梳齿固定在基座上，共四排，分别位于驱动框架外部左侧上、左侧下、右侧上、右侧下，且与活动驱动梳齿对插；所述敏感电极固定在基座上，共两对，分别位于第一敏感质量内部上端和内部下端，每对敏感电极相互平行；所述敏感弹性梁共四组，分别位于第一敏感质量左上角、左下角、右上角、右下角，每组敏感弹性梁由两个U型梁组成，敏感弹性梁一端连接第一敏感质量，另一端连接固定锚点。

进一步地，所述中间机械结构包括驱动传递梁，驱动转向机构，第二敏感质量，驱动耦合机构，驱动弹性梁和固定锚点；所述驱动传递梁有两个，位于中间机械结构左右两端，驱动传递梁一端与左、右机械结构相连接，另一端与所述驱动转向机构相连接；所述驱动转向机构有四个，分别位于中间机械结构的左上、左下、右上、右下端，驱动转向机构一端与驱动传递梁相连接，另一端与所述第二敏感质量相连接，中端90度转角处通过互成90度的U型梁与固定锚点相连；所述第二敏感质量有两个，分别位于中间机械结构上端和下端；所述驱动耦合机构位于中间机械结构的中心，两个第二敏感质量通过驱动耦合机构相连接；所述驱动弹性梁有四个，分别位于第二敏感质量上端左侧、上端右侧、下端左侧和下端右侧；驱动弹性梁一端连接第二敏感质量，另一端连接固定锚点；所述驱动传递梁，驱动转向机构，驱动耦合机构和驱动弹性梁均与所述固定锚点相连接。

进一步地，所述下层玻璃衬底包括金属电容极板、锚点键合点、信号引线和信号电极；所述电容极板包括第一敏感质量正下方的第一电容极板，以及第二敏感质量正下方的第二电容极板；所述锚点键合点包括公共键合点、地键合点、梳齿键合点和敏感电极键合点；所述信号引线的一端与锚点键合点相连，另一端与信号电极相连；所述信号电极包括驱动电极、驱动检测电极、x轴敏感电极、y轴敏感电极、z轴敏感电极、公共载波电极和地电极。

进一步地，外部驱动电路在驱动电极施加带直流偏置的交流信号，在公共电极施加高频载波信号；通过驱动框架带动敏感质量实现X轴的简谐驱动，通过转向框架将X轴简谐驱动转化为敏感质量的Y轴简谐驱动，从而实现不同敏感质量X、Y两个方向的驱动速度。

进一步地，x轴敏感电极，y轴敏感电极，z轴敏感电极通过信号引线连接到金属电容极板，当外界有角速度输入时，敏感质量受到科里奥利力而产生位移，从而实现变间距式电容差分检测。

当有Z轴角速度输入时，第一敏感质量受到Y轴方向哥氏力的作用，将沿着Y轴做简谐振动，通过左、右机械结构敏感电极，将敏感位移信号提取出来；当有Y轴角速度输入时，第一敏感质量受到Z轴方向哥氏力的作用，将沿着Z轴做简谐振动，通过第一电容极板，将敏感位移信号提取出来；当有X轴角速度输入时，第二敏感质量受到Z轴方向哥氏力的作用，将沿着Z轴做简谐振动，通过第二电容极板，将敏感位移信号提取出来。

有益效果：本发明的三轴微陀螺仪具有优点：(1)设计了转向机构，利用音叉驱动效应，通过对左、右机械结构的X轴单一方向简谐驱动，实现其X轴的简谐运动和中间机械结构Y轴的简谐运动，实现了不同敏感质量X、Y两个方向的驱动速度，并保证了不同轴之间驱动频率的一致性；(2)采用双敏感质量设计和变间距式电容差分检测，敏感质量反相驱动，敏感信号差动输出，三个方向检测都是双质量差动检测，能够抑制温度，应力，加速度等共模干扰，增强抗干扰能力，增大输出信号，提高输出信号信噪比；(3)设计驱动梳齿以及驱动检测梳齿，有利于外部电路提取驱动位移，实现闭环稳定驱动；(4)设计公共载波电极，有利于外部电路利用调制解调技术提取敏感位移信号，增加陀螺仪的稳定性和可靠性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的左、右机械结构示意图；

图3是本发明的中间机械结构示意图；

图4是本发明的下层玻璃衬底结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，本发明的基于音叉驱动效应的三轴微陀螺仪，用于测量X、Y、Z轴方向输入的角速度，上层为使用单晶硅片制作的硅微陀螺仪结构，下层为玻璃衬底6，上层陀螺仪结构的锚点键合在下层玻璃衬底上。下层玻璃衬底上设有金属电容极板，信号引线与金属电极。上层陀螺仪结构包括左机械结构1，右机械结构2，中间机械结构3，上横梁4，下横梁5，短梁7-1a、7-1b、7-1c、7-1d、7-2a、7-2b、7-2c、7-2d，固定锚点8-1a、8-1b、8-1c、8-1d、8-2a、8-2b、8-2c、8-2d。左机械结构1和右机械结构2完全相同，分别位于陀螺仪结构的左侧和右侧，并且关于陀螺仪结构中轴线对称。中间机械结构3位于陀螺仪结构中心，左端与左机械结构相连接，右端与右机械结构相连接，并且关于陀螺仪结构中轴线对称。上横梁4分别与左、右机械结构的上端相连接，下横梁5分别与左、右机械结构的下端相连接。短梁8-1a、8-1b位于上横梁的左右两端，短梁8-1d、8-1c位于下横梁的左右两端，短梁8-2a、8-2b位于上横梁中部上端，短梁8-2c、8-2d位于下横梁中部下端，并与固定锚点8-1a、8-1b、8-1d、8-1c、8-2a、8-2b、8-2c、8-2d相连接。

如图2所示，左机械结构1包括驱动框架1-1，第一连接梁1-2a、1-2b、1-2c、1-2d，第一敏感质量1-3，第二连接梁1-4a、1-4b，活动驱动梳齿1-5a、1-5b、1-5c、1-5d，固定驱动梳齿1-6a、1-6b、1-6c、1-6d，敏感电极1-7a、1-7b、1-8a、1-8b，敏感弹性梁1-9a、1-9b、1-9c、1-9d和固定锚点1-10a、1-10b、1-10c、1-10d。第一连接梁1-2a、1-2b设在驱动框架1-1的外部上端左右两侧，分别与上横梁4连接，第一连接梁1-2c、1-2d设在驱动框架的外部下端左右两侧，分别与下横梁5连接。第一敏感质量1-3位于驱动框架内部，第二连接梁1-4a、1-4b设在驱动框架内部中端左右两侧，分别与第一敏感质量相连接。活动驱动梳齿1-5a、1-5b、1-5c、1-5d分别位于驱动框架外部左侧上、左侧下、右侧上、右侧下端，每排活动驱动梳齿有两个以上，且等间距垂直设在驱动框架上。固定驱动梳齿1-6a、1-6b、1-6c、1-6d固定在基座上，分别位于驱动框架外部左侧上、左侧下、右侧上、右侧下端，且与活动驱动梳齿对插。敏感电极1-7a、1-7b、1-8a、1-8b固定在基座上，分别位于第一敏感质量内部上端和内部下端。敏感电极由一块电容极板和一个固定锚点组成，电容极板与敏感质量在Z轴内平行放置，固定锚点与下层玻璃衬底相连接。敏感弹性梁1-9a、1-9b、1-9c、1-9d分别位于第一敏感质量左上角、左下角、右上角、右下角，每组敏感弹性梁有两个U型梁组成；敏感弹性梁一端连接第一敏感质量，另一端连接固定锚点1-10a、1-10b、1-10c、1-10d。

右机械结构与左机械结构完全相同。

如图3所示，中间机械结构包括驱动传递梁3-1a、3-1b，驱动转向机构3-2a、3-2b、3-2c、3-2d，第二敏感质量3-3a、3-3b，驱动耦合机构3-4，驱动弹性梁3-5a、3-5b、3-5c、3-5d和固定锚点3-6a、3-6b、3-6c、3-6d、3-7a、3-7b、3-7c、3-7d、3-8a、3-8b、3-9a、3-9b、3-9c、3-9d。驱动传递梁3-1a一端与左机械结构1相连接，另一端与驱动转向机构3-2a、3-2b相连接，中端通过U型梁与固定锚点3-6a、3-6b相连接。驱动传递梁3-1b一端与右机械结构2相连接，另一端与驱动转向机构3-2c、3-2d相连接，中端通过U型梁与固定锚点3-6c、3-6d相连接。驱动转向机构3-2a、3-2b、3-2c、3-2d分别位于中间机械结构的左上、左下、右上、右下端，驱动转向机构3-2a一端与驱动传递梁3-1a相连接，另一端与第二敏感质量3-3a相连接，90度转角处通过互成90度的U型梁与固定锚点3-7a相连；驱动转向机构3-2b一端与驱动传递梁3-1b相连接，另一端与第二敏感质量3-3a相连接；90度转角处通过互成90度的U型梁与固定锚点3-7b相连；驱动转向机构3-2c一端与驱动传递梁3-1b相连接，另一端与所述第二敏感质量3-3b相连接；90度转角处通过互成90度的U型梁与固定锚点3-7c相连；驱动转向机构3-2d一端与驱动传递梁3-1a相连接，另一端与所述第二敏感质量3-3b相连接；90度转角处通过互成90度的U型梁与固定锚点3-7d相连。第二敏感质量3-3a、3-3b分别位于中间机械结构上端和下端，关于水平X轴对称。驱动耦合机构3-4位于中间机械结构的中心，由四个多折U型梁，两个直梁以及中心连接块组成，中心连接块通过直梁与固定锚点3-8a、3-8b相连接。第二敏感质量3-3a、3-3b通过驱动耦合机构相互连接。驱动弹性梁3-5a、3-5b位于第二敏感质量上端左侧和右侧，驱动弹性梁3-5d、3-5c位于第二敏感质量下端左侧和右侧。驱动弹性梁3-5a的一端连接敏感质量3-3a，另一端连接固定锚点3-9a。驱动弹性梁3-5b的一端连接敏感质量3-3a，另一端连接固定锚点3-9b。驱动弹性梁3-5c的一端连接敏感质量3-3b，另一端连接固定锚点3-9c。驱动弹性梁3-5d的一端连接敏感质量3-3b，另一端连接固定锚点3-9d。

如图4所示，下层玻璃衬底6包括电容极板，锚点键合点，信号引线以及信号电极。电容极板包括第一电容极板6-1a、6-1b和第二电容极板6-2a、6-2b。第一电容极板位于第一敏感质量正下方投影处；第二电容极板位于第二敏感质量正下方投影处。锚点键合点是上层硅结构锚点和下层玻璃衬底键合的区域，包括正驱动活动梳齿键合点6-3a、6-3b，负驱动活动梳齿键合点6-3c、6-3d，正驱动检测活动梳齿键合点6-4a、6-4b，负驱动检测活动梳齿键合点6-4c、6-4d，z轴敏感正电极键合点6-5a、6-5b、6-5c、6-5d，z轴敏感负电极键合点6-6a、6-6b、6-6c、6-6d，公共键合点6-7，地键合点6-8。信号引线的一端与锚点键合点相连，另一端与信号电极相连。信号电极包括驱动正电极6-9，驱动负电极6-10，驱动检测正电极6-11，驱动检测负电极6-12，x轴敏感正电极6-13，x轴敏感负电极6-14，y轴敏感正电极6-15，y轴敏感负电极6-16，z轴敏感正电极6-17，z轴敏感负电极6-18，公共载波电极6-19和地电极6-20。

本发明的基于音叉驱动效应的三轴微陀螺仪的工作原理：

在驱动正电极6-9施加带直流偏置的正相交流驱动电压，在驱动负电极6-10施加带直流偏置的反相交流驱动电压，产生交变的单边静电驱动力。左机械结构驱动框架和右机械结构驱动框架在X轴实现反相简谐振动。在公共载波电极6-19施加高频载波信号，在地电极6-20接地。外部驱动电路提取驱动检测正电极6-11和驱动检测负电极6-12的驱动位移信号，通过外部电路及算法可以实现闭环驱动。

当陀螺仪实现闭环驱动时，左机械结构第一敏感质量与右机械结构第一敏感质量实现X轴反相简谐运动。驱动位移通过驱动传递梁3-1a、3-1b作用于转向框架3-2a、3-2b、3-2c、3-2d使其扭转，实现中间机械结构第二敏感质量3-3a与3-3b的Y轴反相简谐运动。通过单一方向驱动，实现了第一敏感质量X轴方向的简谐运动以及第二敏感质量Y轴方向的简谐运动。

当有Z轴角速度输入时，第一敏感质量受到Y轴方向哥氏力的作用，将沿着Y轴做简谐振动。通过左、右机械结构敏感电极1-7a、1-7b、1-8a、1-8b将敏感位移信号提取出来。当有Y轴角速度输入时，第一敏感质量受到Z轴方向哥氏力的作用，将沿着Z轴做简谐振动。通过第一电容极板6-2a、6-2b将敏感位移信号提取出来。当有X轴角速度输入时，第二敏感质量受到Z轴方向哥氏力的作用，将沿着Z轴做简谐振动。通过第二电容极板6-1a、6-1b将敏感位移信号提取出来。

如上所述，尽管使用特定实例已经表述了本发明，但是其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求书定义的本发明精神和范围前提下，可对其在形式和细节内容上做出各种变化，这些变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于音叉驱动效应的三轴微陀螺仪，其特征在于：包括上层陀螺仪结构和下层玻璃衬底；

所述陀螺仪结构包括左机械结构、右机械结构、中间机械结构、上横梁、下横梁、短梁和锚点；所述左机械结构、中间机械结构和右机械结构依次相连接，且关于陀螺仪结构中轴线对称；所述上横梁分别与左、右机械结构的上端相连接，下横梁分别与左、右机械结构的下端相连接；所述短梁分别位于上、下横梁的左右两端、上横梁中部上端以及下横梁中部下端，并与所述锚点相连接；

所述下层玻璃衬底上设有金属电容极板、信号引线与金属电极；

所述上层陀螺仪结构的锚点键合在下层玻璃衬底上。

2.根据权利要求1所述的基于音叉驱动效应的三轴微陀螺仪，其特征在于：所述左机械结构与右机械结构完全相同。

3.根据权利要求1所述的基于音叉驱动效应的三轴微陀螺仪，其特征在于：所述左/右机械结构包括驱动框架，第一连接梁，第一敏感质量，第二连接梁，活动驱动梳齿，固定驱动梳齿，敏感电极，敏感弹性梁和固定锚点；

所述第一连接梁有四个，其中两个设在驱动框架的外部上端左右两侧，与上横梁连接，另外两个设在驱动框架的外部下端左右两侧，与下横梁连接；

所述第一敏感质量位于驱动框架内部；

所述第二连接梁有两个，设在驱动框架内部中端左右两侧，与第一敏感质量相连接；

所述活动驱动梳齿共四排，分别位于驱动框架外部左侧上、左侧下、右侧上、右侧下，每排活动驱动梳齿有两个以上，且等间距垂直设在驱动框架上；

所述固定驱动梳齿固定在基座上，共四排，分别位于驱动框架外部左侧上、左侧下、右侧上、右侧下，且与活动驱动梳齿对插；

所述敏感电极固定在基座上，共两对，分别位于第一敏感质量内部上端和内部下端，每对敏感电极相互平行；

所述敏感弹性梁共四组，分别位于第一敏感质量左上角、左下角、右上角、右下角，每组敏感弹性梁由两个U型梁组成，敏感弹性梁一端连接第一敏感质量，另一端连接固定锚点。

4.根据权利要求1所述的基于音叉驱动效应的三轴微陀螺仪，其特征在于：所述中间机械结构包括驱动传递梁，驱动转向机构，第二敏感质量，驱动耦合机构，驱动弹性梁和固定锚点；

所述驱动传递梁有两个，位于中间机械结构左右两端，驱动传递梁一端与左、右机械结构相连接，另一端与所述驱动转向机构相连接；

所述驱动转向机构有四个，分别位于中间机械结构的左上、左下、右上、右下端，驱动转向机构一端与驱动传递梁相连接，另一端与所述第二敏感质量相连接，中端90度转角处通过互成90度的U型梁与固定锚点相连；

所述第二敏感质量有两个，分别位于中间机械结构上端和下端；

所述驱动耦合机构位于中间机械结构的中心，两个第二敏感质量通过驱动耦合机构相连接；

所述驱动弹性梁有四个，分别位于第二敏感质量上端左侧、上端右侧、下端左侧和下端右侧；驱动弹性梁一端连接第二敏感质量，另一端连接固定锚点；

所述驱动传递梁，驱动转向机构，驱动耦合机构和驱动弹性梁均与所述固定锚点相连接。

5.根据权利要求1所述的基于音叉驱动效应的三轴微陀螺仪，其特征在于：所述下层玻璃衬底包括金属电容极板、锚点键合点、信号引线和信号电极；

所述电容极板包括第一敏感质量正下方的第一电容极板，以及第二敏感质量正下方的第二电容极板；

所述锚点键合点包括公共键合点、地键合点、梳齿键合点和敏感电极键合点；

所述信号引线的一端与锚点键合点相连，另一端与信号电极相连；

所述信号电极包括驱动电极、驱动检测电极、x轴敏感电极、y轴敏感电极、z轴敏感电极、公共载波电极和地电极。

6.根据权利要求1所述的基于音叉驱动效应的三轴微陀螺仪，其特征在于：外部驱动电路在驱动电极施加带直流偏置的交流信号，在公共电极施加高频载波信号；通过驱动框架带动敏感质量实现X轴的简谐驱动，通过转向框架将X轴简谐驱动转化为敏感质量的Y轴简谐驱动，从而实现不同敏感质量X、Y两个方向的驱动速度。

7.根据权利要求1所述的基于音叉驱动效应的三轴微陀螺仪，其特征在于：x轴敏感电极，y轴敏感电极，z轴敏感电极通过信号引线连接到金属电容极板，当外界有角速度输入时，敏感质量受到科里奥利力而产生位移，从而实现变间距式电容差分检测。