基於單質量塊的單軸集成慣性測量器件的製作方法

2023-05-29 01:40:01

專利名稱：基於單質量塊的單軸集成慣性測量器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及微機械電子技術，具體是一種基於單質量塊的單軸集成慣性測量器件。
背景技術：
目前，矽微慣性測量組合通常有兩種組合方式一種是通過機械裝配將6個單軸慣性傳感器(即3個加速度計和3個陀螺儀)按需要分別安裝在立方體的幾個正交面上，可稱為多片集成。其中各慣性傳感器比較獨立，可以根據需要靈活選用；但該方式不適於量產並且會因安裝造成各傳感器敏感軸不能完全正交，進而影響姿態解算；另一種則是通過一種微細加工工藝將所需的多個矽微慣性傳感器同時在矽片上加工出來，甚至可能將接口電路也集成在矽片上，可稱之為單片集成。單片集成的方式避免了複雜的機械組裝，還可以批量生產，同時所採用的微細加工工藝可以充分保障各個慣性傳感器之間的正交度.但該集成方式仍不夠成熟，研究主要集中在大學為主的科研機構中。
傳統測量某一方向線加速度和角加速度時，通常將兩個單軸的加速度計、陀螺儀組裝在一起構成單軸的慣性測量組合，這樣構成的單質量塊單軸集成慣性測量器件測量組合的機械精度和微小化程度都有所降低，同時，將一個加速度計和一個陀螺儀製作在一起，結構相對複雜，體積和質量相對大。

發明內容
本發明為了解決現有由一個加速度計和一個陀螺儀組裝成的微慣性測量組合(即單軸微慣性測量組合)存在結構相對複雜、體積和質量相對較大等問題，提供一種基於單質量塊的單軸集成慣性測量器件。並只以提供該器件的表頭硬體結構為目的，不涉及(公知的)輸出信號的後續處理及相應得處理電路。
本發明是採用如下技術方案實現的基於單質量塊的單軸集成慣性測量器件，包括質量塊、玻璃蓋底，質量塊通過支撐梁支懸於玻璃蓋底上方，質量塊由質量芯塊、和通過彈性梁分別與質量芯塊四邊相固定的四塊支撐體構成，Y向相對的支撐體外側固定有檢測活動梳齒，X向相對的支撐體外側固定有驅動活動梳齒，與檢測活動梳齒、驅動活動梳齒配合的檢測固定梳齒和驅動固定梳齒固定於玻璃蓋底上，質量芯塊的下端面與玻璃蓋底上對應地固定有構成平板電容的電極。
所述支撐梁為摺疊狀彈性梁，其端部設有用於將其與玻璃蓋底錨固的錨固塊。
使用時，將該測量器件固定於載體上，當載體受到沿Z方向的線加速度時，測量器件隨著載體在Z方向作線性運動，使得質量塊產生一個Z方向上的位移，從而引起質量芯塊的下端面和玻璃蓋底上的對應電極所構成的平板電容的電容值發生變化；同時，在驅動固定梳齒上加載交變的驅動電壓(即沿X方向加載靜電驅動力)，在驅動電壓作用下，質量塊沿X方向作簡諧振動，當載體受到沿Z方向角速度時，由於哥氏效應，便會產生一個沿Y方向的哥氏力，此時，質量塊便會沿Y方向的振動，產生位移，從而使得由檢測活動梳齒與檢測固定梳齒構成的梳齒電容的電容值發生變化，通過梳齒電容和平板電容的電容值的變化，通過後續信號處理得出Z向的加速度值和角速度值。
與現有技術相比，本發明採用由質量芯塊、和通過彈性梁分別與質量芯塊四邊相固定的四塊支撐體構成的質量塊結構，並將驅動梳齒與檢測梳齒分別對稱的分布於四個支撐體上，不但提高了測量靈敏度；同時，亦能將x、y、z三軸各自的運動對其它方向產生的影響降到最小，結構在Y方向運動時，X向支撐梁的變形可以忽略不計，可將它們看作是固定的錨點，而只考慮Y向兩支撐梁的變形；同理，當結構在X方向運動時，Y向兩支撐梁的變形可以忽略不計。可由本技術領域的技術人員通過仿真實驗和原理推導分析證實；再次，採用摺疊狀彈性梁作為支撐梁，使得各個方向的機械交叉耦合相對較小，並具有一定的應力釋放作用，有很高的綜合性能，提高了量程和線性度。單獨輸出、檢測加速度和角速度兩種信號，減小了兩種信號的分離難度，簡化了後續信號處理電路的設計。
本發明結構合理，易於加工，能同時敏感同方向上的加速度和角速度值，具有可靠性高、體積小、抗幹擾能力強、精度高、檢測向量平行和正交精度高等顯著特點，避免了因分立元件組合所帶來的各種不必要的誤差。實用價值較高。


圖1為本發明的結構示意圖；圖2為圖1的A-A剖面圖；圖3為本發明的結構立體示意圖；圖中1-玻璃蓋底；2-支撐梁；3-質量芯塊；4-支撐體；5-彈性梁；6-檢測活動梳齒；7-檢測固定梳齒；8-驅動活動梳齒；9-驅動固定梳齒；10-電極；11-錨固塊。
具體實施方法基於單質量塊的單軸集成慣性測量器件，包括質量塊、玻璃蓋底1，質量塊通過支撐梁2支懸於玻璃蓋底1上方，質量塊由質量芯塊3、和通過彈性梁5分別與質量芯塊3四邊相固定的四塊支撐體4構成，Y向相對的支撐體4外側固定有檢測活動梳齒6，X向相對的支撐體外側固定有驅動活動梳齒8，與檢測活動梳齒6、驅動活動梳齒8配合的檢測固定梳齒7和驅動固定梳齒9固定於玻璃蓋底1上，質量芯塊3的下端面與玻璃蓋底1上對應地固定有構成平板電容的電極10。所述支撐梁2為摺疊狀彈性梁，其端部設有用於將其與玻璃蓋底1錨固的錨固塊11。
具體實施時，質量芯塊3每邊和支撐體4通過兩個平行彈性梁5固定；質量塊的單個支撐體4通過對稱的四個支撐梁2支撐固定。
權利要求
1.一種基於單質量塊的單軸集成慣性測量器件，包括質量塊、玻璃蓋底(1)，質量塊通過支撐梁(2)支懸於玻璃蓋底(1)上方，其特徵在於質量塊由質量芯塊(3)、和通過彈性梁(5)分別與質量芯塊(3)四邊相固定的四塊支撐體(4)構成，Y向相對的支撐體(4)外側固定有檢測活動梳齒(6)，X向相對的支撐體外側固定有驅動活動梳齒(8)，與檢測活動梳齒(6)、驅動活動梳齒(8)配合的檢測固定梳齒(7)和驅動固定梳齒(9)固定於玻璃蓋底(1)上，質量芯塊(3)的下端面與玻璃蓋底(1)上對應地固定有構成平板電容的電極(10)。
2.根據權利要求1所述的基於單質量塊的單軸集成慣性測量器件，其特徵在於所述支撐梁(2)為摺疊狀彈性梁，其端部設有用於將其與玻璃蓋底(1)錨固的錨固塊(11)。
3.根據權利要求1或2所述的基於單質量塊的單軸集成慣性測量器件，其特徵在於質量芯塊(3)每邊和支撐體(4)通過兩個平行彈性梁(5)固定；質量塊的單個支撐體(4)通過對稱的四個支撐梁(2)支撐固定。
全文摘要
本發明涉及微機械電子技術，具體是一種基於單質量塊的單軸集成慣性測量器件。解決了現有單軸微慣性測量組合存在結構相對複雜、體積和質量相對較大等問題，包括質量塊、玻璃蓋底，質量塊通過支撐梁支懸於玻璃蓋底上方，質量塊由質量芯塊、和通過彈性梁分別與質量芯塊四邊相固定的四塊支撐體構成，Y向相對的支撐體外側固定有檢測活動梳齒，X向相對的支撐體外側固定有驅動活動梳齒，檢測固定梳齒和驅動固定梳齒固定於玻璃蓋底上，質量芯塊的下端面與玻璃蓋底上對應地固定有構成電容的電極。本發明結構合理，易於加工，具有可靠性高、體積小、抗幹擾能力強、精度高、檢測向量平行和正交精度高等顯著特點。
文檔編號G01P15/14GK101038299SQ200710061740
公開日2007年9月19日 申請日期2007年4月21日 優先權日2007年4月21日
發明者劉俊, 石雲波, 張文棟, 馬宗敏, 崔永俊, 薛晨陽, 楊玉華 申請人:中北大學