電容式微機械陀螺的製作方法

2023-07-06 23:26:56 1

專利名稱：電容式微機械陀螺的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電容式微機械陀螺。
背景技術：
電容式微機械陀螺採用矽基半導體工藝製作，具有體積小、可靠度高、可批量製造等特點，可用於飛機、飛彈、汽車等運動物體的角速度測量、姿態穩定等。微機械陀螺都是基於科裡奧裡力檢測角速度的，包含兩個相互垂直的工作模態驅動模態與敏感模態。
參照圖2，文獻「Micromachined z-axis vibratory gyroscope，US Patent 5992233」介紹了美國伯克利大學的William A.Clark基於上述原理的一種z軸電容式微機械陀螺，在該陀螺中，慣性質量平板框架22由兩根框架梁24，兩根檢測梳齒梁26，一根驅動梳齒梁28共同構成。驅動梳齒梁28在各個自由度具有較大的剛度，在陀螺工作過程中不發生變形，其兩側分別伸出一組橫截面為矩形的梳齒狀懸臂梁即驅動梳齒30，梳齒30與框架內的驅動施力電極32上伸出的驅動電極梳齒34交疊構成變面積的梳齒驅動電容對36，且梳齒之間的間距相等，用於產生沿著驅動方向的靜電力維持慣性質量平板框架22的振動。兩根檢測梳齒梁26同樣具有較大的剛度且不發生變形，其兩側分別伸出一組梳齒，其中位於框架內部的驅動檢測梳齒38和驅動檢測電極40上伸出的驅動電極梳齒42交疊構成變面積的梳齒驅動檢測電容對44，用於檢測慣性質量平板22的運動狀態；位於框架外部的檢測梳齒46和左變間距梳齒48.1以及右變間距梳齒48.1構成變間距的敏感電容對50，用於敏感科裡奧裡力所引起的電容變化。慣性質量平板框架22由四組驅動彎曲梁52，敏感彎曲梁54以及兩根無變形連接梁56共同支撐形成可動結構，敏感彎曲梁54通過錨點60固連於基體上。
此陀螺工作時，驅動施力電容對36將產生適當的靜電力保持慣性質量平板框架22在x方向穩幅穩頻振動即驅動模態運動，此時驅動彎曲梁52發生彎曲，其它梁不發生變形。當z軸有一角速度Ω輸入時，受科裡奧裡力作用慣性質量平板框架22在y方向產生位移，形成敏感模態的運動，此時敏感彎曲梁54發生彎曲變形，並導致敏感電容對50的電容值發生變化，通過敏感該電容變化即可測得輸入角速度Ω。
但是，此陀螺在工作中，慣性質量平板框架22在敏感模態的運動使得驅動梳齒電容對36和驅動檢測梳齒電容對44中的梳齒間距不再相等，導致驅動模態的驅動力在檢測方向有一個分量，幹擾陀螺有效信號的檢測。這種驅動模態和敏感模態的相互耦合還將導致其它誤差項，是陀螺設計必須解決的一個問題。William Clark是通過在敏感模態方向上慣性質量平板框架22的兩側設置了四個擋塊58來限制慣性質量平板框架22在敏感方向的位移量，同時還從信號處理的角度設計了相應的誤差抑制電路，但是此方法並沒有從本質上消除驅動模態與敏感模態之間的耦合，僅僅是在一定程度上減弱了此交叉耦合的影響。因此，若能從結構設計上對模態之間的耦合進行完全消除，則可以避免相應的誤差抑制電路設計，降低陀螺的成本和體積。

發明內容
為克服現有技術中不能實現驅動模態與檢測模態解耦的不足，本發明提出一種電容式微機械陀螺，利用其特殊的解耦梁結構，可以解決現有技術驅動模態和敏感模態之間的耦合問題。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種電容式微機械陀螺，包括慣性質量平板框架22、檢測梳齒46、左變間距梳齒48.1、右變間距梳齒48.2、驅動彎曲梁52、敏感彎曲梁54以及無變形連接梁56，慣性質量平板框架22通過四根驅動彎曲梁52分別與兩根無變形連接梁56連接，再由四根敏感彎曲梁54通過錨點60固連於基體，慣性質量平板框架22的外側分別伸出一組檢測梳齒46，左變間距梳齒48.1和右變間距梳齒48.2等距離位於檢測梳齒46兩側構成變間距的敏感電容對50，並通過錨點固定在基體上，其特徵在於兩根驅動梳齒梁28分別連接在內驅動彎曲梁72上，內驅動彎曲梁72固定在內錨點96上，連接在驅動梳齒梁28上的內敏感彎曲梁74的另一端與慣性質量平板框架22相連；驅動梳齒梁28的兩側分別伸出一組驅動梳齒30，驅動梳齒30與驅動施力電極32上伸出的驅動檢測梳齒34交疊構成變面積的驅動施力電容對36，驅動梳齒30與驅動檢測電極40上伸出的驅動檢測梳齒42交疊構成變面積的驅動檢測電容對44；驅動施力電極32和驅動檢測電極40均通過錨點固定在基體上。
所述慣性質量平板框架22由兩根框架梁24，兩根檢測梳齒梁26首尾固連構成。
所述內驅動彎曲梁72和內敏感彎曲梁74的長度大於其寬度。
本發明的有益效果是由於採用解耦梁結構，可實現陀螺驅動模態與敏感模態之間的解耦。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。


圖1是本發明的結構示意2是現有技術的結構示意中，22-慣性質量平板框架，24-框架梁，26-檢測梳齒梁，28-驅動梳齒梁，30-驅動梳齒，32-驅動施力電極，34-驅動電極梳齒，36-梳齒驅動電極對，38-驅動檢測梳齒，40-驅動檢測電極，42-驅動電極梳齒，44-驅動檢測電極對，46-檢測梳齒，48.1-左變間距梳齒，48.2-右變間距梳齒，50-變間距敏感電容對，52-驅動彎曲梁，54-敏感彎曲梁，56-無變形連接梁，58-擋塊，60-錨點，72-內驅動彎曲梁，74-內敏感彎曲梁，96-內錨點。
具體實施例方式
參照圖1，本發明所述慣性質量平板框架22由兩根框架梁24，兩根檢測梳齒梁26首尾固連共同構成。而在慣性質量平板框架22內部，兩根驅動梳齒梁28分別連接在內驅動彎曲梁72上，內驅動彎曲梁72固定在內錨點96上，連接在驅動梳齒梁28上的內敏感彎曲梁74的另一端與慣性質量平板框架22相連。驅動梳齒梁28具有較大的寬度和剛度，在陀螺工作過程中可認為不發生變形。內驅動彎曲梁72和內敏感彎曲梁74的長度遠大於其寬度，一般在10倍以上，即梁在x-y平面內的彎曲剛度遠小於其軸向的變形剛度，在陀螺工作過程中，內驅動彎曲梁72和內敏感彎曲梁74僅在x-y平面內發生彎曲變形而不改變其軸向長度。驅動梳齒梁28的兩側分別伸出一組驅動梳齒30，驅動梳齒30與驅動施力電極32上伸出的驅動檢測梳齒34交疊構成變面積的驅動施力電容對36，驅動梳齒30與驅動檢測電極40上伸出的驅動檢測梳齒42交疊構成變面積的驅動檢測電容對44。驅動施力電極32和驅動檢測電極40均通過錨點固定在基體上；兩根檢測梳齒梁26上向外側伸出的檢測梳齒46與左變間距梳齒48.1以及右變間距梳齒48.2構成變間距的敏感電容對50，並通過錨點固定在基體上，用於敏感由科裡奧裡力所引起的電容變化。慣性質量平板框架22由四根驅動彎曲梁52、四根敏感彎曲梁54、四根內驅動彎曲梁72、四根內敏感彎曲梁74以及兩根無變形連接梁56共同支撐形成可動結構。敏感彎曲梁54通過錨點60固連於基體，內驅動彎曲梁72通過內錨點96固連於基體，同時內錨點96在慣性質量平板框架22內部還起擋塊作用，用來限制結構在敏感方向的位移，保護檢測梳齒46結構。
解耦梁結構由驅動彎曲梁52、敏感彎曲梁54、內驅動彎曲梁72以及內敏感彎曲梁74構成，當陀螺工作時，驅動施力電容對36將產生適當的靜電力保持慣性質量平板框架22在x方向穩幅穩頻振動，即驅動模態運動，此時驅動彎曲梁52、內驅動彎曲梁72同時發生彎曲，其它梁不發生變形，從而消除了驅動模態對敏感模態的耦合。當繞z軸有一角速度Ω輸入時，受科裡奧裡力作用慣性質量平板框架22在y方向產生位移，形成敏感模態的運動，此時敏感彎曲梁54、內敏感彎曲梁74同時發生彎曲變形，而內驅動彎曲梁72因為具有相對無窮大的軸向剛度，所以將驅動梳齒梁28在y方向的運動限制為零，這將保證僅有敏感電容對50的電容值發生變化，通過檢測該電容變化即可測得輸入角速度Ω，從而成功地消除了敏感模態對驅動模態的耦合。
敏感模態上變間距的敏感電容對50採用勻置變間距敏感電容對結構，其中定齒分為兩組，即左變間距梳齒48.1和右變間距梳齒48.2，左變間距梳齒48.1和右變間距梳齒48.2在電學連接上是分離的，且一般地具有相反電位。檢測梳齒46的初始位置與兩側定齒距離相等，當動齒發生位移時敏感電容形成差動輸出。
權利要求
1.一種電容式微機械陀螺，包括慣性質量平板框架(22)、檢測梳齒(46)、左變間距梳齒(48.1)、右變間距梳齒(48.2)、驅動彎曲梁(52)、敏感彎曲梁(54)以及無變形連接梁(56)，慣性質量平板框架(22)通過四根驅動彎曲梁(52)分別與兩根無變形連接梁(56)連接，再由四根敏感彎曲梁(54)通過錨點(60)固連於基體，慣性質量平板框架(22)的外側分別伸出一組檢測梳齒(46)，左變間距梳齒(48.1)和右變間距梳齒(48.2)等距離位於檢測梳齒(46)兩側構成變間距的敏感電容對(50)，並通過錨點固定在基體上，其特徵在於兩根驅動梳齒梁(28)分別連接在內驅動彎曲梁(72)上，內驅動彎曲梁(72)固定在內錨點(96)上，連接在驅動梳齒梁(28)上的內敏感彎曲梁(74)的另一端與慣性質量平板框架(22)相連；驅動梳齒梁(28)的兩側分別伸出一組驅動梳齒(30)，驅動梳齒(30)與驅動施力電極(32)上伸出的驅動檢測梳齒(34)交疊構成變面積的驅動施力電容對(36)，驅動梳齒(30)與驅動檢測電極(40)上伸出的驅動檢測梳齒(42)交疊構成變面積的驅動檢測電容對(44)；驅動施力電極(32)和驅動檢測電極(40)均通過錨點固定在基體上。
2.根據權利要求1所述的電容式微機械陀螺，其特徵在於所述慣性質量平板框架(22)由兩根框架梁(24)，兩根檢測梳齒梁(26)首尾固連構成。
3.根據權利要求1所述的電容式微機械陀螺，其特徵在於所述內驅動彎曲梁(72)和內敏感彎曲梁(74)的長度大於其寬度。
全文摘要
本發明公開了一種電容式微機械陀螺，用來解決現有技術中不能實現驅動模態與檢測模態的解耦問題，其特徵在於兩根驅動梳齒梁(28)分別與固定在內錨點(96)上的內驅動彎曲梁(72)和連接在慣性質量平板框架(22)上的內敏感彎曲梁(74)相連；驅動梳齒梁(28)的兩側分別伸出一組驅動梳齒(30)，與驅動施力電極(32)上伸出的驅動檢測梳齒(34)交疊構成變面積的驅動施力電容對(36)，與驅動檢測電極(40)上伸出的驅動檢測梳齒(42)交疊構成變面積的驅動檢測電容對(44)；驅動施力電極(32)和驅動檢測電極(40)均通過錨點固定在基體上。由於本發明採用了解耦梁結構，可實現陀螺驅動模態與敏感模態之間的解耦。
文檔編號G01C19/574GK1749693SQ20051009622
公開日2006年3月22日 申請日期2005年10月24日 優先權日2005年10月24日
發明者苑偉政, 常洪龍, 謝建兵, 蔣慶華 申請人:西北工業大學