一種三軸微機械陀螺儀的製作方法

2023-05-14 14:11:41 2

專利名稱：一種三軸微機械陀螺儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種微機械陀螺儀，尤其涉及一種單驅動三軸檢測的單結構三軸微機械陀螺儀。屬於微機電系統(MEMS)領域。
背景技術：
微機械陀螺儀是基於微機電系統技術的慣性器件，可用於測量物體運動的角速度，由於它採用MEMS技術設計和製作，因此具有體積小、質量輕、適合大批量生產和價格低廉的特點，因此在消費電子產品，如數位相機圖像穩定、遊戲機運動控制、智慧型手機、掌上電腦和微導航儀等新興產業上得到應用。微機械陀螺儀包括驅動部分和檢測部分，通過驅動和檢測運動的耦合作用實現對 運動角速度的測量，因此其設計和製作具有一定的複雜性，而實現高集成的三軸陀螺儀將更加困難。目前單軸陀螺儀的設計和製作技術已經成熟，而三軸陀螺儀相對發展滯後，一般是多個單軸或兩軸陀螺儀正交裝配，或者將多個陀螺儀集成在單個基板上來實現，但這些都不能滿足消費電子產品對陀螺儀小型化的要求，隨著市場的發展，新興產業的帶動，單結構高集成度微機械三軸陀螺儀必然會迎來快速發展的時代。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的上述不足，提供一種三軸微機械陀螺儀，該陀螺儀結構緊湊、製作工藝簡單、成本低廉、具有較高性能，能實現良好的測量精度和靈敏度。本發明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現的一種三軸微機械陀螺儀，包括基板和固定安裝在基板上的陀螺儀主體，其中陀螺儀主體包括平面檢測單元和z軸檢測單元，平面檢測單元包括第一支撐梁、聯動梁、驅動電極和第一質量塊，其中第一質量塊包括兩個沿I軸分布的X軸檢測質量塊xl、X2和兩個沿X軸分布的y軸檢測質量塊yl、y2，且所述四個質量塊以基板中心點對稱分布，聯動梁與支撐梁均為四個，均依次將X軸檢測質量塊xl、y軸檢測質量塊yl、x軸檢測質量塊χ2和y軸檢測質量塊12連接，驅動電極為四個，分別與四個第一質量塊連接，此外基板上對應第一質量塊的位置製作金屬層，形成平面檢測下電極；z軸檢測單元由八個模塊組成，其中四個模塊a、b、C、d沿y軸在x軸檢測質量塊xl、x2兩側分布,剩餘四個模塊e、f、g、h沿x軸在I軸檢測質量塊yl、y2兩側分布，每個模塊包括第二支撐梁、解耦梁、驅動梁、第二質量塊和檢測電極，其中驅動梁一端連接第一質量塊，另一端連接第二質量塊，解耦梁分別連接第二質量塊和檢測電極，第二支撐梁連接檢測電極。在上述三軸微機械陀螺儀中，第一支撐梁包括內支撐梁和外支撐梁，其中內支撐梁兩端分別連接相鄰的X軸檢測質量塊和I軸檢測質量塊的內端，外支撐梁兩端分別連接相鄰的X軸檢測質量塊和I軸檢測質量塊的外端。在上述三軸微機械陀螺儀中，內支撐梁和外支撐梁的拐角處焊接在基板上。在上述三軸微機械陀螺儀中，驅動電極包括固定電極和可動電極，固定電極固置在基板上，可動電極與第一質量塊連接。在上述三軸微機械陀螺儀中，檢測電極包括檢測固定電極和檢測活動電極，檢測固定電極固置在基板上，檢測活動電極連接第二支撐梁和解耦梁。在上述三軸微機械陀螺儀中，驅動梁為z字型梁或H型梁。在上述三軸微機械陀螺儀中，第一質量塊和第二質量塊上布置有孔。本發明與現有技術相比具有如下有益效果
(I)本發明陀螺儀為單結構微機械三軸陀螺儀，三軸通過相同驅動實現，平面檢測採用變間隙電容檢測，z軸檢測採用線振動梳齒電容檢測，由於在單個結構上實現了三個軸向檢測模塊的集成，使其結構緊湊，可大幅減小陀螺儀體積和重量，使陀螺儀具有較廣的應用範圍；(2)本發明陀螺儀採用電容差模檢測，增大了檢測信號輸出，同時抑制了噪聲幹擾，能實現良好的測量精度和靈敏度，(3)本發明陀螺儀製作工藝簡單、成本低廉、具有較高性能，適合大批量生產。


圖I為本發明單結構微機械三軸陀螺儀的立體結構示意圖；圖2為本發明單結構微機械三軸陀螺儀結構層的示意圖；圖3為本發明單結構微機械三軸陀螺儀結構層沿A-A剖面圖；圖4為本發明單結構微機械三軸陀螺儀基板的主視圖；圖5為本發明單結構微機械三軸陀螺儀驅動和z軸檢測運動示意圖；圖6為本發明單結構微機械三軸陀螺儀平面檢測運動示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細的描述如圖I所示為本發明單結構微機械三軸陀螺儀的立體結構示意圖，三軸陀螺儀包括基板I和固定安置在基板I上的陀螺儀結構2，陀螺儀結構2位於基板I的中央部位，陀螺儀結構2為中部通孔結構，包括平面檢測單元和z軸檢測單元，平面檢測單元和z軸檢測單元分布在結構層外圍，沿X軸和I軸方向對稱分布。如圖2所示為本發明單結構微機械三軸陀螺儀結構層的示意圖，由圖可知平面檢測單元包括第一支撐梁3、聯動梁4、驅動電極13和第一質量塊5 ;其中第一質量塊5包括兩個沿I軸分布的X軸檢測質量塊xl、χ2和兩個沿X軸分布的y軸檢測質量塊yl、y2，平面X軸檢測質量塊xl、x2外形相同，在平面I軸上以基板中心點對稱分布，平面y軸檢測質量塊yl、y2外形相同，在平面X軸上以基板中心點對稱分布。第一支撐梁3包括內支撐梁3b和外支撐梁3a，其中四個內支撐梁3b兩端依次連接質量塊xl、yl的內端，質量塊yl、x2的內端,質量塊x2、y2的內端，質量塊y2、xl的內端；四個外支撐梁3a兩端依次連接質量塊xl、yl的外端，質量塊yl、x2的外端，質量塊x2、y2的外端，質量塊y2、xl的外端。支撐梁3b和外支撐梁3a的拐角處焊接在基板I上。聯動梁4有四個，為直梁或摺疊直梁，均勻分布於結構內部，連接平面X軸檢測質量塊和I軸檢測質量塊，如圖2所示，依次將X軸檢測質量塊xl、y軸檢測質量塊yl、x軸檢測質量塊x2和y軸檢測質量塊y2連接。驅動電極13在平面檢測結構的內部，分別沿X軸和y軸方向均勻分布，並沿X軸和y軸以基板中心呈對稱分布。驅動電極13包括固定電極13a和可動電極13b，固定電極13a固置在基板I上，可動電極13b與第一質量塊5連接。z軸檢測單元由八個模塊組成，模塊外形相同，其中四個模塊a、b、c、d沿y軸在x軸檢測質量塊xl、x2兩側分布,剩餘四個模塊e、f、g、h沿X軸在Y軸檢測質量塊yl、y2兩側分布，每個模塊包括第二支撐梁6、解耦梁7、驅動梁8、第二質量塊9和檢測電極ll，z軸檢測單元通過驅動梁8將第二質量塊9與平面檢測單元的第一質量塊5連接，驅動梁8為z字型梁或H型梁，其一端連接第二質量塊9，另一端連接第一質量塊5。檢測電極11包括檢測固定電極I Ib和檢測活動電極I la，檢測固定電極I Ib固置在基板I上，解耦梁7連接第二質量塊9和檢測活動電極11a，第二支撐梁6連接檢測活動電極11a。與X軸檢測質量塊xl、x2連接的z軸檢測結構檢測電極沿y軸方向布置，與y軸 檢測質量塊yl、y2連接的z軸檢測結構檢測電極沿X軸方向布置。如圖3所示為本發明單結構微機械三軸陀螺儀結構層沿A-A剖面圖。此外基板I上對應第一質量塊5的位置製作金屬層，形成平面檢測下電極10，如圖4所示為本發明單結構微機械三軸陀螺儀基板的主視圖。平面檢測單元的第一質量塊5和z軸檢測單元的第二質量塊9上布置有孔12。本發明單結構微機械三軸陀螺儀，採用單驅動設計，其驅動運動如圖5所示，X軸和I軸質量塊5做相向和相背運動，且X軸質量塊xl、x2相向運動時，y軸質量塊yl、y2相背運動，X軸質量塊xl、χ2相背運動時，y軸質量塊yl、y2相向運動，z軸檢測單元的第二質量塊9與相連接的平面檢測單元的第一質量塊5 —起運動。假設驅動運動速度為V，根據陀螺儀工作原理，當X、y或z軸有角速度w(wx, wy, wz)輸入時,各軸質量塊哥氏加速度X 軸ax = 2vXwx y 軸ay = 2vXwy z 軸az = 2vXwzX軸和y軸哥氏加速度沿z軸方向，且兩質量塊做差模運動，z軸哥氏加速度沿x軸和I軸方向，因此X軸和I軸檢測電容由於第一質量塊5在z軸運動而產生相應的變化，z軸檢測電容由於第二質量塊9在水平面X軸和y軸的運動而產生相應的變化。本發明三軸微機械陀螺儀整體結構採用單驅動設計，採用梳齒電極驅動。平面X軸和I軸通過變間隙平板電容檢測，Z軸通過梳齒電容檢測。X軸和I軸結構各有兩個,分別在I軸和X軸上對稱分布，z軸結構有八個，對稱分布在X軸和I軸結構的兩側。X、y和Z軸分別實現了驅動和檢測的解耦。以上所述，僅為本發明最佳的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員的公知技術。
權利要求
1.一種三軸微機械陀螺儀，其特徵在於包括基板(I)和固定安裝在基板(I)上的陀螺儀主體(2)，其中陀螺儀主體(2)包括平面檢測單元和Z軸檢測單元，所述平面檢測單元包括第一支撐梁(3)、聯動梁(4)、驅動電極(13)和第一質量塊(5)，其中第一質量塊(5)包括兩個沿I軸分布的X軸檢測質量塊(xl、χ2)和兩個沿X軸分布的y軸檢測質量塊(yl、y2)，且所述四個質量塊以基板(I)中心點對稱分布，聯動梁(4)與支撐梁(3)均為四個，均依次將X軸檢測質量塊(xl)、y軸檢測質量塊(yl)、χ軸檢測質量塊(χ2)和y軸檢測質量塊(y2)連接，驅動電極(13)為四個，分別與四個第一質量塊(5)連接，此外基板⑴上對應第一質量塊(5)的位置製作金屬層，形成平面檢測下電極(10) ;2軸檢測單元由八個模塊組成，其中四個模塊(a、b、C、d)沿y軸在χ軸檢測質量塊(xl、x2)兩側分布，剩餘四個模塊(e、f、g、h)沿χ軸在y軸檢測質量塊(yl、y2)兩側分布，每個模塊包括第二支撐梁(6)、解耦梁(7)、驅動梁(8)、第二質量塊(9)和檢測電極(11)，其中驅動梁(8) —端連接第一質量塊(5)，另一端連接第二質量塊(9)，解耦梁(7)分別連接第二質量塊(9)和檢測電極(11)，第二支撐梁(6)連接檢測電極(11)。
2.根據權利要求I所述的一種三軸微機械陀螺儀，其特徵在於所述第一支撐梁(3)包括內支撐梁(3b)和外支撐梁(3a)，其中內支撐梁(3b)兩端分別連接相鄰的χ軸檢測質量塊和y軸檢測質量塊的內端，外支撐梁(3a)兩端分別連接相鄰的χ軸檢測質量塊和y軸檢測質量塊的外端。
3.根據權利要求2所述的一種三軸微機械陀螺儀，其特徵在於所述內支撐梁(3b)和外支撐梁(3a)的拐角處焊接在基板(I)上。
4.根據權利要求I所述的一種三軸微機械陀螺儀，其特徵在於所述驅動電極(13)包括固定電極(13a)和可動電極(13b)，固定電極(13a)固置在基板(I)上，可動電極(13b)與第一質量塊(5)連接。
5.根據權利要求I所述的一種三軸微機械陀螺儀，其特徵在於所述檢測電極(11)包括檢測固定電極(Ilb)和檢測活動電極(11a)，檢測固定電極(Ilb)固置在基板⑴上，檢測活動電極(Ila)連接第二支撐梁(6)和解耦梁(7)。
6.根據權利要求I所述的一種三軸微機械陀螺儀，其特徵在於所述驅動梁(8)為z字型梁或H型梁。
7.根據權利要求I所述的一種三軸微機械陀螺儀，其特徵在於所述第一質量塊(5)和第二質量塊(9)上布置有孔(12)。
全文摘要
本發明涉及一種三軸微機械陀螺儀，包括基板和固定安裝在基板上的陀螺儀主體，其中陀螺儀主體包括平面檢測單元和z軸檢測單元，平面檢測單元包括第一支撐梁、聯動梁、驅動電極和第一質量塊，z軸檢測單元由八個模塊組成，其中四個模塊沿x軸在y軸質量塊兩側分布，剩餘四個模塊沿y軸在x軸質量塊兩側分布，每個模塊包括第二支撐梁、解耦梁、驅動梁、第二質量塊和檢測電極，本發明整體結構採用單驅動設計，採用梳齒電極驅動，平面x軸和y軸通過變間隙平板電容檢測，z軸通過梳齒電容檢測，x、y和z軸分別實現了驅動和檢測的解耦，本發明陀螺儀結構緊湊、製作工藝簡單、成本低廉、具有較高性能，能實現良好的測量精度和靈敏度。
文檔編號G01C19/56GK102636162SQ20121008687
公開日2012年8月15日 申請日期2012年3月26日 優先權日2012年3月26日
發明者莊海涵, 張廷凱, 徐宇新, 王巍, 邢朝洋 申請人:北京航天時代光電科技有限公司