單結構三軸微機電陀螺儀的製作方法
2023-11-08 11:41:52 1
專利名稱：單結構三軸微機電陀螺儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種微機電陀螺儀，尤其涉及一種具有解耦特性的單結構三軸微機電陀螺儀，屬於微機電系統(MEMS)領域。
背景技術：
微機電陀螺儀是基於微機電系統的慣性器件，可用來測量運動物體的角速度。和傳統陀螺儀相比，微機電陀螺儀具有體積小，質量輕，價格低廉，更適合大批量生產等特點。 傳統陀螺儀，包括機械陀螺儀，雷射陀螺儀，光纖陀螺儀等等，一直廣範應用於飛行器穩定控制，武器導航制導，汽車安全等領域，由於這些陀螺儀體積大，成本高而不適合應用於消費類電子產品。近年來，隨著MEMS技術的發展，微機電陀螺儀正逐漸應用於消費類電子產品，如數位相機的圖像穩定，遊戲機的控制手柄，手機功能控制，以及和微加速度傳感器構成的微導航儀等。微機電陀螺儀主要由驅動部分和感應部分組成，由於其設計和製造的複雜性，目前市場上出現的多為一軸和二軸陀螺儀，三軸陀螺儀的應用一般是多個一軸或二軸陀螺儀的正交裝配，或者將多個陀螺儀集成在單個晶片上，這些都達不到消費電子類產品市場追求小型化的目的。開發單結構三軸陀螺儀，已經成為微機電陀螺儀研發的重要方向。本實用新型微機電陀螺儀採用單結構設計，整體收縮一擴張的驅動模式，電容式靜電驅動和電容差動輸出，結構緊促，減小了陀螺儀體積，適合大批量生產，可實現良好的測量精度和靈敏度。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種結構緊促、成本低廉、製作工藝簡單的單結構三軸微機電陀螺儀。此單結構三軸微陀螺儀具有較高品質因子，其各軸之間的信號耦合可在結構上得到抑制、而且各軸都可以實現驅動和檢測互相解耦。實現本實用新型上述目的所採用的技術方案為一種單結構三軸微機電陀螺儀， 它包括襯底、軸結構、十字連接器和臍帶，其中軸結構包括xz軸結構和y軸結構。所述的χζ 軸結構和ι軸結構在所述襯底上，所述的χζ軸結構用來測量χ軸角速度和ζ軸角速度，所述的XZ軸結構由兩組沿X軸對稱分布的XZ軸分結構組成；所述的y軸結構用來測量y軸角速度，所述的y軸結構由兩組沿y軸對稱分布的y軸分結構組成；所述的兩組χζ軸分結構和兩組y軸分結構內部通過十字連接器相連，所述的兩組XZ軸分結構和兩組y軸分結構外部通過4條臍帶依次連接。進一步的，所述兩組XZ軸分結構中的每一組xz軸分結構均包括xz軸質量塊、xz 軸驅動結構、X軸感應結構、Z軸感應結構、Z軸反饋結構和XZ軸彈性結構。所述的XZ軸質量塊懸浮於襯底上，其上有微孔，並且通過臍帶與y軸分結構相連；XZ驅動結構包括XZ軸驅動活動梳齒電極和XZ軸驅動固定梳齒電極，XZ軸驅動活動梳齒電極連接在XZ軸質量塊上，XZ軸驅動固定梳齒電極固定於襯底上；所述的X軸感應結構由XZ軸質量塊和X軸下極板組成，所述的X軸下極板位於水平軸質量塊下方並且與水平軸質量塊平行設置，所述的X 軸下極板也固定在襯底上；所述ζ軸感應結構由ζ軸感應活動疏齒電極和ζ軸感應固定疏齒電極組成，ζ軸感應活動梳齒電極連接在XZ軸質量塊上，ζ軸感應固定梳齒電極固定於襯底上；所述Z軸反饋結構包括Z軸反饋活動電極和Z軸反饋固定電極，Z軸反饋活動梳齒電極連接在XZ軸質量塊上，Z軸反饋固定梳齒電極固定於襯底上；所述的XZ軸彈性結構包括 XZ軸外側彈簧機構、XZ軸內側彈簧機構、所述的XZ軸外側彈簧機構共兩組，均位於所述XZ 軸質量塊的外側，XZ軸外側彈簧機構的一端連接在XZ軸質量塊上，另一端通過錨點固定於襯底上，所述的XZ軸內側彈簧機構的一端連接於XZ軸質量塊的內側，另一端和所述的十字連接器相連。進一步的，所述兩組y軸分結構中的每一組y軸分結構均包括y軸驅動結構、y軸感應結構和y軸彈性結構，所述的y軸驅動結構括y軸驅動支架以及y軸驅動梳齒電極組， 所述的y軸驅動支架懸浮在襯底上，所述的y軸驅動梳齒電極組包括y軸驅動活動梳齒電極和ι軸驅動固定梳齒電極，y軸驅動活動梳齒電極連接在所述的ι軸驅動支架上，y軸固定梳齒電極固定於襯底上；所述的ι軸感應結構由ι軸質量塊和ι軸下級板構成，所述的y 軸質量塊懸浮於襯底之上，其上有微孔，並且通過臍帶與所述的XZ軸質量塊相連；所述的y 軸彈性結構包括y軸外側彈簧機構、y軸內側彈簧機構、中心彈性鉸鏈以及兩個對稱分布的側翼彈性鉸鏈，所述的y軸外側彈簧機構共兩組，均位於所述y軸驅動支架的外側，所述y 軸外側彈簧機構的一端連接於y軸驅動支架，另一端通過錨點固定於襯底上，所述y軸內側彈簧機構的一端連接於y軸質量塊的內側，另一端和所述的十字連接器相連，所述中心彈性鉸鏈和兩個對稱分布的側翼彈性鉸鏈的兩端分別與所述的y軸質量塊和y軸驅動支架相連。進一步的，所述的十字連接器包括十字連接梁和十字連接彈簧，所述的十字連接梁懸浮在襯底上，該十字連接梁在y方向上與兩組χζ軸分結構的χζ軸內側彈簧機構連接， 該十字連接梁在χ方向上與兩組y軸分結構的y軸內側彈簧機構連接，十字連接彈簧位於十字連接梁的中心，所述十字連接彈簧在χ軸方向上與十字連接梁固定連接，在y軸方向上通過四個錨點固定在襯底上。所述的XZ軸質量塊和y軸質量塊上設置有微孔，用以減少空氣阻尼。與現有技術相比，本實用新型具有如下顯著優點1)可實現三軸的單一驅動；2) 實現三軸的單結構集成，結構緊促，製造工藝簡單，適合大批量生產，價格低廉；3)各軸採用差模輸出，增加了輸出信號，提高了陀螺儀的靈敏度，抑制了幹擾信號；4)各軸之間感應信號在結構上實現無耦合。
以下結合附圖及具體實施例對本實用新型做進一步的詳細說明。
圖1是本實用新型陀螺儀的立體圖；圖2是本實用新型陀螺儀的主視圖；圖3是本實用新型陀螺儀中XZ軸分結構的主視圖；圖4是本實用新型陀螺儀中y軸分結構的主視圖；圖5是本實用新型陀螺儀中十字連接器的主視4[0018]圖6是本實用新型陀螺儀中臍帶的主視圖；圖7是本實用新型陀螺儀的原理示意圖。
具體實施方式
如圖1至圖6所示的單結構三軸微機電陀螺儀，它包括襯底10、軸結構、十字連接器40和臍帶50，其特徵在於所述的軸結構包括XZ軸結構20和y軸結構30。所述的xz 軸結構20和y軸結構30在所述襯底10上，所述的XZ軸結構20用來測量χ軸角速度和ζ 軸角速度，所述的xz軸結構20由兩組沿χ軸對稱分布的XZ軸分結構組成；所述的y軸結構用來測量y軸角速度，所述的y軸結構30由兩組沿y軸對稱分布的y軸分結構組成；所述的兩組χζ軸分結構和兩組ι軸分結構內部通過十字連接器40相連，所述的兩組XZ軸分結構和兩組y軸分結構外部通過4條臍帶50依次連接。所述兩組XZ軸分結構中的每一組XZ軸分結構均包括xz軸質量塊21、XZ軸驅動結構、X軸感應結構、Z軸感應結構、Z軸反饋結構和XZ軸彈性結構。所述的XZ軸質量塊21 懸浮於襯底上，其上有微孔22，並且通過臍帶50與y軸分結構相連；XZ驅動結構包括xz軸驅動活動梳齒電極23和xz軸驅動固定梳齒電極M，xz軸驅動活動梳齒電極23連接在xz 軸質量塊21上，xz軸驅動固定梳齒電極M固定於襯底10上；所述的χ軸感應結構由xz 軸質量塊21和χ軸下極板組成25，所述的χ軸下極板25位於xz軸質量塊21下方並且與 xz軸質量塊21平行設置，所述的χ軸下極板25也固定在襯底10上；所述ζ軸感應結構由 Z軸感應活動疏齒電極沈和Z軸感應固定疏齒電極27組成，Z軸感應活動梳齒電極沈連接在xz軸質量塊21上，ζ軸感應固定梳齒電極27固定於襯底10上；所述ζ軸反饋結構包括ζ軸反饋活動電極觀和ζ軸反饋固定電極四，ζ軸反饋活動梳齒電極觀連接在xz軸質量塊21上，ζ軸反饋固定梳齒電極四固定於襯底10上；所述的xz軸彈性結構包括xz軸外側彈簧機構210、xz軸內側彈簧機構211、所述的xz軸外側彈簧機構210共兩組，均位於所述xz軸質量塊21的外側，xz軸外側彈簧機構210的一端連接在xz軸質量塊21上，另一端通過錨點固定於襯底10上，所述的xz軸內側彈簧機構211的一端連接於xz軸質量塊 21的內側，另一端和所述的十字連接器40相連。所述兩組y軸分結構30中的每一組y軸分結構均包括y軸驅動結構、y軸感應結構和y軸彈性結構，所述的y軸驅動結構括y軸驅動支架31以及y軸驅動梳齒電極組，所述的y軸驅動支架31懸浮在襯底上，所述的y軸驅動梳齒電極組包括y軸驅動活動梳齒電極32和y軸驅動固定梳齒電極33，y軸驅動活動梳齒電極32連接在所述的y軸驅動支架 31上，y軸固定梳齒電極33固定於襯底10上；所述的y軸感應結構由y軸質量塊34和y 軸下級板35構成，所述的y軸質量塊34懸浮於襯底之上，其上有微孔310並且通過臍帶50 與所述的xz軸質量塊21相連；所述的y軸彈性結構包括y軸外側彈簧機構36、y軸內側彈簧機構37、中心彈性鉸鏈38以及兩個對稱分布的側翼彈性鉸鏈39，所述的y軸外側彈簧機構36共兩組，均位於所述y軸驅動支架31的外側，所述y軸外側彈簧機構36的一端連接於y軸驅動支架31，另一端通過錨點固定於襯底1上，所述y軸內側彈簧機構37的一端連接於y軸質量塊34的內側，另一端和所述的十字連接器40相連，所述中心彈性鉸鏈38和兩個對稱分布的側翼彈性鉸鏈39的兩端分別與所述的y軸質量塊34和y軸驅動支架31 相連。[0023]所述的十字連接器40包括十字連接梁41和十字連接彈簧42，所述的十字連接梁 41懸浮在襯底10上，該十字連接梁41在y方向上與兩組xz軸分結構的xz軸內側彈簧機構211連接，該十字連接梁41在χ方向上與兩組y軸分結構的y軸內側彈簧機構37連接， 十字連接彈簧42位於十字連接梁的中心，所述十字連接彈簧在χ軸方向上與十字連接梁41 固定連接，在y軸方向上通過四個錨點固定在襯底10上。所述臍帶50共四個，用於依次連接XZ軸質量塊21和y軸質量塊34。本實用新型的單結構三軸微機電陀螺儀，採用從中心向外部擴張收縮的單驅動模式，這樣各軸的驅動方式是線振動，圖7是該陀螺儀的原理示意圖。系統在XZ軸驅動結構和y軸驅動結構的共同作用下以一定的頻率進行驅動，各軸質量塊整體上成擴張收縮的運動，χζ軸和y軸的內外側彈簧機構會做相應的變形，臍帶的變形保證了各軸質量塊運動的一致性，這樣各軸質量塊的即時速度為V。當系統受到χ軸角速度時，兩對χζ軸的質量塊受到的哥式力為FX = -2mxQxXV，大小相等，方向相反，χζ軸外側彈簧機構和χζ軸內側彈簧機構會做相應的變形，這樣兩個對稱的質量塊會做相位相反的蹺蹺板運動，十字連接器保證了兩質量塊的運動步調一致。這樣一側的感應電容增加，另一側的感應電容減小， 可以實現差動輸出。當系統受到ζ軸角速度時可以，兩對xz軸質量塊受到的哥氏力為FZ = -2mzQzXV，大小相等方向相反，這樣各個ζ軸分結構中的外側彈性機構和內側彈性機構會做相應變形，這樣兩個對稱質量塊會做相位相反的運動，從而保證ζ軸的差動輸出，而ζ 軸反饋結構可以阻止這種運動，以保證檢測ζ軸角速度時，不對χ軸的感應信號產生影響。 當系統受到y軸角速度時，兩對y軸的質量塊受到的哥式力為Fy = -2πιχΩχχν大小相等， 方向相反，y軸外側彈簧機構、y軸內側彈簧機構、中心彈性鉸鏈和側翼彈性鉸鏈會做相應的變形，這樣兩個對稱的質量塊會做相位相反的蹺蹺板運動，十字連接器保證了兩質量塊的運動步調一致。這樣一側的感應電容增加，另一側的感應電容減小，可以實現差動輸出。以上只是本實用新型的一個最佳實施例，本領域的技術人員有可能在不脫離本發明的保護範圍內對該設計作出更改或者變動，但這些應當理解為仍屬於本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.一種單結構三軸微機電陀螺儀，它包括襯底、軸結構、十字連接器和臍帶，其特徵在於所述的軸結構包括XZ軸結構和1軸結構，所述的XZ軸結構和1軸結構在所述襯底上， 所述的XZ軸結構用來測量X軸角速度和Z軸角速度，所述的XZ軸結構由兩組沿X軸對稱分布的XZ軸分結構組成；所述的y軸結構用來測量y軸角速度，所述的y軸結構由兩組沿 y軸對稱分布的y軸分結構組成；所述的兩組χζ軸分結構和兩組y軸分結構內部通過十字連接器相連，所述的兩組χζ軸分結構和兩組y軸分結構外部通過4條臍帶依次連接。
2.如權利要求1所述的單結構三軸微機電陀螺儀，其特徵在於所述兩組XZ軸分結構中的每一組XZ軸分結構均包括XZ軸質量塊、XZ軸驅動結構、χ軸感應結構、ζ軸感應結構、 Z軸反饋結構和XZ軸彈性結構，所述的XZ軸質量塊懸浮於襯底上，並且通過臍帶與y軸分結構相連；XZ軸驅動結構包括XZ軸驅動活動梳齒電極和XZ軸驅動固定梳齒電極，XZ軸驅動活動梳齒電極連接在XZ軸質量塊上，XZ軸驅動固定梳齒電極固定於襯底上；所述的X軸感應結構由XZ軸質量塊和X軸下極板組成，所述的X軸下極板位於水平軸質量塊下方並且與水平軸質量塊平行設置，所述的X軸下極板也固定在襯底上；所述Z軸感應結構由Z軸感應活動疏齒電極和Z軸感應固定疏齒電極組成，Z軸感應活動梳齒電極連接在XZ軸質量塊上，Z軸感應固定梳齒電極固定於襯底上；所述Z軸反饋結構包括Z軸反饋活動電極和Z軸反饋固定電極，Z軸反饋活動梳齒電極連接在XZ軸質量塊上，Z軸反饋固定梳齒電極固定於襯底上；所述的XZ軸彈性結構包括XZ軸外側彈簧機構、XZ軸內側彈簧機構、所述的XZ軸外側彈簧機構共兩組，均位於所述XZ軸質量塊的外側，XZ軸外側彈簧機構的一端連接在XZ 軸質量塊上，另一端通過錨點固定於襯底上，所述的xz軸內側彈簧機構的一端連接於xz軸質量塊的內側，另一端和所述的十字連接器相連。
3.如權利要求1所述的單結構三軸微機電陀螺儀，其特徵在於所述兩組y軸分結構中的每一組y軸分結構均包括y軸驅動結構、y軸感應結構和y軸彈性結構，所述的y軸驅動結構括y軸驅動支架以及y軸驅動梳齒電極組，所述的y軸驅動支架懸浮在襯底上，所述的y軸驅動梳齒電極組包括ι軸驅動活動梳齒電極和ι軸驅動固定梳齒電極，y軸驅動活動梳齒電極連接在所述的ι軸驅動支架上，y軸固定梳齒電極固定於襯底上；所述的y軸感應結構由y軸質量塊和y軸下級板構成，所述的y軸質量塊懸浮於襯底之上，並且通過臍帶與所述的XZ軸質量塊相連；所述的y軸彈性結構包括y軸外側彈簧機構、y軸內側彈簧機構、中心彈性鉸鏈以及兩個對稱分布的側翼彈性鉸鏈，所述的y軸外側彈簧機構共兩組，均位於所述y軸驅動支架的外側，所述y軸外側彈簧機構的一端連接於y軸驅動支架，另一端通過錨點固定於襯底上，所述y軸內側彈簧機構的一端連接於y軸質量塊的內側，另一端和所述的十字連接器相連，所述中心彈性鉸鏈和兩個對稱分布的側翼彈性鉸鏈的兩端分別與所述的ι軸質量塊和ι軸驅動支架相連。
4.如權利要求1所述的單結構三軸微機電陀螺儀，其特徵在於所述的十字連接器包括十字連接梁和十字連接彈簧，所述的十字連接梁懸浮在襯底上，該十字連接梁在y方向上與兩組χζ軸分結構的χζ軸內側彈簧機構連接，該十字連接梁在χ方向上與兩組y軸分結構的y軸內側彈簧機構連接，十字連接彈簧位於十字連接梁的中心，所述十字連接彈簧在χ 軸方向上與十字連接梁固定連接，在y軸方向上通過四個錨點固定在襯底上。
5.如權利要求1所述的單結構三軸微機電陀螺儀，其特徵在於所述的XZ軸質量塊和 y軸質量塊上設置有微孔。
專利摘要本實用新型公開了一種單結構三軸微機電陀螺儀，該陀螺儀由用來測量x軸和z軸角速度的xz軸結構和用來測量y軸角速度的y軸結構組成。xz軸結構沿x軸對稱布置，y軸結構沿y軸對稱分布，相鄰的xz軸結構和y軸結構之間在外側使用臍帶連接，使得三軸結構獲得單一的擴張—收縮式驅動，xz軸和y軸各自的兩個質量塊用十字連接器相連，在感應x軸、y軸和z軸角速度時可實現相位相反的同步運動，由此各軸均實現了差動輸出。
文檔編號G01C19/56GK202109911SQ20112021725
公開日2012年1月11日 申請日期2011年6月24日 優先權日2011年6月24日
發明者孫博華, 王琳 申請人:鄂爾多斯市嘉美科技股份有限公司