專利名稱：一種采用靜電平衡梳齒驅(qū)動器的水平軸微機(jī)械音叉陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)械陀螺，特別是關(guān)于一種采用靜電平衡梳齒驅(qū)動器的水平軸 微機(jī)械音叉陀螺。
背景技術(shù)：
微機(jī)械陀螺是用微機(jī)械工藝加工的特征尺寸在微米量級的陀螺，體積小、重量輕、 成本低、功耗小及易集成，因而有著廣泛而迫切的市場需求，強(qiáng)勁的市場驅(qū)動大大推動了微 機(jī)械陀螺的快速發(fā)展，目前已成功應(yīng)用于汽車、消費電子等民用以及航天器和戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等 軍用領(lǐng)域。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓展和使用要求的提高，單片集成多敏感軸慣性傳感器和微慣 性測量單元已被提上日程。這就需要在同一個芯片上同時加工出三個敏感軸相互垂直的 微機(jī)械陀螺。目前研究較多的是用于檢測垂直于器件表面方向角速度的Z軸微機(jī)械陀螺。 因為結(jié)構(gòu)上的對稱性，可實現(xiàn)差分檢測及在原理上對線加速度不敏感等特點，微機(jī)械音叉 陀螺是目前最成功的微機(jī)械陀螺類型之一。其中Z軸微機(jī)械音叉陀螺的偏值穩(wěn)定性已達(dá) 0.1° /h。實現(xiàn)與Z軸微機(jī)械音叉陀螺工藝兼容的高性能的水平軸微機(jī)械音叉陀螺是實現(xiàn) 單片三軸集成微機(jī)械音叉陀螺的一項關(guān)鍵技術(shù)。由于尺寸小、信號弱，各種耦合就成了微 機(jī)械陀螺的重要誤差源，其中兩個工作模態(tài)之間的機(jī)械耦合不僅給微機(jī)械陀螺帶來正交誤 差、影響偏置穩(wěn)定性，而且降低陀螺的動態(tài)范圍。因此，對兩個工作模態(tài)間的機(jī)械耦合進(jìn)行 解耦是實現(xiàn)高性能陀螺的必要措施。現(xiàn)有的高性能微機(jī)械音叉陀螺多采用機(jī)械隔離的辦法，即通過在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采 用獨立的檢測或驅(qū)動梁以及附加質(zhì)量塊來隔離從驅(qū)動模態(tài)到檢測模態(tài)的機(jī)械耦合。如 伯恩斯坦等在1993年的微機(jī)電系統(tǒng)研討會(MEMS’ 93)上發(fā)表的“一種微機(jī)械梳齒驅(qū)動 的音叉式角速率陀螺”和沙馬等人在第二十一屆微機(jī)電系統(tǒng)國際會議(MEMS’ 08)上發(fā) 表的“偏置穩(wěn)定性為0. 1° /hr的采用靜電匹配的音叉式微陀螺”(J. Bernstein, S. Cho, 等"A Micromachined Comb-Drive Tuning Fork RateGyroscope，，，in Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop(MEMS' 93), Fort Lauderdale, FL, Feb. 1993, pp. 143-148.和 A.Sharma，MF.Zaman，MZucher，F(xiàn).Ayazi，“A 0. 1 ° /hr bias drift electronically matchedtuning fork microgyroscope,，，，in Proc. 21th Int. Conf. Microelectromechanical Systems(MEMS' 08)， Tucson, USA, Jan. 2008, pp. 1—9)。該措施
是由布萊克梅爾(M. Braxmaier)和蓋博爾(，A. Gaiber)等提出并發(fā)展，能有效隔離微機(jī) 械陀螺中從驅(qū)動模態(tài)到檢測模態(tài)的機(jī)械耦合并被廣泛應(yīng)用。但是，上述高性能音叉陀螺 沒有采取措施解決從檢測模態(tài)到驅(qū)動模態(tài)的機(jī)械耦合問題，該耦合也是陀螺的一個典型 的誤差源，尤其是對高性能陀螺而言。對于多數(shù)單檢測質(zhì)量微機(jī)械陀螺而言，從驅(qū)動模態(tài) 到檢測模態(tài)和從檢測模態(tài)到驅(qū)動模態(tài)間的機(jī)械耦合都可以采用機(jī)械隔離的辦法來解決， 如M. Braxmaier，A. Gaiber，等在2003年固態(tài)傳感器、執(zhí)行器和微系統(tǒng)國際會議上發(fā)表 的“振動式陀螺振動模態(tài)的交叉耦合”(“Cross-coupling of the oscillation modes of vibratorygyroscopes, " in Proc. Int. Conf. on Solid State Sensors, Actuators,andMicrosystems, Boston, MA, Jun. 2003，pp. 167-170)。但是，如果將這種解耦方法用于水 平軸微機(jī)械音叉陀螺，將使陀螺結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，而且，由于需要更多的梁和附加質(zhì)量塊，將 使有效檢測質(zhì)量塊變小，降低微機(jī)械陀螺的空間利用率，降低陀螺靈敏度和分辨率。如何以 簡單而有效的方式解決兩個模態(tài)之間的機(jī)械耦合則是實現(xiàn)高性能水平軸微機(jī)械音叉陀螺 的一項重要技術(shù)。同時，現(xiàn)有的電容式微機(jī)械音叉陀螺因采用變間隙檢測電容，檢測模態(tài)受壓膜阻 尼影響大，往往需要真空封裝，從而提高了器件成本。且目前為實現(xiàn)常壓下工作的高性能水 平軸微機(jī)械音叉陀螺，其在結(jié)構(gòu)布局上不夠優(yōu)化，而且，由于加工誤差等原因，在工作時，從 檢測模態(tài)到驅(qū)動模態(tài)的耦合不能完全被抑制，這種殘余的耦合同樣會影響陀螺性能。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種在常壓下線性度較高、且能實現(xiàn)差分檢 測Y軸方向角速度信息的雙解耦電容式的采用靜電平衡梳齒驅(qū)動器的水平軸微機(jī)械音叉 陀螺。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種采用靜電平衡梳齒驅(qū)動器的水 平軸微機(jī)械音叉陀螺，其特征在于它包括一襯底、一組以上的驅(qū)動電容、兩檢測質(zhì)量塊、驅(qū) 動折疊梁、框架、一組以上的檢測電容、檢測折疊梁和錨點；每組所述驅(qū)動電容的一側(cè)與各 自相鄰的所述檢測質(zhì)量塊連接，每個所述檢測質(zhì)量塊通過所述驅(qū)動折疊梁固定連接所述框 架，所述框架分別連接所述檢測電容和檢測折疊梁，所述檢測折疊梁固定連接所述錨點，所 述錨點固定在所述襯底上；每組所述驅(qū)動電容的另一側(cè)依次通過所述驅(qū)動折疊梁和框架連 接到所述檢測折疊梁，所述檢測折疊梁固定連接固定在所述襯底上的所述錨點。每組所述驅(qū)動電容包括驅(qū)動可動梳齒、驅(qū)動固定梳齒和驅(qū)動固定梳齒錨點，一側(cè) 所述驅(qū)動可動梳齒連接所述檢測質(zhì)量塊，另一側(cè)所述驅(qū)動可動梳齒通過所述驅(qū)動折疊梁連 接到所述框架，所述驅(qū)動可動梳齒和驅(qū)動折疊梁分別相對于陀螺X軸、Y軸對稱分布；所述 驅(qū)動固定梳齒連接各自對應(yīng)的所述固定梳齒錨點，所述固定梳齒錨點固定在所述襯底上， 兩所述檢測質(zhì)量塊對所述驅(qū)動可動梳齒為單獨驅(qū)動和共同驅(qū)動的其中一種驅(qū)動方式，且驅(qū) 動方式采用開環(huán)和閉環(huán)其中之一。所述驅(qū)動可動梳齒與所述驅(qū)動固定梳齒沿Z軸方向的厚度相同，相對于Z軸的位 置相異，且分布相對于Z軸和X軸對稱。每組所述檢測電容包括檢測可動梳齒、檢測固定梳齒和檢測固定梳齒錨點，所述 檢測可動梳齒通過所述框架連接所述驅(qū)動折疊梁，所述檢測固定梳齒固定連接固定在所述 襯底上的所述檢測固定梳齒錨點；每組所述檢測電容采用開環(huán)檢測和閉環(huán)檢測其中之一。每組所述驅(qū)動電容位于陀螺的中心位置，置于檢測軸Y軸附近，且呈對稱分布；每 組所述檢測電容位于陀螺兩邊的最外側(cè)，且相對于敏感軸對稱分布。所述襯底采用硅、氧化硅和玻璃材料其中之一制作；每組所述驅(qū)動電容、兩檢測質(zhì) 量塊、驅(qū)動折疊梁、框架、每組檢測電容和檢測折疊梁采用硅和鈦其中之一材料制作。所述驅(qū)動折疊梁和檢測折疊梁的結(jié)構(gòu)是彎曲變形梁、扭轉(zhuǎn)變形梁和彎扭組合梁其 中之一。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明由于采用的各驅(qū)動可動梳齒與各驅(qū)動固定梳齒沿Z軸方向的厚度相同，但相對于Z軸的位置不同，且兩者分布相 對于Z軸和X軸對稱。這樣一方面使得在驅(qū)動電壓下，驅(qū)動固定梳齒和驅(qū)動可動梳齒之間 沿Z軸向上和向下的靜電力平衡，其合力為零；另一方面，在驅(qū)動電壓下，驅(qū)動固定梳齒對 驅(qū)動可動梳齒沿X軸正向和負(fù)向的靜電力矩平衡，其合力矩為零。因此實現(xiàn)了有效地抑制 從檢測模態(tài)到驅(qū)動模態(tài)的耦合，進(jìn)而提高了陀螺的線性度。2、本發(fā)明由于采用的每組驅(qū)動 電容位于陀螺的中心位置，置于檢測軸Y軸附近，且每組驅(qū)動電容呈對稱分布；每組檢測電 容位于陀螺兩邊的最外側(cè)，且每組檢測電容相對于敏感軸對稱分布。這樣有利于減小因加 工誤差等原因?qū)е买?qū)動電容的驅(qū)動固定梳齒和驅(qū)動可動梳齒之間沿Z軸向上和向下的靜 電力不平衡的影響，而且驅(qū)動電容和檢測電容之間的空間距離較大，因此大大減小了驅(qū)動 電容和檢測電容之間的機(jī)電耦合，進(jìn)一步提高了陀螺的靈敏度和分辨率。3、本發(fā)明由于采 用的折疊梁可以是彎曲變形梁、扭轉(zhuǎn)變形梁或彎扭組合梁，進(jìn)而實現(xiàn)陀螺的離面扭擺運動， 有利于釋放加工過程和工作過程中產(chǎn)生的應(yīng)力從而提高陀螺的線性度和穩(wěn)定性；而且，采 用折疊梁降低了陀螺對加工過程如老化和溫度試驗的要求，有利于提高生產(chǎn)效率，降低了 成本。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域中物體轉(zhuǎn)動角速度的檢測中。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明的驅(qū)動可動梳齒與驅(qū)動固定梳齒結(jié)構(gòu)示意3是圖2的A-A剖視圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1所示，本發(fā)明為Y軸微機(jī)械音叉陀螺，它包括一襯底1、一組以上的驅(qū)動電容 2、兩檢測質(zhì)量塊3、驅(qū)動折疊梁4、框架5、一組以上的檢測電容6、檢測折疊梁7和錨點8。 每組驅(qū)動電容2的一側(cè)與各自相鄰的檢測質(zhì)量塊3連接，每個檢測質(zhì)量塊3通過驅(qū)動折疊 梁4固定連接框架5，框架5分別連接檢測電容6和檢測折疊梁7，檢測折疊梁7固定連接 錨點8，錨點8固定在襯底1上；每組驅(qū)動電容2的另一側(cè)依次通過驅(qū)動折疊梁4和框架5 連接到檢測折疊梁7，檢測折疊梁7固定連接固定在襯底1上的錨點8。上述實施例中，每組驅(qū)動電容2包括兩驅(qū)動可動梳齒9、兩驅(qū)動固定梳齒10和兩驅(qū) 動固定梳齒錨點11，其中一側(cè)驅(qū)動可動梳齒9連接檢測質(zhì)量塊3，另一側(cè)驅(qū)動可動梳齒9通 過驅(qū)動折疊梁4連接到框架5，驅(qū)動可動梳齒9和驅(qū)動折疊梁4分別相對于陀螺X軸、Y軸 對稱分布。兩驅(qū)動固定梳齒10連接各自對應(yīng)的固定梳齒錨點11，各固定梳齒錨點11固定 在襯底1上。兩檢測質(zhì)量塊3可以實現(xiàn)對驅(qū)動可動梳齒9的單獨驅(qū)動或共同驅(qū)動，其驅(qū)動 方式可以采用開環(huán)或閉環(huán)，即可以單邊梳齒驅(qū)動也可以雙邊梳齒差動驅(qū)動。如圖2、圖3所示，上述實施例中，各驅(qū)動可動梳齒9與各驅(qū)動固定梳齒10沿Z軸 方向的厚度相同，但相對于Z軸的位置不同，且兩者分布相對于Z軸和X軸對稱。如圖1所示，上述實施例中，每組檢測電容6包括檢測可動梳齒12、檢測固定梳齒 13和檢測固定梳齒錨點14，檢測可動梳齒12通過框架5連接兩驅(qū)動折疊梁4，檢測固定梳 齒14固定連接固定在襯底1上的檢測固定梳齒錨點14。每組檢測電容6可以采用開環(huán)檢測或閉環(huán)檢測兩種檢測方式。上述各實施例中，每組驅(qū)動電容2位于陀螺的中心位置，置于檢測軸Y軸附近，且 每組驅(qū)動電容2呈對稱分布；每組檢測電容6位于陀螺兩邊的最外側(cè)，且每組檢測電容6相 對于敏感軸對稱分布。上述各實施例中，襯底1可以采用硅、氧化硅、玻璃等材料制作；每組驅(qū)動電容2、 兩檢測質(zhì)量塊3、驅(qū)動折疊梁4、框架5、每組檢測電容6和檢測折疊梁7可以采用硅、鈦等材 料制作。本發(fā)明采用的驅(qū)動折疊梁4和檢測折疊梁7可以是彎曲變形梁、扭轉(zhuǎn)變形梁或彎 扭組合梁，進(jìn)而實現(xiàn)陀螺的離面扭擺運動。本發(fā)明在使用時，利用哥氏力來測量物體角速度，驅(qū)動固定梳齒11在驅(qū)動電壓作 用下，對驅(qū)動可動梳齒9施加靜電力，驅(qū)動可動梳齒9帶動兩檢測質(zhì)量塊3沿X軸振動。其 中，兩檢測質(zhì)量塊3的相位相差為180°，且沿X軸的諧振頻率可以相等，以實現(xiàn)較高地靈 敏度；也可以有差別，以提高陀螺的帶寬。當(dāng)系統(tǒng)有Y軸方向角速度輸入時，兩個檢測質(zhì)量 塊3通過驅(qū)動折疊梁4和框架5帶動檢測可動梳齒12沿Z軸作反相振動，從而引起電容變 化，通過兩側(cè)檢測電容6的差分信號即可獲得沿Y軸方向輸入的角速度信息。上述各實施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，凡是基于本發(fā)明技 術(shù)方案上的變化和改進(jìn)，不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求
一種采用靜電平衡梳齒驅(qū)動器的水平軸微機(jī)械音叉陀螺，其特征在于它包括一襯底、一組以上的驅(qū)動電容、兩檢測質(zhì)量塊、驅(qū)動折疊梁、框架、一組以上的檢測電容、檢測折疊梁和錨點；每組所述驅(qū)動電容的一側(cè)與各自相鄰的所述檢測質(zhì)量塊連接，每個所述檢測質(zhì)量塊通過所述驅(qū)動折疊梁固定連接所述框架，所述框架分別連接所述檢測電容和檢測折疊梁，所述檢測折疊梁固定連接所述錨點，所述錨點固定在所述襯底上；每組所述驅(qū)動電容的另一側(cè)依次通過所述驅(qū)動折疊梁和框架連接到所述檢測折疊梁，所述檢測折疊梁固定連接固定在所述襯底上的所述錨點。
2.如權(quán)利要求1所述的一種采用靜電平衡梳齒驅(qū)動器的水平軸微機(jī)械音叉陀螺，其特 征在于每組所述驅(qū)動電容包括驅(qū)動可動梳齒、驅(qū)動固定梳齒和驅(qū)動固定梳齒錨點，一側(cè)所 述驅(qū)動可動梳齒連接所述檢測質(zhì)量塊，另一側(cè)所述驅(qū)動可動梳齒通過所述驅(qū)動折疊梁連接 到所述框架，所述驅(qū)動可動梳齒和驅(qū)動折疊梁分別相對于陀螺X軸、Y軸對稱分布；所述驅(qū) 動固定梳齒連接各自對應(yīng)的所述固定梳齒錨點，所述固定梳齒錨點固定在所述襯底上，兩 所述檢測質(zhì)量塊對所述驅(qū)動可動梳齒為單獨驅(qū)動和共同驅(qū)動的其中一種驅(qū)動方式，且驅(qū)動 方式采用開環(huán)和閉環(huán)其中之一。
3.如權(quán)利要求2所述的一種采用靜電平衡梳齒驅(qū)動器的水平軸微機(jī)械音叉陀螺，其特 征在于所述驅(qū)動可動梳齒與所述驅(qū)動固定梳齒沿Z軸方向的厚度相同，相對于Z軸的位置 相異，且分布相對于Z軸和X軸對稱。
4.如權(quán)利要求1所述的一種采用靜電平衡梳齒驅(qū)動器的水平軸微機(jī)械音叉陀螺，其特 征在于每組所述檢測電容包括檢測可動梳齒、檢測固定梳齒和檢測固定梳齒錨點，所述檢 測可動梳齒通過所述框架連接所述驅(qū)動折疊梁，所述檢測固定梳齒固定連接固定在所述襯 底上的所述檢測固定梳齒錨點；每組所述檢測電容采用開環(huán)檢測和閉環(huán)檢測其中之一。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種采用靜電平衡梳齒驅(qū)動器的水平軸微機(jī)械音 叉陀螺，其特征在于每組所述驅(qū)動電容位于陀螺的中心位置，置于檢測軸Y軸附近，且呈 對稱分布；每組所述檢測電容位于陀螺兩邊的最外側(cè)，且相對于敏感軸對稱分布。
6.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種采用靜電平衡梳齒驅(qū)動器的水平軸微機(jī)械音叉 陀螺，其特征在于所述襯底采用硅、氧化娃和玻璃材料其中之一制作；每組所述驅(qū)動電容、兩 檢測質(zhì)量塊、驅(qū)動折疊梁、框架、每組檢測電容和檢測折疊梁采用硅和鈦其中之一材料制作。
7.如權(quán)利要求5所述的一種采用靜電平衡梳齒驅(qū)動器的水平軸微機(jī)械音叉陀螺，其特 征在于所述襯底采用硅、氧化硅和玻璃材料其中之一制作；每組所述驅(qū)動電容、兩檢測質(zhì) 量塊、驅(qū)動折疊梁、框架、每組檢測電容和檢測折疊梁采用硅和鈦其中之一材料制作。
8.如權(quán)利要求1或2或3或4或7所述的一種采用靜電平衡梳齒驅(qū)動器的水平軸微機(jī) 械音叉陀螺，其特征在于所述驅(qū)動折疊梁和檢測折疊梁的結(jié)構(gòu)是彎曲變形梁、扭轉(zhuǎn)變形梁 和彎扭組合梁其中之一。
9.如權(quán)利要求5所述的一種采用靜電平衡梳齒驅(qū)動器的水平軸微機(jī)械音叉陀螺，其特 征在于所述驅(qū)動折疊梁和檢測折疊梁的結(jié)構(gòu)是彎曲變形梁、扭轉(zhuǎn)變形梁和彎扭組合梁其 中之一。
10.如權(quán)利要求6所述的一種采用靜電平衡梳齒驅(qū)動器的水平軸微機(jī)械音叉陀螺，其 特征在于所述驅(qū)動折疊梁和檢測折疊梁的結(jié)構(gòu)是彎曲變形梁、扭轉(zhuǎn)變形梁和彎扭組合梁 其中之一。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用靜電平衡梳齒驅(qū)動器的水平軸微機(jī)械音叉陀螺，它包括襯底、一組以上的驅(qū)動電容、兩檢測質(zhì)量塊、驅(qū)動折疊梁、框架、一組以上的檢測電容、檢測折疊梁和錨點；每組驅(qū)動電容的一側(cè)與相鄰的檢測質(zhì)量塊連接，檢測質(zhì)量塊通過驅(qū)動折疊梁固定連接框架，框架分別連接檢測電容和檢測折疊梁，檢測折疊梁連接固定在襯底上的錨點；每組驅(qū)動電容的另一側(cè)依次通過驅(qū)動折疊梁和框架連接到檢測折疊梁，檢測折疊梁連接固定在襯底上的錨點。本發(fā)明由于采用的驅(qū)動可動梳齒與驅(qū)動固定梳齒沿Z軸方向厚度相同、位置不同、且對稱分布，因此實現(xiàn)了有效地抑制從檢測模態(tài)到驅(qū)動模態(tài)的耦合，提高了陀螺的靈敏度和分辨率。本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域中物體轉(zhuǎn)動角速度的檢測中。
文檔編號G01C19/5621GK101876547SQ200910241710
公開日2010年11月3日 申請日期2009年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月8日
發(fā)明者丁海濤, 劉雪松, 崔健, 楊振川, 林龍濤, 趙前程, 郭中洋, 閆桂珍 申請人:北京大學(xué)