本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)和微慣性測(cè)量技術(shù)，特別是一種具有結(jié)構(gòu)解耦能力的雙質(zhì)量塊音叉角速率陀螺儀。

背景技術(shù)：

微機(jī)械慣性儀表包括微機(jī)械陀螺(MMG)和微機(jī)械加速度計(jì)(MMA)。利用微電子加工工藝允許將微機(jī)械結(jié)構(gòu)與所需的電子線路完全集成在一個(gè)硅片上，從而達(dá)到性能、價(jià)格、體積、重量、可靠性諸方面的高度統(tǒng)一。因而，這類儀表具有一系列的優(yōu)點(diǎn)(如體積小、重量輕、價(jià)格便宜、可靠性高、能大批量生產(chǎn)等)，在軍民兩方面都具有廣泛的應(yīng)用前景。在民用方面，主要用于汽車工業(yè)、工業(yè)監(jiān)控及消費(fèi)類產(chǎn)品和機(jī)器人技術(shù)，如氣囊、防抱死系統(tǒng)、偏航速率傳感器、翻滾速率傳感器、圖象穩(wěn)定及玩具等等；在軍用領(lǐng)域，主要用于靈巧炸彈、智能炮彈、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、新概念武器和微型飛機(jī)的自主導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)等。

1993年，美國(guó)德雷珀實(shí)驗(yàn)室通過(guò)在玻璃表面復(fù)蓋硅層技術(shù)制作了一種新穎的微機(jī)械陀螺—音叉式線振動(dòng)陀螺。該陀螺由雙質(zhì)量塊、支承梁和橫梁組成，陀螺采用線振動(dòng)驅(qū)動(dòng)和角振動(dòng)檢測(cè)的方式，可以敏感陀螺平面內(nèi)軸向的角速率。由于該陀螺的驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)與敏感運(yùn)動(dòng)完全耦合，限制了其靈敏度的提高。

2007年，蘇巖等人研制了雙質(zhì)量振動(dòng)式硅微陀螺(申請(qǐng)?zhí)枺?00710133223.5)，在驅(qū)動(dòng)力的作用下雙質(zhì)量在做平行于襯底的線振動(dòng)，有角速率輸入時(shí)，雙質(zhì)量塊做平行于襯底的垂直于驅(qū)動(dòng)方向的線振動(dòng)，通過(guò)檢測(cè)敏感電容的變化，測(cè)試輸入角速率。該陀螺采用了八根驅(qū)動(dòng)支承梁和八根敏感支承梁實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模態(tài)與敏感模態(tài)的分離。由于微電子工藝存在誤差，會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)子結(jié)構(gòu)沒(méi)有很好的一致性，產(chǎn)生敏感模態(tài)不同步等現(xiàn)象。

2009年，蘇巖等人又研制了擺動(dòng)式硅微陀螺(申請(qǐng)?zhí)枺?00920037290.1)。采用扭桿和橫梁，使陀螺繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)陀螺的敏感運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)方向與檢測(cè)方向的運(yùn)動(dòng)解耦。扭桿代替了敏感支承梁，減小了支承梁數(shù)目，降低了加工誤差對(duì)陀螺性能的影響。但是在體硅工藝中，對(duì)豎直扭桿的加工具有相當(dāng)大的難度。

2011年，蘇巖等人研制了硅微角振動(dòng)輸出陀螺(申請(qǐng)?zhí)枺?01110170673.8)和扭擺式角速率陀螺(申請(qǐng)?zhí)枺?01120340974.6)。二者都采用水平扭桿和橫梁，實(shí)現(xiàn)陀螺的角振動(dòng)輸出。水平扭桿的使用，降低了對(duì)加工過(guò)程的要求。同時(shí)設(shè)置了質(zhì)量塊鏈接機(jī)構(gòu)，增大了工作模態(tài)與干擾模態(tài)的頻率差，增加了陀螺的穩(wěn)定性。二者不同的地方在于橫梁與固定基座的連接方式不同。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有結(jié)構(gòu)解耦能力的雙質(zhì)量塊音叉角速率陀螺儀，所述陀螺儀通過(guò)驅(qū)動(dòng)框、敏感框和檢測(cè)框的相互功能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)的運(yùn)動(dòng)解耦，降低了陀螺輸出的正交誤差，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模態(tài)與檢測(cè)模態(tài)為第一階模態(tài)和第二階模態(tài)，有效抑制常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)同向、檢測(cè)同向和Z向模態(tài)等干擾模態(tài)，其陀螺性能好，一致性強(qiáng)，抗振動(dòng)干擾能力強(qiáng)。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種具有結(jié)構(gòu)解耦能力的雙質(zhì)量塊音叉角速率陀螺儀，包括上層真空封裝蓋板、下層硅襯底和中層單晶硅片，中層單晶硅片上設(shè)有陀螺機(jī)械結(jié)構(gòu)，所述陀螺機(jī)械結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)、兩個(gè)子結(jié)構(gòu)、兩個(gè)桁架與水平直梁的組合機(jī)構(gòu)、兩個(gè)U型梁組合梁、八個(gè)第一U型梁和四個(gè)直梁，所述兩個(gè)子結(jié)構(gòu)對(duì)稱分布在質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)和兩個(gè)桁架與水平直梁的組合機(jī)構(gòu)的兩側(cè)，質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)和兩個(gè)桁架與水平直梁的組合機(jī)構(gòu)呈直線分布，且質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)位于兩個(gè)桁架與水平直梁的組合機(jī)構(gòu)之間，第一U型梁沿子結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)邊設(shè)置，且位于長(zhǎng)邊的兩端，桁架與水平直梁的組合機(jī)構(gòu)通過(guò)第一U型梁與子結(jié)構(gòu)連接，U型梁組合梁沿子結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)邊設(shè)置，且位于遠(yuǎn)離質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)一側(cè)的兩個(gè)第一U型梁的中間；直梁沿子結(jié)構(gòu)寬度方向設(shè)置，用于連接子結(jié)構(gòu)兩側(cè)的第一U型梁。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：(1)根據(jù)功能劃分，獨(dú)立設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)框，敏感框和檢測(cè)框，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)的運(yùn)動(dòng)解耦，降低了陀螺輸出的正交誤差。

(2)用桁架及水平直梁的組合機(jī)構(gòu)代替與兩個(gè)子結(jié)構(gòu)相連的橫梁，這種結(jié)構(gòu)形式即保證敏感結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)模態(tài)頻率低于驅(qū)動(dòng)同向模態(tài)頻率，也抑制了Z向干擾模態(tài)。

(3)用質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)連接兩個(gè)子結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式既能保證敏感結(jié)構(gòu)的檢測(cè)模態(tài)頻率低于檢測(cè)同向模態(tài)頻率，又能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)子結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)同步，也抑制了Z向干擾模態(tài)。

(4)兩個(gè)子結(jié)構(gòu)外側(cè)分別通過(guò)兩個(gè)對(duì)稱布置的U形梁組合梁與上層真空封裝蓋板和下層硅襯底錨固，這種結(jié)構(gòu)形式能抑制兩個(gè)子結(jié)構(gòu)沿z軸方向的干擾模態(tài)。

(5)經(jīng)過(guò)上述關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，可以使得驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)分別為該敏感結(jié)構(gòu)的一階、二階模態(tài)，并且使其他干擾模態(tài)盡量遠(yuǎn)離工作模態(tài)。上述兩個(gè)特點(diǎn)大幅度降低了外界振動(dòng)環(huán)境對(duì)陀螺儀性能的影響。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)解耦能力的雙質(zhì)量塊音叉角速率陀螺儀的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)解耦能力的雙質(zhì)量塊音叉角速率陀螺儀的桁架與水平直梁的組合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)解耦能力的雙質(zhì)量塊音叉角速率陀螺儀的質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

結(jié)合圖1至圖3，一種具有結(jié)構(gòu)解耦能力的雙質(zhì)量塊音叉角速率陀螺儀，用于測(cè)量Z軸方向的角速率。其包括上層真空封裝蓋板、下層硅襯底和中層單晶硅片，中層單晶硅片上設(shè)有陀螺機(jī)械結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用了圓片級(jí)真空封裝工藝，上層真空封裝蓋板、中層單晶硅片與下層硅襯底為硅材料，上層真空封裝蓋板、下層硅襯底之間形成了密閉的真空腔體，中層單晶硅片設(shè)置在所述真空腔體內(nèi)，使陀螺儀機(jī)械結(jié)構(gòu)懸空在下層硅襯底之上，上層真空封裝蓋板布置信號(hào)引線及鍵合區(qū)域。陀螺儀機(jī)械結(jié)構(gòu)不會(huì)受到灰塵顆粒的污染和外界機(jī)械力的影響，提高了陀螺儀的性能。

結(jié)合圖1，所述陀螺機(jī)械結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)2、兩個(gè)子結(jié)構(gòu)1、兩個(gè)桁架與水平直梁的組合機(jī)構(gòu)3、兩個(gè)U型梁組合梁4、八個(gè)第一U型梁6和四個(gè)直梁12，所述兩個(gè)子結(jié)構(gòu)1對(duì)稱分布在質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)2和兩個(gè)桁架與水平直梁的組合機(jī)構(gòu)3的兩側(cè)，質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)2和兩個(gè)桁架與水平直梁的組合機(jī)構(gòu)3呈直線分布，且質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)2位于兩個(gè)桁架與水平直梁的組合機(jī)構(gòu)3之間，第一U型梁6沿子結(jié)構(gòu)1的長(zhǎng)邊設(shè)置，且位于長(zhǎng)邊的兩端，桁架與水平直梁的組合機(jī)構(gòu)3通過(guò)第一U型梁6與子結(jié)構(gòu)1連接，U型梁組合梁4沿子結(jié)構(gòu)1的長(zhǎng)邊設(shè)置，且位于遠(yuǎn)離質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)2一側(cè)的兩個(gè)第一U型梁6的中間；直梁12沿子結(jié)構(gòu)1寬度方向設(shè)置，用于連接子結(jié)構(gòu)1兩側(cè)的第一U型梁6。

位于子結(jié)構(gòu)1同一側(cè)的兩個(gè)U型梁6開(kāi)口方向相對(duì)。

結(jié)合圖3，所述質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)2包括一個(gè)水平第一直梁203、4個(gè)第二直梁202和4個(gè)第二U型梁201；水平直梁203的兩端分別通過(guò)兩個(gè)開(kāi)口相對(duì)設(shè)置的第二U型梁201與子結(jié)構(gòu)1連接，4個(gè)第二直梁202對(duì)稱分布在第一直梁203上，每根第二直梁202均有一端與第一直梁203中心相連，兩者夾角均為45°，另一端與上層真空封裝蓋板和下層硅襯底錨固。

上述4個(gè)第二直梁202兩兩一組，對(duì)稱分布在第一直梁203兩側(cè)，位于同一側(cè)的兩根第二直梁202之間的夾角為90°。

結(jié)合圖2，所述桁架與水平直梁的組合機(jī)構(gòu)3包括V型桁架301和水平直梁302，V型桁架301的頂點(diǎn)與水平直梁302中心連接，水平直梁302與質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)2同側(cè)，V型桁架301的兩個(gè)自由端與第一U型梁6封閉端側(cè)壁連接，水平直梁302兩端均與上層真空封裝蓋板和下層硅襯底錨固。

所述U型梁組合梁4包括兩個(gè)第三U型梁401，兩個(gè)第三U型梁401開(kāi)口端相連，連接處外壁與上層真空封裝蓋板和下層硅襯底錨固。

所述子結(jié)構(gòu)1包括檢測(cè)模塊、敏感框13、連接梁11、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，檢測(cè)模塊設(shè)置在敏感框13內(nèi)，敏感框13兩端分別通過(guò)兩根第五U形梁14與驅(qū)動(dòng)模塊連接；兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)連接梁11相連，且連接梁11位于敏感框13的外側(cè)。(上述敏感框13兩端為其長(zhǎng)度方向的兩端，敏感框13兩側(cè)為其寬度方向的兩端)。

所述驅(qū)動(dòng)模塊包括驅(qū)動(dòng)框7、三個(gè)固定驅(qū)動(dòng)電極8a、三個(gè)固定驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極8b、若干個(gè)驅(qū)動(dòng)梳齒、若干個(gè)驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒和若干個(gè)活動(dòng)梳齒，三個(gè)固定驅(qū)動(dòng)電極8a、三個(gè)固定驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極8b、若干個(gè)驅(qū)動(dòng)梳齒、若干個(gè)驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒和若干個(gè)活動(dòng)梳齒均設(shè)置在驅(qū)動(dòng)框7內(nèi)，驅(qū)動(dòng)框7位于直梁12和第五U形梁14之間，固定驅(qū)動(dòng)電極8a和固定驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極8b間隔排列，固定驅(qū)動(dòng)電極8a兩端連接驅(qū)動(dòng)梳齒，固定驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極8b兩端連接驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒；活動(dòng)梳齒位于驅(qū)動(dòng)框7上。

所述檢測(cè)模塊包括檢測(cè)框5、第一固定檢測(cè)電極9a、第二固定檢測(cè)電極9b、四根第四U形梁10、四根第六U形梁15、若干個(gè)固定檢測(cè)梳齒和若干個(gè)活動(dòng)檢測(cè)梳齒，檢測(cè)框5設(shè)置在敏感框13內(nèi)，檢測(cè)框5兩側(cè)分別通過(guò)兩根第六U形梁15與敏感框13連接，檢測(cè)框5兩端分別通過(guò)兩根第四U形梁10與上層真空封裝蓋板和下層硅襯底錨固，上固定檢測(cè)電極9a、固定檢測(cè)電極9b、若干個(gè)固定檢測(cè)梳齒和若干個(gè)活動(dòng)檢測(cè)梳齒均設(shè)置在檢測(cè)框5內(nèi)，第一固定檢測(cè)電極9a位于第二固定檢測(cè)電極9b一端，第一固定檢測(cè)電極9a和第二固定檢測(cè)電極9b兩側(cè)分別設(shè)有若干個(gè)固定檢測(cè)梳齒，活動(dòng)檢測(cè)梳齒設(shè)置在檢測(cè)框5上，第一固定檢測(cè)電極9a和第二固定檢測(cè)電極9b分別與檢測(cè)框5上的活動(dòng)梳齒行成差分的檢測(cè)電容。

上述位于敏感框13同一端的兩根第五U形梁14的封閉端相連，開(kāi)口端分別朝向敏感框13兩側(cè)。

上述位于檢測(cè)框5同一側(cè)的兩根第六U形梁15的封閉端相連，開(kāi)口端分別朝向檢測(cè)框5的兩端。

上述位于檢測(cè)框5同一端的兩根第四U形梁10的封閉端相連，開(kāi)口端分別朝向檢測(cè)框5的兩側(cè)，且通過(guò)開(kāi)口端與上層真空封裝蓋板和下層硅襯底錨固。

本發(fā)明的雙質(zhì)量塊音叉式角速率陀螺儀，采用單邊靜電驅(qū)動(dòng)，電容檢測(cè)的工作方式。在子結(jié)構(gòu)1的固定驅(qū)動(dòng)電極8a上施加帶直流偏置的交流電壓，產(chǎn)生交變的靜電力，實(shí)現(xiàn)陀螺儀的單邊靜電驅(qū)動(dòng)，靜電驅(qū)動(dòng)力F_d為：

式中，n為諧振器的活動(dòng)梳齒數(shù)，ε為介電常數(shù)，h為結(jié)構(gòu)的厚度，d為梳齒間距，U_d為驅(qū)動(dòng)電壓的直流偏置電壓，U_a為交流電壓，ω_d為交流電壓的角頻率，t為時(shí)間。固定驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極8b實(shí)現(xiàn)了陀螺儀的靜電驅(qū)動(dòng)檢測(cè)。

在一個(gè)子結(jié)構(gòu)1的靜電驅(qū)動(dòng)力與作用在另一個(gè)子結(jié)構(gòu)1上的靜電驅(qū)動(dòng)力相差180度。因此兩個(gè)子結(jié)構(gòu)1的整個(gè)活動(dòng)結(jié)構(gòu)在靜電驅(qū)動(dòng)力的作用下，沿驅(qū)動(dòng)軸作相向簡(jiǎn)諧線振動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)交流電壓的頻率與陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)的固有頻率一致時(shí)，線振動(dòng)位移x為：

式中，F(xiàn)_d0為靜電驅(qū)動(dòng)力幅值，k_x為X方向的彈性剛度，Q_x為驅(qū)動(dòng)模態(tài)的品質(zhì)因數(shù)。線振動(dòng)速度V為：

當(dāng)陀螺有繞z軸的外界輸入角速率ω_z時(shí)，根據(jù)右手定則，檢測(cè)質(zhì)量受到檢測(cè)軸方向的哥氏加速度a_c作用，其大小為：

式中，為輸入角速率和線振動(dòng)速度之間右旋夾角。

設(shè)檢測(cè)質(zhì)量為m_s，則作用在檢測(cè)質(zhì)量上的哥氏慣性力F_c為：

哥氏慣性力的方向與哥氏加速度方向相反，因此，作用在兩個(gè)子結(jié)構(gòu)1上的哥氏慣性力的方向相反，形成力矩作用在陀螺結(jié)構(gòu)上，使得兩個(gè)子結(jié)構(gòu)1以陀螺的幾何中心為中心繞敏感軸作角振動(dòng)。這樣，使得活動(dòng)檢測(cè)梳齒與固定檢測(cè)梳齒之間的間隙按一定的簡(jiǎn)諧振動(dòng)規(guī)律變動(dòng)，電容差值信號(hào)經(jīng)電子線路處理后，可獲得輸出電壓信號(hào)。輸出電壓信號(hào)為兩個(gè)子結(jié)構(gòu)1輸出電壓信號(hào)之和，且輸出電壓信號(hào)的大小正比于輸入角速率的大小。通過(guò)鑒相器比較輸出電壓信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)的相位關(guān)系，則可判明輸入角速率的方向。

本發(fā)明的陀螺儀通過(guò)獨(dú)立設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)框，敏感框和檢測(cè)框?qū)崿F(xiàn)了驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)的運(yùn)動(dòng)解耦，降低了陀螺輸出的正交誤差，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模態(tài)與檢測(cè)模態(tài)為第一階模態(tài)和第二階模態(tài)，有效抑制常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)同向、檢測(cè)同向和Z向模態(tài)等干擾模態(tài)，其陀螺性能好，一致性強(qiáng)，抗振動(dòng)干擾能力強(qiáng)。