專利名稱：一種健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域， 特別是涉及一種左、右結(jié)構(gòu)間接連接、 微機(jī)械陀螺。
涉及一種健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺， 驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)均為滑膜阻尼的音叉振動(dòng)式
背景技術(shù)：
微機(jī)械陀螺是利用科氏效應(yīng)來檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)物體角速度的一種微慣性傳感器。 采用微電子機(jī)械加工技術(shù)制備的微機(jī)械陀螺因其成本低、體積小、質(zhì)量輕、功 耗低、結(jié)構(gòu)與工藝簡(jiǎn)單以及適合量產(chǎn)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、汽
車、消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。最初的微機(jī)械陀螺是在1993年提出的，僅有一個(gè)質(zhì) 量塊和一個(gè)彈性梁。隨著硅微加工技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了表面微加工、體微加工 等一系列先進(jìn)的微加工技術(shù)，使微機(jī)械陀螺的發(fā)展邁進(jìn)了一個(gè)嶄新的發(fā)展階段， 各種各樣的微機(jī)械陀螺相繼出現(xiàn)。音叉振動(dòng)式陀螺因其具有較高靈敏度和帶寬、 較好的抗干擾能力而被眾多學(xué)者研究。
對(duì)于微機(jī)械陀螺，無論驅(qū)動(dòng)方式是選靜電驅(qū)動(dòng)還是電磁驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)方式是 選壓阻檢測(cè)還是電容檢測(cè)，還是封裝選取的是真空封裝還是大氣壓下封裝，都 以提高器件的性能為目標(biāo)，然而，目前的微機(jī)械陀螺產(chǎn)品大多精度較低且對(duì)環(huán) 境干擾以及加工誤差敏感，主要應(yīng)用在精度要求不高的中低端領(lǐng)域，本發(fā)明致 力于使機(jī)械陀螺保持高精度同時(shí)還能應(yīng)用于較廣泛領(lǐng)域，引入產(chǎn)品健壯性設(shè) 計(jì)的思路，在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)，使微機(jī)械陀螺的性能對(duì)各種環(huán)境因 素引起的和加工誤差引起的不可預(yù)測(cè)的變化有很強(qiáng)的抗干擾能力，從而提高微 機(jī)械陀螺的可靠性以及穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺設(shè)計(jì)方案，以及 與之相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出以下技術(shù)解決方案 一種健壯性音叉振動(dòng)式
微機(jī)械陀螺，由第一基板及其上的兩組對(duì)稱檢測(cè)用柵形固定電極、固定于第一
基板上的四個(gè)錨點(diǎn)、懸于第一基板上方的第二基板組成；第二基板由左、右結(jié)
構(gòu)以及連接左、右結(jié)構(gòu)的中間結(jié)構(gòu)組成。左結(jié)構(gòu)包括可沿檢測(cè)方向(y向)振動(dòng)
的一個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊、檢測(cè)質(zhì)量塊與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊之間的四個(gè)檢測(cè)彈性梁、可沿垂直于檢測(cè)方向的驅(qū)動(dòng)方向(X向)振動(dòng)的一個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊、與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊相連的 四個(gè)驅(qū)動(dòng)彈性梁。右結(jié)構(gòu)與左結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱。中間結(jié)構(gòu)包括與驅(qū)動(dòng)彈性梁相 連的兩個(gè)中間耦合質(zhì)量塊、通過四個(gè)錨點(diǎn)與中間耦合質(zhì)量塊相連的中間耦合彈 性梁。
所述的健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺，每個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊均通過四個(gè)檢測(cè)彈 性梁與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊連接，每個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊通過四個(gè)驅(qū)動(dòng)彈性梁與中間質(zhì)量塊連 接，每個(gè)中間耦合質(zhì)量塊通過兩個(gè)中間彈性梁與第一基板錨接在一起。
所述的健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺，所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊由可動(dòng)條形驅(qū)動(dòng)電 極和連接可動(dòng)條形驅(qū)動(dòng)電極的邊框組成。
所述的健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺，所述檢測(cè)質(zhì)量塊由可動(dòng)?xùn)判螜z測(cè)電 極和連接?xùn)判螜z測(cè)電極的邊框組成，同時(shí)，柵形檢測(cè)電極的厚度等于所述驅(qū)動(dòng) 質(zhì)量塊的厚度。
所述的健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺，中間結(jié)構(gòu)包含的每一中間耦合質(zhì)量 塊上均勻布滿阻尼孔。
所述的健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺，檢測(cè)彈性梁、驅(qū)動(dòng)彈性梁和中間彈 性梁均采用"三段梁"結(jié)構(gòu)，所謂"三段梁"結(jié)構(gòu)，指由兩段平行的第一段梁、 第二段梁以及與之成一定角度相連的第三段梁構(gòu)成，這三段梁具有相同的寬度 和厚度。
所述的健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺，第一基板上的檢測(cè)用柵形固定電極
與第二基板上的可動(dòng)?xùn)判螜z測(cè)電極的各柵形電極一一對(duì)應(yīng)；
所述的健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺，第一基板上的檢測(cè)用柵形固定電極 上表面與第二基板的柵形檢測(cè)電極下表面之間的間隙小于柵形檢測(cè)電極的柵條 寬度。
所述的健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺，第一基板與第二基板之間為滑膜阻尼。
所述的健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺，第一基板為Pyrex 7740玻璃基板， 第二基板為導(dǎo)電單晶硅片。
本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)
1. 由于陀螺工作時(shí)第二基板沿與第一基板平行的方向運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)質(zhì)量塊 的柵形電極與第一基板上的固定電極之間起主要作用的阻尼是滑膜 阻尼，因而有效降低了驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模態(tài)的空氣阻尼；
2. 由于有效降低了空氣阻尼，陀螺在大氣環(huán)境下即可獲得較高的品質(zhì)因 子(Q值)，可以有效提高器件的靈敏度，無需真空封裝即可工作，降 低了器件的加工成本；
3. 中間結(jié)構(gòu)的采用，使左、右結(jié)構(gòu)間接連接，減少了左、右結(jié)構(gòu)直接相互影響，消除了耦合模態(tài)對(duì)檢測(cè)模態(tài)的干擾，同時(shí)，中間結(jié)構(gòu)對(duì)于加 工誤差不敏感，提高的系統(tǒng)的健壯性
4. 由于中間結(jié)構(gòu)具有對(duì)加工誤差不敏感的特色，所以中間質(zhì)量塊上可采
用阻尼孔，提高微陀螺系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
5. 所有彈性梁采用"三段梁"結(jié)構(gòu)，增大了驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)方向的剛度比， 有效抑制了驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模態(tài)的耦合。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的第一基板及其上的檢測(cè)用柵形固定電極示意圖 圖2是本發(fā)明實(shí)施例的第二基板及其上的檢測(cè)用柵形可動(dòng)電極示意圖。 圖3是本發(fā)明實(shí)施例中間耦合質(zhì)量塊局部放大結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是本發(fā)明實(shí)施例音叉式微機(jī)械陀螺的彈性梁示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明所述的健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺作進(jìn)一步的說明。
如圖1所示，第一基板1上形成有兩組對(duì)稱檢測(cè)用柵形固定電極2，與第二 基板4相連的兩側(cè)錨點(diǎn)3固定在第一基板1上。
如圖2所示，懸于第一基板1上方的第二基板2由左、右結(jié)構(gòu)以及連接左、 右結(jié)構(gòu)的中間結(jié)構(gòu)組成。左結(jié)構(gòu)5包括可沿檢測(cè)方向(y向)振動(dòng)的一個(gè)檢測(cè)質(zhì) 量塊6、檢測(cè)質(zhì)量塊與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊之間的四個(gè)檢測(cè)彈性梁7、可沿垂直于檢測(cè)方 向的驅(qū)動(dòng)方向(x向)振動(dòng)的一個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊8、與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊相連的四個(gè)驅(qū)動(dòng) 彈性梁9;左結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊包括可動(dòng)條形驅(qū)動(dòng)電極14和連接可動(dòng)條形驅(qū)動(dòng) 電極的邊框；左結(jié)構(gòu)的檢測(cè)質(zhì)量塊包括可動(dòng)?xùn)判螜z測(cè)電極15和連接?xùn)判螜z測(cè)電 極的邊框；第一基板上檢測(cè)用柵形固定電極2和可動(dòng)?xùn)判螜z測(cè)電極14的厚度均 等于驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊8的厚度，并且，檢測(cè)用柵形固定電極2和可動(dòng)?xùn)判螜z測(cè)電極 15之間的間隙為3微米。右結(jié)構(gòu)IO與左結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱。中間結(jié)構(gòu)ll包括與 驅(qū)動(dòng)彈性梁相連的兩個(gè)中間耦合質(zhì)量塊12、通過四個(gè)錨點(diǎn)與中間耦合質(zhì)量塊相 連的中間耦合彈性梁13，中間耦合質(zhì)量塊包括若干阻尼孔16。
對(duì)于上述本發(fā)明涉及的音叉式微機(jī)械陀螺，采用電磁驅(qū)動(dòng)、電容檢測(cè)以及 大氣壓封裝，具體的說，在可動(dòng)條形驅(qū)動(dòng)電極中施加一定頻率的交變驅(qū)動(dòng)電流， 該交變電流在垂直于微機(jī)械陀螺表面的外加磁場(chǎng)(Z向)作用下驅(qū)動(dòng)兩組驅(qū)動(dòng)質(zhì) 量塊沿X軸方向做反相諧振運(yùn)動(dòng)，當(dāng)有繞Z軸方向的角速度施加于系統(tǒng)時(shí)，在Y 軸方向產(chǎn)生科氏(Coriolis)加速度會(huì)使兩個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊沿垂直于驅(qū)動(dòng)方向的 檢測(cè)方向做反相運(yùn)動(dòng)，從而引起可動(dòng)?xùn)判螜z測(cè)電極和第一基板上檢測(cè)用柵形固定電極交疊面積相對(duì)于初始交疊面積發(fā)生變化，從而引起電容變化，由于角速 度與檢測(cè)電容變化成一定比例關(guān)系。因此，通過測(cè)量檢測(cè)電容變化，就可以測(cè) 得角速度大小。由于該陀螺的驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)運(yùn)動(dòng)都在第二基板所在平面內(nèi)且第一 基板與第二基板之間起主要作用的是滑膜阻尼，而滑膜阻尼比壓膜阻尼要小很
多，因此該微機(jī)械陀螺在大氣環(huán)境下封裝即可獲得較大的品質(zhì)因子。
此外，該微機(jī)械陀螺一個(gè)顯著的特點(diǎn)是采用中間結(jié)構(gòu)作為音叉振動(dòng)式陀螺 左、右結(jié)構(gòu)的連接結(jié)構(gòu)，這樣做的好處在于
1. 減少了左右結(jié)構(gòu)直接相互影響，消除了耦合模態(tài)對(duì)檢測(cè)模態(tài)的干擾，同 時(shí)，中間結(jié)構(gòu)對(duì)于加工誤差不敏感，提高的系統(tǒng)的健壯性
2. 由于中間結(jié)構(gòu)具有對(duì)加工誤差不敏感的特色，所以中間質(zhì)量塊上可采用 阻尼孔(圖3)，提高微陀螺系統(tǒng)的穩(wěn)定性，
3. 所有彈性梁采用"三段梁"結(jié)構(gòu)(如圖4所示)，即由兩段平行的第一段 梁17、第二段梁18以及與之成一定角度(角度的范圍可為60。 85。，例 如取80。)相連的第三段梁19構(gòu)成，這三段梁具有相同的寬度和厚度。"三 段梁"結(jié)構(gòu)增大了驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)方向的剛度比，有效限制了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)， 確保輸出的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期可靠性，有效抑制了驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模態(tài)的
本陀螺采用微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)制作，無需真空封裝，且具有較高靈敏度 和帶寬、較好的抗干擾能力；對(duì)環(huán)境和加工誤差不敏感，具有較好的健壯性。
上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用 本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改， 并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此， 本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明 做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺，其特征在于包括(a)第一基板(1)及其上的兩組對(duì)稱檢測(cè)用柵形固定電極(2)、固定于第一基板上的四個(gè)錨點(diǎn)(3)、懸于第一基板上方的第二基板(4)；(b)第二基板包括左、右結(jié)構(gòu)以及連接左、右結(jié)構(gòu)的中間結(jié)構(gòu)，左結(jié)構(gòu)(5)包括可沿檢測(cè)方向振動(dòng)的一個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊(6)、檢測(cè)質(zhì)量塊與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊之間的四個(gè)檢測(cè)彈性梁(7)、可沿垂直于檢測(cè)方向的驅(qū)動(dòng)方向振動(dòng)的一個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(8)、與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊相連的四個(gè)驅(qū)動(dòng)彈性梁(9)；右結(jié)構(gòu)(10)與左結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱；中間結(jié)構(gòu)(11)包括與驅(qū)動(dòng)彈性梁相連的兩個(gè)中間耦合質(zhì)量塊(12)、通過四個(gè)錨點(diǎn)與中間耦合質(zhì)量塊相連的中間耦合彈性梁(13)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺，其特征在于每個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊均通過四個(gè)檢測(cè)彈性梁與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊連接，每個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊通過四 個(gè)驅(qū)動(dòng)彈性梁與中間質(zhì)量塊連接，每個(gè)中間耦合質(zhì)量塊通過兩個(gè)中間彈性梁 與第一基板錨接在一起。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺，其特征在于所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊由可動(dòng)條形驅(qū)動(dòng)電極(14)和連接可動(dòng)條形驅(qū)動(dòng)電極的邊框組成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺，其特征在于所述檢測(cè)質(zhì)量塊由可動(dòng)?xùn)判螜z測(cè)電極(15)和連接?xùn)判螜z測(cè)電極的邊框組成，同時(shí)，柵形檢測(cè)電極的厚度等于所述驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的厚度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺，其特征在于所述中 間結(jié)構(gòu)包含的每一中間耦合質(zhì)量塊上均勻布滿阻尼孔(16)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺，其特征在于檢測(cè)彈 性梁、驅(qū)動(dòng)彈性梁和中間彈性梁均采用"三段梁"結(jié)構(gòu)由兩段平行的第一 段梁、第二段梁以及與之成一定角度相連的第三段梁構(gòu)成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺，其特征在于第一基 板上的檢測(cè)用柵形固定電極與第二基板上的可動(dòng)?xùn)判螜z測(cè)電極的各柵形電 極一一對(duì)應(yīng)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺，其特征在于第一基 板上的檢測(cè)用柵形固定電極上表面與第二基板的柵形檢測(cè)電極下表面之間 的間隙小于柵形檢測(cè)電極的柵條寬度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺，其特征在于第一基 板與第二基板之間為滑膜阻尼。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺，其特征在于第一基 板為Pyrex 7740玻璃基板，第二基板為導(dǎo)電單晶硅片。
全文摘要
一種健壯性音叉振動(dòng)式微機(jī)械陀螺，其包括第一基板及其上的兩組對(duì)稱檢測(cè)用柵形固定電極、固定于第一基板上的四個(gè)錨點(diǎn)、懸于第一基板上方的第二基板組成；第二基板包括左、右結(jié)構(gòu)以及連接左、右結(jié)構(gòu)的中間結(jié)構(gòu)，左結(jié)構(gòu)包括可沿檢測(cè)方向(y向)振動(dòng)的一個(gè)檢測(cè)質(zhì)量塊、檢測(cè)質(zhì)量塊與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊之間的四個(gè)檢測(cè)彈性梁、可沿垂直于檢測(cè)方向的驅(qū)動(dòng)方向(x向)振動(dòng)的一個(gè)驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊、與驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊相連的四個(gè)驅(qū)動(dòng)彈性梁。該中間結(jié)構(gòu)包括與驅(qū)動(dòng)彈性梁相連的兩個(gè)中間耦合質(zhì)量塊、通過四個(gè)錨點(diǎn)與中間耦合質(zhì)量塊相連的中間耦合彈性梁。本陀螺無需真空封裝，且具有較高靈敏度和帶寬、較好的抗干擾能力；對(duì)環(huán)境和加工誤差不敏感，具有較好的健壯性。
文檔編號(hào)G01C19/5621GK101298987SQ20081003890
公開日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2008年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月13日
發(fā)明者劉廣軍, 濤 姜, 文永蓬, 王安麟 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)