專利名稱：雙自由度硅微振動(dòng)陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型的雙自由度硅微振動(dòng)陀螺儀屬陀螺技術(shù)。
20世紀(jì)90年代以來(lái)，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)得到迅猛發(fā)展，在醫(yī)療領(lǐng)域、信息領(lǐng)域、汽車工程領(lǐng)域、自動(dòng)化領(lǐng)域、環(huán)境與安全領(lǐng)域和日常生活領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。MEMS技術(shù)的深入發(fā)展，也促進(jìn)了微慣性儀表的出現(xiàn)和發(fā)展，使慣性技術(shù)領(lǐng)域正在經(jīng)歷一場(chǎng)深刻的變化。微型慣性儀表是新興的交叉學(xué)科的產(chǎn)物，各學(xué)科前沿領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展將積極促進(jìn)微型慣性儀表性能的進(jìn)一步提高。硅微型慣性敏感器件包括硅微型加速度計(jì)和硅微型陀螺儀。它們具有體積小、重量輕、適宜于批量生產(chǎn)、成本低、中等精度、可靠性高，能承受惡劣環(huán)境條件等突出優(yōu)點(diǎn)，在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、智能彈藥、微型衛(wèi)星、GPS組合導(dǎo)航等軍事領(lǐng)域和汽車、工業(yè)機(jī)器人、油井鉆探、攝影、生物醫(yī)學(xué)器械等民用領(lǐng)域，均有著廣泛的應(yīng)用前景。因此世界各國(guó)普遍重視這一新興技術(shù)的研究方向，紛紛投入巨資加以研究開(kāi)發(fā)。僅硅微機(jī)械陀螺儀經(jīng)10多年來(lái)的發(fā)展，就出現(xiàn)了許多形式。依照不同的激勵(lì)與檢測(cè)方式，大致可分為5大類①靜電激勵(lì)、電容檢測(cè)方式；②電磁激勵(lì)、電容檢測(cè)方式；③壓電激勵(lì)、電容檢測(cè)方式；④靜電激勵(lì)、電磁檢測(cè)方式；⑤電磁激勵(lì)、壓阻檢測(cè)方式。
1997年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校傳感器與執(zhí)行器研究中心(BerkeleySensor and Actuator Center)利用靜電驅(qū)動(dòng)、電容檢測(cè)技術(shù)，研制一種雙自由度振動(dòng)輪式角振動(dòng)陀螺儀。該陀螺儀采用弧形梳齒狀諧振器，可同時(shí)檢測(cè)兩個(gè)正交輸入軸方向的輸入角速度。
1988年韓國(guó)三星先進(jìn)技術(shù)研究院微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(Micro Systems LabSamsung Advanced Institute of Technology)同樣利用靜電激勵(lì)、電容檢測(cè)方式，研制出一種雙自由度振動(dòng)陀螺儀。這種陀螺儀，它的基本結(jié)構(gòu)形式是，在陀螺儀中心支柱上，通過(guò)四根支撐梁將陀螺儀結(jié)構(gòu)懸掛起來(lái)，敏感檢測(cè)部分的外側(cè)設(shè)計(jì)成靜電梳齒。它可同時(shí)檢測(cè)兩個(gè)正交輸入軸方向輸入的角速度。
以上兩種陀螺儀結(jié)構(gòu)類似，都存在運(yùn)動(dòng)耦合的問(wèn)題。因此，誤差較大、不夠穩(wěn)定。
本實(shí)用新型的目的旨在研制一種能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模態(tài)與敏感模態(tài)的運(yùn)動(dòng)解耦以及敏感輸出解耦，達(dá)到誤差小、穩(wěn)定性好的雙自由度硅微振動(dòng)陀螺儀。
本實(shí)用新型的雙自由度硅微振動(dòng)陀螺儀，由上、下兩層構(gòu)成，上層為制作在單晶硅片上的陀螺儀機(jī)械結(jié)構(gòu)，下層為制作在玻璃襯底上的陀螺儀信號(hào)線和電容極板，陀螺儀機(jī)械結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)輪、隔離環(huán)、外框架、內(nèi)扭桿和外扭桿組成。外框架通過(guò)一對(duì)外扭桿與隔離環(huán)相連，隔離環(huán)通過(guò)一對(duì)內(nèi)扭桿與驅(qū)動(dòng)輪相連，驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)四根支撐梁與固定支撐柱相連。陀螺儀可活動(dòng)部分通過(guò)四根支撐梁和固定支撐柱懸空于下層的玻璃襯底之上。玻璃襯底上的信號(hào)線包括地線、驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)引線、敏感輸出信號(hào)引線。玻璃襯底上的電容極板包括x軸檢測(cè)電容固定極板、y軸檢測(cè)電容固定極板、x軸反饋力矩電容固定極板、y軸反饋力矩電容固定極板。另外，玻璃襯底上還有固定支撐柱鍵合點(diǎn)和固定梳齒鍵合點(diǎn)等所組成。
由于本陀螺儀采用內(nèi)外扭桿將驅(qū)動(dòng)部分與檢測(cè)部分分開(kāi)的特殊結(jié)構(gòu)，尤其是x、y軸向完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)模態(tài)與敏感模態(tài)的運(yùn)動(dòng)解耦，實(shí)現(xiàn)了敏感輸出解耦，提高了頻率穩(wěn)定性和精度，同時(shí)使得這種雙自由度硅微振動(dòng)陀螺儀實(shí)際上成了一種兩個(gè)單自由度速率陀螺儀。
附

圖1雙自由度硅微振動(dòng)陀螺儀上層的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2雙自由度硅微振動(dòng)陀螺儀下層的玻璃襯底上的信號(hào)引線及電容極板示意圖。
附圖3本實(shí)用新型的工作原理簡(jiǎn)圖。
下面根據(jù)上述附圖敘述本實(shí)用新型的具體實(shí)施例結(jié)構(gòu)及其工作原理。
附圖1所示的是本陀螺儀制作在單晶硅片上的上層機(jī)械結(jié)構(gòu)，由外框架1，隔離環(huán)3，驅(qū)動(dòng)輪5，內(nèi)扭桿4和外扭桿2所組成，隔離環(huán)3設(shè)置在外框架1與驅(qū)動(dòng)輪5之間，并通過(guò)一對(duì)內(nèi)扭桿4與驅(qū)動(dòng)輪5相連，通過(guò)一對(duì)外扭桿2與外框架1相連，驅(qū)動(dòng)輪5通過(guò)四根支撐梁6連于固定支撐柱7，支撐梁連于驅(qū)動(dòng)輪的輪緣，支撐梁可以是直梁，也可以是“S”形梁等，驅(qū)動(dòng)輪5由8組弧形梳狀靜電諧振器構(gòu)成，每個(gè)靜電諧振器由固定梳齒8與活動(dòng)梳齒9對(duì)插組成。整個(gè)陀螺儀的上層機(jī)械結(jié)構(gòu)通過(guò)四根支撐梁6和固定支撐柱7懸空安裝在玻璃襯底之上。
玻璃襯底如附圖2所示，包括信號(hào)引線、電容固定極板、金屬硅/玻靜電鍵合點(diǎn)。信號(hào)引線包括地線10，驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)引線11，敏感輸出信號(hào)引線12；電容固定極板包括X軸檢測(cè)電容固定極板13，y軸檢測(cè)電容固定極板14，x軸反饋力矩電容固定極板15，y軸反饋力矩電容固定極板16；金屬硅/玻靜電鍵合點(diǎn)包括固定支撐柱鍵合點(diǎn)17和固定梳齒鍵合點(diǎn)18。其中固定支撐柱7和固定支撐柱鍵合點(diǎn)17相連，固定梳齒8和固定梳齒鍵合點(diǎn)18相連，并與活動(dòng)梳齒9構(gòu)成靜電驅(qū)動(dòng)電容；外框架1分別與x軸檢測(cè)電容固定極板13構(gòu)成x軸檢測(cè)電容；與y軸檢測(cè)電容固定極板14構(gòu)成y軸檢測(cè)電容；與x軸反饋力矩電容固定極板15構(gòu)成x軸反饋力矩電容；與y軸反饋力矩電容固定極板16構(gòu)成y軸反饋力矩電容。
陀螺儀工作原理在梳狀諧振器的固定梳齒8上，施加含直流偏置電壓的相位相反的交變電壓，由于交變的靜電吸力所產(chǎn)生的繞驅(qū)動(dòng)軸(固定支撐柱7方向的軸線)的交變力偶矩的作用，使整個(gè)陀螺儀活動(dòng)結(jié)構(gòu)繞驅(qū)動(dòng)軸作角振動(dòng)。設(shè)角振動(dòng)波形為正弦波，振幅為θ0，角頻率為ωn，則振動(dòng)角位移為θ＝θ0sinωnt而外框架檢測(cè)質(zhì)量上的各質(zhì)點(diǎn)則作線振動(dòng)(因驅(qū)動(dòng)角振動(dòng)的振幅很小，故可視為線振動(dòng))。為說(shuō)明問(wèn)題，在陀螺儀外框架上取8個(gè)質(zhì)點(diǎn)，其振動(dòng)的線速度方向如附圖3所示。假設(shè)質(zhì)點(diǎn)到陀螺儀回轉(zhuǎn)中心的距離為R，則質(zhì)點(diǎn)線振動(dòng)位移為l＝Rθ0sinωnt線振動(dòng)速度為V=dldt=Rθ0ωncosωnt]]>假設(shè)沿陀螺儀x軸方向有外界輸入角速度ωx，根據(jù)右手定則，各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的哥氏加速度方向如附圖3所示，其大小為ac＝2ωxVsin＝2ωxRθ0ωncosωntsin其中V為質(zhì)點(diǎn)的線振動(dòng)速度，為輸入角速度和線振動(dòng)速度之間右旋夾角。
設(shè)質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量為mi，則作用于質(zhì)點(diǎn)上的哥氏慣性力為Fc＝-miac＝-2miωxVsin哥氏慣性力的方向與哥氏加速度的方向相反。
當(dāng)有外界角速度輸入時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量上各質(zhì)點(diǎn)均會(huì)出現(xiàn)如上所述的哥氏效應(yīng)，亦即均會(huì)對(duì)輸出軸形成哥氏慣性力矩。而且，檢測(cè)質(zhì)量上各質(zhì)點(diǎn)作簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其速度按簡(jiǎn)諧規(guī)律變化，因此，哥氏加速度、哥氏慣性力和哥氏慣性力矩也是按簡(jiǎn)諧規(guī)律變化的。顯然，整個(gè)檢測(cè)質(zhì)量的哥氏慣性力矩應(yīng)是所有振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)哥氏慣性力矩之總和。
由于繞輸出軸的哥氏慣性力矩作簡(jiǎn)諧交變，因而在穩(wěn)態(tài)時(shí)外框架繞輸出軸(y軸)出現(xiàn)簡(jiǎn)諧角振動(dòng)。角振動(dòng)的幅值取決于輸入角速度的大小，角振動(dòng)的相位取決于輸入角速度的方向。這樣，x軸檢測(cè)電容固定極板13與外框架之間的間隙就按一定的簡(jiǎn)諧振動(dòng)規(guī)律交變，亦即檢測(cè)電容器的電容量均按一定的簡(jiǎn)諧振動(dòng)規(guī)律交變。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)的大小正比于輸入角速度的大小。通過(guò)鑒相器比較輸出電壓信號(hào)與激振電壓信號(hào)的相位關(guān)系，則可判明輸入角速度的方向。
權(quán)利要求1.一種雙自由度硅微振動(dòng)陀螺儀，其特征在于上層為制作在單晶硅片上的陀螺儀機(jī)械結(jié)構(gòu)，下層為制作在玻璃襯底上的信號(hào)引線和電容極板，陀螺儀上層機(jī)械結(jié)構(gòu)的外框架(1)與驅(qū)動(dòng)輪(5)之間設(shè)有隔離環(huán)(3)，并通過(guò)一對(duì)外扭桿(2)與外框架(1)相連，通過(guò)一對(duì)內(nèi)扭桿(4)與驅(qū)動(dòng)輪(5)相連，驅(qū)動(dòng)輪(5)通過(guò)四根支撐梁(6)連于固定支撐柱(7)，陀螺儀下層玻璃襯底上制作有地線(10)，驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)線(11)，敏感輸出信號(hào)線(12)，x軸檢測(cè)電容固定極板(13)，y軸檢測(cè)電容固定極板(14)，x軸反饋力矩電容固定極板(15)，y軸反饋力矩電容固定極板(16)，上層機(jī)械結(jié)構(gòu)通過(guò)四根支撐梁(6)和固定支撐柱(7)懸空安裝在玻璃襯底之上。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的雙自由度硅微振動(dòng)陀螺儀，其特征在于驅(qū)動(dòng)輪(5)由8組梳狀靜電諧振器構(gòu)成，每個(gè)靜電諧振器由固定梳齒(8)與活動(dòng)梳齒(9)對(duì)插而成。
3.依據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙自由度硅微振動(dòng)陀螺儀，其特征在于固定支撐柱(7)與下層玻璃襯底上的固定支撐柱鍵合點(diǎn)(17)相連，固定梳齒(8)與下層玻璃襯底上的固定梳齒鍵合點(diǎn)(18)相連。
專利摘要一種雙自由度硅微振動(dòng)陀螺儀屬陀螺技術(shù),由上層制作在單晶硅片上的陀螺儀機(jī)械結(jié)構(gòu)與下層制作在玻璃襯底上的信號(hào)線,電容極板等所組成,上層機(jī)械結(jié)構(gòu)的外框架通過(guò)外扭桿與隔離環(huán)相連,隔離環(huán)通過(guò)內(nèi)扭桿與驅(qū)動(dòng)輪相連,驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)支撐梁連于支撐柱,下層玻璃襯底包括地線,輸入、輸出線,x、y軸檢測(cè)電容固定極板與x、y軸反饋力矩電容固定極板等,上層通過(guò)支撐柱懸空安裝在下層之上。本陀螺儀實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)解耦,減少了誤差。
文檔編號(hào)G01C19/5677GK2482679SQ0124473
公開(kāi)日2002年3月20日 申請(qǐng)日期2001年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月10日
發(fā)明者蘇巖, 裘安萍, 周百令, 王壽榮 申請(qǐng)人:東南大學(xué)