專利名稱：扭擺式角速率陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于微電子機械系統(tǒng)和微慣性測量技術(shù)，特別是一種扭擺式角速率陀螺儀。
背景技術(shù)：
微機械慣性儀表包括微機械陀螺儀(MMG)和微機械加速度計(MMA)。利用微電子加工工藝允許將微機械結(jié)構(gòu)與所需的電子線路完全集成在一個硅片上，從而達到性能、價格、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(如體積小、重量輕、價格便宜、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)控及消費類產(chǎn)品和機器人技術(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的自主導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)等。1993年，美國德雷珀實驗室通過在玻璃表面復(fù)蓋硅層技術(shù)制作了一種新穎的微機械陀螺一音叉式線振動陀螺。該陀螺儀由雙質(zhì)量塊、支承梁和橫梁組成，陀螺儀采用線振動驅(qū)動和角振動檢測的方式，可以敏感陀螺儀平面內(nèi)軸向的角速率。由于該陀螺儀的驅(qū)動運動與敏感運動完全耦合，限制了其靈敏度的提高。2007年，裘安萍、蘇巖等人研制了雙質(zhì)量振動式硅微陀螺儀(申請?zhí)?200710133223.幻，在驅(qū)動力的作用下雙質(zhì)量在做平行于襯底的線振動，有角速率輸入時， 雙質(zhì)量塊做平行于襯底的垂直于驅(qū)動方向的線振動，通過檢測敏感電容的變化，測試輸入角速率。該陀螺儀采用了八根驅(qū)動支承梁和八根敏感支承梁實現(xiàn)驅(qū)動模態(tài)與敏感模態(tài)的分離。由于微電子工藝的相對誤差較大，加工誤差對陀螺儀性能有很大的影響。2009年，裘安萍、蘇巖等人又研制了擺動式硅微陀螺儀(申請?zhí)?200920037290. 1)。采用扭桿和橫梁，使陀螺儀繞Z軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)陀螺儀的敏感運動，實現(xiàn)了驅(qū)動方向與檢測方向的運動解耦。扭桿代替了敏感支承梁，減小了支承梁數(shù)目，降低了加工誤差對陀螺儀性能的影響。但是在體硅工藝中，對豎直扭桿的加工具有相當大的難度。2011年，裘安萍、蘇巖等人研制了硅微角振動輸出陀螺儀(申請?zhí)?。采用水平扭桿和橫梁，實現(xiàn)陀螺儀的角振動輸出。水平扭桿的使用，降低了對加工過程的要求。同時設(shè)置了質(zhì)量塊鏈接機構(gòu)，增大了工作模態(tài)與干擾模態(tài)的頻率差，增加了陀螺儀的穩(wěn)定性。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種能實現(xiàn)驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)的運動解耦，受加工誤差影響較小，具有高靈敏度、高穩(wěn)定性的扭擺式角速率陀螺儀。實現(xiàn)本實用新型目的的技術(shù)解決方案為一種扭擺式角速率陀螺儀，由上層的機械結(jié)構(gòu)和下層的玻璃襯底構(gòu)成，整個機械結(jié)構(gòu)通過第一組水平扭桿與第一固定基座連接， 通過第二組水平扭桿與第二固定基座連接，使上層的機械結(jié)構(gòu)懸空在下層的玻璃襯底之上；第一固定基座布置在第一橫梁的下面，第二固定基座布置在第二橫梁的上面；兩組水平扭桿均在XY平面內(nèi)；第一組扭桿中的第一、第三扭桿和第二組扭桿中的第四、第六扭桿沿X軸方向布置；第一組扭桿中的第二扭桿和第二組扭桿中的第五扭桿沿Y軸方向布置。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(1)與雙質(zhì)量振動式硅微陀螺儀(申請?zhí)?00710133223. 5)相比，扭桿代替了敏感支承梁，使陀螺儀的敏感運動由線運動變?yōu)榻沁\動，減少了干擾模態(tài)的數(shù)目，降低了加工精度的影響，提高了陀螺儀的靈敏度和穩(wěn)定性；(2)與擺動式硅微陀螺儀(申請?zhí)?00920037^0. 1)相比，水平扭桿代替了豎直扭桿，實現(xiàn)敏感運動，降低了加工過程的難度；(3)與雙質(zhì)量振動式硅微陀螺儀(申請?zhí)?200710133223. 5)和擺動式硅微陀螺儀(申請?zhí)?200920037290. 1)相比，兩個子結(jié)構(gòu)通過質(zhì)量塊連接機構(gòu)相互連接，增大了工作模態(tài)間與干擾模態(tài)間的頻率差，減小了干擾模態(tài)對陀螺儀性能的影響；(4)與雙質(zhì)量振動式硅微陀螺儀(申請?zhí)?200710133223. 5)相比，兩個子結(jié)構(gòu)左右對稱布置，增加了輸出信號，為單質(zhì)量塊輸出信號的兩倍，同時角振動輸出信號為線振動輸出信號的兩倍，所以大大提高了陀螺儀的靈敏度；(5)采用扭桿和橫梁，使陀螺儀繞ζ軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)陀螺儀的敏感運動，實現(xiàn)了驅(qū)動方向與檢測方向的運動解耦，從而減小誤差信號；(6)兩個子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動運動和檢測運動均為相向運動，形成梳齒差動電容檢測，實現(xiàn)了敏感輸出解耦，抑制了干擾信號。
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步詳細描述。

圖1是本實用新型扭擺式角速率陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實用新型扭擺式角速率陀螺儀下層的玻璃襯底上的信號引線示意圖。
具體實施方式
結(jié)合圖1，本實用新型扭擺式角速率陀螺儀，用于測量Z軸方向的角速率。該陀螺儀由上層的機械結(jié)構(gòu)和下層的玻璃襯底構(gòu)成。陀螺儀上層機械結(jié)構(gòu)由一對完全相同的子結(jié)構(gòu)100、200組成，這兩個子結(jié)構(gòu)100、200左右對稱布置，并通過質(zhì)量塊連接機構(gòu)6相互連接，同時兩個子結(jié)構(gòu)100、200均與橫梁3a、!3b連接。第一橫梁3a通過第一組水平扭桿2a、 2b,2c與第一固定基座Ia連接。第二橫梁北通過第二組水平扭桿2d、2e、2f與第二固定基座Ib連接。第一固定基座Ia布置在第一橫梁3a的下面，第二固定基座Ib布置在第二橫梁 3b的上面。質(zhì)量塊連接機構(gòu)6由兩個連接桿6a、6b和一個連接框6c構(gòu)成，兩個連接桿6a、 6b的一端分別與連接框6c連接，另一端連接兩個子結(jié)構(gòu)100、200。第一組水平扭桿中的第一、第三扭桿h、2c和第二組水平扭桿中的第四、第六扭桿2d、2f沿X軸方向布置，第一組水平扭桿中的第二扭桿2b和第二組水平扭桿中的第五扭桿2e沿Y軸方向布置。第一子結(jié)構(gòu)100由第一質(zhì)量塊101、驅(qū)動支承梁l(^a、105b、105c、105d、驅(qū)動電容、驅(qū)動檢測電容和檢測電容組成。第二子結(jié)構(gòu)200由第二質(zhì)量塊201、驅(qū)動支承梁20fe、205b、205c、205d、驅(qū)動電容、驅(qū)動檢測電容和檢測電容組成。第一質(zhì)量塊101通過驅(qū)動支承梁IO^u 105b、105c、105d 與橫梁3a、!3b相連，其中第一、第二驅(qū)動支承梁105110 與第一橫梁3a連接，第三、第四驅(qū)動支承梁105c、105d與第二橫梁北連接。第二質(zhì)量塊201通過驅(qū)動支承梁20fe、205b、 205c、205d與橫梁3a、;3b相連，其中第五、第六驅(qū)動支承梁20^1、20釙與第一橫梁3a相連， 第七、第八驅(qū)動支承梁205c、205d與第二橫梁北相連。第一質(zhì)量塊101上下對稱分布的活動梳齒與至少四個固定驅(qū)動梳齒103a、103bU03cU03d交錯對插排列形成驅(qū)動電容，活動梳齒與至少兩個固定驅(qū)動檢測梳齒104a、104b交錯對插排列形成驅(qū)動檢測電容，左右對稱分布的活動敏感梳齒與三個固定敏感梳齒10加、102b、102c交錯對插排列形成敏感電容； 第二質(zhì)量塊201上下對稱分布的活動梳齒與至少四個固定驅(qū)動梳齒203a、203b、203c、203d 交錯對插排列形成驅(qū)動電容，活動梳齒與至少兩個固定驅(qū)動檢測梳齒2(Ma、204b交錯對插排列形成驅(qū)動檢測電容，左右對稱分布的活動敏感梳齒與三個固定敏感梳齒20h、202b、 202c交錯對插排列形成敏感電容。在固定驅(qū)動梳齒103a、103b、103c、103d、203a、203b、 203c、203d上施加帶直流偏置的交流電壓，實現(xiàn)陀螺儀的單邊靜電驅(qū)動。整個陀螺儀的上層結(jié)構(gòu)通過第一組水平扭桿&、2b、2c與第一固定基座Ia連接，通過第二組水平扭桿2d、 2e,2f與第二固定基座Ib連接，使其懸空安裝在玻璃襯底之上。第一固定基座Ia和第一固定鍵合點如相連，第二固定基座Ib和第二固定鍵合點4b相連，固定驅(qū)動梳齒103a、103b、 103c、103d、203a、203b、203c、203d、固定驅(qū)動反饋梳齒 104a、104b、204a、204b、固定敏感梳齒102a、102b、102c、202a、202b、202c分別與下層玻璃襯底的對應(yīng)鍵合點112a、112b、112c、 112d、212a、212b、212c、212d、113a、113b、213a、213b、llla、lllb、lllc、211a、211b、211c 相連。玻璃襯底5如附圖2所示，包括信號引線和金屬硅/玻璃鍵合點。信號引線包括地線，驅(qū)動輸入引線109a、109b、209a、209b，驅(qū)動反饋輸入引線110、210，敏感輸出信號引線108、208 ；金屬硅/玻璃鍵合點包括固定基座鍵合點^、4b，固定驅(qū)動梳齒鍵合點112a、 112b、112c、112d 和 212a、212b、212c、212d，固定驅(qū)動反饋梳齒鍵合點 113a、113b 和 213a、 213b,固定敏感梳齒鍵合點 llla、lllb、lllc 和 211a、211b、211c。本實用新型的扭擺式角速率陀螺儀，采用單邊靜電驅(qū)動，電容檢測的工作方式。在子結(jié)構(gòu)100的固定驅(qū)動梳齒103a、10 、103c、103d上施加含直流偏置電壓的交流電壓，產(chǎn)生交變的靜電力，靜電驅(qū)動力為
kFd - 2he — UJJd sin Φ￡ (1)
d式中，/7為諧振器的活動梳齒數(shù)C力介電常數(shù)，h為結(jié)構(gòu)的厚度，i/為梳齒間距， ^為驅(qū)動電壓的直流偏置電壓，K為交流電圧f力又流電壓的角頻率。同理，在子結(jié)構(gòu)200的固定梳齒203a、203b、203c、203d上施加含直流偏置的交流電壓，產(chǎn)生交變的靜電力，該靜電力與作用在子結(jié)構(gòu)100上的靜電驅(qū)動力相差180度。因此子結(jié)構(gòu)100和200的整個活動結(jié)構(gòu)在靜電驅(qū)動力的作用下，沿驅(qū)動軸作相向簡諧線振動。當驅(qū)動交流電壓的頻率與陀螺儀驅(qū)動模態(tài)的固有頻率一致時，線振動位移為
P Qz = (2)
K 式中，為靜電驅(qū)動力幅值力X方向的彈性剛度，a為驅(qū)動模態(tài)的品質(zhì)因數(shù)。線振動速度為[0023]當陀螺儀有繞ζ軸的外界輸入角速率4時，根據(jù)右手定則，檢測質(zhì)量受到檢測軸方向的哥氏加速度作用，其大小為
P Q= sin φ= 2 . g0 y siii iS sin Φ/(4)
K式中4力輸入角速率和線振動速度之間右旋夾角。設(shè)檢測質(zhì)量為％ ,則作用在檢測質(zhì)量上的哥氏慣性力為Fc = -rn5ae = -2msazVsm φ(5)哥氏慣性力的方向與哥氏加速度方向相反，因此，作用在質(zhì)量塊101、201上的哥氏慣性力的方向相反，形成力矩作用在陀螺儀結(jié)構(gòu)上，使得子結(jié)構(gòu)100、200和橫梁3a、3b以陀螺儀的幾何中心為中心繞敏感軸作角振動。這樣，使得活動敏感梳齒與固定敏感梳齒之間的間隙按一定的簡諧振動規(guī)律變動，電容差值信號經(jīng)電子線路處理后，可獲得輸出電壓信號。輸出電壓信號為子結(jié)構(gòu)100、200輸出電壓信號之和，且輸出電壓信號的大小正比于輸入角速率的大小。通過鑒相器比較輸出電壓信號與激勵信號的相位關(guān)系，則可判明輸入角速率的方向。
權(quán)利要求1.一種扭擺式角速率陀螺儀，由上層的機械結(jié)構(gòu)和下層的玻璃襯底構(gòu)成，其特征在于 整個機械結(jié)構(gòu)通過第一組水平扭桿(2a、2b、2c)與第一固定基座(la)連接，通過第二組水平扭桿(2d、2e、2f)與第二固定基座(Ib)連接，使上層的機械結(jié)構(gòu)懸空在下層的玻璃襯底之上；第一固定基座(la)布置在第一橫梁(3a)的下面，第二固定基座(lb)布置在第二橫梁 (3b)的上面；兩組水平扭桿(2a、2b、2C、2d、2e、2f)均在XY平面內(nèi)；第一組扭桿中的第一、 第三扭桿(2a、2c)和第二組扭桿中的第四、第六扭桿(2d、2f)沿X軸方向布置；第一組扭桿中的第二扭桿(2b)和第二組扭桿中的第五扭桿(2e)沿Y軸方向布置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭擺式角速率陀螺儀，其特征在于第一橫梁(3a)通過第一組水平扭桿(2a、2b、2c)與第一固定基座(Ia)連接；第二橫梁(3b)通過第二組水平扭桿 (2d、2e、2f)與第二固定基座(Ib)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭擺式角速率陀螺儀，其特征在于陀螺儀的機械結(jié)構(gòu)由兩個相同的子結(jié)構(gòu)(100、200)左右對稱布置，兩個子結(jié)構(gòu)(100、200)通過質(zhì)量塊連接機構(gòu)(6) 相互連接，質(zhì)量塊連接機構(gòu)(6 )由兩個連接桿(6a、6b )和一個連接框(6c )構(gòu)成，兩個連接桿 (6a、6b)的一端分別與連接框(6c)連接，另一端連接兩個子結(jié)構(gòu)(100、200)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的扭擺式角速率陀螺儀，其特征在于第一子結(jié)構(gòu)(100)由第一質(zhì)量塊(101 )、驅(qū)動支承梁(105a、105b、105c、105d)、以及第一質(zhì)量塊(101)四周的驅(qū)動電容、驅(qū)動檢測電容和敏感電容組成，第一質(zhì)量塊(101)與四根驅(qū)動支承梁(105a、105b、 105c、105d)連接，其中第一、第二驅(qū)動支承梁(105a、105b)與第一橫梁(3a)連接，第三、第四驅(qū)動支承梁(105c、105d)與第二橫梁(3b)連接；第二子結(jié)構(gòu)(200)由第二質(zhì)量塊(201)、 驅(qū)動支承梁(205a、205b、205c、205d)、以及第二質(zhì)量塊(201)四周的驅(qū)動電容、驅(qū)動檢測電容和敏感電容組成，第二質(zhì)量塊(201)與四根驅(qū)動支承梁(205a、205b、205c、205d)連接，其中第五、第六驅(qū)動支承梁(205a、205b)與第一橫梁(3a)相連，第七、第八驅(qū)動支承梁(205c、 205d)與第二橫梁(3b)相連。
5.根據(jù)權(quán)利4所述的扭擺式角速率陀螺儀，其特征在于第一質(zhì)量塊(101)上下對稱分布的活動梳齒與固定驅(qū)動梳齒(103a、103b、103c、103d)交錯對插排列形成驅(qū)動電容，活動梳齒與固定驅(qū)動檢測梳齒(104a、104b)交錯對插排列形成驅(qū)動檢測電容，左右對稱分布的活動敏感梳齒與固定敏感梳齒(102a、102b、102C)交錯對插排列形成敏感電容；第二質(zhì)量塊(201)上下對稱分布的活動梳齒與固定驅(qū)動梳齒(203a、203b、203c、203d)交錯對插排列形成驅(qū)動電容，活動梳齒與固定驅(qū)動檢測梳齒(204a、204b)交錯對插排列形成驅(qū)動檢測電容，左右對稱分布的活動敏感梳齒與固定敏感梳齒(202a、202b、202c)交錯對插排列形成敏感電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的扭擺式角速率陀螺儀，其特征在于第一固定基座(Ia)和第一固定鍵合點(4a)相連，第二固定基座(Ib)和第二固定鍵合點(4b)相連，固定驅(qū)動梳齒(103a、103b、103c、103d、203a、203b、203c、203d)、固定驅(qū)動反饋梳齒(104a、104b,204a, 204b)、固定敏感梳齒(102a、102b、102c、202a、202b、202c)分別與下層玻璃襯底的對應(yīng)鍵合點(112a、112b、112c、112d、212a、212b、212c、212d、113a、113b、213a、213b、111a、111b、 lllc、211a、211b、211c)相連。
專利摘要本實用新型公開了一種扭擺式角速率陀螺儀，由上層的機械結(jié)構(gòu)和下層的玻璃襯底構(gòu)成，整個機械結(jié)構(gòu)通過第一組水平扭桿與第一固定基座連接，通過第二組水平扭桿與第二固定基座連接，使上層的機械結(jié)構(gòu)懸空在下層的玻璃襯底之上；第一固定基座布置在第一橫梁的下面，第二固定基座布置在第二橫梁的上面；兩組水平扭桿均在XY平面內(nèi)；第一組扭桿中的第一、第三扭桿和第二組扭桿中的第四、第六扭桿沿X軸方向布置；第一組扭桿中的第二扭桿和第二組扭桿中的第五扭桿沿Y軸方向布置。本實用新型減少了干擾模態(tài)的數(shù)目，降低了加工精度的影響，提高了陀螺儀的靈敏度和穩(wěn)定性。
文檔編號G01C19/5705GK202216694SQ20112034097
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月13日
發(fā)明者丁衡高, 姜劭棟, 施芹, 蘇巖, 董金虎, 裘安萍 申請人:南京理工大學