一種單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀制造技術

本發明專利技術公開了一種單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀，其結構形式為四方全對稱結構，主要包括驅動模塊、驅動檢測模塊、航向角檢測模塊、俯仰角檢測模塊、橫滾角檢測模塊以及相應的耦合折疊梁、工字型梁、T型梁、U型梁等組成部分。所設計四方全對稱三軸硅微陀螺儀在每個方向上都具有相同的結構，四邊的四個大框架通過對角處的耦合折疊梁實現連接支撐，這種對稱的結構設計以及對角處的耦合連接保證了陀螺儀工作時的音叉效果。本發明專利技術的單片集成三軸硅微陀螺儀可以同時測量航向、俯仰、橫滾三個方向的角速度，其中驅動檢測模態與航向角檢測模態同其他模態之間實現了解耦。

【技術實現步驟摘要】
一種單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀
本專利技術涉及微機電陀螺儀領域，特別是一種單片集成全對稱三軸硅微機械音叉式陀螺儀。
技術介紹
陀螺儀是一種重要的慣性傳感器，它可以實現角速度的測量。目前在高精度應用領域，已經發展比較成熟傳統陀螺儀更具有性能優勢，而在中低精度領域，硅微機械陀螺儀則已逐漸取而代之。與傳統陀螺儀相比，硅微機械陀螺儀具有體積小，重量輕，成本低，可靠性高，功耗小，可批量生產等優點，可廣泛用于航空、汽車、醫療、攝影、電子消費等領域，具有廣闊的應用前景。然而，目前在陀螺儀研究應用上較為廣泛的是單軸陀螺儀，它只能檢測一個方向的角速度輸入，而三軸陀螺儀則可以同時敏感三個方向的角速度輸入，能夠進一步擴大陀螺儀的應用范圍。在三軸陀螺儀的研制方面，AD公司、利頓公司等已經有了商業級的產品問世，但其較多三軸陀螺儀產品并非單片集成，而是由三個單軸陀螺儀組裝而成，由于存在著安裝偏心等問題，這種形式的三軸陀螺儀難以達到較高精度，目前已經到了進一步提高的瓶頸期。在單片集成三軸陀螺儀研制上，意法半導體公司推出了一款單片集成的三軸陀螺儀產品，其結構尺寸僅為3.2×3.2毫米，但是它并沒有實現各驅動、檢測方向的解耦，各模態之間的耦合誤差較大，而且也沒有設置相應的正交校正電極，因此難以達到較高性能。臺灣成功大學的蔡南全設計了一種振動環式硅微陀螺儀，理論上可以實現三個方向的角速度測量，但是其結構與加工工藝復雜，難以達到較好的性能，因此還需要進一步研究提高。
技術實現思路
本專利技術的目的是提出一種新型的單片集成全對稱三軸硅微音叉式陀螺儀。一種單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀，包括襯底和位于襯底上的驅動模塊、驅動檢測模塊、航向角檢測模塊、俯仰角檢測模塊、橫滾角檢測模塊、正方形大框架和耦合折疊梁；正方形大框架有四件，兩兩相對設置且構成四方對稱結構，四件正方形大框架通過耦合折疊梁連為一體，耦合折疊梁固定在襯底上；驅動模塊有四件，分別連接在四件正方形大框架的內邊上，內邊指兩兩相對設置的正方形大框架內側的邊；驅動檢測模塊有四件，分別連接在四件正方形大框架的外邊上，外邊指同一正方形大框架上與內邊相對的邊；航向角檢測模塊有八件，分別兩兩對稱地連接在四個正方形大框架的兩側；俯仰角檢測模塊有兩件，分別置于一對相對設置的兩件正方形大框架內部，橫滾角檢測模塊有兩件，分別置于另一對相對設置的兩件正方形大框架內部，俯仰角檢測部分與橫滾角檢測部分結構相同。俯仰角（橫滾）檢測部分分別位于兩對對邊正方形大框架內部，可以實現差分檢測。為了提高檢測的準確性，上述單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀，為四方全對稱結構。上述四方全對稱三軸硅微陀螺儀在每個方向上都具有相同的結構，四邊的四個大框架通過對角處的耦合折疊梁實現連接支撐，這種對稱的結構設計以及對角處的耦合連接保證了陀螺儀工作時的音叉效果。本專利技術的單片集成三軸硅微陀螺儀可以同時測量航向、俯仰、橫滾三個方向的角速度，其中驅動檢測模態與航向角檢測模態同其他模態之間實現了解耦，而俯仰角與橫滾角檢測模態雖未對驅動與航向角檢測模態結構，但是通過合理的檢測結構設計避免了其他模態的干擾影響，此外在俯仰角與橫滾角檢測部分還設置了相應的正交校正電極，從而可以達到較為良好的測量性能。為了提高陀螺儀的穩固性，耦合折疊梁有四件，分別將相鄰的兩正方形大框架連為一體。優選，每個驅動模塊包括連接于襯底之上的固定驅動梳齒和連接在正方形大框架內邊上的可動驅動梳齒，固定驅動梳齒和可動驅動梳齒構成變面積式電容檢測；四件驅動部分的固定驅動梳齒通過電極引線連接在一起。當在固定驅動梳齒上施加疊加的直流電壓信號與交流電壓信號時，四邊的框架將在靜電驅動力的作用下同時周期性向內收縮或向外擴張運動；驅動梳齒采用電容式變面積靜電驅動形式。為了制備簡便，同時保證產品的穩定性，可動驅動梳齒通過T型折疊梁與正方形大框架內邊相連，可動驅動梳齒還通過帶固定錨點的U型折疊梁固定在襯底上。為了進一步提高檢測的準確性，優選，驅動檢測模塊包括：與正方形大框架的外邊相連的可動驅動檢測梳齒和連接于襯底之上的固定驅動檢測梳齒，可動驅動檢測梳齒與固定驅動檢測梳齒構成變面積電容檢測，固定驅動檢測梳齒所在的襯底下方設有引線電極。可動驅動檢測梳齒通過T型折疊梁與正方形大框架外邊相連，可動驅動檢測梳齒還通過帶固定錨點的U型折疊梁固定在襯底上，以限制其在除驅動方向以外的運動自由度，從而實現了驅動檢測模態與其他模態之間的解耦。為了簡化裝置，同時提高檢測的準確性，航向角檢測部分包括與正方形大框架的側邊相連的可動航向角檢測梳齒和連接于襯底之上的固定航向角檢測梳齒，與可動航向角檢測梳齒組成變間距式電容檢測，測固定航向角檢測梳齒下方設有引線電極，正方形大框架的側邊指正方形大框架除內邊和外邊之外的邊。優選，可動航向角檢測梳齒通過T型梁與正方形大框架側邊相連，并通過帶固定錨點的U型折疊梁固定在襯底上。上述大框架兩邊的航向角檢測梳齒為差分排列形式，其檢測形式為變間距式電容檢測，當陀螺儀敏感到航向角運動時，大框架兩邊的梳齒電容檢測信號為差動變化，其中一路梳齒間距增大，另一路間距減小。上述俯仰角檢測模塊或橫滾角檢測模塊包括：檢測上極板和位于檢測上極板正下方的檢測下極板，檢測上極板通過位于檢測上極板兩側的兩個工字型梁與正方形大框架相連，檢測下極板固定在襯底上，檢測下極板所在的襯底下方設有引線電極，檢測上極板和檢測下極板組成平行平板電容檢測。陀螺儀工作時，四邊正方形大框架在各自驅動方向做周期性運動，其內部工字型梁和檢測質量塊（檢測上極板）也隨著大框架一起運動，當陀螺儀感受到外界俯仰（橫滾）角速度時，工字型梁則起到了在面外方向上檢測質量塊與大框架的運動隔離，即檢測質量塊將在哥氏力的作用下做面外運動，而大框架則由于其外側的耦合折疊梁及其他連接梁限制不能做面外運動，工字型梁由于在垂直方向剛度較小因而可以實現檢測質量塊和大框架的耦合連接。上述每個下極板優選分為一大兩小的三塊，其中位于兩邊的兩小塊極板作為反饋校正電極。上述當上極板受哥氏力做面外運動時，兩極板間距改變，通過在固定于襯底上的下極板引線即可測得相應的電容變化，從而可以計算出相應輸入角速度大小。上述單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀，所述俯仰（橫滾）角檢測模態雖然與驅動和航向角檢測模態未能實現解耦，但是通過合理的結構設計實現了驅動模態和航向角檢測模態耦合誤差的消除，即由所述俯仰（橫滾）角檢測質量塊所構成的可動上極板的面積大于固定下極板，當上極板（檢測質量塊）隨著大框架在驅動方向和航向角檢測方向運動時，兩極板的重合面積將保持不變，只有當敏感到俯仰（橫滾）角上極板進行面外運動時，兩極板才由于間距的改變而產生電容變化。上述述四方全對稱結構中，四邊正方形大框架外部的耦合折疊梁在四個對角處會合連接在一起，并固定連接于四角處的固定錨點，這種對稱的結構設計有利于保證測量時的音叉效果。上述結構設計實現了在驅動、驅動檢測以及航向角檢測三個方向的解耦，而俯仰（橫滾）角檢測方向雖然沒有解耦，但是通過合理的結構設計有效減小機械耦合誤差。上述T型梁、工字型梁具有分別具有較小的面內水平切向剛度與面外垂直方向剛度，通過合理安排放置這兩種折疊梁，可以實現對所連接質量塊或框架在面內切向或者面外垂直方向的運動本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀，其特征在于：包括襯底和位于襯底上的驅動模塊、驅動檢測模塊、航向角檢測模塊、俯仰角檢測模塊、橫滾角檢測模塊、正方形大框架和耦合折疊梁；正方形大框架有四件，兩兩相對設置且構成四方對稱結構，四件正方形大框架通過耦合折疊梁連為一體，耦合折疊梁固定在襯底上；驅動模塊有四件，分別連接在四件正方形大框架的內邊上，內邊指兩兩相對設置的正方形大框架內側的邊；驅動檢測模塊有四件，分別連接在四件正方形大框架的外邊上，外邊指同一正方形大框架上與內邊相對的邊；航向角檢測模塊有八件，分別兩兩對稱地連接在四個正方形大框架的兩側；俯仰角檢測模塊有兩件，分別置于一對相對設置的兩件正方形大框架內部，橫滾角檢測模塊有兩件，分別置于另一對相對設置的兩件正方形大框架內部，俯仰角檢測部分與橫滾角檢測部分結構相同。

【技術特征摘要】
1.一種單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀，其特征在于：包括襯底和位于襯底上的驅動模塊、驅動檢測模塊、航向角檢測模塊、俯仰角檢測模塊、橫滾角檢測模塊、正方形大框架和耦合折疊梁；正方形大框架有四件，兩兩相對設置且構成四方對稱結構，四件正方形大框架通過耦合折疊梁連為一體，耦合折疊梁固定在襯底上；驅動模塊有四件，分別連接在四件正方形大框架的內邊上，內邊指兩兩相對設置的正方形大框架內側的邊；驅動檢測模塊有四件，分別連接在四件正方形大框架的外邊上，外邊指同一正方形大框架上與內邊相對的邊；航向角檢測模塊有八件，分別兩兩對稱地連接在四個正方形大框架的兩側；俯仰角檢測模塊有兩件，分別置于一對相對設置的兩件正方形大框架內部，橫滾角檢測模塊有兩件，分別置于另一對相對設置的兩件正方形大框架內部，俯仰角檢測部分與橫滾角檢測部分結構相同；每個驅動模塊包括連接于襯底之上的固定驅動梳齒和連接在正方形大框架內邊上的可動驅動梳齒，固定驅動梳齒和可動驅動梳齒構成變面積式電容檢測；四件驅動部分的固定驅動梳齒通過電極引線連接在一起；可動驅動梳齒通過T型折疊梁與正方形大框架內邊相連，可動驅動梳齒還通過帶固定錨點的U型折疊梁固定在襯底上。2.如權利要求1所述的單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀，其特征在于：為四方全對稱結構；耦合折疊梁有四件，分別將相鄰的兩正方形大框架連為一體。3.如權利要求1或2所述的單片集成全對稱三軸硅微音叉陀螺儀，其特征在于：驅動檢測模塊包括：與正方形大框架的外邊相連的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：夏敦柱，孔倫，虞成，胡異煒，倪佩圳，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32