專利名稱：改進型音叉式微機械陀螺的制作方法
技術領域：
本發明屬于微電子機械系統領域，涉及一種音叉式微機械陀螺，特別是涉 及一種具有較高靈敏度和帶寬的音叉式微機械陀螺。
背景技術：
微機械陀螺是利用科氏效應來檢測轉動物體角速度的一種慣性傳感器。微 機械陀螺采用微電子機械加工技術制備，具有成本低、體積小、質量輕、功耗 低、結構與工藝簡單以及適合量產等優點，在武器制導、航空航天、汽車、消 費電子產品等領域具有極其廣泛的應用前景。
目前的微機械陀螺產品大多精度較低，主要應用在精度要求不高的中低端 領域，提高微機械陀螺的靈敏度和帶寬是提高現有微機械陀螺性能的重要手段。 陳永和焦繼偉等人開發了一種大氣環境下工作的音叉式微機械陀螺(陳永，焦 繼偉，熊斌，等. 一種基于滑膜阻尼效應的新型微機械陀螺，中國機械工程，
2004， 15(2): 103-106)，該陀螺具有工藝簡單、可靠性好等優點，但是靈敏度 和帶寬偏低，限制了其使用。該陀螺結構見圖1，采用電磁驅動和電容檢測方式， 由對稱的兩部分構成，每一部分包含一個驅動質量塊11和一個檢測質量塊12， 還包括錨點14，檢測質量塊12位于驅動質量塊11的中間，通過O型彈性梁13 和驅動質量塊11連接，兩個驅動質量塊11由彈性梁連接起來構成音叉式結構。 檢測質量塊12上制作有柵型可動電極。為實現電磁力驅動，在z方向施加有勻 強磁場。陀螺工作時，兩驅動質量塊ll沿x方向反相振動。當繞z方向有角速 度輸入時，檢測質量塊12在Coriolis力的作用下沿y方向振動。此時差分檢測 電容由于極板交疊面積發生變化而改變，通過檢測差分電容的變化量，可以得 到系統的角速度。該結構由于在其振動的驅動模態和檢測模態之間存在一第三 振動模態，此第三振動模態與檢測模態產生耦合；由于采用的0型彈性梁13未 能較好平衡振動系統的剛度和柔度，致使結構出現一定扭轉；這些因素均導致 靈敏度和帶寬的降低。
發明內容
本發明的目的在于提供一種具有較高的靈敏度和帶寬、可靠性好的微機械 陀螺的改進設計方案，以及與之相適應的結構。
為實現上述目的，本發明提出以下技術解決方案 一種音叉式微機械陀螺， 由第一基板及其上的兩組對稱檢測用柵形固定電極、固定于第一基板上的中央錨點和兩側錨點、懸于第一基板上方的第二基板組成；第二基板包括可沿驅動 方向振動的兩個結構相同且對稱的驅動質量塊、中央連接錨點與驅動質量塊的 第一彈性梁、連接兩側錨點與驅動質量塊的第二彈性梁、連接兩個驅動質量塊 的耦合彈性梁、可沿垂直于驅動方向的檢測方向振動的兩個結構相同且對稱的 檢測質量塊、檢測質量塊與驅動質量塊之間的連接彈性梁組成；每個驅動質量 塊通過四個彈性梁與第一基板錨接在一起，每個檢測質量塊均通過兩個彈性梁 與驅動質量塊連接；所述的驅動質量塊由可動條形驅動電極和連接可動條形驅 動電極的邊框組成；所述的檢測質量塊由可動柵形電極和連接柵形電極的邊框 組成，同時，柵形電極的厚度等于所述驅動質量塊的厚度；所述的檢測用柵形 固定電極上表面與第二基板的柵形電極下表面之間的間隙小于柵形電極的柵條 寬度。在該方案中，驅動和檢測分開進行，檢測質量塊與驅動質量塊之間的連 接彈性梁采用抗扭轉結構設計，用以抑制模態耦合和振動中的扭轉。該連接彈 性梁設計過程是一個優化過程，即根據一定的初始形態，設定包含"抗扭轉" 性能要求在內的目標函數，然后對該初始形態進行優化得到彈性梁的"非規則 形態"。
本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點
1. 由于陀螺工作時第二基板沿與第一基板平行的方向運動，檢測質量塊 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，因而有效降低了驅動和檢測模態的空氣阻尼；
2. 由于有效降低了空氣阻尼，陀螺在大氣環境下即可獲得較高的品質因 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. 檢測質量塊與驅動質量塊之間的連接彈性梁采用非規則形態，限制了 陀螺在振動時有可能出現的扭轉，并增加其在檢測方向的有效振幅。
圖1是陳永和焦繼偉等人開發的音叉式微機械陀螺示意圖。
圖2是本發明實施例的第一基板及其上的檢測用柵形固定電極示意圖。
圖3是本發明實施例音叉式微機械陀螺的俯視示意圖。
圖4是本發明實施例音叉式微機械陀螺的連接彈性梁示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明音叉式微機械陀螺作進一步的說明。 如圖2所示，第一基板1上形成有兩組對稱檢測用柵形固定電極2，與第二 基板5相連的中央錨點3和兩側錨點4固定在第一基板1上。如圖3所示，懸 于第一基板1上方的第二基板5由可沿驅動方向振動的兩個結構相同且對稱的 驅動質量塊6、連接中央錨點3與驅動質量塊6的第一彈性梁7、連接兩側錨點
54與驅動質量塊6的第二彈性梁8、連接兩個驅動質量塊6的耦合彈性梁9、可 沿垂直于驅動方向的檢測方向振動的兩個結構相同且對稱的檢測質量塊10、檢 測質量塊10與驅動質量塊6之間的連接彈性梁11組成。每個驅動質量塊6通 過四個第一彈性梁7與第一基板1錨接在一起，每個檢測質量塊10均通過兩個 連接彈性梁11與驅動質量塊6連接。驅動質量塊6包括可動條形驅動電極12。 檢測質量塊10包括可動柵形檢測電極13。檢測用柵形固定電極2和可動柵形檢 測電極13的厚度均等于驅動質量塊6的厚度。可動可動柵形檢測電極13和第 一基板上檢測用柵形固定電極2之間的間隙為3微米。
對于上述本發明涉及的音叉式微機械陀螺，在可動條形驅動電極12中施加 一定頻率的交變驅動電流，該交變電流在垂直于微機械陀螺表面的外加磁場B (Z軸方向)作用下驅動兩組驅動質量塊6沿X軸方向做反相諧振運動；當有繞 Z軸方向的角速度施加于系統時，將在Y軸方向產生科氏(Coriolis)加速度， 如公式(1)表示
5 = 2x^>xf (1)
其中，5即是所謂的科氏加速度，6是外部角速度，v—是驅動質量塊6和檢測質 量塊10在X軸方向的運動速度。
兩個檢測質量塊10受科氏加速度作用，沿Y軸方向做反相運動，從而引起 可動柵形檢測電極13和第一基板上檢測用柵形固定電極2交疊面積相對于初始 交疊面積發生變化，從而引起電容變化，角速度與檢測電容變化幅值AC成正比 例關系。因此，通過接口電路檢測AC的變化，就可以測得角速度信號。
第一基板1與第二基板5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，因此該微機械陀螺在大氣環境下工作即可獲得較大的品質因 子。同時，由于檢測質量塊與驅動質量塊之間的連接彈性梁ll采用非規則形態， 這可帶來以下好處
1. 有效限制了結構的扭轉，確保輸出的穩定性和結構的長期可靠性；
2. 增加了檢測方向的彈性系數，由此提高了檢測靈敏度，器件的總體靈敏 度和分辯率等指標也相應得到提高；
3. 由于檢測靈敏度的提高，所需的驅動力和驅動速度更小，器件的功耗得 以降低；
4. 改變了結構的固有頻率，有效提高微機械陀螺的帶寬。 上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用
本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改， 并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此， 本發明不限于這里的實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，對于本發明 做出的改進和修改都應該在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種改進型音叉式微機械陀螺，其特征在于(a)由第一基板(1)及其上的兩組對稱檢測用柵形固定電極(2)、固定于第一基板上的中央錨點(3)和兩側錨點(4)、懸于第一基板上方的第二基板(5)組成；(b)第二基板包括可沿驅動方向振動的兩個結構相同且對稱的驅動質量塊(6)、連接中央錨點與驅動質量塊的第一彈性梁(7)、連接兩側錨點與驅動質量塊的第二彈性梁(8)、連接兩個驅動質量塊的耦合彈性梁(9)、可沿垂直于驅動方向的檢測方向振動的兩個結構相同且對稱的檢測質量塊(10)、檢測質量塊與驅動質量塊之間的連接彈性梁(11)組成。
2. 根據權利要求1所述的改進型音叉式微機械陀螺，其特征在于每個驅動質量塊通過四個第一彈性梁與第一基板錨接在一起，每個檢測質量塊均通過兩個連接彈性梁與驅動質量塊連接。
3. 根據權利要求1所述的改進型音叉式微機械陀螺，其特征在于所述驅動質量塊由可動條形驅動電極(12)和連接可動條形驅動電極的邊框組成。
4. 根據權利要求1所述的改進型音叉式微機械陀螺，其特征在于所述檢測質量塊由可動柵形檢測電極(13)和連接柵形檢測電極的邊框組成，同時，柵形檢測電極的厚度等于所述驅動質量塊的厚度。
5. 根據權利要求4所述的改進型音叉式微機械陀螺，其特征在于可動柵形檢測電極的各柵形電極位于每組檢測用固定對電極對應電極的上方。
6. 根據權利要求4所述的改進型音叉式微機械陀螺，其特征在于所述檢測用柵形固定電極上表面與第二基板的柵形檢測電極下表面之間的間隙小于柵形檢測電極的柵條寬度。
7. 根據權利要求1所述的改進型音叉式微機械陀螺，其特征在于第一基板與 第二基板之間為滑膜阻尼。
8. 根據權利要求l所述的改進型音叉式微機械陀螺，其特征在于第一基板(l) 為Pyrex 7740玻璃基板，第二基板(5)為導電單晶硅片。
9. 根據權利要求1所述的改進型音叉式微機械陀螺，其特征在于該檢測質量 塊與驅動質量塊之間的連接彈性梁采用抗扭轉結構，用以抑制模態耦合和振 動中的扭轉。
10. 根據權利要求9所述的改進型音叉式微機械陀螺，其特征在于該檢測質量塊與驅動質量塊之間的連接彈性梁為非規則形態。
全文摘要
一種改進型音叉式微機械陀螺，由第一基板及其上的兩組對稱檢測用柵形固定電極、固定于第一基板上的中央錨點和兩側錨點、懸于第一基板上方的第二基板組成；第二基板包括可沿驅動方向振動的兩個結構相同且對稱的驅動質量塊、中央錨點與驅動質量塊連接的第一彈性梁、兩側錨點與驅動質量塊連接的第二彈性梁、連接兩個驅動質量塊的耦合彈性梁、可沿垂直于驅動方向的檢測方向振動的兩個結構相同且對稱的檢測質量塊、檢測質量塊與驅動質量塊之間的連接彈性梁組成。本陀螺采用微電子機械系統技術制作，在大氣環境下工作，具有較高的靈敏度和帶寬。
文檔編號G01C19/5621GK101514897SQ20081003368
公開日2009年8月26日 申請日期2008年2月19日 優先權日2008年2月19日
發明者劉廣軍, 濤 姜, 張正福, 王安麟 申請人:同濟大學