微機電可變形結構和三軸多自由度微機電陀螺儀的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種三軸多自由度微機電陀螺儀，包括：內框架、中間框架、外框架，以及位于內框架內部的聯動部；位于中央的環形檢測電容，環形上極板的外沿與聯動部連接；兩組驅動電容，對稱分布在所述外框架平行于x軸的兩側；兩組第二檢測電容，對稱分布在所述外框架平行于y軸的兩側。本發明的三軸多自由度微機電陀螺儀采用單結構設計，電容式靜電驅動和差動電容檢測，驅動方式簡單，結構緊湊，有利于減小陀螺儀體積，工藝上適合批量生產，并且受溫度及加工工藝誤差影響小，能夠實現良好的測量精度和靈敏度。
【專利說明】微機電可變形結構和三軸多自由度微機電陀螺儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及微機電技術，具體涉及一種微機電可變形結構以及一種三軸多自由度微機電陀螺儀。
【背景技術】
[0002]微電子機械系統(Micro Electro Mechanical System),簡稱MEMS,是在微電子技術基礎上發展起來的集微型機械、微傳感器、微執行器、信號處理、智能控制于一體的一項新興科學技術。
[0003]在微機電測量技術中，經常需要用到可變形的連接結構，其設計關系著測量方案的可實施性，其靈敏度也關系著測量的準確性。
[0004]微機電陀螺儀是基于MEMS技術的慣性器件，用于測量物體運動的角速度。它具有體積小，可靠性高，成本低廉，適合大批量生產的特點，因此具有廣闊的市場前景，可應用于包括消費電子、航空航天、汽車、醫療設備和武器在內的廣泛領域。
[0005]微機電陀螺儀系統通常包括驅動部分和檢測部分，其設計具有一定的復雜性，尤其是涉及三軸同時測量的微機電陀螺儀時。目前三軸陀螺儀主要通過將三個單軸陀螺儀或者將一個Z軸陀螺儀和一個平面檢測陀螺儀進行正交配置的設計方式來實現，但是這種組合的方式不利于器件的小型化，因此開發單結構的三軸陀螺儀已經成為現今微機電陀螺儀設計研發的重要方向。開發單結構的三軸陀螺儀時，更加需要一種結構緊湊，體積減小，以及靈敏度高的可變形連接結構。
[0006]此外，微機電陀螺儀的性能受環境和工藝因素影響很大:當環境溫度變化時，陀螺儀敏感結構動態特性發生變化，導致驅動和檢測模態的固有頻率發生偏移，從而改變了驅動和檢測模態的匹配性，導致在不同環境溫度下陀螺儀性能的差異化。而當加工工藝存在誤差時，陀螺儀的實際動態特性也會與設計參數之間產生較大偏差，影響陀螺儀設計性能的實現。因此，微機電陀螺儀在設計階段增強其設計的健壯性也成為微機電陀螺儀研發的重要內容。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于提供一種結構簡單易實現且靈敏度高的微機電可變形結構，以及一種單結構設計的受溫度及加工工藝誤差影響小的三軸多自由度微機電陀螺儀，為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0008]一種微機電可變形結構，包括:基板；位于所述基板上的同中心的三層矩形框架，從內向外依次為內框架、包圍所述內框架的中間框架、以及包圍所述中間框架的外框架，所述中心處為原點，所述內框架、中間框架、以及外框架各有兩條邊平行于X軸，另外兩條邊平行于I軸；所述外框架和所述中間框架之間通過第一解耦梁連接，所述第一解耦梁設置于所述中間框架平行于y軸的兩側；所述中間框架和所述內框架之間通過第二解耦梁連接，所述第二解耦梁設置于所述內框架平行于X軸的兩側；位于所述內框架內部的聯動部，所述聯動部包括第一聯動梁，兩條杠桿梁、以及兩條第二聯動梁；所述第一聯動梁和所述第二聯動梁均平行于I軸，所述杠桿梁均平行于X軸；兩條所述杠桿梁關于X軸對稱，分別與所述第一聯動梁連接以形成一端開口的方框結構；兩條所述第二聯動梁關于X軸對稱且位于所述杠桿梁和所述內框架之間，所述第二聯動梁的一端連接鄰近的一條杠桿梁，另一端連接所述內框架。
[0009]進一步優選的技術方案，所述第一解耦梁包括關于y軸對稱的四個Z型解耦梁，所述Z型解耦梁的一端垂直連接所述中間框架平行于I軸的側邊，另一端垂直連接所述外框架平行于y軸的側邊。
[0010]進一步優選的技術方案，所述第一解耦梁包括關于y軸對稱的四個L型解耦梁，所述L型解耦梁的一端垂直連接所述中間框架平行于I軸的側邊，另一端垂直連接所述外框架平行于X軸的側邊。
[0011 ] 進一步優選的技術方案，所述第二解耦梁包括關于X軸對稱的四個Z型解耦梁，所述Z型解耦梁的一端垂直連接所述內框架平行于X軸的側邊，另一端垂直連接所述中間框架平行于X軸的側邊。
[0012]進一步優選的技術方案，所述第二解耦梁包括關于X軸對稱的四個L型解耦梁，所述L型解耦梁的一端垂直連接所述內框架平行于X軸的側邊，另一端垂直連接所述中間框架平行于y軸的側邊。
[0013]進一步優選的技術方案，所述杠桿梁未與所述第一聯動梁連接的一端為支撐端，所述兩條杠桿梁的支撐端各通過一第二錨點固定于所述基板上。
[0014]進一步優選的技術方案，所述聯動部還包括兩條支撐梁，所述兩條支撐梁均平行于I軸；所述兩條支撐梁關于X軸對稱且位于所述方框結構內側，一端連接鄰近的一條杠桿梁，另一端各通過一第三錨點固定于所述基板上。
[0015]進一步優選的技術方案，所述杠桿梁未與所述第一聯動梁連接的一端為支撐端，所述兩條杠桿梁支撐端的各通過一第二錨點固定于所述基板上；所述第二聯動梁與杠桿梁的連接位置位于杠桿梁的支撐端和杠桿梁與支撐梁的連接點中間。
[0016]進一步優選的技術方案，所述聯動部還包括第三聯動梁，所述第三聯動梁的一端連接所述第一聯動梁的中部，另一端用于和待連接件連接。
[0017]本發明的微機電可變形結構，在受到外力作用時，外框架、中間框架、內框架、以及方框結構均能產生變形扭曲的效果，同時還具有變形阻力小變形空間大的優點，從而能夠實現良好的測量精度和靈敏度。本發明的微機電可變形結構簡單緊湊，有利于減小微機電系統的體積，工藝上適合批量生產，并且受溫度及加工工藝誤差影響小，有利于測量方案實現良好的測量精度和靈敏度。
[0018]一種三軸多自由度微機電陀螺儀，包括如前所述的可變形結構，還包括:位于兩條所述杠桿梁之間的環形檢測電容，所述環形檢測電容的中心正對所述原點處；所述環形檢測電容包括固定在基板上的四個下極板以及正對所述四個下極板并且懸置于所述下極板上方的環形上極板；所述四個下極板分為兩組:第一組下極板沿X軸在原點的兩側對稱分布且組內的兩個下極板形狀相同，所述第一組下極板與其對應部分的環形上極板相配合構成一組第一檢測電容；第二組下極板沿y軸在原點的兩側對稱分布且組內的兩個下極板形狀相同，所述第二組下極板與其對應部分的環形上極板相配合構成另一組第一檢測電容；所述環形上極板在原點處通過第一錨點固定于基板上；所述第三聯動梁與所述環形上極板的外沿連接；兩組驅動電容，對稱分布在所述外框架平行于X軸的兩側，每組所述驅動電容都包括互相配合的可動驅動電極和固定驅動電極，其中所述可動驅動電極與所述外框架的外側邊連接；所述驅動電容用于提供沿y軸方向的驅動力；兩組第二檢測電容，對稱分布在所述外框架平行于y軸的兩側，每組所述第二檢測電容都包括互相配合的可動檢測電極和固定檢測電極，其中所述可動檢測電極與所述外框架的外側邊連接。
[0019]進一步優選的技術方案，所述環形上極板為圓環形狀或者方環形狀。
[0020]進一步優選的技術方案，還包括位于所述環形檢測電容環孔內的支撐梁組；所述支撐梁組包括同心的內圓環和外圓環、兩條內環支撐梁、兩條內外環連接梁、以及四條外環連接梁；所述四條外環連接梁的一端分別與外圓環連接，另一端分別與所述環形上極板的內沿連接；所述外環連接梁分成兩個一組，其中一組沿X軸分布，另一組沿y軸分布；所述兩條內環支撐梁的一端分別與內圓環連接，另一端通過所述第一錨點固定于所述基板上；所述兩條內外環連接梁的一端分別與內圓環連接，另一端分別與外圓環連接；所述內環支撐梁沿I軸分布且所述內外環連接梁沿X軸分布，或者，所述內環支撐梁沿X軸分布且所述內外環連接梁沿y軸分布。
[0021]本發明的三軸多自由度微機電陀螺儀采用單結構設計，電容式靜電驅動和差動電容檢測，驅動方式簡單，結構緊湊，有利于減小陀螺儀體積，工藝上適合批量生產，并且受溫度及加工工藝誤差影響小，能夠實現良好的測量精度和靈敏度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1、2為本發明三軸多自由度微機電陀螺儀第一實施例的立體示意圖。
[0023]圖3、4為本發明三軸多自由度微機電陀螺儀第一實施例的平面示意圖。
[0024]圖5為本發明支撐梁組第一實施例的結構示意圖。
[0025]圖6為本發明支撐梁組第二實施例的結構示意圖。
[0026]圖7為本發明支撐梁組第三實施例的結構示意圖。
[0027]圖8為本發明三軸多自由度微機電陀螺儀第二實施例的平面示意圖。
[0028]圖9為本發明三軸多自由度微機電陀螺儀第三實施例的平面示意圖。
[0029]圖10為本發明三軸多自由度微機電陀螺儀的X和y軸檢測系統簡化示意圖。
[0030]圖11為X和y軸檢測時檢測質量塊M2在驅動和檢測方向的頻響曲線。
[0031]圖12為本發明三軸多自由度微機電陀螺儀的z軸檢測系統簡化示意圖。
[0032]圖13為z軸檢測時檢測質量塊M4在驅動和檢測方向的頻響曲線。
[0033]附圖標記說明
[0034]I 基板；
[0035]2環形上極板、6a第一組下極板、6b第二組下極板；
[0036]7可動驅動電極、4固定驅動電極；
[0037]17可動檢測電極、3固定檢測電極；
[0038]12內框架、14中間框架、16外框架；
[0039]15第一解耦梁、13第二解耦梁；
[0040]8第一聯動梁、9杠桿梁、11第二聯動梁、10支撐梁、24第三聯動梁；
[0041]18支撐梁組、19內圓環、20外圓環、21內環支撐梁、22內外環連接梁、23外環連接梁；
[0042]101連接梁、102支撐梁、103圓環；
[0043]5a第一錨點、5b第二錨點、5c第三錨點。
【具體實施方式】
[0044]下面參考圖1?13所示，詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。
[0045]參見圖1-圖4為本發明三軸多自由度微機電陀螺儀的第一實施例，包括:
[0046]基板1，基板I中央位置處有一環形檢測電容，定義以環形檢測電容的中心為原點0，基板I所在平面為xy平面的空間直角坐標系，空間直角坐標系的z軸垂直于基板I。
[0047]環形檢測電容包括固定在基板I上的四個下極板以及正對四個下極板并且懸置于下極板上方的環形上極板2，4個下極板排布組成的形狀與環形上極板2的形狀相匹配。
[0048]四個下極板可分為兩組:第一組下極板6a沿X軸在原點的兩側對稱分布且組內的兩個下極板形狀相同，第一組下極板6a與其對應部分的環形上極板相配合構成一組第一檢測電容A ;第二組下極板6b沿y軸在原點的兩側對稱分布且組內的兩個下極板形狀相同，第二組下極板6b與其對應部分的環形上極板相配合構成第一檢測電容B。
[0049]環形上極板2通過支撐結構懸置于下極板的上方，支撐結構位于環形檢測電容的環孔內并且與環形上極板2的內沿連接，支撐結構在原點處通過第一錨點5a固定于基板上，由于支撐結構僅中心固定，因此環形上極板2在外力作用下可以繞xyz任意一軸做角振動。
[0050]參考圖5所示為支撐結構的第一實施例，支撐結構包括一圓環103、三條連接梁101、以及一條支撐梁102 ;其中，兩條連接梁101沿y軸分布，第三連接梁101沿x軸分布且位于X軸的正方向，連接梁101的一端與圓環103連接，另一端與環形上極板2的內沿連接；支撐梁102沿X軸分布且位于X軸的負方向，一端連接圓環103，另一端在原點處通過第一錨點5a固定在基板上。當然，也可以是第三條連接梁101位于X軸的負方向并且支撐梁102位于X軸的正方向。
[0051]參考圖6所示為支撐結構的第二實施例，支撐結構包括一圓環103、兩連接梁101、以及兩條支撐梁102 ;其中，兩條連接梁101沿y軸分布，連接梁101的一端與圓環103連接，另一端與環形上極板2的內沿連接；兩條支撐梁102沿X軸分布，一端連接圓環103，另一端在原點處通過第一錨點5a固定在基板上。
[0052]參考圖1-4和圖7所示為支撐結構的第三實施例，支撐結構為支撐梁組18，包括同心的內圓環19和外圓環20、兩條內環支撐梁21、兩條內外環連接梁22、以及四條外環連接梁23 ;四條外環連接梁23的一端分別與外圓環20連接，另一端分別與環形上極板2的內沿連接；外環連接梁23分成兩個一組，其中一組沿X軸分布，另一組沿y軸分布，四條外環連接梁23均勻分割外圓環20的外周；兩條內環支撐梁21的一端分別與內圓環19連接，另一端通過第一錨點5a固定于基板I上；兩條內外環連接梁22的一端分別與內圓環19連接，另一端分別與外圓環20連接；內環支撐梁21沿y軸分布且內外環連接梁22沿x軸分布；在其它實施例中，也可以設置內環支撐梁21沿X軸分布而內外環連接梁22沿y軸分布。從圖2的剖面部分能夠看出，環形上極板2的內沿與環孔內的支撐梁組18連接，支撐梁組18在原點處通過第一錨點5a固定于基板上，環形上極板2憑借第一錨點5a的支撐懸置于下極板上方。由于支撐梁組僅中心固定且纖細具有一定彈性，因此環形上極板2在外力作用下可以繞xyz任意一軸做角振動。
[0053]其中，以上實施例中的環形上極板2均為圓環形狀，但需要注意的是，本發明并不限定于圓環形狀，本發明中“環形”是指中心設有孔洞的結構，例如內沿外沿皆是圓形的圓環形狀，內沿外沿皆是方形的方環形狀、外沿為圓形而內沿為方形的形狀、外沿為方形而內沿為圓形的形狀、中心開孔的十字形形狀等等，這些都屬于等同的實施例在本發明的保護范圍內。
[0054]其中，環形上極板2和支撐結構可以直接為一體結構，例如為一體構圖后蝕刻形成。
[0055]其中，由環形檢測電容和支撐結構組成的環形可變電容:第一組下極板6a沿X軸在原點的兩側對稱分布，第二組下極板6b沿y軸在原點的兩側對稱分布，從而和環形上極板各形成一組檢測電容，環形上極板通過中心處的錨點5a固定并懸置使其自身可以繞xyz任意一軸做角振動。這種可變電容設計能夠測量兩個方向上的變形，同時還具有變形時阻力小且變形空間大的優點，能夠實現良好的測量精度和靈敏度。本發明的環形可變電容結構簡單緊湊，有利于減小微機電系統的體積，工藝上適合批量生產，除了應用于本發明的三軸陀螺儀上，還可以用于制作平面雙軸陀螺儀，z軸陀螺儀以及微致動器件，如微型開關等。
[0056]參考圖3-4所示，微機電可變形結構包括以原點為中心的三層矩形框架，從內向外依次為內框架12、包圍所述內框架12的中間框架14、以及包圍所述中間框架14的外框架16。所述內框架12、中間框架14以及外框架16的中心都正對原點。所述內框架12、中間框架14、以及外框架16各有兩條邊平行于X軸，另外兩條邊平行于y軸。
[0057]所述外框架16和所述中間框架14之間通過4個第一解耦梁15連接，所述第一解耦梁15設置于所述中間框架14平行于y軸的兩側并且關于y軸對稱。所述第一解耦梁15為Z型解耦梁，一端垂直連接所述中間框架14平行于y軸的側邊，另一端垂直連接所述外框架16平行于y軸的側邊。
[0058]所述中間框架14和所述內框架12之間通過4個第二解耦梁13連接，所述第二解耦梁13設置于所述內框架12平行于X軸的兩側并且關于X軸對稱。所述第二解耦梁13為Z型解耦梁，一端垂直連接所述內框架12平行于X軸的側邊，另一端垂直連接所述中間框架14平行于X軸的側邊。
[0059]位于所述內框架12內部的聯動部，所述聯動部包括第一聯動梁8、兩條杠桿梁9、兩條第二聯動梁11、兩條支撐梁10、第三聯動梁24。第一聯動梁8、第二聯動梁11、支撐梁10均平行于y軸設置，杠桿梁9和第三聯動梁24平行于X軸設置。
[0060]兩條杠桿梁9關于X軸對稱，分別與第一聯動梁8連接以形成一端開口的方框結構,方框結構位于內框架12內部，環形檢測電容位于兩條杠桿梁9之間；
[0061]第二聯動梁11關于X軸對稱且位于杠桿梁9和內框架12之間，第二聯動梁11的一端連接鄰近的一條杠桿梁9，另一端連接至內框架12，從而通過內框架12與中間框架14連接，進而實現與外框架16的連接；
[0062]第三聯動梁24的一端連接第一聯動梁8的中部，另一端與環形上極板2的外沿連接。
[0063]兩條支撐梁10關于X軸對稱且位于方框結構和環形檢測電容之間，一端連接鄰近的一條杠桿梁9,另一端各通過一第三錨點5c固定于基板I上。
[0064]其中，杠桿梁9未與第一聯動梁8連接的一端為支撐端，兩條杠桿梁9的支撐端各通過一第二錨點5b固定于基板I上。
[0065]其中，第二聯動梁11與杠桿梁9的連接位置位于杠桿梁9的支撐端和杠桿梁9與支撐梁10的連接點中間。
[0066]其中，兩個第二錨點5b關于X軸對稱設置,兩個第三錨點5c關于x軸對稱設置，這種對稱固定的設置使環形檢測電容受力更加均勻。
[0067]本發明的微機電可變形結構，在受到外力作用時，外框架、中間框架、內框架、以及方框結構均能產生變形扭曲的效果，同時還具有變形阻力小變形空間大的優點，從而能夠實現良好的測量精度和靈敏度。本發明的微機電可變形結構簡單緊湊，有利于減小微機電系統的體積，工藝上適合批量生產，并且受溫度及加工工藝誤差影響小，有利于測量方案實現良好的測量精度和靈敏度。除了應用于本發明的三軸陀螺儀上，還可以在機械結構層面上實現微小位移的放大，有利于提高傳感器的檢測靈敏度和信噪比，并且降低了敏感結構對電路系統的要求。
[0068]兩組驅動電容，對稱分布在外框架16平行于X軸的兩側；每組驅動電容都包括互相配合的可動驅動電極7和固定驅動電極4，可動驅動電極7與外框架16平行于X軸的側邊連接，固定驅動電極4固定于基板I上。
[0069]兩組第二檢測電容，對稱分布在外框架16平行于J軸的兩側；每組第二檢測電容都包括互相配合的可動檢測電極17和固定檢測電極3，可動檢測電極17與外框架16平行于I軸的側邊連接，固定檢測電極3固定于基板I上。
[0070]其中，本實施例中的可動驅動電極7和固定驅動電極4，以及可動檢測電極17和固定檢測電極3均為梳齒狀電極，基于極板之間交疊長度的變化進行檢測。但本發明不限定于此，驅動電容和第二檢測電容還可以為平板狀電容，基于極板之間間隙的變化進行檢測。
[0071]本發明三軸多自由度微機電陀螺儀第一實施例的工作原理如下:
[0072]所述驅動電容用于提供沿y軸方向的驅動力，當受到外界驅動時，外框架16、可動驅動電極7以及可動檢測電極17沿y軸方向做線運動，帶動中間框架14、內框架12沿y軸方向做線運動，同時第二聯動梁11拖動杠桿梁9沿y軸方向做線運動，杠桿梁9相當于杠桿，因此會帶動第一聯動梁8在y軸方向做線運動，其中第一聯動梁8的運動方向與第二聯動梁11相反。由于第一聯動梁8通過第三聯動梁24和環形上極板2的外沿相連，且環形上極板2通過支撐梁組18在原點處經第一錨點5a固定于基板I上，因此環形上極板2會在第一聯動梁8的拖動下繞第一錨點5a轉動，即繞z軸做角振動。因此驅動運動包括三層框架沿I軸方向的線運動和環形上極板2繞z軸的角振動。
[0073]當陀螺儀繞X軸轉動時，由于哥氏力的作用，環形上極板2會繞y軸做角振動，由此引起第一組下極板6a與基板I的間距的變化，導致第一檢測電容A的變化，該電容變化與陀螺儀繞X軸轉動的角速度成正比，因此可用于測量X軸角速度。此時第一檢測電容B和第二檢測電容不受影響，或影響很小可以忽略。
[0074]當陀螺儀繞y軸轉動時，由于哥氏力的作用，環形上極板2會繞X軸做角振動，由此引起第二組下極板6b與基板I的間距的變化，導致第一檢測電容B的變化，該電容變化與陀螺儀繞I軸轉動的角速度成正比，因此可用于測量I軸角速度。此時第一檢測電容A和第二檢測電容不受影響，或影響很小可以忽略。
[0075]當陀螺儀繞z軸轉動時，繞z軸做角振動的環形上極板2本身不受影響。由于哥氏力的作用，外框架16、中間框架14、內框架12受到X軸方向的作用力，但由于杠桿梁9是剛性且一端固定住的，所以內框架12在X軸方向的運動是受限的，也不會影響到環形上極板2，因此環形檢測電容不受影響。由于第一解耦梁15的解耦作用，不會對外框架16在X軸向的運動造成限制，因此，外框架16會沿X軸方向線運動，導致第二檢測電容(由可動檢測電極17和固定檢測電極3組成)的變化，該電容變化即反映了陀螺儀繞z軸的角速度，因此可以用于檢測z軸角速度。
[0076]本實施例中，杠桿梁9除了和第一聯動梁8、第二聯動梁11和支撐梁10相連外，還通過支撐端固定在基板I上(即第二錨點5b處)，并且第二聯動梁11與杠桿梁9的連接位置位于杠桿梁9的支撐端和杠桿梁9與支撐梁10的連接點中間，這種情況對三層框架的運動是有好處的，這是因為:將杠桿梁9原本的自由端固定為支撐端后，在第二錨點5b與支撐梁10之間的杠桿梁9相當于兩端支撐梁，這段杠桿梁9的變形模式為中間鼓兩端固定的形式，其垂直于y軸的狀態不會變，這時第二聯動梁11如果處于其中間位置，則第二聯動梁11不會受到扭矩進而導致轉動，而如果偏離中間位置，杠桿梁9垂直于y軸的狀態則會發生變化，這種偏轉會影響三層框架的運動模態。
[0077]參見圖8為本發明三軸多自由度微機電陀螺儀第二實施例的平面示意圖，和第一實施例的區別主要在于第一解耦梁15的形狀和連接方式不同。第二實施例中:外框架16和中間框架14之間通過4個第一解耦梁15連接，第一解耦梁15設置于中間框架14平行于I軸的兩側并且關于I軸對稱；第一解耦梁15為L型解耦梁，一端垂直連接中間框架14平行于I軸的側邊，另一端垂直連接外框架16平行于X軸的側邊。
[0078]參見圖9為本發明三軸多自由度微機電陀螺儀第三實施例的平面示意圖，和第二實施例的區別主要在于第二解耦梁13的形狀和連接方式不同。第三實施例中:中間框架
14和內框架12之間通過4個第二解耦梁13連接，第二解耦梁13設置于內框架12平行于X軸的兩側并且關于X軸對稱；第二解耦梁13為L型解耦梁，一端垂直連接內框架12平行于X軸的側邊，另一端垂直連接中間框架14平行于y軸的側邊。
[0079]本發明特別設計了三層矩形框架的結構，內框架與中間框架之間通過Z型或者L型的第二解耦梁進行連接，中間框架與外框架之間通過Z型或者L型的第一解耦梁進行連接，其中第一解耦梁限制了外框架16和中間框架14在y軸方向上的相對運動，第二解耦梁限制了中間框架14和內框架12在X軸方向上的相對運動，這種特殊設計能夠增強陀螺儀的健壯性，具體來說，具有以下有益效果:
[0080]圖10為本發明三軸多自由度微機電陀螺儀的X和y軸檢測系統簡化示意圖，圖11為X和y軸檢測時檢測質量塊M2在驅動和檢測方向的頻響曲線。
[0081]參考圖10所示，由于第一解耦梁15限制了外框架16和中間框架14在y軸方向上的相對運動，所以外框架16和中間框架14的組合可以簡化為質量塊M1，內框架12和環形上極板2以及連接兩者的各個連系梁的組合可以簡化為檢測質量塊M2。參考圖11所示，質量塊Ml受到驅動力時帶動檢測質量塊M2在驅動方向運動,其中質量塊Ml僅能夠在驅動方向運動,檢測質量塊M2能同時在驅動和檢測方向運動。在檢測質量塊M2的驅動運動頻響曲線上，當驅動頻率在驅動頻響曲線兩峰值之間平直段時，整個系統實現動力放大，即質量塊Ml運動幅值達到最小，而檢測質量塊M2的運動幅值達到最大。而且此時由溫度和加工誤差造成諧振頻率的變化對驅動平直段頻響影響很小，因此陀螺驅動運動變化很小，從而提高了陀螺驅動工作的穩定性。進一步的，同時將檢測質量塊M2在檢測方向的檢測模態的固有頻率設計在驅動頻響兩峰值之間的平直段，就能夠實現驅動和檢測頻率的匹配，提高了陀螺儀的檢測精度和靈敏度等性能。
[0082]圖12為本發明三軸多自由度微機電陀螺儀的z軸檢測系統簡化示意圖，圖13為z軸檢測時檢測質量塊M4在驅動和檢測方向的頻響曲線。
[0083]參考圖12的左圖所示，z軸檢測系統的驅動運動動力放大原理與圖7相同，因為是同一個驅動運動。參考圖12的右圖所示，當陀螺儀結構繞z軸轉動時，內框架12受X軸向哥氏力驅動，第二解耦梁13限制了內框架12和中間框架14在X軸方向上的相對運動，因此內框架12和外框架14相當于兩個固連質量塊，可以簡化為質量塊M3，外框架16與中間框架14的連接相當于在X軸向彈簧連接，可以將外框架16簡化為檢測質量塊M4。參考圖13所示，質量塊M3受到哥氏力帶動檢測質量塊M4在檢測方向運動，當哥氏力頻率處于檢測模態曲線兩峰值間平直段時，檢測質量塊M4的運動位移最大，而質量塊M3運動位移最小，即實現了動力放大。同時該結構也具有受溫度及加工工藝誤差的影響小的特點，從而有利于提高了系統的驅動和檢測運動的穩定性以及陀螺儀檢測的精度和靈敏度等性能。
[0084]本發明的三軸多自由度微機電陀螺儀采用單結構設計，電容式靜電驅動和差動電容檢測，驅動方式簡單，結構緊湊，有利于減小陀螺儀體積，工藝上適合批量生產，并且受溫度及加工工藝誤差影響小，能夠實現良好的測量精度和靈敏度。
[0085]以上依據圖式所示的實施例詳細說明了本發明的構造、特征及作用效果，以上僅為本發明的較佳實施例，但本發明不以圖面所示限定實施范圍，凡是依照本發明的構想所作的改變，或修改為等同變化的等效實施例，仍未超出說明書與圖示所涵蓋的精神時，均應在本發明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種微機電可變形結構，其特征在于，包括: 基板； 位于所述基板上的同中心的三層矩形框架，從內向外依次為內框架、包圍所述內框架的中間框架、以及包圍所述中間框架的外框架，所述中心處為原點，所述內框架、中間框架、以及外框架各有兩條邊平行于X軸，另外兩條邊平行于I軸； 所述外框架和所述中間框架之間通過第一解耦梁連接，所述第一解耦梁設置于所述中間框架平行于I軸的兩側；所述中間框架和所述內框架之間通過第二解耦梁連接，所述第二解耦梁設置于所述內框架平行于X軸的兩側； 位于所述內框架內部的聯動部，所述聯動部包括第一聯動梁，兩條杠桿梁、以及兩條第二聯動梁；所述第一聯動梁和所述第二聯動梁均平行于I軸，所述杠桿梁均平行于X軸； 兩條所述杠桿梁關于X軸對稱，分別與所述第一聯動梁連接以形成一端開口的方框結構； 兩條所述第二聯動梁關于X軸對稱且位于所述杠桿梁和所述內框架之間，所述第二聯動梁的一端連接鄰近的一條杠桿梁，另一端連接所述內框架。
2.如權利要求1所述的可變形結構，其特征在于: 所述第一解耦梁包括關于I軸對稱的四個Z型解耦梁，所述Z型解耦梁的一端垂直連接所述中間框架平行于I軸的側邊，另一端垂直連接所述外框架平行于I軸的側邊。
3.如權利要求1所述的可變形結構，其特征在于: 所述第一解耦梁包括關于I軸對稱的四個L型解耦梁，所述L型解耦梁的一端垂直連接所述中間框架平行于I軸的側邊，另一端垂直連接所述外框架平行于X軸的側邊。
4.如權利要求1所述的可變形結構，其特征在于: 所述第二解耦梁包括關于X軸對稱的四個Z型解耦梁，所述Z型解耦梁的一端垂直連接所述內框架平行于X軸的側邊，另一端垂直連接所述中間框架平行于X軸的側邊。
5.如權利要求1所述的可變形結構，其特征在于: 所述第二解耦梁包括關于X軸對稱的四個L型解耦梁，所述L型解耦梁的一端垂直連接所述內框架平行于X軸的側邊，另一端垂直連接所述中間框架平行于I軸的側邊。
6.如權利要求1所述的可變形結構，其特征在于: 所述杠桿梁未與所述第一聯動梁連接的一端為支撐端，所述兩條杠桿梁的支撐端各通過一第二錨點固定于所述基板上。
7.如權利要求1所述的可變形結構，其特征在于: 所述聯動部還包括兩條支撐梁，所述兩條支撐梁均平行于I軸； 所述兩條支撐梁關于X軸對稱且位于所述方框結構內側，一端連接鄰近的一條杠桿梁，另一端各通過一第三錨點固定于所述基板上。
8.如權利要求7所述的可變形結構，其特征在于: 所述杠桿梁未與所述第一聯動梁連接的一端為支撐端，所述兩條杠桿梁支撐端的各通過一第二錨點固定于所述基板上； 所述第二聯動梁與杠桿梁的連接位置位于杠桿梁的支撐端和杠桿梁與所述支撐梁的連接點中間。
9.如權利要求1-8任一項所述的可變形結構，其特征在于: 所述聯動部還包括第三聯動梁，所述第三聯動梁的一端連接所述第一聯動梁的中部，另一端用于和待連接件連接。
10.一種三軸多自由度微機電陀螺儀，其特征在于，包括如權利要求9所述的可變形結構，還包括: 位于兩條所述杠桿梁之間的環形檢測電容，所述環形檢測電容的中心正對所述原點處； 所述環形檢測電容包括固定在基板上的四個下極板以及正對所述四個下極板并且懸置于所述下極板上方的環形上極板； 所述四個下極板分為兩組:第一組下極板沿X軸在原點的兩側對稱分布且組內的兩個下極板形狀相同，所述第一組下極板與其對應部分的環形上極板相配合構成一組第一檢測電容；第二組下極板沿7軸在原點的兩側對稱分布且組內的兩個下極板形狀相同，所述第二組下極板與其對應部分的環形上極板相配合構成另一組第一檢測電容；所述環形上極板在原點處通過第一錨點固定于基板上； 所述第三聯動梁與所述環形上極板的外沿連接； 兩組驅動電容，對稱分布在所述外框架平行于X軸的兩側，每組所述驅動電容都包括互相配合的可動驅動電極和固定驅動電極，其中所述可動驅動電極與所述外框架的外側邊連接；所述驅動電容用于提供沿1軸方向的驅動力； 兩組第二檢測電容，對稱分布在所述外框架平行于7軸的兩側，每組所述第二檢測電容都包括互相配合的可動檢測電極和固定檢測電極，其中所述可動檢測電極與所述外框架的外側邊連接。
11.如權利要求10所述的三軸多自由度微機電陀螺儀，其特征在于: 所述環形上極板為圓環形狀或者方環形狀。
12.如權利要求10所述的三軸多自由度微機電陀螺儀，其特征在于: 還包括位于所述環形檢測電容環孔內的支撐梁組； 所述支撐梁組包括同心的內圓環和外圓環、兩條內環支撐梁、兩條內外環連接梁、以及四條外環連接梁； 所述四條外環連接梁的一端分別與外圓環連接，另一端分別與所述環形上極板的內沿連接；所述外環連接梁分成兩個一組，其中一組沿X軸分布，另一組沿7軸分布； 所述兩條內環支撐梁的一端分別與內圓環連接，另一端通過所述第一錨點固定于所述基板上； 所述兩條內外環連接梁的一端分別與內圓環連接，另一端分別與外圓環連接； 所述內環支撐梁沿1軸分布且所述內外環連接梁沿X軸分布，或者，所述內環支撐梁沿X軸分布且所述內外環連接梁沿7軸分布。
【文檔編號】G01C19/5684GK104406579SQ201410706276
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月27日 優先權日:2014年11月27日
【發明者】張廷凱 申請人:歌爾聲學股份有限公司