抗環境振動影響的微機械陀螺儀的制作方法

本實用新型涉及微機械陀螺儀技術領域，特別地，涉及一種抗環境振動影響的微機械陀螺儀。

背景技術：

微機械陀螺儀是基于科氏力原理工作，如圖1所示。質量塊在驅動力的作用下在X方向上運動(振動)。但外界有角速度時，質量塊受到Y方向的科氏力作用，使得質量塊在Y方向運動(振動)。質量塊在Y方向的位移與角速度成正比，通過檢測質量塊的位移即可得到角速度。但是，微機械陀螺儀在實際應用中，常常受到環境振動的影響，這是因為環境振動的加速度同樣可以引起質量塊在檢測方向上運動，從而干擾正常的角速度信號。

為抑制環境振動的影響，現在比較常見的設計是采用音叉或者雙音叉(四質量塊)結構，然后采用差分檢測電容的方法。這種方法在一定程度上可以減小環境振動的影響，但是存在以下缺點：首先，這種方法沒有消除振動引起的檢測位移，導致檢測電容變化的非線性非常嚴重，會引起交調效應；其次，該方法的效果一定程度上取決于差分電容的匹配是否良好，對加工工藝提出了較高要求，不利于提高產品的良率和降低產品的成本。

技術實現要素：

針對現有技術存在的不足，本實用新型提供了一種抗環境振動影響的微機械陀螺儀。

為解決上述技術問題，本實用新型采用如下技術方案：

一種抗環境振動影響的微機械陀螺儀，包括：

第一結構(1)、第二結構(2)和耦合梁(3)；第一結構(1)和第二結構(2)通過耦合梁(3)連接且關于耦合梁(3)對稱，耦合梁(3)僅允許第一結構(1)和第二結構(2)反向運動；

第一結構(1)包括第一框架(11)、第一驅動質量塊(12)、第二驅動質量塊(13)、第一驅動耦合梁(14)、第一梳齒驅動電極(15)、第一梳齒檢測電極(16)、第一支撐梁(17)和第二支撐梁(18)；其中，第一驅動質量塊(12)、第二驅動質量塊(13)、第一驅動耦合梁(14)、第一梳齒驅動電極(15)、第一支撐梁(17)和第二支撐梁(18)均設于第一框架(11)內；第一驅動質量塊(12)和第二驅動質量塊(13)通過第一驅動耦合梁(14)連接且關于第一驅動耦合梁(14)對稱，第一驅動耦合梁(14)促使第一驅動質量塊(12)和第二驅動質量塊(13)等位移反向運動；第一梳齒驅動電極(15)分布于第一驅動質量塊(12)和第二驅動質量塊(13)四周，第一梳齒檢測電極(16)分布于第一框架(11)四周；第一支撐梁(17)用來連接襯底與第一框架(11)；第二支撐梁(18)用來將第一驅動質量塊(12)、第二驅動質量塊(13)與第一框架(11)連接；

第二結構(2)包括第二框架(21)、第三驅動質量塊(22)、第四驅動質量塊(23)、第二驅動耦合梁(24)、第二梳齒驅動電極(25)、第二梳齒檢測電極(26)、第三支撐梁(27)和第四支撐梁(28)；其中，第三驅動質量塊(22)、第四驅動質量塊(23)、第二驅動耦合梁(24)、第二梳齒驅動電極(25)、第三支撐梁(27)和第四支撐梁(28)設于第二框架(21)內；第三驅動質量塊(22)和第四驅動質量塊(23)通過第二驅動耦合梁(24)連接且關于第二驅動耦合梁(24)對稱，第二驅動耦合梁(24)促使第三驅動質量塊(22)和第四驅動質量塊(23)等位移反向運動；第二梳齒驅動電極(25)分布于第三驅動質量塊(22)和第四驅動質量塊(23)四周，第二梳齒檢測電極(26)分布于第二框架(21)四周；第三支撐梁(27)用來連接襯底與第二框架(21)；第四支撐梁(28)用來將第三驅動質量塊(22)、第四驅動質量塊(23)與第二框架(21)連接。

進一步的，所述的第一支撐梁(17)有4組，分別設置于第一框架(11)四側壁，4組第一支撐梁(17)均一端連接第一框架(11)，另一端連接襯底；

且，所述的第三支撐梁(27)也有4組，分別設置于第二框架(21)四側壁，4組第三支撐梁(27)均一端連接第二框架(21)，另一端連接襯底。

進一步的，所述的第二支撐梁(18)有8組，其中4組用來連接第一驅動質量塊(12)和第一框架(11)，另外4組用來連接第二驅動質量塊(13)和第一框架(11)；

且，所述的第四支撐梁(28)也有8組，其中4組用來連接第三驅動質量塊(22)和第二框架(21)，另外4組用來連接第四驅動質量塊(23)和第二框架(21)。

和現有技術相比，本實用新型微機械陀螺儀具有如下特點：

(1)有角速度輸入時，左右兩對稱結構內部的兩個驅動質量塊受到反方向科氏力作用，使得框架受到力矩作用發生運動，框架的運動轉換為檢測電極的電容變化，實現角速度檢測。

(2)受到線振動作用時，左右兩對稱結構內部的兩個驅動質量塊受到同方向慣性力作用，使得框架受到的力矩為零，框架不能發生運動，實現線振動影響的抑制。

(3)受到角振動作用時，左右兩對稱結構的框架受到的慣性力矩的方向相同，有同向運動的趨勢，由于耦合梁作用，框架的同向運動受到抑制，實現角振動影響的抑制。

附圖說明

圖1是傳統的微機械陀螺儀工作原理示意圖；

圖2是本實用新型微機械陀螺儀的結構示意圖；

圖3是本實用新型微機械陀螺儀正常工作下質量塊的運動示意圖，其中，圖(a)為順時針角速度輸入時質量塊的運動示意圖，圖(b)為逆時針角速度輸入時質量塊的運動示意圖；

圖4是本實用新型微機械陀螺儀在角振動下質量塊的運動示意圖，其中，圖(a)為順時針角速度輸入時質量塊的運動示意圖，圖(b)為逆時針角速度輸入時質量塊的運動示意圖。

圖中，1-第一結構，11-第一框架，12-第一驅動質量塊，13-第二驅動質量塊，14-第一驅動耦合梁，15-第一梳齒驅動電極，16-第一梳齒檢測電極，17-第一支撐梁，18-第二支撐梁，2-第二結構，21-第二框架，22-第三驅動質量塊，23-第四驅動質量塊，24-第二驅動耦合梁，25-第二梳齒驅動電極，26-第二梳齒檢測電極，27-第三支撐梁，28-第四支撐梁，3-耦合梁。

具體實施方式

下面將結合附圖對本實用新型技術方案做進一步說明。

本實用新型微機械陀螺儀結構見圖2，由左右完全對稱的第一結構1和第二結構2組成，耦合梁3連接第一結構1和第二結構，第一結構1和第二結構2關于耦合梁3對稱。

第一結構1由第一框架11、第一驅動質量塊12、第二驅動質量塊13、第一驅動耦合梁14、第一梳齒驅動電極15、第一梳齒檢測電極16、第一支撐梁17和第二支撐梁18構成。其中，第一驅動質量塊12、第二驅動質量塊13、第一驅動耦合梁14、第一梳齒驅動電極15、第一支撐梁17和第二支撐梁18設于第一框架11內。第一驅動質量塊12和第二驅動質量塊13通過第一驅動耦合梁14連接且關于第一驅動耦合梁14對稱，第一驅動耦合梁14促使第一驅動質量塊12和第二驅動質量塊13等位移反向運動。第一梳齒驅動電極15分布于第一驅動質量塊12和第二驅動質量塊13四周，第一梳齒檢測電極16分布于第一框架11四周。第一支撐梁17用來連接襯底與第一框架11；第二支撐梁18用來將第一驅動質量塊12、第二驅動質量塊13與第一框架11連接。

第一結構2由第二框架21、第三驅動質量塊22、第四驅動質量塊23、第二驅動耦合梁24、第二梳齒驅動電極25、第二梳齒檢測電極26、第三支撐梁27和第四支撐梁28構成。其中，第三驅動質量塊22、第四驅動質量塊23、第二驅動耦合梁24、第二梳齒驅動電極25、第三支撐梁27和第四支撐梁28設于第二框架21內。第三驅動質量塊22和第四驅動質量塊23通過第二驅動耦合梁24連接且關于第二驅動耦合梁24對稱，第二驅動耦合梁24促使第三驅動質量塊22和第四驅動質量塊23等位移反向運動。第二梳齒驅動電極25分布于第三驅動質量塊22和第四驅動質量塊23四周，第二梳齒檢測電極26分布于第二框架21四周；第三支撐梁27用來連接襯底與第二框架21；第四支撐梁28用來將第三驅動質量塊22、第四驅動質量塊23與第二框架21連接。

本實施例中，第一支撐梁17有4組，分別設置于第一框架11四側壁，4組第一支撐梁17均一端連接第一框架11，另一端連接襯底。第二支撐梁18有8組，其中4組用來連接第一驅動質量塊12和第一框架11，另外4組用來連接第二驅動質量塊13和第一框架11。第三支撐梁27也有4組，分別設置于第二框架21四側壁，4組第三支撐梁27均一端連接第二框架21，另一端連接襯底。第四支撐梁28也有8組，其中4組用來連接第三驅動質量塊22和第二框架21，另外4組用來連接第四驅動質量塊23和第二框架21。

如圖3所示，陀螺儀工作時，在第一梳齒驅動電極15上加載交變電壓，產生交變的靜電力，使得第一驅動質量塊12和第二驅動質量塊13在X方向上發生位移且位移大小相等方向相反。第一驅動耦合梁14的作用是用來保證第一驅動質量塊12和第二驅動質量塊13的位移大小相等方向相反。

見圖3(a)，當有順時針角速度輸入，第一驅動質量塊12受到Y方向向上的科氏力作用而第二驅動質量塊13受到Y方向向下的科氏力作用，且二者受到的科氏力大小相等，科氏力通過第二支撐梁18傳遞到第一框架11上，使得第一框架11受到順時針方向的力矩作用，從而發生順時針方向的位移，帶動第一梳齒檢測電極16的動極板運動，第一梳齒檢測電極16的電容由于動極板發生位移而變化。

見圖3(b)，當有逆時針角速度輸入，第一驅動質量塊12受到Y方向向下的科氏力作用而第二驅動質量塊13受到Y方向向上的科氏力作用，且二者受到的科氏力大小相等，科氏力通過第二支撐梁18傳遞到第一框架11上，使得第一框架11受到逆時針方向的力矩作用，從而發生逆時針方向的位移，帶動第一梳齒檢測電極16的動極板運動，第一梳齒檢測電極16的電容由于動極板發生位移而發生變化。

同理，在第二梳齒驅動電極25上加載交變電壓，產生交變的靜電力，使得第三驅動質量塊22和第四驅動質量塊23在X方向上發生位移且二者的位移大小相等方向相反，且第三驅動質量塊22和第二驅動質量塊13的位移大小相等方向相同，第四驅動質量塊23和第一驅動質量塊12的位移大小相等方向相同，第二驅動耦合梁24的作用是保證第三驅動質量塊22和第四驅動質量塊23的位移大小相等方向相反。

見圖3(a)，當有順時針角速度輸入時，第三驅動質量塊22受到Y方向向下的科氏力作用而第四驅動質量塊23受到Y方向向上的科氏力作用，且二者受到的科氏力大小相等，科氏力通過第四支撐梁28傳遞到第二框架21上，使得第二框架21受到逆時針方向的力矩作用，第二框架21發生逆時針方向的位移，帶動第二梳齒檢測電極26的動極板運動，第二梳齒檢測電極26的電容由于動極板發生位移而發生變化。

見圖3(b)，當有逆時針角速度輸入時，第三驅動質量塊22受到Y方向向上的科氏力作用而第四驅動質量塊23受到Y方向向下的科氏力作用，且二者受到的科氏力大小相等，科氏力通過第四支撐梁28傳遞到第二框架21上，使得第二框架21受到順時針方向的力矩作用，第二框架21發生順時針方向的位移，帶動第二梳齒檢測電極26的動極板運動，第二梳齒檢測電極26的電容由于動極板發生位移而發生變化。

由于耦合梁3的特殊設計，其允許第一框架11和第二框架21的反方向運動而抑制第一框架11和第二框架21的同向運動。因此，在科氏力矩作用下，第一框架11和第二框架21可以反向的運動。

環境中的振動分為線振動和角振動兩種情況。當有線振動時，第一驅動質量塊12、第二驅動質量塊13、第三驅動質量塊22和第四驅動質量塊23受到方向相同大小相等的的慣性力作用，使得作用在第一框架11和第二框架21的力矩為0，第一框架11和第二框架21不發生位移，從而第一梳齒驅動電極15和第二梳齒驅動電極25的電容不會發生變化，從而抑制了線振動的影響。

見圖4(a)，當有順時針方向的角振動作用時，第一驅動質量塊12和第三驅動質量塊22受到向下的慣性力作用，第二驅動質量塊13和第四驅動質量塊23受到向上的慣性力作用，從而使得第一框架11和第二框架21都受到逆時針方向的力矩，都有逆時針方向運動的趨勢。由于耦合梁3的作用，第一框架11和第二框架21的運動受到抑制，第一框架11和第二框架21不會發生位移，第一梳齒驅動電極15和第二梳齒驅動電極25的電容不會發生變化，從而抑制了角振動的影響。

同理，見圖4(b)，當有逆時針方向的角振動作用時，第一驅動質量塊12和第三驅動質量塊22受到向上的慣性力作用，第二驅動質量塊13和第四驅動質量塊23受到向下的慣性力作用，從而使得第一框架11和第二框架21都受到順時針方向的力矩，都有順時針方向運動的趨勢。由于耦合梁3的作用，第一框架11和第二框架21的運動受到抑制，第一框架11和第二框架21不會發生位移，第一梳齒驅動電極15和第二梳齒驅動電極25的電容不會發生變化，從而抑制了角振動的影響。