微机电可变形结构和三轴多自由度微机电陀螺仪制造技术

本发明专利技术涉及一种三轴多自由度微机电陀螺仪，包括：内框架、中间框架、外框架，以及位于内框架内部的联动部；位于中央的环形检测电容，环形上极板的外沿与联动部连接；两组驱动电容，对称分布在所述外框架平行于x轴的两侧；两组第二检测电容，对称分布在所述外框架平行于y轴的两侧。本发明专利技术的三轴多自由度微机电陀螺仪采用单结构设计，电容式静电驱动和差动电容检测，驱动方式简单，结构紧凑，有利于减小陀螺仪体积，工艺上适合批量生产，并且受温度及加工工艺误差影响小，能够实现良好的测量精度和灵敏度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微机电技术，具体涉及一种微机电可变形结构以及一种三轴多自由度微机电陀螺仪。
技术介绍
微电子机械系统(Micro Electro Mechanical System)，简称MEMS，是在微电子技术基础上发展起来的集微型机械、微传感器、微执行器、信号处理、智能控制于一体的一项新兴科学技术。在微机电测量技术中，经常需要用到可变形的连接结构，其设计关系着测量方案的可实施性，其灵敏度也关系着测量的准确性。微机电陀螺仪是基于MEMS技术的惯性器件，用于测量物体运动的角速度。它具有体积小，可靠性高，成本低廉，适合大批量生产的特点，因此具有广阔的市场前景，可应用于包括消费电子、航空航天、汽车、医疗设备和武器在内的广泛领域。微机电陀螺仪系统通常包括驱动部分和检测部分，其设计具有一定的复杂性，尤其是涉及三轴同时测量的微机电陀螺仪时。目前三轴陀螺仪主要通过将三个单轴陀螺仪或者将一个Z轴陀螺仪和一个平面检测陀螺仪进行正交配置的设计方式来实现，但是这种组合的方式不利于器件的小型化，因此开发单结构的三轴陀螺仪已经成为现今微机电陀螺仪设计研发的重要方向。开发单结构的三轴陀螺仪时，更加需要一种结构紧凑，体积减小，以及灵敏度高的可变形连接结构。此外，微机电陀螺仪的性能受环境和工艺因素影响很大：当环境温度变化时，陀螺仪敏感结构动态特性发生变化，导致驱动和检测模态的固有频率发生偏移，从而改变了驱动和检测模态的匹配性，导致在不同环境温度下陀螺仪性能的差异化。而当加工工艺存在误差时，陀螺仪的实际动态特性也会与设计参数之间产生较大偏差，影响陀螺仪设计性能的实现。因此，微机电陀螺仪在设计阶段增强其设计的健壮性也成为微机电陀螺仪研发的重要内容。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种结构简单易实现且灵敏度高的微机电可变形结构，以及一种单结构设计的受温度及加工工艺误差影响小的三轴多自由度微机电陀螺仪，为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种微机电可变形结构，包括：基板；位于所述基板上的同中心的三层矩形框架，从内向外依次为内框架、包围所述内框架的中间框架、以及包围所述中间框架的外框架，所述中心处为原点，所述内框架、中间框架、以及外框架各有两条边平行于x轴，另外两条边平行于y轴；所述外框架和所述中间框架之间通过第一解耦梁连接，所述第一解耦梁设置于所述中间框架平行于y轴的两侧；所述中间框架和所述内框架之间通过第二解耦梁连接，所述第二解耦梁设置于所述内框架平行于x轴的两侧；位于所述内框架内部的联动部，所述联动部包括第一联动梁，两条杠杆梁、以及两条第二联动梁；所述第一联动梁和所述第二联动梁均平行于y轴，所述杠杆梁均平行于x轴；两条所述杠杆梁关于x轴对称，分别与所述第一联动梁连接以形成一端开口的方框结构；两条所述第二联动梁关于x轴对称且位于所述杠杆梁和所述内框架之间，所述第二联动梁的一端连接邻近的一条杠杆梁，另一端连接所述内框架。进一步优选的技术方案，所述第一解耦梁包括关于y轴对称的四个Z型解耦梁，所述Z型解耦梁的一端垂直连接所述中间框架平行于y轴的侧边，另一端垂直连接所述外框架平行于y轴的侧边。进一步优选的技术方案，所述第一解耦梁包括关于y轴对称的四个L型解耦梁，所述L型解耦梁的一端垂直连接所述中间框架平行于y轴的侧边，另一端垂直连接所述外框架平行于x轴的侧边。进一步优选的技术方案，所述第二解耦梁包括关于x轴对称的四个Z型解耦梁，所述Z型解耦梁的一端垂直连接所述内框架平行于x轴的侧边，另一端垂直连接所述中间框架平行于x轴的侧边。进一步优选的技术方案，所述第二解耦梁包括关于x轴对称的四个L型解耦梁，所述L型解耦梁的一端垂直连接所述内框架平行于x轴的侧边，另一端垂直连接所述中间框架平行于y轴的侧边。进一步优选的技术方案，所述杠杆梁未与所述第一联动梁连接的一端为支撑端，所述两条杠杆梁的支撑端各通过一第二锚点固定于所述基板上。进一步优选的技术方案，所述联动部还包括两条支撑梁，所述两条支撑梁均平行于y轴；所述两条支撑梁关于x轴对称且位于所述方框结构内侧，一端连接邻近的一条杠杆梁，另一端各通过一第三锚点固定于所述基板上。进一步优选的技术方案，所述杠杆梁未与所述第一联动梁连接的一端为支撑端，所述两条杠杆梁支撑端的各通过一第二锚点固定于所述基板上；所述第二联动梁与杠杆梁的连接位置位于杠杆梁的支撑端和杠杆梁与支撑梁的连接点中间。进一步优选的技术方案，所述联动部还包括第三联动梁，所述第三联动梁的一端连接所述第一联动梁的中部，另一端用于和待连接件连接。本专利技术的微机电可变形结构，在受到外力作用时，外框架、中间框架、内框架、以及方框结构均能产生变形扭曲的效果，同时还具有变形阻力小变形空间大的优点，从而能够实现良好的测量精度和灵敏度。本专利技术的微机电可变形结构简单紧凑，有利于减小微机电系统的体积，工艺上适合批量生产，并且受温度及加工工艺误差影响小，有利于测量方案实现良好的测量精度和灵敏度。一种三轴多自由度微机电陀螺仪，包括如前所述的可变形结构，还包括：位于两条所述杠杆梁之间的环形检测电容，所述环形检测电容的中心正对所述原点处；所述环形检测电容包括固定在基板上的四个下极板以及正对所述四个下极板并且悬置于所述下极板上方的环形上极板；所述四个下极板分为两组：第一组下极板沿x轴在原点的两侧对称分布且组内的两个下极板形状相同，所述第一组下极板与其对应部分的环形上极板相配合构成一组第一检测电容；第二组下极板沿y轴在原点的两侧对称分布且组内的两个下极板形状相同，所述第二组下极板与其对应部分的环形上极板相配合构成另一组第一检测电容；所述环形上极板在原点处通过第一锚点固定于基板上；所述第三联动梁与所述环形上极板的外沿连接；两组驱动电容，对称分布在所述外框架平行于x轴的两侧，每组所述驱动电容都包括互相配合的可动驱动电极和固定驱动电极，其中所述可动驱动电极与所述外框架的外侧边连接；所述驱动电容用于提供沿y轴方向的驱动力；两组第二检测电容，对称分布在所述外框架平行于y轴的两侧，每组所述第二检测电容都包括互相配合的可动检测电极和固定检测电极，其中所述可动检测电极与所述外框架的外侧边连接。进一步优选的技术方案，所述环形上极板为圆环形状或者方环形状。进一步优选的技术方案，还包括位于所述环形检测电容环孔内的支撑梁组；所述支撑梁组包括同心的内圆环和外本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微机电可变形结构，其特征在于，包括：基板；位于所述基板上的同中心的三层矩形框架，从内向外依次为内框架、包围所述内框架的中间框架、以及包围所述中间框架的外框架，所述中心处为原点，所述内框架、中间框架、以及外框架各有两条边平行于x轴，另外两条边平行于y轴；所述外框架和所述中间框架之间通过第一解耦梁连接，所述第一解耦梁设置于所述中间框架平行于y轴的两侧；所述中间框架和所述内框架之间通过第二解耦梁连接，所述第二解耦梁设置于所述内框架平行于x轴的两侧；位于所述内框架内部的联动部，所述联动部包括第一联动梁，两条杠杆梁、以及两条第二联动梁；所述第一联动梁和所述第二联动梁均平行于y轴，所述杠杆梁均平行于x轴；两条所述杠杆梁关于x轴对称，分别与所述第一联动梁连接以形成一端开口的方框结构；两条所述第二联动梁关于x轴对称且位于所述杠杆梁和所述内框架之间，所述第二联动梁的一端连接邻近的一条杠杆梁，另一端连接所述内框架。

【技术特征摘要】
1.一种微机电可变形结构，其特征在于，包括：
基板；
位于所述基板上的同中心的三层矩形框架，从内向外依次为内框架、
包围所述内框架的中间框架、以及包围所述中间框架的外框架，所述中心
处为原点，所述内框架、中间框架、以及外框架各有两条边平行于x轴，
另外两条边平行于y轴；
所述外框架和所述中间框架之间通过第一解耦梁连接，所述第一解耦
梁设置于所述中间框架平行于y轴的两侧；所述中间框架和所述内框架之
间通过第二解耦梁连接，所述第二解耦梁设置于所述内框架平行于x轴的
两侧；
位于所述内框架内部的联动部，所述联动部包括第一联动梁，两条杠
杆梁、以及两条第二联动梁；所述第一联动梁和所述第二联动梁均平行于
y轴，所述杠杆梁均平行于x轴；
两条所述杠杆梁关于x轴对称，分别与所述第一联动梁连接以形成一
端开口的方框结构；
两条所述第二联动梁关于x轴对称且位于所述杠杆梁和所述内框架之
间，所述第二联动梁的一端连接邻近的一条杠杆梁，另一端连接所述内框
架。
2.如权利要求1所述的可变形结构，其特征在于：
所述第一解耦梁包括关于y轴对称的四个Z型解耦梁，所述Z型解耦
梁的一端垂直连接所述中间框架平行于y轴的侧边，另一端垂直连接所述
外框架平行于y轴的侧边。
3.如权利要求1所述的可变形结构，其特征在于：
所述第一解耦梁包括关于y轴对称的四个L型解耦梁，所述L型解耦
梁的一端垂直连接所述中间框架平行于y轴的侧边，另一端垂直连接所述
外框架平行于x轴的侧边。
4.如权利要求1所述的可变形结构，其特征在于：
所述第二解耦梁包括关于x轴对称的四个Z型解耦梁，所述Z型解耦
梁的一端垂直连接所述内框架平行于x轴的侧边，另一端垂直连接所述中
间框架平行于x轴的侧边。
5.如权利要求1所述的可变形结构，其特征在于：
所述第二解耦梁包括关于x轴对称的四个L型解耦梁，所述L型解耦
梁的一端垂直连接所述内框架平行于x轴的侧边，另一端垂直连接所述中
间框架平行于y轴的侧边。
6.如权利要求1所述的可变形结构，其特征在于：
所述杠杆梁未与所述第一联动梁连接的一端为支撑端，所述两条杠杆
梁的支撑端各通过一第二锚点固定于所述基板上。
7.如权利要求1所述的可变形结构，其特征在于：
所述联动部还包括两条支撑梁，所述两条支撑梁均平行于y轴；
所述两条支撑梁关于x轴对称且位于所述方框结构内侧，一端连接邻
近的一条杠杆梁，另一端各通过一第三锚点固定于所述基板上。
8.如权利要求7所述的可变形结构，其特征在于：
所述杠杆梁未与所述第一联动梁连接的一端为...

【专利技术属性】
技术研发人员：张廷凯，
申请(专利权)人：歌尔声学股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37