【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微电子机械系统和微惯性测量技术，特别是一种工字型结构的硅微机械振动陀螺。
技术介绍
硅微机械陀螺是一种测量转动角速率的惯性传感器，采用微机械加工技术实现结构加工，并可以与所需的电子线路完全集成在一个硅片上，从而具有体积小、成本低、重量轻、可靠性高等优点，在军民两用领域有着重要的应用价值。目前，硅微机械陀螺性能已从普通车用级发展到了接近战术级水平(1°/h)，但如振动、温度等环境中的应用其性能较差，特别是振动环境。具有双质量的音叉陀螺被公认为具有较好的振动抑制能力，但由于音叉陀螺具有两个质量块，低阶模态数多，又品质因数高以及加工误差等原因，音叉陀螺仍然具有较大的振动误差，从而影响了其实际应用。2007年，裘安萍，施芹等提出了一种双质量振动式硅微陀螺(200710133223.5)，该陀螺结构由左右两个质量块组成，质量块通过支撑系统与上下两根横梁相连，该横梁通过两组扭杆与固定基座连接。试验表明，该陀螺具有误差小和灵敏度高等特点，具有较高的静态性能。但该结构只通过位于中间的扭杆与锚点相连，结构的稳定性较差；同时，结构的低阶模态多，且在工作模态附近，在振动环境中，这些模态的运动对陀螺输出有较大影响。此外，扭杆的刚度会影响陀螺检测模态的频率，而扭杆直接与锚点相连，扭杆刚度受到加工应力和封装应力的影响，从而影响陀螺输出，降低其温度性能。2014年，法国Tronics公司提出了一种z轴微机械陀螺(...
【技术保护点】
一种工字型结构的硅微机械振动陀螺，其特征在于由上层单晶硅、中间层单晶硅、下层单晶硅构成，上层单晶硅为布置有信号输入和输出线的硅微陀螺仪封装盖板，中间层单晶硅片上制作的为陀螺仪机械结构，下层单晶硅为布置有固定基座的陀螺仪衬底，中间层单晶硅密封在由上层单晶硅和下层单晶硅形成的密闭空腔；中间层单晶硅的机械结构包括子结构、工字型框架、扭杆、多折梁和隔离结构，两个子结构对称布置在工字型框架内，并通过驱动梁与工字型框架相连，工字型框架通过分布在下上端的扭杆、多折梁与隔离结构相连，该隔离结构与下层单晶硅上的固定基座键合，使中间层单晶硅的机械结构悬空在上层单晶硅与下层单晶硅之间。
【技术特征摘要】
1.一种工字型结构的硅微机械振动陀螺，其特征在于由上层单晶硅、中间层
单晶硅、下层单晶硅构成，上层单晶硅为布置有信号输入和输出线的硅微陀螺仪
封装盖板，中间层单晶硅片上制作的为陀螺仪机械结构，下层单晶硅为布置有固
定基座的陀螺仪衬底，中间层单晶硅密封在由上层单晶硅和下层单晶硅形成的密
闭空腔；中间层单晶硅的机械结构包括子结构、工字型框架、扭杆、多折梁和隔
离结构，两个子结构对称布置在工字型框架内，并通过驱动梁与工字型框架相连，
工字型框架通过分布在下上端的扭杆、多折梁与隔离结构相连，该隔离结构与下
层单晶硅上的固定基座键合，使中间层单晶硅的机械结构悬空在上层单晶硅与下
层单晶硅之间。
2.根据权利要求1所述的工字型结构的硅微机械振动陀螺，其特征在于中间
层单晶硅片上的陀螺仪机械结构由第一子结构(100)、第二子结构(200)、工字
型框架(2)、第一多折梁(3a)、第二多折梁(3b)、第三多折梁(3c)、第四多
折梁(3d)、第一扭杆(4a)、第二扭杆(4b)、第一隔离结构(5a)和第二隔离
结构(5b)组成，第一子结构(100)和第二子结构(200)组成及结构完全相同，
并对称布置在工字型框架(2)内；第一子结构(100)通过第一驱动支撑梁(104a)、
第二驱动支撑梁(104b)、第三驱动支撑梁(104c)、第四驱动支撑梁(104d)与
工字型框架(2)连接，第二子结构(200)通过第五驱动支撑梁(204a)、第六
驱动支撑梁(204b)、第七驱动支撑梁(204c)、第八驱动支撑梁(204d)与工字
型框架(2)连接；所述工字型框架(2)通过第一多折梁(3a)、第二多折梁(3b)、
第一扭杆(4a)与位于工字型框架(2)上方的第一隔离结构(5a)相连；工字
型框架(2)通过第三多折梁(3c)、第四多折梁(3d)、第二扭杆(4b)与位于
工字型框架(2)下方的第二隔离结构(5b)相连；第一隔离结构(5a)与下层
单晶硅上的第一固定基座(6a)和第二固定基座(6b)键合，第二隔离结构(5b)
与下层单晶硅上的第三固定基座(6c)和第四固定基座(6d)键合。
3.根据权利要求2所述的工字型结构的硅微机械振动陀螺，其特征在于第
一子结构(100)包括第一回字形框架(101)、第一检测支撑梁(102a)、第二检
测支撑梁(102b)、第三检测支撑梁(102c)、第四检测支撑梁(102d)、第一驱
动谐振器(105a)、第二驱动谐振器(105b)、第一活动检测梳齿(107)、第一固
定检测梳齿(108)、第一检测梳齿固定电极(106a)和第二检测梳齿固定电极
\t(106b)，第一回字形框架(101)上设置了第一活动检测梳齿(107)，与设置在
第一、二测梳齿固定电极(106a、106b)上的第一固定检测梳齿(108)构成检
测梳齿电容，第一、二检测梳齿固定电极(106a、106b)与下层单晶硅的固定基
座键合；第一回字形框架(101)的上端通过第一检测支撑梁(102a)、第二检测
支撑梁(102b)与第一驱动谐振器(105a)相连，第一回字形框架(101)的下
端通过第三检测支撑梁(102c)和第四检测支撑梁(102d)与第二驱动谐振器
(105b)相连；第一驱动谐振器(105a)上的第一驱动支撑梁(104a)和第二驱
动支撑梁(104b)与工字型框架(2)连接，第二驱动谐振器(105b)上的第三
驱动梁(104c)、第四驱动梁(104d)与工字型框架(2)连接。
第二子结构(200)与第一子结构(100)组成及结构完全相同，包括第二回
字形框架(201)、第五检测支撑梁(202a)、第六检测支撑梁(202b)、第七检测
支撑梁(202c)、第八检测支撑梁(202d)、第三驱动谐振器(205a)、第四驱动
谐振器(205b)、第二活动检测梳齿(207)、第二固定检测梳齿(208)、第三检
测梳齿固定电极(206a)和第四检测梳齿固定电极(206b)。
4.根据权利要求3所述的工字型结构的硅微机械振动陀螺，其特征在于第一
驱动谐振器(105a)与第二驱动谐振器(105b)组成及结构完全一样，该第一驱
动谐振器(105a)由第一横板(103a)、第一驱动支撑梁(104a)、第二驱动支撑
梁(104b)、第一梳齿梁(111a)、第二梳齿梁(111b)、第三梳齿梁(111c)、第
四梳齿梁(111d)、第一驱动梳齿固定电极(110a)、第二驱动梳齿固定电极(110b)、
第三驱动梳齿固定电极(110c)、第四驱动梳齿固定电极(110d)、第一驱动检测
梳齿固定电极(109a)和第二驱动检测梳齿固定电极(109b)组成，第一驱动支
撑梁(104a)、第二驱动支撑梁(104b)位于第一横板(103a)的两端，且与第
一横板(103a)互相垂直；第一、二、三、四梳齿梁(111a、111b、111c、111d)
垂直布置在第一横板(103a)上，且依次排列在第一驱动支撑梁(104a)和第二
驱动支撑梁(104b)之间；第二梳齿梁(111b)和第三梳齿梁(111c)的两侧设
置了活动驱动梳齿，分别与第一驱动梳齿固定电极(110a)、第二驱动梳齿固定
电极(110b)、第三驱动梳齿固定电极(110c)、第四驱动梳齿固定电极(110d)
上设置的固定驱动梳齿构成驱动电容；第一梳齿梁(111a)和第四梳齿梁(111...
【专利技术属性】
技术研发人员：施芹，裘安萍，夏国明，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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