一种具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪制造技术

本实用新型专利技术公开了一种具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪，包括上层真空封装盖板、下层硅衬底和中层单晶硅片，中层单晶硅片上设有陀螺机械结构，所述陀螺机械结构的两个子结构对称分布在质量块连接机构和两个桁架与水平直梁的组合机构的两侧，第一U型梁沿子结构的长边设置，桁架与水平直梁的组合机构通过第一U型梁与子结构连接；直梁沿子结构宽度方向设置，用于连接子结构两侧的第一U型梁。本实用新型专利技术实现了驱动模态和检测模态的运动解耦，降低了陀螺输出的正交误差，同时也实现驱动模态与检测模态为第一阶模态和第二阶模态，有效抑制常见的驱动同向、检测同向和Z向模态等干扰模态，其陀螺性能好，一致性强，抗振动干扰能力强。

A dual mass tuning fork angular rate gyroscope with structural decoupling capability

The utility model discloses a dual mass fork has decoupling ability structure of angular rate gyroscope, including the upper and lower cover plate of vacuum packaging of silicon substrate and middle silicon, silicon substrate is provided with a middle top mechanical structure, two sub mechanical structure of the gyroscope combination mechanism junction on both sides symmetrically distributed on the connecting mechanism and the mass two truss and horizontal straight beam, the U beam along the long side of the sub structure setting, combination mechanism and horizontal truss of the straight beam are connected through the first U beam and sub structure; the straight beam along the width direction of the sub structure set for the first U type connector structure on both sides of the beam. The utility model realizes the decoupling motion detection mode and drive mode, reduce the orthogonal error of gyro output, but also realize the driving and detecting modes for the first mode and second mode, effectively inhibit the drive to the same direction and Z direction detection, modal interference common mode, the gyro performance is good, consistent strong anti-interference ability, anti vibration.

【技术实现步骤摘要】
一种具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪
本技术属于微电子机械系统和微惯性测量技术，特别是一种具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪。
技术介绍
微机械惯性仪表包括微机械陀螺(MMG)和微机械加速度计(MMA)。利用微电子加工工艺允许将微机械结构与所需的电子线路完全集成在一个硅片上，从而达到性能、价格、体积、重量、可靠性诸方面的高度统一。因而，这类仪表具有一系列的优点(如体积小、重量轻、价格便宜、可靠性高、能大批量生产等)，在军民两方面都具有广泛的应用前景。在民用方面，主要用于汽车工业、工业监控及消费类产品和机器人技术，如气囊、防抱死系统、偏航速率传感器、翻滚速率传感器、图象稳定及玩具等等；在军用领域，主要用于灵巧炸弹、智能炮弹、战术导弹、新概念武器和微型飞机的自主导航制导系统等。1993年，美国德雷珀实验室通过在玻璃表面复盖硅层技术制作了一种新颖的微机械陀螺—音叉式线振动陀螺。该陀螺由双质量块、支承梁和横梁组成，陀螺采用线振动驱动和角振动检测的方式，可以敏感陀螺平面内轴向的角速率。由于该陀螺的驱动运动与敏感运动完全耦合，限制了其灵敏度的提高。2007年，苏岩等人研制了双质量振动式硅微陀螺(申请号：200710133223.5)，在驱动力的作用下双质量在做平行于衬底的线振动，有角速率输入时，双质量块做平行于衬底的垂直于驱动方向的线振动，通过检测敏感电容的变化，测试输入角速率。该陀螺采用了八根驱动支承梁和八根敏感支承梁实现驱动模态与敏感模态的分离。由于微电子工艺存在误差，会导致两个子结构没有很好的一致性，产生敏感模态不同步等现象。2009年，苏岩等人又研制了摆动式硅微陀螺(申请号：200920037290.1)。采用扭杆和横梁，使陀螺绕Z轴转动，实现陀螺的敏感运动，实现了驱动方向与检测方向的运动解耦。扭杆代替了敏感支承梁，减小了支承梁数目，降低了加工误差对陀螺性能的影响。但是在体硅工艺中，对竖直扭杆的加工具有相当大的难度。2011年，苏岩等人研制了硅微角振动输出陀螺(申请号：201110170673.8)和扭摆式角速率陀螺(申请号：201120340974.6)。二者都采用水平扭杆和横梁，实现陀螺的角振动输出。水平扭杆的使用，降低了对加工过程的要求。同时设置了质量块链接机构，增大了工作模态与干扰模态的频率差，增加了陀螺的稳定性。二者不同的地方在于横梁与固定基座的连接方式不同。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪，所述陀螺仪通过驱动框、敏感框和检测框的相互功能独立实现了驱动模态和检测模态的运动解耦，降低了陀螺输出的正交误差，同时也实现驱动模态与检测模态为第一阶模态和第二阶模态，有效抑制常见的驱动同向、检测同向和Z向模态等干扰模态，其陀螺性能好，一致性强，抗振动干扰能力强。实现本技术目的的技术解决方案为：一种具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪，包括上层真空封装盖板、下层硅衬底和中层单晶硅片，中层单晶硅片上设有陀螺机械结构，所述陀螺机械结构包括质量块连接机构、两个子结构、两个桁架与水平直梁的组合机构、两个U型梁组合梁、八个第一U型梁和四个直梁，所述两个子结构对称分布在质量块连接机构和两个桁架与水平直梁的组合机构的两侧，质量块连接机构和两个桁架与水平直梁的组合机构呈直线分布，且质量块连接机构位于两个桁架与水平直梁的组合机构之间，第一U型梁沿子结构的长边设置，且位于长边的两端，桁架与水平直梁的组合机构通过第一U型梁与子结构连接，U型梁组合梁沿子结构的长边设置，且位于远离质量块连接机构一侧的两个第一U型梁的中间；直梁沿子结构宽度方向设置，用于连接子结构两侧的第一U型梁。本技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)根据功能划分，独立设计驱动框，敏感框和检测框，实现了驱动模态和检测模态的运动解耦，降低了陀螺输出的正交误差。(2)用桁架及水平直梁的组合机构代替与两个子结构相连的横梁，这种结构形式即保证敏感结构的驱动模态频率低于驱动同向模态频率，也抑制了Z向干扰模态。(3)用质量块连接机构连接两个子结构，这种结构形式既能保证敏感结构的检测模态频率低于检测同向模态频率，又能实现两个子结构的运动同步，也抑制了Z向干扰模态。(4)两个子结构外侧分别通过两个对称布置的U形梁组合梁与上层真空封装盖板和下层硅衬底锚固，这种结构形式能抑制两个子结构沿z轴方向的干扰模态。(5)经过上述关键结构的合理设计，可以使得驱动模态和检测模态分别为该敏感结构的一阶、二阶模态，并且使其他干扰模态尽量远离工作模态。上述两个特点大幅度降低了外界振动环境对陀螺仪性能的影响。附图说明图1是本技术具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪的整体结构示意图。图2是本技术具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪的桁架与水平直梁的组合机构的结构示意图。图3是本技术具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪的质量块连接机构结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本技术作进一步详细描述。结合图1至图3，一种具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪，用于测量Z轴方向的角速率。其包括上层真空封装盖板、下层硅衬底和中层单晶硅片，中层单晶硅片上设有陀螺机械结构。本技术采用了圆片级真空封装工艺，上层真空封装盖板、中层单晶硅片与下层硅衬底为硅材料，上层真空封装盖板、下层硅衬底之间形成了密闭的真空腔体，中层单晶硅片设置在所述真空腔体内，使陀螺仪机械结构悬空在下层硅衬底之上，上层真空封装盖板布置信号引线及键合区域。陀螺仪机械结构不会受到灰尘颗粒的污染和外界机械力的影响，提高了陀螺仪的性能。结合图1，所述陀螺机械结构包括质量块连接机构2、两个子结构1、两个桁架与水平直梁的组合机构3、两个U型梁组合梁4、八个第一U型梁6和四个直梁12，所述两个子结构1对称分布在质量块连接机构2和两个桁架与水平直梁的组合机构3的两侧，质量块连接机构2和两个桁架与水平直梁的组合机构3呈直线分布，且质量块连接机构2位于两个桁架与水平直梁的组合机构3之间，第一U型梁6沿子结构1的长边设置，且位于长边的两端，桁架与水平直梁的组合机构3通过第一U型梁6与子结构1连接，U型梁组合梁4沿子结构1的长边设置，且位于远离质量块连接机构2一侧的两个第一U型梁6的中间；直梁12沿子结构1宽度方向设置，用于连接子结构1两侧的第一U型梁6。位于子结构1同一侧的两个U型梁6开口方向相对。结合图3，所述质量块连接机构2包括一个水平第一直梁203、4个第二直梁202和4个第二U型梁201；水平直梁203的两端分别通过两个开口相对设置的第二U型梁201与子结构1连接，4个第二直梁202对称分布在第一直梁203上，每根第二直梁202均有一端与第一直梁203中心相连，两者夹角均为45°，另一端与上层真空封装盖板和下层硅衬底锚固。上述4个第二直梁202两两一组，对称分布在第一直梁203两侧，位于同一侧的两根第二直梁202之间的夹角为90°。结合图2，所述桁架与水平直梁的组合机构3包括V型桁架301和水平直梁302，V型桁架301的顶点与水平直梁302中心连接，水平直梁302与质量块连接机构2同侧，V型桁架301的两个自由端与第一U型梁6封闭本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪，其特征在于：包括上层真空封装盖板、下层硅衬底和中层单晶硅片，中层单晶硅片上设有陀螺机械结构，所述陀螺机械结构包括质量块连接机构（2）、两个子结构（1）、两个桁架与水平直梁的组合机构（3）、两个U型梁组合梁（4）、八个第一U型梁（6）和四个直梁（12），所述两个子结构（1）对称分布在质量块连接机构（2）和两个桁架与水平直梁的组合机构（3）的两侧，质量块连接机构（2）和两个桁架与水平直梁的组合机构（3）呈直线分布，且质量块连接机构（2）位于两个桁架与水平直梁的组合机构（3）之间，第一U型梁（6）沿子结构（1）的长边设置，且位于长边的两端，桁架与水平直梁的组合机构（3）通过第一U型梁（6）与子结构（1）连接，U型梁组合梁（4）沿子结构（1）的长边设置，且位于远离质量块连接机构（2）一侧的两个第一U型梁（6）的中间；直梁（12）沿子结构（1）宽度方向设置，用于连接子结构（1）两侧的第一U型梁（6）。

【技术特征摘要】
1.一种具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪，其特征在于：包括上层真空封装盖板、下层硅衬底和中层单晶硅片，中层单晶硅片上设有陀螺机械结构，所述陀螺机械结构包括质量块连接机构（2）、两个子结构（1）、两个桁架与水平直梁的组合机构（3）、两个U型梁组合梁（4）、八个第一U型梁（6）和四个直梁（12），所述两个子结构（1）对称分布在质量块连接机构（2）和两个桁架与水平直梁的组合机构（3）的两侧，质量块连接机构（2）和两个桁架与水平直梁的组合机构（3）呈直线分布，且质量块连接机构（2）位于两个桁架与水平直梁的组合机构（3）之间，第一U型梁（6）沿子结构（1）的长边设置，且位于长边的两端，桁架与水平直梁的组合机构（3）通过第一U型梁（6）与子结构（1）连接，U型梁组合梁（4）沿子结构（1）的长边设置，且位于远离质量块连接机构（2）一侧的两个第一U型梁（6）的中间；直梁（12）沿子结构（1）宽度方向设置，用于连接子结构（1）两侧的第一U型梁（6）。2.根据权利要求1所述的具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪，其特征在于：位于子结构（1）同一侧的两个U型梁（6）开口方向相对。3.根据权利要求1所述的具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪，其特征在于：所述质量块连接机构（2）包括一个水平第一直梁（203）、4个第二直梁（202）和4个第二U型梁（201）；水平直梁（203）的两端分别通过两个开口相对设置的第二U型梁（201）与子结构（1）连接，4个第二直梁（202）对称分布在第一直梁（203）上，每根第二直梁（202）均有一端与第一直梁（203）中心相连，两者夹角均为45°，另一端与上层真空封装盖板和下层硅衬底锚固。4.根据权利要求3所述的具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪，其特征在于：上述4个第二直梁（202）两两一组，对称分布在第一直梁（203）两侧，位于同一侧的两根第二直梁（202）之间的夹角为90°。5.根据权利要求3所述的具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪，其特征在于：所述两个开口相对设置的第二U型梁（202）的开口端相连。6.根据权利要求1所述的具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪，其特征在于：所述桁架与水平直梁的组合机构（3）包括V型桁架（301）和水平直梁（302），V型桁架（301）的顶点与水平直梁（302）中心连接，水平直梁（302）与质量块连接机构（2）同侧，V型桁架（301）的两个自由端与第一U型梁（6）封闭端侧壁连接，水平直梁（302）两端均与上层真空封装盖板和下层硅衬底锚固。7.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨海波，苏岩，吴志强，杨明明，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32