一种环形三轴解耦微陀螺仪制造技术

本发明专利技术公开了一种环形三轴解耦硅微陀螺仪的结构，包括上层的器件结构层、下层的玻璃衬底层以及生长于玻璃衬底层上的金属引线层，器件结构层为环形对称结构，包括驱动传递框架，内耦合环，翻滚角、俯仰角检测质量圆盘，航向角检测框架，其中，45°、135°、225°、315°方向上四个驱动传递框架通过内耦合环连接，实现等幅差分驱动和差分检测；内耦合环通过工字型解耦梁与三轴检测部分相连，实现了驱动和三轴检测之间较好的解耦功能；翻滚角和俯仰角检测通过翻滚角、俯仰角检测质量圆盘和对应的翻滚角金属电极薄膜，俯仰角金属电极薄膜构成翻滚角和俯仰角检测部分，航向角检测部分通过四组航向角检测框架进行航向角检测，能够达到较好的检测性能。

【技术实现步骤摘要】
一种环形三轴解耦微陀螺仪
本专利技术涉及微机电陀螺仪，尤其是一种环形三轴解耦微陀螺仪。
技术介绍
微机械陀螺仪是一种用于测量角速率和姿态角的惯性传感器，有着体积小、功耗低、成本低、抗过载能力强、动态范围大、可集成化等优点，同时可以嵌入到智能控制系统中，因此无论是在现代化军事领域，还是在民用消费领域都有着广泛的应用，高精度的MEMS陀螺可用于导弹、航空航天等高精度军用产品中。广泛的市场也对MEMS陀螺仪提出了更高的要求，多轴集成化是MEMS陀螺的一个重要发展方向。在三轴陀螺仪集成方面，可分成三种类型，第一类可以通过水平轴陀螺仪、Z轴陀螺仪装配而成，第二类是在一块基板上制作多个敏感结构，以达到三轴测量的目的，目前大多数的研究集中在前两类多轴陀螺仪，其精度和集成度都有限。第三类是单片集成的多轴陀螺仪，通过微结构的设计敏感三个轴向的角速率。某些公司和高校也设计了一些单片集成的三轴微陀螺仪，可以实现三个方向的角速率，但由于结构的复杂性以及结构间的耦合，没有实现完全的解耦，使其难以达到较好的性能，因此，在多轴微陀螺仪的设计制造中，除了加工工艺改良以外，还需优化结构、完全解耦，以进一步提高其性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种环形三轴解耦微陀螺仪，主要包括驱动框架，内耦合环，翻滚角、俯仰角检测质量圆盘，航向角检测框架以及若干解耦梁。其中四个驱动框架通过内耦合环连接，实现等幅差分驱动，驱动和三轴敏感检测框架通过耦合梁与内耦合环相连实现解耦的功能，从而达到较好的测量效果。上述的目的通过以下技术方案实现：一种环形三轴解耦微陀螺仪，包括上层的器件结构层、下层的玻璃衬底层以及生长于玻璃衬底层上的金属引线层，所述器件结构层通过锚点与玻璃衬底层键合连接，所述金属引线层位于器件结构层和玻璃衬底层之间，将器件结构层与玻璃衬底层连接的电极通过信号引线引至周围；所述器件结构层包括置于中心的翻滚角、俯仰角检测质量圆盘，所述翻滚角、俯仰角检测质量圆盘外同心设置内耦合环，所述内耦合环外同心设置有四组航向角检测框架；在X轴，Y轴方向上介于所述翻滚角、俯仰角检测质量圆盘和内耦合环之间均匀设置四个工字型解耦梁配合生长在玻璃衬底上的位于X轴方向的俯仰角金属电极薄膜形成俯仰角检测部分；在X轴，Y轴方向上介于所述内耦合环和翻滚角、俯仰角检测质量圆盘之间均匀设置四个工字型解耦梁配合生长在玻璃衬底上的位于Y轴方向的翻滚角金属电极薄膜形成翻滚角检测部分；所述航向角检测框架由分别位于X轴，Y轴方向上的四组航向角检测框架组成，每组航向角检测框架上设置航向角检测部分；所述内耦合环上在45°、135°、225°、315°方向均匀连接四个驱动传递框架，每个所述的驱动传递框架里面设置有驱动部分用于驱动内耦合环的运动。所述的环形三轴解耦微陀螺仪，所述航向角检测部分包括航向角检测梳齿电极，所述航向角检测梳齿电极包括与所述航向角检测框架连接的航向角检测活动梳齿和固定在敏感检测电极上的航向角检测固定梳齿，所述敏感检测电极固定在玻璃衬底上。所述的环形三轴解耦微陀螺仪，所述驱动部分包括位于驱动传递框架内并固定在玻璃衬底上的驱动电极，所述驱动电极的两侧与所述驱动传递框架内侧之间分别设置有一个驱动梳齿电容对，所述驱动梳齿电容对包括与所述驱动传递框架连接的驱动活动梳齿和与所述驱动电极连接的驱动固定梳齿，所述驱动传递框架通过折叠U型梁A10-c1与固定锚点相连，所述固定锚点和玻璃衬底层固定连接。所述的环形三轴解耦微陀螺仪，还包括驱动检测部分，所述驱动检测部分为将45°、225°方向的两个驱动电极通过信号引线接出用于驱动检测或者将135°、315°方向的两个驱动电极通过信号引线接出用于驱动检测。所述的环形三轴解耦微陀螺仪，所述航向角检测框架上安装有航向角检测活动梳齿架，所述航向角检测活动梳齿架通过传递梁与航向角检测框架相连，同时通过折叠U型梁连接至固定锚点。所述的环形三轴解耦微陀螺仪，所述驱动传递框架和固定锚点之间设置有U型解耦梁用于限定驱动框架的运动范围。所述的环形三轴解耦微陀螺仪，所述内耦合环和翻滚角、俯仰角检测质量圆盘，内耦合环和航向角检测框架之间设置有工字型解耦梁，用于驱动部分和三轴检测部分之间的解耦。有益效果：本专利技术的微陀螺仪结构为环形对称结构，四个驱动框架通过内耦合环连接，实现等幅差分驱动，驱动和敏感检测框架通过解耦梁与内耦合环相连实现解耦的功能，从而达到较好的测量效果。驱动部分包含135°、315°方向上的两组驱动框架，驱动梳齿，以及内耦合环。其中，驱动梳齿采用电容式变面积静电驱动模式，驱动固定梳齿通过电极引线连接在一起，在电极上施加叠加的直流电压信号和交流电压信号，来驱动内耦合环和驱动框架运动。在驱动力产生的静电力作用下，所述驱动部分的运动形式为驱动框架带动内耦合环以检测质量圆盘中心为圆心在一定范围内周期性地来回转动。驱动检测部分为45°、225°方向上的两组连接在玻璃衬底上的固定梳齿和连接在驱动框架上的活动梳齿组成。翻滚角和俯仰角检测部分包含翻滚角和俯仰角检测质量圆盘，其中检测质量圆盘通过面外解耦梁与内耦合环连接，当陀螺仪工作时，内耦合环在驱动框架的带动下周期性转动，通过工字型解耦梁将驱动方向运动传递到翻滚角和俯仰角检测质量圆盘上，当陀螺仪有翻滚运动或者俯仰运动时，即在Y轴或X轴有角速度输入，检测质量圆盘在哥氏力的作用下进行面外运动。通过翻滚角和俯仰角金属电极薄膜与检测质量圆盘间的电容变化来检测翻滚角和俯仰角的角速度。其中，通过检测质量圆盘和翻滚角和俯仰角金属电极薄膜之间形成变化电容的方式进行翻滚角和俯仰角检测较为简单，易于加工，并且通过下方差分形式分布的金属电极薄膜，提高检测电容的变化量及检测精度。航向角检测部分包含四组航向角检测框架和航向角检测梳齿电极，其中航向角检测梳齿电极由连接于衬底之上的航向角检测固定梳齿与连接于航向角检测框架上的航向角检测活动梳齿共同组成，陀螺仪工作时，内耦合环通过工字型解耦梁带动航向角检测框架在面内做周期性转动，当陀螺仪有航向角方向运动时，即Z轴有角速度输入时，航向角检测框架在哥氏力的作用下，沿与周期转动方向垂直的方向运动，通过传递梁带动航向角检测活动梳齿运动，与航向角检测固定梳齿间形成电容变化，实现航向角检测。其中，四组航向角检测框架均连接有航向角检测梳齿电极，其中相对的两组检测梳齿电极可以形成差分电容，用于提高检测精度。所述驱动部分梳齿均为变面积式，航向角检测部分为变面积式；翻滚角及俯仰角检测部分为检测面外运动，检测方式为变间距平板形式。所述结构设计实现了驱动和三个轴角速度检测，航向角检测与翻滚角、俯仰角检测之间完全解耦，这种设计能够有效提高陀螺仪的测量精度，减小机械耦合误差。附图说明图1为本专利技术微陀螺仪的整体结构示意图；图2为图1结构的剖面图；图3为本专利技术微陀螺仪器件结构层结构示意图；图4为本专利技术微陀螺仪结构层俯视图；图5为本专利技术微陀螺仪翻滚角和俯仰角平板电容式敏感结构示意图；图6为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种环形三轴解耦微陀螺仪，包括上层的器件结构层、下层的玻璃衬底层以及生长于玻璃衬底层上的金属引线层，其特征在于：所述器件结构层通过锚点与玻璃衬底层键合连接，所述金属引线层位于器件结构层和玻璃衬底层之间，将器件结构层与玻璃衬底层连接的电极通过信号引线引至周围；/n所述器件结构层包括置于中心的翻滚角、俯仰角检测质量圆盘，所述翻滚角、俯仰角检测质量圆盘外同心设置内耦合环，所述内耦合环外同心设置有四组航向角检测框架；/n在X轴，Y轴方向上介于所述翻滚角、俯仰角检测质量圆盘和内耦合环之间均匀设置四个工字型解耦梁配合生长在玻璃衬底上的位于X轴方向的俯仰角金属电极薄膜形成俯仰角检测部分；/n在X轴，Y轴方向上介于所述内耦合环和翻滚角、俯仰角检测质量圆盘之间均匀设置四个工字型解耦梁配合生长在玻璃衬底上的位于Y轴方向的翻滚角金属电极薄膜形成翻滚角检测部分；/n所述航向角检测框架由分别位于X轴，Y轴方向上的四组航向角检测框架组成，每组航向角检测框架上设置航向角检测部分；/n所述内耦合环上在45°、135°、225°、315°方向均匀连接四个驱动传递框架，每个所述的驱动传递框架里面设置有驱动部分用于驱动内耦合环的运动。/n...

【技术特征摘要】
1.一种环形三轴解耦微陀螺仪，包括上层的器件结构层、下层的玻璃衬底层以及生长于玻璃衬底层上的金属引线层，其特征在于：所述器件结构层通过锚点与玻璃衬底层键合连接，所述金属引线层位于器件结构层和玻璃衬底层之间，将器件结构层与玻璃衬底层连接的电极通过信号引线引至周围；
所述器件结构层包括置于中心的翻滚角、俯仰角检测质量圆盘，所述翻滚角、俯仰角检测质量圆盘外同心设置内耦合环，所述内耦合环外同心设置有四组航向角检测框架；
在X轴，Y轴方向上介于所述翻滚角、俯仰角检测质量圆盘和内耦合环之间均匀设置四个工字型解耦梁配合生长在玻璃衬底上的位于X轴方向的俯仰角金属电极薄膜形成俯仰角检测部分；
在X轴，Y轴方向上介于所述内耦合环和翻滚角、俯仰角检测质量圆盘之间均匀设置四个工字型解耦梁配合生长在玻璃衬底上的位于Y轴方向的翻滚角金属电极薄膜形成翻滚角检测部分；
所述航向角检测框架由分别位于X轴，Y轴方向上的四组航向角检测框架组成，每组航向角检测框架上设置航向角检测部分；
所述内耦合环上在45°、135°、225°、315°方向均匀连接四个驱动传递框架，每个所述的驱动传递框架里面设置有驱动部分用于驱动内耦合环的运动。


2.根据权利要求1所述的环形三轴解耦微陀螺仪，其特征在于：所述航向角检测部分包括航向角检测梳齿电极，所述航向角检测梳齿电极包括与所述航向角检测框架连接的航向角检测活动梳齿和固定在敏感检测电极上的航向角检测固定梳齿，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏敦柱，张兵，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32