一种基于运动方向转换结构的面内敏感轴微机械陀螺制造技术

本发明专利技术属于面内MEMS陀螺技术领域，公开了一种基于运动方向转换结构的面内敏感轴微机械陀螺，包括：驱动框，科氏质量，检测框，驱动弹簧梁，检测弹簧梁，驱动电极，检测电极；所述驱动框和检测框通过科氏质量和转换结构连接在一起；所述转化结构为衔架结构，在外力作用下的面外上下运动通过衔架结构转化为面内的平面运动；所述的驱动框驱动电极作用下在平面内运动；所述检测框经转化结构后也在平面内运动，检测电极与检测框的相对位置和驱动模态一致。本发明专利技术的转换结构可以实现面内陀螺的面外运动耦合到面内进行检测信号的提取，这样的结构可以增大检测梳齿的数量，从而提升信号的增益。益。益。

【技术实现步骤摘要】
一种基于运动方向转换结构的面内敏感轴微机械陀螺


[0001]本专利技术属于面内MEMS陀螺
，尤其涉及一种基于运动方向转换结构的面内敏感轴微机械陀螺。

技术介绍

[0002]陀螺仪是测量载体相对惯性空间旋转运动的传感器，是运动测量、惯性导航、制导控制等领域的核心器件，在航空航天、智能机器人、制导弹药等高端工业装备和精确打击武器中具有非常重要的应用价值。目前，陀螺仪主要有转子陀螺仪，光纤陀螺仪，激光陀螺仪和微机电陀螺仪等类型。基于微机电系统(MEMS)技术的陀螺仪具有小体积，低成本，低功耗，长寿命，高可靠性、可批量生产等特点。可适用于复杂恶劣环境，以及对体积功耗有要求的领域。
[0003]微机械陀螺根据敏感轴的方向可以分为面外陀螺和面内陀螺。其中，面内MEMS陀螺的敏感轴在面内，是一种可以敏感面内X/Y轴角速度的传感器；而面外微机械陀螺的敏感轴在面外，即陀螺敏感Z轴方向的角速度。面外微机械陀螺由于驱动和检测运动都位于面内，更易实现模态解耦。面内陀螺由于其驱动或敏感运动的轴向在面外，受限于敏感电极的检测电容，信噪比不能很大。
[0004]目前面世的面内陀螺的敏感方向大部分为面外运动，即为面外翻转运动。面外的这种翻转运动，可以用两种方式来改变电容大小，第一种是直接在MEMS芯片的上下盖板设置电极，通过翻转运动产生的平行板电容间隙的改变，产生电容，从而输出电信号；另一种是翻转运动带来的检测梳齿之间面积变化，从而电容发生改变，产生电信号。
[0005]现有技术的的电信号引出方案，第一种方案存在检测电容非线性大，而且检测电容面积有限，不能超过整个芯片的面积，且需要在上下盖板制作电极，工艺较为复杂；第二中方案，也是借助翻转产生电容面积变化，产生电容变化，但是这样的梳齿布局受限，不能大量排布。总之，上述两种借助翻转运动产生的电容变化，都有自身的局限性。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提出一种基于运动方向转换结构的面内敏感轴微机械陀螺，以解决
技术介绍
中提到的问题。
[0007]本专利技术的技术方案是：
[0008]一种基于运动方向转换结构的面内敏感轴微机械陀螺，包括：运动方向转换结构1，与所述运动方向转化结构相连接的其他耦合模块单元2.
[0009]所述运动方向转换结构1包括：连接科氏质量杆11，两个三角梁12，
[0010]所述其他耦合模块单元包括：驱动框21，科氏质量22，检测框23，驱动弹簧梁24，检测弹簧梁25，驱动电极26，检测电极27，解耦梁28，第一连接梁291，第二连接梁292，敏感框耦合梁30；
[0011]所述陀螺左右对称；陀螺左右两侧边缘分别设有一个第一连接梁，所述第一连接
梁中部与陀螺衬底固连；
[0012]陀螺左侧连接关系如下:所述三角梁为三角形两条边组成的梁，两个三角梁水平对称设置且开口端向内；两根连接科氏质量杆竖直平行放置，且中部断开形成上梁和下梁；两个三角梁分别位于两根连接科氏质量杆左右两侧，两个三角梁的上端分别与两根连接科氏质量杆下梁连接，两个三角梁的下端分别与两根连接科氏质量杆上梁连接；两根连接科氏质量杆上梁另一侧连接左上科氏质量，两根连接科氏质量杆下梁另一侧连接左下科氏质量；左上科氏质量上方设有左上驱动框，左下科氏质量下方设有左下驱动框，每个科氏质量左右两侧分别通过一个解耦梁与驱动框左右两侧连接；每个驱动框左右两侧分别设有一个矩形开口，每个矩形开口内设置一个驱动弹簧梁；驱动弹簧梁一侧与衬底固定，另一侧与驱动框连接；每个三角梁顶点处分别连接一个检测框；每个检测框内设有检测电极；
[0013]左右平面外侧的检测框分别通过检测弹簧梁连接左右两侧第一连接梁的中部；左右平面内侧的两个检测框通过敏感框耦合梁连接；第一连接梁的上下两侧还分别与该侧的两个驱动框连接；
[0014]衬底四角分别设有一个驱动电极，每个驱动框的外侧设有梳齿与驱动电极形成梳齿对；驱动电极通过梳齿对产生水平静电力驱动驱动框运动；
[0015]左上驱动框的右侧与右上驱动框的左侧通过两个第二连接梁连接；左下驱动框的右侧与右下驱动框的左侧通过两个第二连接梁连接。
[0016]进一步，通过调整连接科氏质量杆11的截面形状，长度和设置位置中的至少一种参数调整所述连接科氏质量杆刚度。
[0017]进一步，所述驱动框21和科氏质量22、检测框23均为扁平结构，且与所述连接科氏质量杆11处于同一平面，与三角梁12处于正交平面。
[0018]进一步，所述驱动框21用于在检测模态时驱动科氏质量22沿垂直于陀螺所在平面方向往复运动；
[0019]所述驱动框21用于在驱动模态时驱动科氏质量22在陀螺平面内沿垂直于连接科氏质量杆方向往复运动。
[0020]进一步，所述第一连接梁291为杠杆梁。
[0021]进一步，所述第二连接梁292为弹性梁，用于连接相邻驱动框21。
[0022]进一步，所述敏感框耦合梁30为弹性梁，用于连接相邻两个检测框23。
[0023]进一步，所述检测电极采用梳齿结构，为变面积或变间隙的平行板。
[0024]本专利技术的解耦结构不仅实现了面内陀螺驱动模态和检测模态解耦，还通过运动方向转换结构将面外的运动转换为面内的运动本专利技术的这种结构可以有效的提升检测电容增益，结构简单，效果明显，且没有引入其他方向的位移。工艺实现不用上下盖板的电极，可以在上下盖板铺设吸气剂，从而实现更高的品质因子，进一步提高的机械增益。总而言之，这种新的转换面外运动为面内运动的面内陀螺结构，可以极大的提高陀螺的输出信号的增益。
[0025]根据本专利技术的一种方案，本专利技术的面内敏感轴微机械陀螺，基于梳齿静电驱动，梳齿静电检测的原理。采用四个对称的大面积敏感质量块，在运动方向转换结构的作用下，四个检测框具有较强的抗干扰能力。该结构具有驱动模态和检测模态解耦的优势的同时，还拥有较大的信号输出增益，以及对称的结构可以有效的抑制加工误差，从而提升陀螺的稳
定性。
[0026]根据本专利技术的一种方案，本专利技术所特有的解耦结构，能够实现MEMS面内陀螺的模态解耦以及不需要借助上下盖板施加电极，在面内实现检测，从而增大信号增益。
附图说明
[0027]为了更清晰地说明本专利技术具体实施方案，下面将对方案具体的附图加以说明。
[0028]图1是本专利技术一实施例的MEMS面内陀螺的结构示意图；
[0029]图2是本专利技术一实施例的运动转化部件的结构示意图；
[0030]图3是本专利技术一实施例的MEMS面内陀螺衬底锚点结构示意图；
[0031]图4是本专利技术一实施例陀螺驱动模态的运动示意图；
[0032]图5是本专利技术一实施例陀螺敏感模态的运动示意图；
[0033]附图1中，21
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驱动框，22
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科氏质量，23
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检测框，24
‑
驱动弹簧梁，25
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检测弹簧梁，26
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于运动方向转换结构的面内敏感轴微机械陀螺，其特征在于，所述陀螺包括：运动方向转换结构(1)，与所述运动方向转化结构相连接的其他耦合模块单元(2).所述运动方向转换结构(1)包括：连接科氏质量杆(11)，两个三角梁(12)，所述其他耦合模块单元包括：驱动框(21)，科氏质量(22)，检测框(23)，驱动弹簧梁(24)，检测弹簧梁(25)，驱动电极(26)，检测电极(27)，解耦梁(28)，第一连接梁(291)，第二连接梁(292)，敏感框耦合梁(30)；所述陀螺左右对称；陀螺左右两侧边缘分别设有一个第一连接梁(291)，所述第一连接梁中部与陀螺衬底固连；陀螺左侧连接关系如下:所述三角梁为三角形两条边组成的梁，两个三角梁水平对称设置且开口端向内；两根连接科氏质量杆竖直平行放置，且中部断开形成上梁和下梁；两个三角梁分别位于两根连接科氏质量杆左右两侧，两个三角梁的上端分别与两根连接科氏质量杆下梁连接，两个三角梁的下端分别与两根连接科氏质量杆上梁连接；两根连接科氏质量杆上梁另一侧连接左上科氏质量，两根连接科氏质量杆下梁另一侧连接左下科氏质量；左上科氏质量上方设有左上驱动框，左下科氏质量下方设有左下驱动框，每个科氏质量左右两侧分别通过一个解耦梁与驱动框左右两侧连接；每个驱动框左右两侧分别设有一个矩形开口，每个矩形开口内设置一个驱动弹簧梁；驱动弹簧梁一侧与衬底固定，另一侧与驱动框连接；每个三角梁顶点处分别连接一个检测框；每个检测框内设有检测电极；左右平面外侧的检测框分别通过检测弹簧梁连接左右两侧第一连接梁的中部；左右平面内侧的两个检测框通过敏感框耦合梁连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜宜璋，王永，陈旭辉，张天磊，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所，
类型：发明
国别省市：