硅微全解耦双质量双线振动式陀螺仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种硅微全解耦双质量双线振动式陀螺仪包括基座、第一子结构、第二子结构和子结构连接装置，第一子结构和第二子结构之间通过子结构连接装置连接，所述的第一子结构和第二子结构均为角速度测量子结构，所述的角速度测量子结构包括质量块、固定在基座上的第一固定基座、固定在基座上的第二固定基座、固定在基座上的第三固定基座、固定在基座上的第四固定基座、第一驱动机构、第二驱动机构、第一检测机构、第二检测机构、第一驱动平行梁、第二驱动平行梁、第一检测平行梁、第二检测平行梁和若干u型折叠梁。
【专利说明】硅微全解耦双质量双线振动式陀螺仪
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子机械系统和微惯性测量技术，特别是一种硅微全解耦双质量双线振动式陀螺仪。
【背景技术】
[0002]硅微机械陀螺仪是一种测量转动角速度的惯性传感器，利用振动质量块在被基座带动旋转时产生的哥氏效应来测量基座旋转的角速度，与传统的机电类陀螺和光电类陀螺相比，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使用价值和广阔的应用前景。
[0003]自上世纪末起，国内外多家研究机构就开始了硅微陀螺仪的研究，大部分机构研发的硅微陀螺仪采用单质量的结构形式以及不解耦或半解耦的设计方案。对于单质量硅微陀螺仪而言，在轴向加速度干扰存在的情况下，作为共模干扰很容易导致电子线路饱和失效，最终使硅微陀螺仪的工作受到严重影响。近年来，少数机构对双质量硅微陀螺仪进行了初步的理论和试验探讨，也大多采用不解耦或半解耦的设计，由于各种加工误差的存在，硅微机械陀螺仪在无哥氏效应的情况下，其驱动模态的振动能量也会耦合到检测模态，产生正交耦合误差信号以及偏移耦合误差信号，而不解耦设计方案对这两种信号产生的影响根本无法减小，半解耦的设计方案也仅能部分减小这两种信号对硅微机械陀螺仪性能的影响。
【发明内容】
[0004]发明目的:本发明的目的在于提供一种功耗低、抗干扰能力强、灵敏度高、高度集成化的、运动全解耦的双质量双线振动微机械陀螺仪。
[0005]技术方案:本发明所述的一种硅微全解耦双质量双线振动式陀螺仪，包括基座、第一子结构、第二子结构和子结构连接装置，第一子结构和第二子结构之间通过子结构连接装置连接，所述的第一子结构和第二子结构均为角速度测量子结构，所述的角速度测量子结构包括质量块、固定在基座上的第一固定基座、固定在基座上的第二固定基座、固定在基座上的第三固定基座、固定在基座上的第四固定基座、第一驱动机构、第二驱动机构、第一检测机构、第二检测机构、第一驱动平行梁、第二驱动平行梁、第一检测平行梁、第二检测平行梁、第一固接u型折叠梁、第二固接u型折叠梁、第三固接u型折叠梁、第四固接u型折叠梁、第五固接u型折叠梁、第六固接u型折叠梁、第七固接u型折叠梁、第八固接u型折叠梁；第一驱动机构通过第一固接u型梁连接至第一固定基座、第一驱动机构通过第二固接u型梁连接至第二固定基座；第二检测机构通过第三固接u型梁连接至第二固定基座、第二检测机构通过第四固接u型梁连接至第三固定基座；第二驱动机构通过第五固接u型梁连接至第三固定基座、第二驱动机构通过第六固接u型梁连接至第四固定基座；第一检测机构通过第七固接u型梁连接至第四固定基座、第一检测机构通过第八固接u型梁连接至第一固定基座；第一驱动机构设置在质量块的一侧，第二驱动机构设置在质量块相对的另一侧，第一驱动机构与质量块之间通过第一驱动平行梁连接，第二驱动机构与质量块之间通过第二驱动平行梁连接，以从一个驱动方向上驱动该质量块在左右方向上振动；第一检测机构设置在质量块的一侧，第二检测机构设置在质量块相对的另一侧，第一检测机构与质量块之间通过第一检测平行梁连接，第二检测机构与质量块之间通过第二检测平行梁连接，以检测质量块在垂直于驱动方向上的质量块的振动。进一步地，所述的子结构连接装置连接包括第一 u型折叠梁和第二 u型折叠梁，第一子结构和第二子结构相互抵靠，在两者紧邻的驱动机构的上端和下端分别设置有第一 u型折叠梁和第二 u型折叠梁以连接第一子结构和第二子结构。
[0006]进一步地,所述的第一固定基座、第二固定基座、第三固定基座、第四固定基座分别设置于一正方形的四角，质量块设置于该正方形的中央，第一驱动机构、第一检测机构、第二驱动机构、第二检测机构分别设置于该正方形四边的外侧，其中第一驱动机构和第二驱动机构设置于相对两边的外侧，第一检测机构与第二检测机构设置于相对的另外两边的外侧。
[0007]进一步地，第一驱动机构和第二驱动机构之间分别通过第一框架和第二框架连接，所述的第一驱动机构和第二驱动机构为微型驱动电容机构，所述的微型驱动电容机构包括驱动活动梳齿架、驱动反馈活动梳齿架、设置于基座上的驱动固定基座、设置于驱动固定基座上的驱动固定梳齿、设置于基座上的驱动反馈固定基座和设置于驱动反馈固定基座上的驱动反馈固定梳齿。
[0008]进一步地，所述的第一检测机构和第二检测机构为微型检测电容机构，所述的微型检测电容机构包括第一活动检测梳齿架、第二活动检测梳齿架，第一检测梳齿固定基座和设置在第一检测梳齿固定基座上的第一固定检测梳齿，第二检测梳齿固定基座和设置在第二检测梳齿固定基座上的第二固定检测梳齿，其中第一活动检测梳齿架与第一固定检测梳齿相配合构成第一梳齿电容，第二活动检测梳齿架与第二固定检测梳齿相配合构成第二梳齿电容，第一梳齿电容与第二梳齿电容平行布置，且第一梳齿电容位于靠近质量块的一侧。
[0009]进一步地，所述的角速度测量子结构还设置有公共电极引线、驱动输入引线、驱动反馈引线、检测信号引线正极、检测信号引线负极；其中公共电极引线连通至第一固定基座；驱动输入引线连通至第一驱动机构的驱动固定梳齿和第二驱动机构的驱动固定梳齿；驱动反馈引线连通至第一驱动机构的驱动反馈固定梳齿和第二驱动机构的驱动反馈固定梳齿；检测信号引线正极连通至第一检测机构的第一固定检测梳齿和第二检测机构的第二固定检测梳齿；检测信号引线负极连通至第一检测机构的第二固定检测梳齿和第二检测机构的第一固定检测梳齿。
[0010]本发明与现有技术相比，其有益效果是:(1)两个子结构采用完全相同的框架式结构，左右对称布置，实现了微陀螺仪在平面内的线运动，使整个微陀螺受温度和应力的影响近乎相同；(2)在每个子结构内采用折叠梁和平行梁组合将驱动部分和检测部分分开，实现了驱动部分和检测部分运动的完全解耦，减小了交叉耦合的影响；(3)采用折叠梁连接左右两个子结构，减小了左右部分之间的相互干扰，运动时使两个子结构在驱动和检测方向为相向的线运动，保证了左右两个子结构运动频率的一致性；(4)通过适当的引线方式，形成检测差动输出，不仅可以消除基座沿检测轴向的加速度干扰信号，由于温度等因素的影响也可通过差动输出减小到最低限度，从而提高整个陀螺的信噪比；(5)采用变重叠面积的方式驱动和检测，可以增大微陀螺仪的振动幅值，能够显著提高驱动和检测模态的品质因数，并提高微陀螺仪的灵敏度；(6)活动梳齿设置在梳齿架上，可以有效利用空间，方便布置梳齿；(7)与基座连接的折叠梁均采用u型梁的结构，能够有效降低加工引入的残余应力，使微陀螺工作在梁的线弹性变形范围内，振动平稳，增大运动幅度，提高了检测灵敏度。该发明中的设计在国内还没有相关、相似的设计。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为是本发明硅微全解耦双质量双线振动式陀螺仪示意图；
[0012]图2是本发明硅微全解耦双质量双线振动式陀螺仪的驱动机构示意图；
[0013]图3是本发明硅微全解耦双质量双线振动式陀螺仪的检测机构示意图；
[0014]图4是本发明硅微全解耦双质量双线振动式陀螺仪下层玻璃基座上的信号引线示意图。
【具体实施方式】
[0015]下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
[0016]实施例1:
[0017]结合图1，本发明硅微全解耦双质量双线振动式陀螺仪，用于测量垂直于微陀螺结构平面的输入角速度。微陀螺仪整体结构由两个部分构成，包括制作有电信号引出线的玻璃基座和置于玻璃基座上的微陀螺机械结构层。微陀螺仪上层机械结构由一对完全相同的第一子结构la、第二子结构ib组成，第一子结构la、第二子结构ib左右对称分布，并通过第一 u型折叠梁2a、第二 u型折叠梁2b连接；子结构ia通过第一固接u型折叠梁6al、第二固接u型折叠梁6a2、第三固接u型折叠梁7a2、第四固接u型折叠梁7a4、第五固接u型折叠梁6a4、第六固接u型折叠梁6a3、第七固接u型折叠梁7a3、第八固接u型折叠梁7al与内部的第一固定基座10al、第二固定基座10a2、第三固定基座10a3、第四固定基座10a4相连，同时第二子结构ib与第一子结构ia如图所示，结构相同，同样通过第一固接u型折叠梁6bl、第二固接u型折叠梁6b2、第三固接u型折叠梁7b2、第四固接u型折叠梁7b4、第五固接u型折叠梁6b4、第六固接u型折叠梁6b3、第七固接u型折叠梁7b3、第八固接u型折叠梁7bl与内部的第一固定基座10bl、第二固定基座10b2、第三固定基座10b3、第四固定基座10b4相连，其连接关系与第一子结构相同。本实施例中使用的基底为玻璃基底，也可使用硅、聚合物等其它基底材料，所有固定基座都安装在玻璃基底上的固定基座键合点上，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。
[0018]以下以第一子结构ia为例进行说明。第一子结构ia由质量块3a、第一驱动机构ilal和第二驱动机构lla2、第一检测机构15al和第二检测机构15a2、第一固接u型折叠梁6al、第二固接u型折叠梁6a2、第三固接u型折叠梁7a2、第四固接u型折叠梁7a4、第五固接u型折叠梁6a4、第六固接u型折叠梁6a3、第七固接u型折叠梁7a3、第八固接u型折叠梁7al、第一驱动平行梁8al、第二驱动平行梁8a2、第一检测平行梁9al、第二检测平行梁9a2和第一固定基座10al、第二固定基座10a2、第三固定基座10a3、第四固定基座10a4组成；第一子结构ia的第一驱动区域4al、第二驱动区域4a2分别布置在质量块3a的左右两侧，第一检测区域5al、第二检测区域5a2分别布置在质量块3a的上下两侧；第一驱动区域4al的第一驱动机构ilal和第二驱动区域4a2的第二驱动机构lla2分别通过第一驱动平行梁8al、第二驱动平行梁8a2与质量块3a相连接；第一检测区域5al的第一检测机构15al和第二检测区域5a2的第二检测机构15a2分别通过第一检测平行梁9al、第二检测平行梁9a2与质量块3a相连接；第一驱动机构ilal通过第一固接u型梁6al连接至第一固定基座10al、第一驱动机构ilal通过第二固接u型梁6a2连接至第二固定基座10a2 ;第二检测机构15a2通过第三固接u型梁7a2连接至第二固定基座10a2、第二检测机构15a2通过第四固接u型梁7a4连接至第三固定基座10a3 ;第二驱动机构lla2通过第五固接u型梁6a4连接至第三固定基座10a3、第二驱动机构通过第六固接u型梁6a3连接至第四固定基座10a4 ;第一检测机构15al通过第七固接u型梁7a3连接至第四固定基座10a4、第一检测机构15al通过第八固接u型梁7al连接至第一固定基座ioal。
[0019]同样地，对于第二子结构ib同样有，第一子结构ib由质量块3b、第一驱动机构ilbl和第二驱动机构llb2、第一检测机构15bl和第二检测机构15b2、第一固接u型折叠梁6bl、第二固接u型折叠梁6b2、第三固接u型折叠梁7b2、第四固接u型折叠梁7b4、第五固接u型折叠梁6b4、第六固接u型折叠梁6b3、第七固接u型折叠梁7b3、第八固接u型折叠梁7bl、第一驱动平行梁8bl、第二驱动平行梁8b2、第一检测平行梁％1、第二检测平行梁9b2和第一固定基座10bl、第二固定基座10b2、第三固定基座10b3、第四固定基座10b4组成；第一子结构ib的第一驱动区域4bl、第二驱动区域4b2分别布置在质量块3b的左右两侧，第一检测区域5bl、第二检测区域5b2分别布置在质量块3b的上下两侧；第一驱动区域4bl的第一驱动机构ilbl和第二驱动区域4b2的第二驱动机构llb2分别通过第一驱动平行梁8bl、第二驱动平行梁8b2与质量块3b相连接；第一检测区域5bl的第一检测机构15bl和第二检测区域5b2的第二检测机构15b2分别通过第一检测平行梁％1、第二检测平行梁9b2与质量块3b相连接；第一驱动机构ilbl通过第一固接u型梁6bl连接至第一固定基座10bl、第一驱动机构ilbl通过第二固接u型梁6b2连接至第二固定基座10b2 ;第二检测机构15b2通过第三固接u型梁7b2连接至第二固定基座10b2、第二检测机构15b2通过第四固接u型梁7b4连接至第三固定基座10b3 ;第二驱动机构llb2通过第五固接u型梁6b4连接至第三固定基座10b3、第二驱动机构通过第六固接u型梁6b3连接至第四固定基座10b4 ;第一检测机构15bl通过第七固接u型梁7b3连接至第四固定基座10b4、第一检测机构15bl通过第八固接u型梁7bl连接至第一固定基座iobl。
[0020]第一子结构ia中的第一驱动平行梁8al、第二驱动平行梁8a2完全相同，一端与质量块3a连接，另一端分别和第一驱动机构llal、第二驱动结构lla2连接；子结构中的检测平行梁组合第一检测平行梁9al、第二检测平行梁9a2完全相同，一端与质量块3a连接，另一端分别和第一检测机构15al和第二检测机构15a2连接。第一驱动平行梁8al、第二驱动平行梁8a2组合与第一检测平行梁9al、第二检测平行梁9a2组合将质量块3a在x轴和y轴方向的运动进行了隔离。第一驱动机构llal、第二驱动机构lla2被限制在x轴方向运动，子结构中的第一检测机构15al、第二检测机构15a2被限制在y轴方向运动。
[0021]当工作时，第一驱动机构llal、第二驱动机构lla2在输入驱动信号的作用下通过第一驱动平行梁8al、第二驱动平行梁8a2带动质量块3a在x轴方向上来回振动。此时，如果在z轴方向上有角速度输入，那么质量块3a将在y轴方向上受到x轴振动时产生的科里奥利力而产生在y方向上的受迫振动。当x方向上的振动恒定时，y方向上受迫振动的科里奥利力正比于z轴方向上的输入角速度，从而可以通过第一检测机构15al、第二检测机构15a2测量质量块3a在y轴上的受迫振动的振幅得知z轴方向上的输入角速度大小。
[0022]微陀螺的驱动机构如图2所示，由第一驱动机构ilal、第二驱动机构lla2、第一框架14al、第二框架14a2 ;第一驱动机构llal、第二驱动机构lla2布置在质量块3a左右两侧通过第一框架14al、第二框架14a2连接。第一驱动机构与第二驱动机构对称设置，但是由于两驱动机构要对质量块产生同向的驱动力，故在如图2所不设置的第一驱动机构和第二驱动机构中，均为右侧的梳齿结构作为驱动梳齿，左侧的梳齿结构作为驱动反馈梳齿反馈信号至驱动信号生成的电路中调节驱动信号频率，以使整个装置处于最佳工作状态。以下以第一驱动机构ilal为例具体说明，本实施例中第一驱动机构ilal包括上下两个相同的梳齿架结构，然而也可以只设置一个梳齿架结构而不会影响本发明的实现。以下以上部的梳齿架结构为例:如图2所示，各梳齿架平行排列且平行于质量块所在的正方形抵近的一边，自距离质量块由远及近依次为驱动反馈活动梳齿架12al、驱动反馈固定梳齿13al、驱动固定梳齿13a2、驱动活动梳齿架12a2，其中，驱动固定梳齿13a2设置于驱动固定基座上10a7，驱动反馈固定梳齿13ai设置于驱动反馈固定基座10a5上。通过在驱动固定梳齿13a2上施加带直流偏置的交流电压，采用静电驱动方式来驱动质量块3a做间歇振动，通过驱动反馈固定梳齿13al来检测驱动运动状况反馈调节驱动电路。其中下部梳齿架结构的驱动反馈活动梳齿架13a5、驱动反馈固定梳齿12a5、驱动固定梳齿12a6、驱动活动梳齿架13a6、驱动固定基座10a8和驱动反馈固定基座10a6同样设置。第二驱动机构lla2中的上部梳齿架的驱动反馈活动梳齿架12a3、驱动反馈固定梳齿13a3、驱动固定梳齿13a4、驱动活动梳齿架12a4、驱动固定基座上loall、驱动反馈固定基座10a9和下部梳齿架的驱动反馈活动梳齿架12a7、驱动反馈固定梳齿13a7、驱动固定梳齿13a8、驱动活动梳齿架12a8、驱动固定基座10al2和驱动反馈固定基座ioalo也同样设置。
[0023]第二子结构ib由第一驱动机构llbl、第二驱动机构llb2、第一框架14bl、第二框架14b2 ;第一驱动机构ilbl、第二驱动机构llb2布置在质量块3b左右两侧通过第一框架14bl、第二框架14b2连接。第一驱动机构与第二驱动机构对称设置，但是由于两驱动机构要对质量块产生同向的驱动力，故在如图2所示设置的第一驱动机构和第二驱动机构中，均为右侧的梳齿结构作为驱动梳齿，左侧的梳齿结构作为驱动反馈梳齿反馈信号至驱动信号生成的电路中调节驱动信号频率，以使整个装置处于最佳工作状态。以下以第一驱动机构ilbl为例具体说明，本实施例中第一驱动机构ilbl包括上下两个相同的梳齿架结构，然而也可以只设置一个梳齿架结构而不会影响本发明的实现。以下以上部的梳齿架结构为例:如图2所示，各梳齿架平行排列且平行于质量块所在的正方形抵近的一边，自距离质量块由远及近依次为驱动反馈活动梳齿架12bl、驱动反馈固定梳齿13bl、驱动固定梳齿13b2、驱动活动梳齿架12b2，其中，驱动固定梳齿13b2设置于驱动固定基座上10b7，驱动反馈固定梳齿13bl设置于驱动反馈固定基座10b5上。通过在驱动固定梳齿13b2上施加带直流偏置的交流电压，采用静电驱动方式来驱动质量块3b做间歇振动，通过驱动反馈固定梳齿13bl来检测驱动运动状况反馈调节驱动电路。为了实现两质量块3a、3b的反相驱动，驱动固定梳齿13a2和13b2上施加反相的交流信号。其中下部梳齿架结构的驱动反馈活动梳齿架13b5、驱动反馈固定梳齿12b5、驱动固定梳齿12b6、驱动活动梳齿架13b6、驱动固定基座上10b8和驱动反馈固定基座10b6同样设置。第二驱动机构llb2中的上部梳齿架的驱动反馈活动梳齿架12b3、驱动反馈固定梳齿13b3、驱动固定梳齿13b4、驱动活动梳齿架12b4、驱动固定基座lobll、驱动反馈固定基座10b9和下部梳齿架的驱动反馈活动梳齿架12b7、驱动反馈固定梳齿13b7、驱动固定梳齿13b8、驱动活动梳齿架12b8、驱动固定基座10bl2和驱动反馈固定基座ioblo也同样设置。
[0024]微陀螺的检测机构如图3所示，第一子结构ia的检测机构位于第一检测区域5al和第二检测区域5a2，分别为位于第一检测区域5al的第一检测机构15al和位于第二检测区域5a2的第二检测机构15a2 ;第一检测机构15al和第二检测机构15a2布置在质量块3a上下两侧。第一检测机构15al与第二检测机构15a2同样设置，如图3所示本实施例中第一检测机构15al设置成左右相同的梳齿架结构。实际当中也可以只设置一个该种梳齿架结构而不影响本发明的实现。其中左部的梳齿架结构包括四条平行的梳齿架，平行于质量块所在的正方形抵近的一边，距离质量块由近及远依次为第一活动检测梳齿架16a2、第一固定检测梳齿17a2、第二固定检测梳齿17al、第二活动检测梳齿架16al，其中第一固定检测梳齿17a2设置在第一检测梳齿固定基座10al5上、第二固定检测梳齿17al设置在第二检测梳齿固定基座10al3上，其中第一活动检测梳齿架16a2与第一固定检测梳齿17a2相配合构成第一梳齿电容，第二活动检测梳齿架16al与第二固定检测梳齿17al相配合构成第二梳齿电容，第一梳齿电容位于第二梳齿电容靠近质量块的一侧。右侧的梳齿架结构对称设置，且同样设置有第一检测梳齿固定基座10al6和第二检测梳齿固定基座10al4。对于第二检测机构15a2同样设置有左侧梳齿架结构的第一活动检测梳齿架16a3、第一固定检测梳齿17a3、第二固定检测梳齿17a4、第二活动检测梳齿架16a4、第一检测梳齿固定基座10al7和第二检测梳齿固定基座10al9，右侧的梳齿架结构对称设置，且同样设置有第一检测梳齿固定基座10al8和第二检测梳齿固定基座10a20。
[0025]对于第二子结构ib的检测机构位于第一检测区域5bl和第二检测区域5b2，分别为位于第一检测区域5bl的第一检测机构15bl和位于第二检测区域5b2的第二检测机构15b2，第一检测机构15bl和第二检测机构15b2布置在质量块3b上下两侧。第一检测机构15bl与第二检测机构15b2同样设置，如图3所示本实施例中第一检测机构15bl设置成左右相同的梳齿架结构。实际当中也可以只设置一个该种梳齿架结构而不影响本发明的实现。其中左部的梳齿架结构包括四条平行的梳齿架，平行于质量块所在的正方形抵近的一边，距离质量块由近及远依次为第一活动检测梳齿架16b2、第一固定检测梳齿17b2、第二固定检测梳齿17bl、第二活动检测梳齿架16bl，其中第一固定检测梳齿17b2设置在第一检测梳齿固定基座iob15上、第二固定检测梳齿17bi设置在第二检测梳齿固定基座iob13上，其中第一活动检测梳齿架16b2与第一固定检测梳齿17b2相配合构成第一梳齿电容，第二活动检测梳齿架16bl与第二固定检测梳齿17bl相配合构成第二梳齿电容，第一梳齿部位于第二梳齿部靠近质量块的一侧。右侧的梳齿架结构对称设置，且同样设置有第一检测梳齿固定基座10bl6和第二检测梳齿固定基座10bl4。对于第二检测机构15b2同样设置有左侧梳齿架结构的第一活动检测梳齿架16b3、第一固定检测梳齿17b3、第二固定检测梳齿17b4、第二活动检测梳齿架16b4、第一检测梳齿固定基座10bl7和第二检测梳齿固定基座10bl9，右侧的梳齿架结构对称设置，且同样设置有第一检测梳齿固定基座10bl8和第二检测梳齿固定基座10b20。
[0026]玻璃基座如图4所示，包括信号引线和金属硅/玻璃键合点。其中第一子结构ia的信号引线包括公共电极引线19a、驱动输入引线20al、驱动反馈引线21al、检测信号引线正极22al、检测信号引线负极22a2，各引线如图所示链接，且公共电极引线连通至第一固定基座18al ;驱动输入引线20al连通至第一驱动机构的驱动固定梳齿13a2和12a6 ;驱动反馈引线21al连通至第一驱动机构的驱动反馈固定梳齿13al和12a5 ;检测信号引线正极22al连通至第一检测机构的第一固定检测梳齿17a2和第二检测机构的第二固定检测梳齿17a4 ;检测信号引线负极22a2连通至第一检测机构的第二固定检测梳齿17al和第二检测机构的第一固定检测梳齿17a3。金属硅/玻璃键合点包括第一固定基座键合点18al、第二固定基座键合点18a2、第三固定基座键合点18a3、第四固定基座键合点18a4，驱动固定基座键合点18a7、驱动固定基座键合点18a8、驱动固定基座键合点18all、驱动固定基座键合点18al2，驱动反馈固定基座键合点18a5、驱动反馈固定基座键合点18a6、驱动反馈固定基座键合点18a9、驱动反馈固定基座键合点18al0，第二检测梳齿固定基座键合点18al3、第二检测梳齿固定基座键合点18al4、第一检测梳齿固定基座键合点18al5、第一检测梳齿固定基座键合点18al6、第一检测梳齿固定基座键合点18al7、第一检测梳齿固定基座键合点18al8、第二检测梳齿固定基座键合点18al9、第二检测梳齿固定基座键合点18a20。
[0027]第二子结构ib的信号引线包括公共电极引线1%、驱动输入引线21bl、驱动反馈引线20bl、检测信号引线正极22bl、检测信号引线负极22b2，各引线如图所示链接，且公共电极引线连通至第三固定基座18b3 ;驱动输入引线21bl连通至第一驱动机构的驱动固定梳齿13b2和12b6 ;驱动反馈引线20bl连通至第一驱动机构的驱动反馈固定梳齿13bl和12b5 ;检测信号引线正极22bl连通至第一检测机构的第二固定检测梳齿17bl和第二检测机构的第一固定检测梳齿17b3 ;检测信号引线负极22b2连通至第一检测机构的第一固定检测梳齿17b2和第二检测机构的第二固定检测梳齿17b4。金属硅/玻璃键合点包括第一固定基座键合点18bl、第二固定基座键合点18b2、第三固定基座键合点18b3、第四固定基座键合点18b4，驱动固定基座键合点18b7、驱动固定基座键合点18b8、驱动固定基座键合点18bll、驱动固定基座键合点18bl2，驱动反馈固定基座键合点18b5、驱动反馈固定基座键合点18b6、驱动反馈固定基座键合点18b9、动反馈固定基座键合点18bl0，第二检测梳齿固定基座键合点18bl3、第二检测梳齿固定基座键合点18bl4、第一检测梳齿固定基座键合点18bl5、第一检测梳齿固定基座键合点18bl6、第一检测梳齿固定基座键合点18bl7、第一检测梳齿固定基座键合点18bl8、第二检测梳齿固定基座键合点18bl9、第二检测梳齿固定基座键合点18b20。
[0028]各个固定基座:10al、10a2、10a3、10a4、10a5、10a6、10a7、10a8、10a9、10al0、10all、10al2、10al3、10al4、10al5、10al6、10al7、10al8、10al9、10a20、10bl、10b2、10b3、10b4、10b5、10b6、10b7、10b8、10b9、10bl0、10bll、10bl2、10bl3、10bl4、10bl5、10bl6、10bl7、10bl8、10bl9、10b20 分别对应键合点 18al、18a2、18a3、18a4、18a5、18a6、18a7、18a8、18a9、18al0、18all、18al2、18al3、18al4、18al5、18al6、18al7、18al8、18al9、18a20、18bl、18b2、18b3、18b4、18b5、18b6、18b7、18b8、18b9、18bl0、18bll、18bl2、18bl3、18bl4、18bl5、18bl6、18bl7、18bl8、18bl9、18b20 相连。
[0029]本发明硅微全解耦双质量双线振动式陀螺仪，采用单边静电驱动,差动电容检测的工作方式，在驱动机构的固定驱动梳齿上施加带直流偏置的交流驱动电压后，产生交变驱动力，在交变驱动力的作用下，驱动第一驱动机构llal、第二一驱动机构lla2通过第一驱动平行梁8al、第二驱动平行梁8a2带动质量块3a沿着x方向做相向的简谐线振动，驱动第一驱动机构llbl、第二一驱动机构llb2通过第一驱动平行梁8bl、第二驱动平行梁8b2带动质量块3b沿着x方向做相向的简谐线振动；而此时第一检测机构15al和第二检测机构15a2由于第八固接u型折叠梁7al、第三固接u型梁7a2、第七固接u型折叠梁7a3、第四固接u型折叠梁7a4的束缚在驱动方向保持静止，实现了驱动对检测的解耦；当陀螺仪有绕z轴的外界输入角速率ω z时，根据右手定则，质量块3a在输出轴y轴受到哥氏加速度的作用，在哥氏惯性力的作用下，质量块3a沿着敏感轴y轴作相向简谐线振动，而质量块3b沿着敏感轴y轴与质量块3a作相反的简谐线振动。通过第一检测平行梁9al和第二检测平行梁9a2带动第一检测机构15al和第二检测机构15a2沿y方向作相向的简谐线振动，而此时第一驱动部分4al、第二驱动部分4a2由于受到第一固接u型折叠梁6al、第二固接u型梁6a2、第六固接u型折叠梁6a3、第五固接u型折叠梁6a4的束缚而保持静止，实现了检测对驱动的解耦；通过第一检测机构15al和第二检测机构15a2的固定检测梳齿第二固定检测梳齿17al、第一固定检测梳齿17a2、第一固定检测梳齿17a3、第二固定检测梳齿17a4将这种简谐线振动经电子线路处理后，可以获得电压信号。第二子结构ib的原理也相同。输出电压信号为子结构3a和3b输出电压信号之差,且输出电压信号的大小正比于输入角速率的大小。通过后续的鉴相器比较输出电压信号与激励信号的相位关系，则可判明输入角速率的方向。
[0030]如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
【权利要求】
1.一种硅微全解耦双质量双线振动式陀螺仪，其特征在于，包括基座、第一子结构(la)、第二子结构(ib)和子结构连接装置，第一子结构(ia)和第二子结构(ib)之间通过子结构连接装置连接，所述的第一子结构(ia)和第二子结构(ib)均为角速度测量子结构，所述的角速度测量子结构包括质量块(3a)、固定在基座上的第一固定基座(ioal)、固定在基座上的第二固定基座(10a2)、固定在基座上的第三固定基座(10a3)、固定在基座上的第四固定基座(10a4)、第一驱动机构(ilal)、第二驱动机构(lla2)、第一检测机构(15al)、第二检测机构(15a2)、第一驱动平行梁(8al)、第二驱动平行梁(8a2)、第一检测平行梁(9al)、第二检测平行梁(9a2)、第一固接u型折叠梁^al)、第二固接u型折叠梁^a2)、第三固接u型折叠梁(7a2)、第四固接u型折叠梁(7a4)、第五固接u型折叠梁^a4)、第六固接u型折叠梁^a3)、第七固接u型折叠梁(7a3)、第八固接u型折叠梁(7al);第一驱动机构(ilal)通过第一固接u型梁(sal)连接至第一固定基座(ioal)、第一驱动机构(ilal)通过第二固接u型梁(6a2)连接至第二固定基座(10a2);第二检测机构(15a2)通过第三固接u型梁(7a2)连接至第二固定基座(10a2)、第二检测机构(15a2)通过第四固接u型梁(7a4)连接至第三固定基座(10a3);第二驱动机构(lla2)通过第五固接u型梁(6a4)连接至第三固定基座(10a3)、第二驱动机构通过第六固接u型梁(6a3)连接至第四固定基座(10a4);第一检测机构(15al)通过第七固接u型梁(7a3)连接至第四固定基座(10a4)、第一检测机构(15al)通过第八固接u型梁(7al)连接至第一固定基座(ioal);第一驱动机构(ilal)设置在质量块(3a)的一侧，第二驱动机构(lla2)设置在质量块(3a)相对的另一侧，第一驱动机构(ilal)与质量块(3a)之间通过第一驱动平行梁(8al)连接，第二驱动机构(lla2)与质量块(3a)之间通过第二驱动平行梁(8a2)连接，以从一个驱动方向上驱动该质量块(3a)在上振动；第一检测机构(15al)设置在质量块(3a)的一侧，第二检测机构(15a2)设置在质量块(3a)相对的另一侧,第一检测机构(15al)与质量块(3a)之间通过第一检测平行梁(9al)连接，第二检测机构(15a2)与质量块(3a)之间通过第二检测平行梁(9a2)连接，以检测质量块(3a)在垂直于驱动方向上的质量块(3a)的振动。
2.根据权利要求1所述的硅微全解耦双质量双线振动式陀螺仪，其特征在于，所述的子结构连接装置连接包括第一 u型折叠梁(2a)和第二 u型折叠梁(2b)，第一子结构(ia)和第二子结构(ib)相互抵靠，在两者紧邻的驱动机构的上端和下端分别设置有第一u型折叠梁(2a)和第二 u型折叠梁(2b)以连接第一子结构(ia)和第二子结构(lb)。
3.根据权利要求1所述的硅微全解耦双质量双线振动式陀螺仪，其特征在于，所述的第一固定基座(ioal)、第二固定基座(10a2)、第三固定基座(10a3)、第四固定基座(10a4)分别设置于一正方形的四角，质量块(3a)设置于该正方形的中央，第一驱动机构(ilal)、第一检测机构(15al)、第二驱动机构(lla2)、第二检测机构(15a2)分别设置于该正方形四边的外侧，其中第一驱动机构(ilal)和第二驱动机构(lla2)设置于相对两边的外侧，第一检测机构(15al)与第二检测机构(15a2)设置于相对的另外两边的外侧。
4.根据权利要求1所述的硅微全解耦双质量双线振动式陀螺仪，其特征在于，第一驱动机构(ilal)和第二驱动机构(lla2)之间分别通过第一框架(14al)和第二框架(14a2)连接，所述的第一驱动机构(ilal)和第二驱动机构(lla2)为微型驱动电容机构，所述的微型驱动电容机构包括驱动活动梳齿架(12a2)、驱动反馈活动梳齿架(12al)、设置于基座上的驱动固定基座(10a7)、设置于驱动固定基座上(10a7)的驱动固定梳齿(13a2)、设置于基座上的驱动反馈固定基座(10a5)和设置于驱动反馈固定基座(10a5)上的驱动反馈固定梳齿(13al)。
5.根据权利要求4所述的硅微全解耦双质量双线振动式陀螺仪，其特征在于，所述的第一检测机构(15al)和第二检测机构(15a2)为微型检测电容机构，所述的微型检测电容机构包括第一活动检测梳齿架(16a2)、第二活动检测梳齿架(16al)，第一检测梳齿固定基座(10al5)和设置在第一检测梳齿固定基座(10al5)上的第一固定检测梳齿(17a2)，第二检测梳齿固定基座(10al3)和设置在第二检测梳齿固定基座(10al3)上的第二固定检测梳齿(17al),其中第一活动检测梳齿架(16a2)与第一固定检测梳齿(17a2)相配合构成第一梳齿电容，第二活动检测梳齿架(16al)与第二固定检测梳齿(17al)相配合构成第二梳齿电容，第一梳齿电容位于第二梳齿电容靠近质量块的一侧。
6.根据权利要求5所述的硅微全解耦双质量双线振动式陀螺仪，其特征在于，所述的角速度测量子结构还设置有公共电极引线(19a)、驱动输入引线(20al)、驱动反馈引线(21al)、检测信号引线正极(22al)、检测信号引线负极(22a2);其中公共电极引线连通至第一固定基座(18al);驱动输入引线(20al)连通至第一驱动机构的驱动固定梳齿(13a2)和(12a6);驱动反馈引线(21al)连通至第一驱动机构的驱动反馈固定梳齿(13al)和(12a5);检测信号引线正极(22al)连通至第一检测机构的第一固定检测梳齿(17a2)和第二检测机构的第二固定检测梳齿(17a4);检测信号引线负极(22a2)连通至第一检测机构的第二固定检测梳齿(17al)和第二检测机构的第一固定检测梳齿(17a3)。
【文档编号】g01c19/5719gk103900548sq201410164249
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月22日 优先权日:2014年4月22日
【发明者】杨波, 戴波, 殷勇, 邓允朋, 王行军 申请人:东南大学