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一種具有結構解耦能力的雙質量塊音叉角速率陀螺儀.pdf

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一種 具有 結構 能力 質量 音叉 速率 陀螺儀
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摘要
申請專利號:

CN201610878919.X

申請日:

2016.10.08

公開號:

CN106813654A

公開日:

2017.06.09

當前法律狀態:

實審

有效性:

審中

法律詳情: 實質審查的生效IPC(主分類):G01C 19/5621申請日:20161008|||公開
IPC分類號: G01C19/5621(2012.01)I 主分類號: G01C19/5621
申請人: 南京理工大學
發明人: 楊海波; 蘇巖; 吳志強; 楊明明
地址: 210094 江蘇省南京市玄武區孝陵衛200號
優先權:
專利代理機構: 南京理工大學專利中心 32203 代理人: 朱沉雁
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201610878919.X

授權公告號:

|||

法律狀態公告日:

2017.07.04|||2017.06.09

法律狀態類型:

實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種具有結構解耦能力的雙質量塊音叉角速率陀螺儀,包括上層真空封裝蓋板、下層硅襯底和中層單晶硅片,中層單晶硅片上設有陀螺機械結構,所述陀螺機械結構的兩個子結構對稱分布在質量塊連接機構和兩個桁架與水平直梁的組合機構的兩側,第一U型梁沿子結構的長邊設置,桁架與水平直梁的組合機構通過第一U型梁與子結構連接;直梁沿子結構寬度方向設置,用于連接子結構兩側的第一U型梁。本發明實現了驅動模態和檢測模態的運動解耦,降低了陀螺輸出的正交誤差,同時也實現驅動模態與檢測模態為第一階模態和第二階模態,有效抑制常見的驅動同向、檢測同向和Z向模態等干擾模態,其陀螺性能好,一致性強,抗振動干擾能力強。

權利要求書

1.一種具有結構解耦能力的雙質量塊音叉角速率陀螺儀,其特征在于:包括上層真空
封裝蓋板、下層硅襯底和中層單晶硅片,中層單晶硅片上設有陀螺機械結構,所述陀螺機械
結構包括質量塊連接機構(2)、兩個子結構(1)、兩個桁架與水平直梁的組合機構(3)、兩個U
型梁組合梁(4)、八個第一U型梁(6)和四個直梁(12),所述兩個子結構(1)對稱分布在質量
塊連接機構(2)和兩個桁架與水平直梁的組合機構(3)的兩側,質量塊連接機構(2)和兩個
桁架與水平直梁的組合機構(3)呈直線分布,且質量塊連接機構(2)位于兩個桁架與水平直
梁的組合機構(3)之間,第一U型梁(6)沿子結構(1)的長邊設置,且位于長邊的兩端,桁架與
水平直梁的組合機構(3)通過第一U型梁(6)與子結構(1)連接,U型梁組合梁(4)沿子結構
(1)的長邊設置,且位于遠離質量塊連接機構(2)一側的兩個第一U型梁(6)的中間;直梁
(12)沿子結構(1)寬度方向設置,用于連接子結構(1)兩側的第一U型梁(6)。
2.根據權利要求1所述的具有結構解耦能力的雙質量塊音叉角速率陀螺儀,其特征在
于:位于子結構(1)同一側的兩個U型梁(6)開口方向相對。
3.根據權利要求1所述的具有結構解耦能力的雙質量塊音叉角速率陀螺儀,其特征在
于:所述質量塊連接機構(2)包括一個水平第一直梁(203)、4個第二直梁(202)和4個第二U
型梁(201);水平直梁(203)的兩端分別通過兩個開口相對設置的第二U型梁(201)與子結構
(1)連接,4個第二直梁(202)對稱分布在第一直梁(203)上,每根第二直梁(202)均有一端與
第一直梁(203)中心相連,兩者夾角均為45°,另一端與上層真空封裝蓋板和下層硅襯底錨
固。
4.根據權利要求3所述的具有結構解耦能力的雙質量塊音叉角速率陀螺儀,其特征在
于:上述4個第二直梁(202)兩兩一組,對稱分布在第一直梁(203)兩側,位于同一側的兩根
第二直梁(202)之間的夾角為90°。
5.根據權利要求3所述的具有結構解耦能力的雙質量塊音叉角速率陀螺儀,其特征在
于:所述兩個開口相對設置的第二U型梁(202)的開口端相連。
6.根據權利要求1所述的具有結構解耦能力的雙質量塊音叉角速率陀螺儀,其特征在
于:所述桁架與水平直梁的組合機構(3)包括V型桁架(301)和水平直梁(302),V型桁架
(301)的頂點與水平直梁(302)中心連接,水平直梁(302)與質量塊連接機構(2)同側,V型桁
架(301)的兩個自由端與第一U型梁(6)封閉端側壁連接,水平直梁(302)兩端均與上層真空
封裝蓋板和下層硅襯底錨固。
7.根據權利要求1所述的具有結構解耦能力的雙質量塊音叉角速率陀螺儀,其特征在
于:所述U型梁組合梁(4)包括兩個第三U型梁(401),兩個第三U型梁(401)開口端相連,連接
處外壁與上層真空封裝蓋板和下層硅襯底錨固。
8.根據權利要求1所述的具有結構解耦能力的雙質量塊音叉角速率陀螺儀,其特征在
于:所述子結構(1)包括檢測模塊、敏感框(13)、連接梁(11)、兩個驅動模塊,檢測模塊設置
在敏感框(13)內,敏感框(13)兩端分別通過兩根第五U形梁(14)與驅動模塊連接;兩個驅動
模塊通過連接梁(11)相連,且連接梁(11)位于敏感框(13)的外側;
所述驅動模塊包括驅動框(7)、三個固定驅動電極(8a)、三個固定驅動檢測電極(8b)、
若干個驅動梳齒、若干個驅動檢測梳齒和若干個活動梳齒,三個固定驅動電極(8a)、三個固
定驅動檢測電極(8b)、若干個驅動梳齒、若干個驅動檢測梳齒和若干個活動梳齒均設置在
驅動框(7)內,驅動框(7)位于直梁(12)和第五U形梁(14)之間,固定驅動電極(8a)和固定驅
動檢測電極(8b)間隔排列,固定驅動電極(8a)兩端連接驅動梳齒,固定驅動檢測電極(8b)
兩端連接驅動檢測梳齒;活動梳齒位于驅動框(7)上;
所述檢測模塊包括檢測框(5)、第一固定檢測電極(9a)、第二固定檢測電極(9b)、四根
第四U形梁(10)、四根第六U形梁(15)、若干個固定檢測梳齒和若干個活動檢測梳齒,檢測框
(5)設置在敏感框(13)內,檢測框(5)兩側分別通過兩根第六U形梁(15)與敏感框(13)連接,
檢測框(5)兩端分別通過兩根第四U形梁(10)與上層真空封裝蓋板和下層硅襯底錨固,上固
定檢測電極(9a)、固定檢測電極(9b)、若干個固定檢測梳齒和若干個活動檢測梳齒均設置
在檢測框(5)內,第一固定檢測電極(9a)位于第二固定檢測電極(9b)一端,第一固定檢測電
極(9a)和第二固定檢測電極(9b)兩側分別設有若干個固定檢測梳齒,活動檢測梳齒設置在
檢測框(5)上,第一固定檢測電極(9a)和第二固定檢測電極(9b)分別與檢測框(5)上的活動
梳齒行成差分的檢測電容。
9.根據權利要求8所述的具有結構解耦能力的雙質量塊音叉角速率陀螺儀,其特征在
于:上述位于敏感框(13)同一端的兩根第五U形梁(14)的封閉端相連,開口端分別朝向敏感
框(13)兩側;
上述位于檢測框(5)同一側的兩根第六U形梁(15)的封閉端相連,開口端分別朝向檢測
框(5)的兩端;
上述位于檢測框(5)同一端的兩根第四U形梁(10)的封閉端相連,開口端分別朝向檢測
框(5)的兩側,且通過開口端與上層真空封裝蓋板和下層硅襯底錨固。

說明書

一種具有結構解耦能力的雙質量塊音叉角速率陀螺儀

技術領域

本發明屬于微電子機械系統和微慣性測量技術,特別是一種具有結構解耦能力的
雙質量塊音叉角速率陀螺儀。

背景技術

微機械慣性儀表包括微機械陀螺(MMG)和微機械加速度計(MMA)。利用微電子加工
工藝允許將微機械結構與所需的電子線路完全集成在一個硅片上,從而達到性能、價格、體
積、重量、可靠性諸方面的高度統一。因而,這類儀表具有一系列的優點(如體積小、重量輕、
價格便宜、可靠性高、能大批量生產等),在軍民兩方面都具有廣泛的應用前景。在民用方
面,主要用于汽車工業、工業監控及消費類產品和機器人技術,如氣囊、防抱死系統、偏航速
率傳感器、翻滾速率傳感器、圖象穩定及玩具等等;在軍用領域,主要用于靈巧炸彈、智能炮
彈、戰術導彈、新概念武器和微型飛機的自主導航制導系統等。

1993年,美國德雷珀實驗室通過在玻璃表面復蓋硅層技術制作了一種新穎的微機
械陀螺—音叉式線振動陀螺。該陀螺由雙質量塊、支承梁和橫梁組成,陀螺采用線振動驅動
和角振動檢測的方式,可以敏感陀螺平面內軸向的角速率。由于該陀螺的驅動運動與敏感
運動完全耦合,限制了其靈敏度的提高。

2007年,蘇巖等人研制了雙質量振動式硅微陀螺(申請號:200710133223.5),在驅
動力的作用下雙質量在做平行于襯底的線振動,有角速率輸入時,雙質量塊做平行于襯底
的垂直于驅動方向的線振動,通過檢測敏感電容的變化,測試輸入角速率。該陀螺采用了八
根驅動支承梁和八根敏感支承梁實現驅動模態與敏感模態的分離。由于微電子工藝存在誤
差,會導致兩個子結構沒有很好的一致性,產生敏感模態不同步等現象。

2009年,蘇巖等人又研制了擺動式硅微陀螺(申請號:200920037290.1)。采用扭桿
和橫梁,使陀螺繞Z軸轉動,實現陀螺的敏感運動,實現了驅動方向與檢測方向的運動解耦。
扭桿代替了敏感支承梁,減小了支承梁數目,降低了加工誤差對陀螺性能的影響。但是在體
硅工藝中,對豎直扭桿的加工具有相當大的難度。

2011年,蘇巖等人研制了硅微角振動輸出陀螺(申請號:201110170673.8)和扭擺
式角速率陀螺(申請號:201120340974.6)。二者都采用水平扭桿和橫梁,實現陀螺的角振動
輸出。水平扭桿的使用,降低了對加工過程的要求。同時設置了質量塊鏈接機構,增大了工
作模態與干擾模態的頻率差,增加了陀螺的穩定性。二者不同的地方在于橫梁與固定基座
的連接方式不同。

發明內容

本發明的目的在于提供一種具有結構解耦能力的雙質量塊音叉角速率陀螺儀,所
述陀螺儀通過驅動框、敏感框和檢測框的相互功能獨立實現了驅動模態和檢測模態的運動
解耦,降低了陀螺輸出的正交誤差,同時也實現驅動模態與檢測模態為第一階模態和第二
階模態,有效抑制常見的驅動同向、檢測同向和Z向模態等干擾模態,其陀螺性能好,一致性
強,抗振動干擾能力強。

實現本發明目的的技術解決方案為:一種具有結構解耦能力的雙質量塊音叉角速
率陀螺儀,包括上層真空封裝蓋板、下層硅襯底和中層單晶硅片,中層單晶硅片上設有陀螺
機械結構,所述陀螺機械結構包括質量塊連接機構、兩個子結構、兩個桁架與水平直梁的組
合機構、兩個U型梁組合梁、八個第一U型梁和四個直梁,所述兩個子結構對稱分布在質量塊
連接機構和兩個桁架與水平直梁的組合機構的兩側,質量塊連接機構和兩個桁架與水平直
梁的組合機構呈直線分布,且質量塊連接機構位于兩個桁架與水平直梁的組合機構之間,
第一U型梁沿子結構的長邊設置,且位于長邊的兩端,桁架與水平直梁的組合機構通過第一
U型梁與子結構連接,U型梁組合梁沿子結構的長邊設置,且位于遠離質量塊連接機構一側
的兩個第一U型梁的中間;直梁沿子結構寬度方向設置,用于連接子結構兩側的第一U型梁。

本發明與現有技術相比,其顯著優點為:(1)根據功能劃分,獨立設計驅動框,敏感
框和檢測框,實現了驅動模態和檢測模態的運動解耦,降低了陀螺輸出的正交誤差。

(2)用桁架及水平直梁的組合機構代替與兩個子結構相連的橫梁,這種結構形式
即保證敏感結構的驅動模態頻率低于驅動同向模態頻率,也抑制了Z向干擾模態。

(3)用質量塊連接機構連接兩個子結構,這種結構形式既能保證敏感結構的檢測
模態頻率低于檢測同向模態頻率,又能實現兩個子結構的運動同步,也抑制了Z向干擾模
態。

(4)兩個子結構外側分別通過兩個對稱布置的U形梁組合梁與上層真空封裝蓋板
和下層硅襯底錨固,這種結構形式能抑制兩個子結構沿z軸方向的干擾模態。

(5)經過上述關鍵結構的合理設計,可以使得驅動模態和檢測模態分別為該敏感
結構的一階、二階模態,并且使其他干擾模態盡量遠離工作模態。上述兩個特點大幅度降低
了外界振動環境對陀螺儀性能的影響。

附圖說明

圖1是本發明具有結構解耦能力的雙質量塊音叉角速率陀螺儀的整體結構示意
圖。

圖2是本發明具有結構解耦能力的雙質量塊音叉角速率陀螺儀的桁架與水平直梁
的組合機構的結構示意圖。

圖3是本發明具有結構解耦能力的雙質量塊音叉角速率陀螺儀的質量塊連接機構
結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。

結合圖1至圖3,一種具有結構解耦能力的雙質量塊音叉角速率陀螺儀,用于測量Z
軸方向的角速率。其包括上層真空封裝蓋板、下層硅襯底和中層單晶硅片,中層單晶硅片上
設有陀螺機械結構。本發明采用了圓片級真空封裝工藝,上層真空封裝蓋板、中層單晶硅片
與下層硅襯底為硅材料,上層真空封裝蓋板、下層硅襯底之間形成了密閉的真空腔體,中層
單晶硅片設置在所述真空腔體內,使陀螺儀機械結構懸空在下層硅襯底之上,上層真空封
裝蓋板布置信號引線及鍵合區域。陀螺儀機械結構不會受到灰塵顆粒的污染和外界機械力
的影響,提高了陀螺儀的性能。

結合圖1,所述陀螺機械結構包括質量塊連接機構2、兩個子結構1、兩個桁架與水
平直梁的組合機構3、兩個U型梁組合梁4、八個第一U型梁6和四個直梁12,所述兩個子結構1
對稱分布在質量塊連接機構2和兩個桁架與水平直梁的組合機構3的兩側,質量塊連接機構
2和兩個桁架與水平直梁的組合機構3呈直線分布,且質量塊連接機構2位于兩個桁架與水
平直梁的組合機構3之間,第一U型梁6沿子結構1的長邊設置,且位于長邊的兩端,桁架與水
平直梁的組合機構3通過第一U型梁6與子結構1連接,U型梁組合梁4沿子結構1的長邊設置,
且位于遠離質量塊連接機構2一側的兩個第一U型梁6的中間;直梁12沿子結構1寬度方向設
置,用于連接子結構1兩側的第一U型梁6。

位于子結構1同一側的兩個U型梁6開口方向相對。

結合圖3,所述質量塊連接機構2包括一個水平第一直梁203、4個第二直梁202和4
個第二U型梁201;水平直梁203的兩端分別通過兩個開口相對設置的第二U型梁201與子結
構1連接,4個第二直梁202對稱分布在第一直梁203上,每根第二直梁202均有一端與第一直
梁203中心相連,兩者夾角均為45°,另一端與上層真空封裝蓋板和下層硅襯底錨固。

上述4個第二直梁202兩兩一組,對稱分布在第一直梁203兩側,位于同一側的兩根
第二直梁202之間的夾角為90°。

結合圖2,所述桁架與水平直梁的組合機構3包括V型桁架301和水平直梁302,V型
桁架301的頂點與水平直梁302中心連接,水平直梁302與質量塊連接機構2同側,V型桁架
301的兩個自由端與第一U型梁6封閉端側壁連接,水平直梁302兩端均與上層真空封裝蓋板
和下層硅襯底錨固。

所述U型梁組合梁4包括兩個第三U型梁401,兩個第三U型梁401開口端相連,連接
處外壁與上層真空封裝蓋板和下層硅襯底錨固。

所述子結構1包括檢測模塊、敏感框13、連接梁11、兩個驅動模塊,檢測模塊設置在
敏感框13內,敏感框13兩端分別通過兩根第五U形梁14與驅動模塊連接;兩個驅動模塊通過
連接梁11相連,且連接梁11位于敏感框13的外側。(上述敏感框13兩端為其長度方向的兩
端,敏感框13兩側為其寬度方向的兩端)。

所述驅動模塊包括驅動框7、三個固定驅動電極8a、三個固定驅動檢測電極8b、若
干個驅動梳齒、若干個驅動檢測梳齒和若干個活動梳齒,三個固定驅動電極8a、三個固定驅
動檢測電極8b、若干個驅動梳齒、若干個驅動檢測梳齒和若干個活動梳齒均設置在驅動框7
內,驅動框7位于直梁12和第五U形梁14之間,固定驅動電極8a和固定驅動檢測電極8b間隔
排列,固定驅動電極8a兩端連接驅動梳齒,固定驅動檢測電極8b兩端連接驅動檢測梳齒;活
動梳齒位于驅動框7上。

所述檢測模塊包括檢測框5、第一固定檢測電極9a、第二固定檢測電極9b、四根第
四U形梁10、四根第六U形梁15、若干個固定檢測梳齒和若干個活動檢測梳齒,檢測框5設置
在敏感框13內,檢測框5兩側分別通過兩根第六U形梁15與敏感框13連接,檢測框5兩端分別
通過兩根第四U形梁10與上層真空封裝蓋板和下層硅襯底錨固,上固定檢測電極9a、固定檢
測電極9b、若干個固定檢測梳齒和若干個活動檢測梳齒均設置在檢測框5內,第一固定檢測
電極9a位于第二固定檢測電極9b一端,第一固定檢測電極9a和第二固定檢測電極9b兩側分
別設有若干個固定檢測梳齒,活動檢測梳齒設置在檢測框5上,第一固定檢測電極9a和第二
固定檢測電極9b分別與檢測框5上的活動梳齒行成差分的檢測電容。

上述位于敏感框13同一端的兩根第五U形梁14的封閉端相連,開口端分別朝向敏
感框13兩側。

上述位于檢測框5同一側的兩根第六U形梁15的封閉端相連,開口端分別朝向檢測
框5的兩端。

上述位于檢測框5同一端的兩根第四U形梁10的封閉端相連,開口端分別朝向檢測
框5的兩側,且通過開口端與上層真空封裝蓋板和下層硅襯底錨固。

本發明的雙質量塊音叉式角速率陀螺儀,采用單邊靜電驅動,電容檢測的工作方
式。在子結構1的固定驅動電極8a上施加帶直流偏置的交流電壓,產生交變的靜電力,實現
陀螺儀的單邊靜電驅動,靜電驅動力Fd為:


式中,n為諧振器的活動梳齒數,ε為介電常數,h為結構的厚度,d為梳齒間距,Ud為
驅動電壓的直流偏置電壓,Ua為交流電壓,ωd為交流電壓的角頻率,t為時間。固定驅動檢測
電極8b實現了陀螺儀的靜電驅動檢測。

在一個子結構1的靜電驅動力與作用在另一個子結構1上的靜電驅動力相差180
度。因此兩個子結構1的整個活動結構在靜電驅動力的作用下,沿驅動軸作相向簡諧線振
動。當驅動交流電壓的頻率與陀螺儀驅動模態的固有頻率一致時,線振動位移x為:


式中,Fd0為靜電驅動力幅值,kx為X方向的彈性剛度,Qx為驅動模態的品質因數。線
振動速度V為:


當陀螺有繞z軸的外界輸入角速率ωz時,根據右手定則,檢測質量受到檢測軸方
向的哥氏加速度ac作用,其大小為:


式中,為輸入角速率和線振動速度之間右旋夾角。

設檢測質量為ms,則作用在檢測質量上的哥氏慣性力Fc為:


哥氏慣性力的方向與哥氏加速度方向相反,因此,作用在兩個子結構1上的哥氏慣
性力的方向相反,形成力矩作用在陀螺結構上,使得兩個子結構1以陀螺的幾何中心為中心
繞敏感軸作角振動。這樣,使得活動檢測梳齒與固定檢測梳齒之間的間隙按一定的簡諧振
動規律變動,電容差值信號經電子線路處理后,可獲得輸出電壓信號。輸出電壓信號為兩個
子結構1輸出電壓信號之和,且輸出電壓信號的大小正比于輸入角速率的大小。通過鑒相器
比較輸出電壓信號與激勵信號的相位關系,則可判明輸入角速率的方向。

本發明的陀螺儀通過獨立設計驅動框,敏感框和檢測框實現了驅動模態和檢測模
態的運動解耦,降低了陀螺輸出的正交誤差,同時也實現驅動模態與檢測模態為第一階模
態和第二階模態,有效抑制常見的驅動同向、檢測同向和Z向模態等干擾模態,其陀螺性能
好,一致性強,抗振動干擾能力強。

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