[发明专利]一种健壮性音叉振动式微机械陀螺

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统领域，涉及一种健壮性音叉振动式微机械陀螺，特别是涉及一种左、右结构间接连接、驱动和检测均为滑膜阻尼的音叉振动式微机械陀螺。

背景技术

微机械陀螺是利用科氏效应来检测转动物体角速度的一种微惯性传感器。采用微电子机械加工技术制备的微机械陀螺因其成本低、体积小、质量轻、功耗低、结构与工艺简单以及适合量产等特点，广泛应用于航空航天、军事、汽车、消费电子产品等领域。最初的微机械陀螺是在1993年提出的，仅有一个质量块和一个弹性梁。随着硅微加工技术的发展，出现了表面微加工、体微加工等一系列先进的微加工技术，使微机械陀螺的发展迈进了一个崭新的发展阶段，各种各样的微机械陀螺相继出现。音叉振动式陀螺因其具有较高灵敏度和带宽、较好的抗干扰能力而被众多学者研究。

对于微机械陀螺，无论驱动方式是选静电驱动还是电磁驱动、检测方式是选压阻检测还是电容检测，还是封装选取的是真空封装还是大气压下封装，都以提高器件的性能为目标，然而，目前的微机械陀螺产品大多精度较低且对环境干扰以及加工误差敏感，主要应用在精度要求不高的中低端领域，本发明致力于使微机械陀螺保持高精度同时还能应用于较广泛领域，引入产品健壮性设计的思路，在设计阶段，设计合理的结构，使微机械陀螺的性能对各种环境因素引起的和加工误差引起的不可预测的变化有很强的抗干扰能力，从而提高微机械陀螺的可靠性以及稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种健壮性音叉振动式微机械陀螺设计方案，以及与之相适应的结构。

为实现上述目的，本发明提出以下技术解决方案：一种健壮性音叉振动式微机械陀螺，由第一基板及其上的两组对称检测用栅形固定电极、固定于第一基板上的四个锚点、悬于第一基板上方的第二基板组成；第二基板由左、右结构以及连接左、右结构的中间结构组成。左结构包括可沿检测方向(y向)振动的一个检测质量块、检测质量块与驱动质量块之间的四个检测弹性梁、可沿垂直于检测方向的驱动方向(x向)振动的一个驱动质量块、与驱动质量块相连的四个驱动弹性梁。右结构与左结构相同且对称。中间结构包括与驱动弹性梁相连的两个中间耦合质量块、通过四个锚点与中间耦合质量块相连的中间耦合弹性梁。

所述的健壮性音叉振动式微机械陀螺，每个检测质量块均通过四个检测弹性梁与驱动质量块连接，每个驱动质量块通过四个驱动弹性梁与中间质量块连接，每个中间耦合质量块通过两个中间弹性梁与第一基板锚接在一起。

所述的健壮性音叉振动式微机械陀螺，所述驱动质量块由可动条形驱动电极和连接可动条形驱动电极的边框组成。

所述的健壮性音叉振动式微机械陀螺，所述检测质量块由可动栅形检测电极和连接栅形检测电极的边框组成，同时，栅形检测电极的厚度等于所述驱动质量块的厚度。

所述的健壮性音叉振动式微机械陀螺，中间结构包含的每一中间耦合质量块上均匀布满阻尼孔。

所述的健壮性音叉振动式微机械陀螺，检测弹性梁、驱动弹性梁和中间弹性梁均采用“三段梁”结构，所谓“三段梁”结构，指由两段平行的第一段梁、第二段梁以及与之成一定角度相连的第三段梁构成，这三段梁具有相同的宽度和厚度。

所述的健壮性音叉振动式微机械陀螺，第一基板上的检测用栅形固定电极与第二基板上的可动栅形检测电极的各栅形电极一一对应；

所述的健壮性音叉振动式微机械陀螺，第一基板上的检测用栅形固定电极上表面与第二基板的栅形检测电极下表面之间的间隙小于栅形检测电极的栅条宽度。

所述的健壮性音叉振动式微机械陀螺，第一基板与第二基板之间为滑膜阻尼。

所述的健壮性音叉振动式微机械陀螺，第一基板为Pyrex 7740玻璃基板，第二基板为导电单晶硅片。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1.由于陀螺工作时第二基板沿与第一基板平行的方向运动，检测质量块的栅形电极与第一基板上的固定电极之间起主要作用的阻尼是滑膜阻尼，因而有效降低了驱动和检测模态的空气阻尼；

2.由于有效降低了空气阻尼，陀螺在大气环境下即可获得较高的品质因子(Q值)，可以有效提高器件的灵敏度，无需真空封装即可工作，降低了器件的加工成本；

3.中间结构的采用，使左、右结构间接连接，减少了左、右结构直接相互影响，消除了耦合模态对检测模态的干扰，同时，中间结构对于加工误差不敏感，提高的系统的健壮性

4.由于中间结构具有对加工误差不敏感的特色，所以中间质量块上可采用阻尼孔，提高微陀螺系统的稳定性。

5.所有弹性梁采用“三段梁”结构，增大了驱动和检测方向的刚度比，有效抑制了驱动和检测模态的耦合。