[发明专利]一种集成面内和面外两种电极的微半球陀螺仪

说明书

本发明公开一种集成面内和面外两种电极的微半球陀螺仪，包括半球谐振子，半球谐振子的半球边缘具有裙边，底部具有锚杆；半球谐振子下方设有面内电极，呈立体球面排列，面内电极通过密封环固定在一起，且面内电极下方设置有金属PAD电极，用于外接导线；半球谐振子上方设有面外电极，呈平面环形排列，与谐振子边缘带相接，面外电极位于顶盖上，顶盖外缘设置有金属PAD电极，用于外接导线；面内电极下方是封底层，封底层边缘有锥型孔，与面内电极下方的金属PAD电极一一对应。本发明同时采用面内电极和面外电极两组电极进行驱动和检测，弥补了面外传感信号弱的不足，提高了面内电极检测的对称性，提高了陀螺的电学对称性低和电学调谐能力。

技术领域

本发明涉及微机电半球谐振陀螺领域，具体是一种集成面内和面外两种电极的微半球陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是一种能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的应用。随着消费电子、工业机器人、车辆、船舶导航、无人机制造业等工业的发展，对陀螺仪的需求也逐渐向着低成本、小体积、高精度、高可靠性的方向发展。基于微机电系统技术研发的微机电陀螺， 采用微纳加工技术， 具有批量生产成本低、 一致性好的特点，其中，微半球陀螺仪更是因为自身较强的抗冲击能力，具备加工成型高精度陀螺仪的潜力，目前已经成为微机电陀螺领域中的研究热点。

一般选取谐振子的四波腹振动模态作为陀螺仪的工作模态，在处于四波腹振动模态时，谐振子将会产生壳体的径向振动，即面内振动，以及边缘带的轴向振动，即面外振动，检测面内振动的即面内电极，检测面外振动的即面外电极。传统的微半球陀螺仪一般选择利用面内电极检测壳体的径向振动或者利用面外电极检测边缘带的轴向振动两种模式其中的一种。然而，采用单一的面内电极检测需要进行高精度的电极装配，否则难以保证电学一致性，因此其制造工艺十分复杂；同样，采用单一的面外电极检测则输出信号相对较弱，需要放大结构或高灵敏度的电路进行信息提取，对后处理电路要求高。

《内外双曲面立体电极的微半球陀螺仪》（专利号201710688341.6）提供了一种采用内外层双曲面电极进行检测的微半球陀螺仪，该陀螺仪具有两个曲面立体电极，分别是位于基底的内层曲面立体电极和位于顶盖的外层曲面立体电极。该陀螺虽然具有双层曲面电极，但是只能检测面外振动；同时，内层曲面立体电极与半球谐振子的同心度难以保证，从而难以保证微半球谐振陀螺的电学一致性；此外，内层曲面电极的结构也较复杂，加工难度较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成面内和面外两种电极的微半球陀螺仪，该微半球谐振陀螺仪同时采用平面环形面外电极和立体球型面内电极进行陀螺仪的驱动和信号检测，其中，检测的是谐振子壳体在垂直于锚杆轴的平面内的振动的电极叫做面内电极，检测的是谐振子裙边在垂直于锚杆轴的平面外的振动的电极叫做面外电极，利用两种电极进行检测，既弥补了面外检测信号微弱的缺点，又弥补了面内检测安装精度和电学一致性差的缺点，并且尽可能简化了陀螺仪内部结构，便于批量生产。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

集成面内和面外两种电极的微半球陀螺仪，包括一个半球谐振子，在半球谐振子内表面边缘设有裙边，裙边形状可以是环形，也可以是齿形，谐振子底部顶点设有锚杆；

半球谐振子外表面下方是面内电极，电极呈立体球面排列，包含

支撑电极座、支撑电极以及功能电极组，其中，支撑电极个数大于等于2，在一个圆周角内等角间距排列，支撑电极底部通过支撑电极座相连，支撑电极座中央开有一锚点腔，供半球谐振子底部锚杆插入，从而固定半球谐振子，支撑电极之间的间隙等距插入功能电极组，并且每个单电极下方均设有金属PAD电极，用于连接导线；

半球谐振子裙边内表面与面外电极形成电容间隙，面外电极在顶盖的下表面呈平面环形排列，顶盖的边缘突出，并且在边缘上等距设有金属PAD电极，金属PAD电极与面外电极通过金属镀层导线相连；

封底层的引线孔与面内电极底部的金属PAD一一对应，实现芯片的引线键合；