天狼影视

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一种具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪.pdf

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一种 具有 结构 能力 质量 音叉 速率 陀螺仪
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摘要
申请专利号:

天狼影视CN201610878919.X

申请日:

2016.10.08

公开号:

CN106813654A

公开日:

2017.06.09

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G01C 19/5621申请日:20161008|||公开
IPC分类号: G01C19/5621(2012.01)I 主分类号: G01C19/5621
申请人: 南京理工大学
发明人: 杨海波; 苏岩; 吴志强; 杨明明
地址: 210094 江苏省南京市玄武区孝陵卫200号
优先权:
专利代理机构: 南京理工大学专利中心 32203 代理人: 朱沉雁
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法律状态
申请(专利)号:

CN201610878919.X

授权公告号:

|||

法律状态公告日:

2017.07.04|||2017.06.09

法律状态类型:

实质审查的生效|||公开

摘要

天狼影视本发明公开了一种具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪,包括上层真空封装盖板、下层硅衬底和中层单晶硅片,中层单晶硅片上设有陀螺机械结构,所述陀螺机械结构的两个子结构对称分布在质量块连接机构和两个桁架与水平直梁的组合机构的两侧,第一U型梁沿子结构的长边设置,桁架与水平直梁的组合机构通过第一U型梁与子结构连接;直梁沿子结构宽度方向设置,用于连接子结构两侧的第一U型梁。本发明实现了驱动模态和检测模态的运动解耦,降低了陀螺输出的正交误差,同时也实现驱动模态与检测模态为第一阶模态和第二阶模态,有效抑制常见的驱动同向、检测同向和Z向模态等干扰模态,其陀螺性能好,一致性强,抗振动干扰能力强。

权利要求书

1.一种具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪,其特征在于:包括上层真空
封装盖板、下层硅衬底和中层单晶硅片,中层单晶硅片上设有陀螺机械结构,所述陀螺机械
结构包括质量块连接机构(2)、两个子结构(1)、两个桁架与水平直梁的组合机构(3)、两个U
型梁组合梁(4)、八个第一U型梁(6)和四个直梁(12),所述两个子结构(1)对称分布在质量
块连接机构(2)和两个桁架与水平直梁的组合机构(3)的两侧,质量块连接机构(2)和两个
桁架与水平直梁的组合机构(3)呈直线分布,且质量块连接机构(2)位于两个桁架与水平直
梁的组合机构(3)之间,第一U型梁(6)沿子结构(1)的长边设置,且位于长边的两端,桁架与
水平直梁的组合机构(3)通过第一U型梁(6)与子结构(1)连接,U型梁组合梁(4)沿子结构
(1)的长边设置,且位于远离质量块连接机构(2)一侧的两个第一U型梁(6)的中间;直梁
(12)沿子结构(1)宽度方向设置,用于连接子结构(1)两侧的第一U型梁(6)。
2.根据权利要求1所述的具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪,其特征在
于:位于子结构(1)同一侧的两个U型梁(6)开口方向相对。
3.根据权利要求1所述的具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪,其特征在
于:所述质量块连接机构(2)包括一个水平第一直梁(203)、4个第二直梁(202)和4个第二U
型梁(201);水平直梁(203)的两端分别通过两个开口相对设置的第二U型梁(201)与子结构
(1)连接,4个第二直梁(202)对称分布在第一直梁(203)上,每根第二直梁(202)均有一端与
第一直梁(203)中心相连,两者夹角均为45°,另一端与上层真空封装盖板和下层硅衬底锚
固。
4.根据权利要求3所述的具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪,其特征在
于:上述4个第二直梁(202)两两一组,对称分布在第一直梁(203)两侧,位于同一侧的两根
第二直梁(202)之间的夹角为90°。
5.根据权利要求3所述的具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪,其特征在
于:所述两个开口相对设置的第二U型梁(202)的开口端相连。
6.根据权利要求1所述的具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪,其特征在
于:所述桁架与水平直梁的组合机构(3)包括V型桁架(301)和水平直梁(302),V型桁架
(301)的顶点与水平直梁(302)中心连接,水平直梁(302)与质量块连接机构(2)同侧,V型桁
架(301)的两个自由端与第一U型梁(6)封闭端侧壁连接,水平直梁(302)两端均与上层真空
封装盖板和下层硅衬底锚固。
7.根据权利要求1所述的具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪,其特征在
于:所述U型梁组合梁(4)包括两个第三U型梁(401),两个第三U型梁(401)开口端相连,连接
处外壁与上层真空封装盖板和下层硅衬底锚固。
8.根据权利要求1所述的具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪,其特征在
于:所述子结构(1)包括检测模块、敏感框(13)、连接梁(11)、两个驱动模块,检测模块设置
在敏感框(13)内,敏感框(13)两端分别通过两根第五U形梁(14)与驱动模块连接;两个驱动
模块通过连接梁(11)相连,且连接梁(11)位于敏感框(13)的外侧;
所述驱动模块包括驱动框(7)、三个固定驱动电极(8a)、三个固定驱动检测电极(8b)、
若干个驱动梳齿、若干个驱动检测梳齿和若干个活动梳齿,三个固定驱动电极(8a)、三个固
定驱动检测电极(8b)、若干个驱动梳齿、若干个驱动检测梳齿和若干个活动梳齿均设置在
驱动框(7)内,驱动框(7)位于直梁(12)和第五U形梁(14)之间,固定驱动电极(8a)和固定驱
动检测电极(8b)间隔排列,固定驱动电极(8a)两端连接驱动梳齿,固定驱动检测电极(8b)
两端连接驱动检测梳齿;活动梳齿位于驱动框(7)上;
所述检测模块包括检测框(5)、第一固定检测电极(9a)、第二固定检测电极(9b)、四根
第四U形梁(10)、四根第六U形梁(15)、若干个固定检测梳齿和若干个活动检测梳齿,检测框
(5)设置在敏感框(13)内,检测框(5)两侧分别通过两根第六U形梁(15)与敏感框(13)连接,
检测框(5)两端分别通过两根第四U形梁(10)与上层真空封装盖板和下层硅衬底锚固,上固
定检测电极(9a)、固定检测电极(9b)、若干个固定检测梳齿和若干个活动检测梳齿均设置
在检测框(5)内,第一固定检测电极(9a)位于第二固定检测电极(9b)一端,第一固定检测电
极(9a)和第二固定检测电极(9b)两侧分别设有若干个固定检测梳齿,活动检测梳齿设置在
检测框(5)上,第一固定检测电极(9a)和第二固定检测电极(9b)分别与检测框(5)上的活动
梳齿行成差分的检测电容。
9.根据权利要求8所述的具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪,其特征在
于:上述位于敏感框(13)同一端的两根第五U形梁(14)的封闭端相连,开口端分别朝向敏感
框(13)两侧;
上述位于检测框(5)同一侧的两根第六U形梁(15)的封闭端相连,开口端分别朝向检测
框(5)的两端;
上述位于检测框(5)同一端的两根第四U形梁(10)的封闭端相连,开口端分别朝向检测
框(5)的两侧,且通过开口端与上层真空封装盖板和下层硅衬底锚固。

说明书

一种具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪

技术领域

本发明属于微电子机械系统和微惯性测量技术,特别是一种具有结构解耦能力的
双质量块音叉角速率陀螺仪。

背景技术

微机械惯性仪表包括微机械陀螺(MMG)和微机械加速度计(MMA)。利用微电子加工
工艺允许将微机械结构与所需的电子线路完全集成在一个硅片上,从而达到性能、价格、体
积、重量、可靠性诸方面的高度统一。因而,这类仪表具有一系列的优点(如体积小、重量轻、
价格便宜、可靠性高、能大批量生产等),在军民两方面都具有广泛的应用前景。在民用方
面,主要用于汽车工业、工业监控及消费类产品和机器人技术,如气囊、防抱死系统、偏航速
率传感器、翻滚速率传感器、图象稳定及玩具等等;在军用领域,主要用于灵巧炸弹、智能炮
弹、战术导弹、新概念武器和微型飞机的自主导航制导系统等。

1993年,美国德雷珀实验室通过在玻璃表面复盖硅层技术制作了一种新颖的微机
械陀螺—音叉式线振动陀螺。该陀螺由双质量块、支承梁和横梁组成,陀螺采用线振动驱动
和角振动检测的方式,可以敏感陀螺平面内轴向的角速率。由于该陀螺的驱动运动与敏感
运动完全耦合,限制了其灵敏度的提高。

2007年,苏岩等人研制了双质量振动式硅微陀螺(申请号:200710133223.5),在驱
动力的作用下双质量在做平行于衬底的线振动,有角速率输入时,双质量块做平行于衬底
的垂直于驱动方向的线振动,通过检测敏感电容的变化,测试输入角速率。该陀螺采用了八
根驱动支承梁和八根敏感支承梁实现驱动模态与敏感模态的分离。由于微电子工艺存在误
差,会导致两个子结构没有很好的一致性,产生敏感模态不同步等现象。

2009年,苏岩等人又研制了摆动式硅微陀螺(申请号:200920037290.1)。采用扭杆
和横梁,使陀螺绕Z轴转动,实现陀螺的敏感运动,实现了驱动方向与检测方向的运动解耦。
扭杆代替了敏感支承梁,减小了支承梁数目,降低了加工误差对陀螺性能的影响。但是在体
硅工艺中,对竖直扭杆的加工具有相当大的难度。

2011年,苏岩等人研制了硅微角振动输出陀螺(申请号:201110170673.8)和扭摆
式角速率陀螺(申请号:201120340974.6)。二者都采用水平扭杆和横梁,实现陀螺的角振动
输出。水平扭杆的使用,降低了对加工过程的要求。同时设置了质量块链接机构,增大了工
作模态与干扰模态的频率差,增加了陀螺的稳定性。二者不同的地方在于横梁与固定基座
的连接方式不同。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪,所
述陀螺仪通过驱动框、敏感框和检测框的相互功能独立实现了驱动模态和检测模态的运动
解耦,降低了陀螺输出的正交误差,同时也实现驱动模态与检测模态为第一阶模态和第二
阶模态,有效抑制常见的驱动同向、检测同向和Z向模态等干扰模态,其陀螺性能好,一致性
强,抗振动干扰能力强。

实现本发明目的的技术解决方案为:一种具有结构解耦能力的双质量块音叉角速
率陀螺仪,包括上层真空封装盖板、下层硅衬底和中层单晶硅片,中层单晶硅片上设有陀螺
机械结构,所述陀螺机械结构包括质量块连接机构、两个子结构、两个桁架与水平直梁的组
合机构、两个U型梁组合梁、八个第一U型梁和四个直梁,所述两个子结构对称分布在质量块
连接机构和两个桁架与水平直梁的组合机构的两侧,质量块连接机构和两个桁架与水平直
梁的组合机构呈直线分布,且质量块连接机构位于两个桁架与水平直梁的组合机构之间,
第一U型梁沿子结构的长边设置,且位于长边的两端,桁架与水平直梁的组合机构通过第一
U型梁与子结构连接,U型梁组合梁沿子结构的长边设置,且位于远离质量块连接机构一侧
的两个第一U型梁的中间;直梁沿子结构宽度方向设置,用于连接子结构两侧的第一U型梁。

本发明与现有技术相比,其显著优点为:(1)根据功能划分,独立设计驱动框,敏感
框和检测框,实现了驱动模态和检测模态的运动解耦,降低了陀螺输出的正交误差。

(2)用桁架及水平直梁的组合机构代替与两个子结构相连的横梁,这种结构形式
即保证敏感结构的驱动模态频率低于驱动同向模态频率,也抑制了Z向干扰模态。

(3)用质量块连接机构连接两个子结构,这种结构形式既能保证敏感结构的检测
模态频率低于检测同向模态频率,又能实现两个子结构的运动同步,也抑制了Z向干扰模
态。

(4)两个子结构外侧分别通过两个对称布置的U形梁组合梁与上层真空封装盖板
和下层硅衬底锚固,这种结构形式能抑制两个子结构沿z轴方向的干扰模态。

(5)经过上述关键结构的合理设计,可以使得驱动模态和检测模态分别为该敏感
结构的一阶、二阶模态,并且使其他干扰模态尽量远离工作模态。上述两个特点大幅度降低
了外界振动环境对陀螺仪性能的影响。

附图说明

图1是本发明具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪的整体结构示意
图。

图2是本发明具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪的桁架与水平直梁
的组合机构的结构示意图。

图3是本发明具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪的质量块连接机构
结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图3,一种具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪,用于测量Z
轴方向的角速率。其包括上层真空封装盖板、下层硅衬底和中层单晶硅片,中层单晶硅片上
设有陀螺机械结构。本发明采用了圆片级真空封装工艺,上层真空封装盖板、中层单晶硅片
与下层硅衬底为硅材料,上层真空封装盖板、下层硅衬底之间形成了密闭的真空腔体,中层
单晶硅片设置在所述真空腔体内,使陀螺仪机械结构悬空在下层硅衬底之上,上层真空封
装盖板布置信号引线及键合区域。陀螺仪机械结构不会受到灰尘颗粒的污染和外界机械力
的影响,提高了陀螺仪的性能。

结合图1,所述陀螺机械结构包括质量块连接机构2、两个子结构1、两个桁架与水
平直梁的组合机构3、两个U型梁组合梁4、八个第一U型梁6和四个直梁12,所述两个子结构1
对称分布在质量块连接机构2和两个桁架与水平直梁的组合机构3的两侧,质量块连接机构
2和两个桁架与水平直梁的组合机构3呈直线分布,且质量块连接机构2位于两个桁架与水
平直梁的组合机构3之间,第一U型梁6沿子结构1的长边设置,且位于长边的两端,桁架与水
平直梁的组合机构3通过第一U型梁6与子结构1连接,U型梁组合梁4沿子结构1的长边设置,
且位于远离质量块连接机构2一侧的两个第一U型梁6的中间;直梁12沿子结构1宽度方向设
置,用于连接子结构1两侧的第一U型梁6。

位于子结构1同一侧的两个U型梁6开口方向相对。

结合图3,所述质量块连接机构2包括一个水平第一直梁203、4个第二直梁202和4
个第二U型梁201;水平直梁203的两端分别通过两个开口相对设置的第二U型梁201与子结
构1连接,4个第二直梁202对称分布在第一直梁203上,每根第二直梁202均有一端与第一直
梁203中心相连,两者夹角均为45°,另一端与上层真空封装盖板和下层硅衬底锚固。

上述4个第二直梁202两两一组,对称分布在第一直梁203两侧,位于同一侧的两根
第二直梁202之间的夹角为90°。

结合图2,所述桁架与水平直梁的组合机构3包括V型桁架301和水平直梁302,V型
桁架301的顶点与水平直梁302中心连接,水平直梁302与质量块连接机构2同侧,V型桁架
301的两个自由端与第一U型梁6封闭端侧壁连接,水平直梁302两端均与上层真空封装盖板
和下层硅衬底锚固。

所述U型梁组合梁4包括两个第三U型梁401,两个第三U型梁401开口端相连,连接
处外壁与上层真空封装盖板和下层硅衬底锚固。

所述子结构1包括检测模块、敏感框13、连接梁11、两个驱动模块,检测模块设置在
敏感框13内,敏感框13两端分别通过两根第五U形梁14与驱动模块连接;两个驱动模块通过
连接梁11相连,且连接梁11位于敏感框13的外侧。(上述敏感框13两端为其长度方向的两
端,敏感框13两侧为其宽度方向的两端)。

所述驱动模块包括驱动框7、三个固定驱动电极8a、三个固定驱动检测电极8b、若
干个驱动梳齿、若干个驱动检测梳齿和若干个活动梳齿,三个固定驱动电极8a、三个固定驱
动检测电极8b、若干个驱动梳齿、若干个驱动检测梳齿和若干个活动梳齿均设置在驱动框7
内,驱动框7位于直梁12和第五U形梁14之间,固定驱动电极8a和固定驱动检测电极8b间隔
排列,固定驱动电极8a两端连接驱动梳齿,固定驱动检测电极8b两端连接驱动检测梳齿;活
动梳齿位于驱动框7上。

所述检测模块包括检测框5、第一固定检测电极9a、第二固定检测电极9b、四根第
四U形梁10、四根第六U形梁15、若干个固定检测梳齿和若干个活动检测梳齿,检测框5设置
在敏感框13内,检测框5两侧分别通过两根第六U形梁15与敏感框13连接,检测框5两端分别
通过两根第四U形梁10与上层真空封装盖板和下层硅衬底锚固,上固定检测电极9a、固定检
测电极9b、若干个固定检测梳齿和若干个活动检测梳齿均设置在检测框5内,第一固定检测
电极9a位于第二固定检测电极9b一端,第一固定检测电极9a和第二固定检测电极9b两侧分
别设有若干个固定检测梳齿,活动检测梳齿设置在检测框5上,第一固定检测电极9a和第二
固定检测电极9b分别与检测框5上的活动梳齿行成差分的检测电容。

上述位于敏感框13同一端的两根第五U形梁14的封闭端相连,开口端分别朝向敏
感框13两侧。

上述位于检测框5同一侧的两根第六U形梁15的封闭端相连,开口端分别朝向检测
框5的两端。

上述位于检测框5同一端的两根第四U形梁10的封闭端相连,开口端分别朝向检测
框5的两侧,且通过开口端与上层真空封装盖板和下层硅衬底锚固。

本发明的双质量块音叉式角速率陀螺仪,采用单边静电驱动,电容检测的工作方
式。在子结构1的固定驱动电极8a上施加带直流偏置的交流电压,产生交变的静电力,实现
陀螺仪的单边静电驱动,静电驱动力Fd为:


式中,n为谐振器的活动梳齿数,ε为介电常数,h为结构的厚度,d为梳齿间距,Ud为
驱动电压的直流偏置电压,Ua为交流电压,ωd为交流电压的角频率,t为时间。固定驱动检测
电极8b实现了陀螺仪的静电驱动检测。

在一个子结构1的静电驱动力与作用在另一个子结构1上的静电驱动力相差180
度。因此两个子结构1的整个活动结构在静电驱动力的作用下,沿驱动轴作相向简谐线振
动。当驱动交流电压的频率与陀螺仪驱动模态的固有频率一致时,线振动位移x为:


式中,Fd0为静电驱动力幅值,kx为X方向的弹性刚度,Qx为驱动模态的品质因数。线
振动速度V为:


当陀螺有绕z轴的外界输入角速率ωz时,根据右手定则,检测质量受到检测轴方
向的哥氏加速度ac作用,其大小为:


式中,为输入角速率和线振动速度之间右旋夹角。

设检测质量为ms,则作用在检测质量上的哥氏惯性力Fc为:


哥氏惯性力的方向与哥氏加速度方向相反,因此,作用在两个子结构1上的哥氏惯
性力的方向相反,形成力矩作用在陀螺结构上,使得两个子结构1以陀螺的几何中心为中心
绕敏感轴作角振动。这样,使得活动检测梳齿与固定检测梳齿之间的间隙按一定的简谐振
动规律变动,电容差值信号经电子线路处理后,可获得输出电压信号。输出电压信号为两个
子结构1输出电压信号之和,且输出电压信号的大小正比于输入角速率的大小。通过鉴相器
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。

本发明的陀螺仪通过独立设计驱动框,敏感框和检测框实现了驱动模态和检测模
态的运动解耦,降低了陀螺输出的正交误差,同时也实现驱动模态与检测模态为第一阶模
态和第二阶模态,有效抑制常见的驱动同向、检测同向和Z向模态等干扰模态,其陀螺性能
好,一致性强,抗振动干扰能力强。

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