一种基于柔性连接的双质量解耦硅微陀螺仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于柔性连接的双质量解耦硅微陀螺仪，包括设有电信号引出线的基座和置于基座上的微陀螺机械结构层；微陀螺机械结构层包括第一子结构、第二子结构和子结构连接装置，第一子结构和第二子结构通过子结构连接装置连接；本发明为减小温度和应力对整个微陀螺的影响，采用了完全相同的两个子结构，两个子结构左右对称布置，运动方式为x-y平面内的线运动；采用子结构连接装置，使左右两个子结构成为一个整体，保证了左右两个子结构运动频率的一致性，且子结构连接装置的设计保证了驱动运动和检测运动的隔离，实现了结构运动的全解耦；子结构连接装置保证了陀螺仪驱动运动和检测运动时两个子结构的驱动部分和检测部分分别为相向的线运动。
【专利说明】一种基于柔性连接的双质量解耦硅微陀螺仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于柔性连接的双质量解耦硅微陀螺仪，属于微电子机械和微惯性测量领域。
【背景技术】
[0002]硅微机械陀螺仪是在微机电系统技术的基础上发展起来的一种新型陀螺仪，微机电系统技术作为微电子平面加工工艺和娃微机械加工技术结合的产物，是微电子技术的拓展和延伸，把传感和检测单元有机地融合到了一体，不仅继承了微电子技术批量化生产的特点，而且使传感器的体积大大缩小，硅微机械陀螺仪以其体积小、重量轻、功耗低、集成度高、抗过载能力强等优点，受到广泛的关注。微机械陀螺在军事、民用领域具有广阔的应用前景。可应用于汽车牵引控制系统、行驶稳定系统、摄像机稳定系统、飞机稳定系统以及军事等领域。
[0003]20世纪80年代末，随着微机械加工技术的出现和发展，世界上各个国家大幅开展针对硅微机械振动陀螺仪的研究，其中美国、英国、德国、日本、韩国等在这方面研究水平走在世界的前列。其中大部分机构研究热点集中在电容式微机械陀螺仪的研制，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。由于加工误差和结构设计等原因，电容式振动微机械陀螺仪存在易受机械耦合和轴向加速度影响、检测电容量低、灵敏度不高等缺点。
【发明内容】
[0004]发明目的:为克服现有技术不足，本发明旨于提供一种体积小、重量轻、精度高、动态性能好、能耗少、成本低、可靠性高、集成化的基于柔性连接的双质量解耦硅微陀螺仪。
[0005]技术方案:为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:
[0006]一种基于柔性连接的双质量解耦硅微陀螺仪，包括设有电信号引出线的基座和置于基座上的微陀螺机械结构层；
[0007]微陀螺机械结构层包括第一子结构、第二子结构和子结构连接装置，第一子结构和第二子结构通过子结构连接装置连接；
[0008]第一子结构和第二子结构为结构相同的角速度测量子结构，所述的角速度测量子结构为轴对称结构，包括质量块、驱动机构、检测机构和子结构固定基座；驱动机构有两个，分别设在质量块的上下两端、并分别通过固接U型折叠梁与质量块的上下两端连接；检测机构有四个，其中两个设在质量块上端的左右两侧、并分别通过固接U型折叠梁与质量块上端的左右两侧连接，另外两个设在质量块下端的左右两侧、并分别通过固接U型折叠梁与质量块下端的左右两侧连接；驱动机构和检测机构均通过固定基座固定在基座上。
[0009]优选，子结构连接装置为轴对称结构，包括第一连接装置固定基座、第二连接装置固定基座、第三连接装置固定基座、第一梁间连接块、第二梁间连接块、第三梁间连接块、第四梁间连接块；
[0010]第二梁间连接块和第四梁间连接块的一端分别通过固接平行梁连接在第三连接装置固定基座的两端；第二梁间连接块和第四梁间连接块的另一端分别通过活动U型折叠梁与第一子结构和第二子结构中部的一侧连接；第一子结构和第二子结构中部的另一侧分别与第一梁间连接块和第三梁间连接块的一端连接，第一梁间连接块和第三梁间连接块的另一端分别通过活动U型折叠梁与第一连接装置固定基座和第二连接装置固定基座连接，这样可进一步保证双质量振动式硅微陀螺仪的稳定性和灵敏性。
[0011]优选，固接平行梁有四个，分别为第一固接平行梁、第二固接平行梁、第三固接平行梁和第四固接平行梁；
[0012]第二梁间连接块的一端通过第一固接平行梁和第二固接平行梁与第三连接装置固定基座的一端连接；第四梁间连接块的一端通过第三固接平行梁和第四固接平行梁与第三连接装置固定基座的另一端连接；第一平行梁连接杆的两端分别与第一固接平行梁和第三固接平行梁的活动端连接，第二平行梁连接杆的两端分别与第二固接平行梁和第四固接平行梁的活动端连接。
[0013]优选，所述的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、驱动活动梳齿、驱动固定梳齿和驱动反馈固定梳齿；
[0014]驱动活动梳齿有两个以上，等间距垂直设在驱动活动梳齿架上；驱动固定梳齿和驱动反馈固定均与活动梳齿的数量相等，每个驱动活动梳齿的两侧均分别配合有一个驱动固定梳齿和一个驱动反馈固定梳齿，每个驱动固定梳齿和驱动反馈固定梳齿均固定在基座上，所有驱动反馈固定梳齿连为一体结构；驱动活动梳齿架通过固接U型折叠梁与质量块连接。
[0015]所述的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检测活动梳齿架、检测活动梳齿、检测固定梳齿正极和检测固定梳齿负极；
[0016]检测活动梳齿有两个以上，等间距垂直设在检测活动梳齿架上；检测固定梳齿正极和检测固定梳齿负极均与检测活动梳齿的数量相等，每个检测活动梳齿的两侧均分别配合有一个检测固定梳齿正极和一个检测固定梳齿负极，每个检测固定梳齿正极和检测固定梳齿负极均固定在基座上，检测固定梳齿正极连为一体结构；检测活动梳齿架通过固接U型折叠梁与质量块连接。
[0017]所述基座上设置有驱动输入引线、驱动反馈引线、检测信号引线正极和检测信号引线负极；
[0018]驱动输入引线连通至驱动固定梳齿，驱动反馈引线连通至驱动反馈固定梳齿；检测信号引线正极连通至检测固定梳齿正极，检测信号引线负极连通至检测固定梳齿负极。
[0019]本发明未提及的技术均为现有技术。
[0020]本发明与现有技术相比，其有益效果是:
[0021](I)为减小温度和应力对整个微陀螺的影响，采用了完全相同的两个子结构，两个子结构左右对称布置，运动方式为χ-y平面内的线运动；
[0022](2)采用子结构连接装置，使左右两个子结构成为一个整体，保证了左右两个子结构运动频率的一致性，且子结构连接装置的设计保证了驱动运动和检测运动的隔离，实现了结构运动的全解耦；
[0023](3)子结构连接装置保证了陀螺仪驱动运动和检测运动时两个子结构的驱动部分和检测部分分别为相向的线运动；
[0024](4)子结构内部采用U型折叠梁对驱动部分和检测部分进行隔离，实现了子结构内部驱动运动和检测运动的全解耦，且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；
[0025](5)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；
[0026](6)变重叠面积的梳齿驱动和检测电容的设计，能够充分利用空间，显著增大驱动和检测模态的品质因数，并提高微陀螺仪的灵敏度。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是本发明基于柔性连接的双质量解耦硅微陀螺仪示意图；
[0028]图2是本发明基于柔性连接的双质量解耦硅微陀螺仪子结构示意图；
[0029]图3是本发明基于柔性连接的双质量解耦硅微陀螺仪子结构连接装置示意图；
[0030]图4是本发明基于柔性连接的双质量解耦硅微陀螺仪的驱动机构示意图；
[0031]图5是本发明基于柔性连接的双质量解耦硅微陀螺仪的检测机构示意图；
[0032]图6是本发明基于柔性连接的双质量解耦硅微陀螺仪基座上的信号引线示意图。
【具体实施方式】
[0033]为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0034]结合图1、2，本发明基于柔性连接的双质量解耦硅微陀螺仪，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，并通过子结构连接装置2连接；第一子结构Ia通过第一固接U型梁7al和第二固接U型梁7a2与第一固定基座6al相连，通过第六固接U型梁7a6与第三固定基座6a3连接，通过第七固接U型梁7a7与第五固定基座6a5连接，通过第十固接U型梁7al0和第十一固接U型梁7all与第七固定基座6a7连接，通过第十四固接U型梁7al4和第十五固接U型梁7al5与第八固定基座6a8相连，通过第十九固接U型梁7al9与第四固定基座6a4连接，通过第十八固接U型梁7al8与第六固定基座6a6连接，通过第二十二固接U型梁7a22和第二十三固接U型梁7a23与第二固定基座6a2连接；
[0035]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型梁7bl和第二固接U型梁7b2与第一固定基座6bl连接，通过第六固接U型梁7b6与第三固定基座6b3连接，通过第七固接U型梁7b7与第五固定基座6b5连接，通过第十固接U型梁7bl0和第i^一固接U型梁7bll与第七固定基座6b7连接，通过第十四固接U型梁7bl4和第十五固接U型梁7bl5与第八固定基座6b8连接，通过第十九固接U型梁7bl9与第四固定基座6b4连接，通过第十八固接U型梁7bl8与第六固定基座6b6连接，通过第二十二固接U型梁7b22和第二十三固接U型梁7b23与第二固定基座6b2连接；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。
[0036]结合图2，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5a、固定在基座上的第一固定基座6al、固定在基座上的第二固定基座6a2、固定在基座上的第三固定基座6a3、固定在基座上的第四固定基座6a4、固定在基座上的第五固定基座6a5、固定在基座上的第六固定基座6a6、固定在基座上的第七固定基座6a7、固定在基座上的第八固定基座6a8、第一驱动机构3al、第二驱动机构3a2、第一检测机构4al、第二检测机构4a2、第三检测机构4a3、第四检测机构4a4、第一固接U型折叠梁7al、第二固接U型折叠梁7a2、第三活动U型折叠梁7a3、第四活动U型折叠梁7a4、第五活动U型折叠梁7a5、第六固接U型折叠梁7a6、第七固接U型折叠梁7a7、第八活动U型折叠梁7a8、第九活动U型折叠梁7a9、第十固接U型折叠梁7al0、第十一固接U型折叠梁7all、第十二活动U型折叠梁7al2、第十三活动U型折叠梁7al3、第十四固接U型折叠梁7al4、第十五固接U型折叠梁7al5、第十六活动U型折叠梁7al6、第十七活动U型折叠梁7al7、第十八固接U型折叠梁7al8、第十九固接U型折叠梁7al9、第二十活动U型折叠梁7a20、第二i^一活动U型折叠梁7a21、第二十二固接U型折叠梁7a22、第二十三固接U型折叠梁7a23、第二十四活动U型折叠梁7a24组成；第一驱动机构3al设置在质量块5a的一侧，第二驱动机构3a2设置在质量块5a相对的另一侧，第一驱动机构3al与质量块5a之间通过第三活动U型折叠梁7a3和第二十四活动U型折叠梁7a24连接，第三活动U型折叠梁7a3和第二十四活动U型折叠梁7a24设置在第一驱动机构3al的两端，第二驱动机构3a2与质量块5a之间通过第十二活动U型折叠梁7al2和第十三活动U型折叠梁7al3连接，第十二活动U型折叠梁7al2和第十三活动U型折叠梁7al3设置在第一驱动机构3al的两端，以从一个驱动方向上驱动该质量块5a在左右振动；第一检测机构4al和第三检测机构4a3设置在质量块5a的一侧，第二检测机构4a2和第四检测机构4a4设置在质量块5a相对的另一侧，分别与第一检测机构4al和第三检测机构4a3相对应，第一检测机构4al与质量块5a之间通过第四活动U型折叠梁7a4和第五活动U型折叠梁7a5连接，第四活动U型折叠梁7a4和第五活动U型折叠梁7a5设置在第一检测机构4al的两端，第二检测机构4a2与质量块5a之间通过第二十活动U型折叠梁7a20和第二i^一活动U型折叠梁7a21连接，第二十活动U型折叠梁7a20和第二i^一活动U型折叠梁7a21设置在第二检测机构4a2的两端，第三检测机构4a3与质量块5a之间通过第八活动U型折叠梁7a8和第九活动U型折叠梁7a9连接，第八活动U型折叠梁7a8和第九活动U型折叠梁7a9设置在第三检测机构4a3的两端，第四检测机构4a4与质量块5a之间通过第十六活动U型折叠梁7al6和第十七活动U型折叠梁7al7连接，第十六活动U型折叠梁7al6和第十七活动U型折叠梁7al7设置在第四检测机构4a4的两端，以检测质量块5a在垂直于驱动方向上的质量块5a的振动。子结构中的第一驱动机构3al、第二驱动机构3a2被限制在X轴方向运动，子结构中的第一检测机构4al、第二检测机构4a2、第三检测机构4a3、第四检测机构4a4被限制在Y轴方向运动。
[0037]同样地，对于第二子结构Ib同样有，第二子结构Ib由质量块5b、固定在基座上的第一固定基座6bl、固定在基座上的第二固定基座6b2、固定在基座上的第三固定基座6b3、固定在基座上的第四固定基座6b4、固定在基座上的第五固定基座6b5、固定在基座上的第六固定基座6b6、固定在基座上的第七固定基座6b7、固定在基座上的第八固定基座6b8、第一驱动机构3bl、第二驱动机构3b2、第一检测机构4bl、第二检测机构4b2、第三检测机构4b3、第四检测机构4b4、第一固接U型折叠梁7bl、第二固接U型折叠梁7b2、第三活动U型折叠梁7b3、第四活动U型折叠梁7b4、第五活动U型折叠梁7b5、第六固接U型折叠梁7b6、第七固接U型折叠梁7b7、第八活动U型折叠梁7b8、第九活动U型折叠梁7b9、第十固接U型折叠梁7b 10、第i^一固接U型折叠梁7bll、第十二活动U型折叠梁7b 12、第十三活动U型折叠梁7bl3、第十四固接U型折叠梁7bl4、第十五固接U型折叠梁7bl5、第十六活动U型折叠梁7bl6、第十七活动U型折叠梁7bl7、第十八固接U型折叠梁7bl8、第十九固接U型折叠梁7b 19、第二十活动U型折叠梁7b20、第二i^一活动U型折叠梁7b21、第二十二固接U型折叠梁7b22、第二十三固接U型折叠梁7b23、第二十四活动U型折叠梁7b24组成；第一驱动机构3bl设置在质量块5b的一侧,第二驱动机构3b2设置在质量块5b相对的另一侧,第一驱动机构3bl与质量块5b之间通过第三活动U型折叠梁7b3和第二十四活动U型折叠梁7b24连接，第三活动U型折叠梁7b3和第二十四活动U型折叠梁7b24设置在第一驱动机构3bI的两端，第二驱动机构3b2与质量块5b之间通过第十二活动U型折叠梁7bl2和第十三活动U型折叠梁7bl3连接，第十二活动U型折叠梁7bl2和第十三活动U型折叠梁7bl3设置在第一驱动机构3bl的两端，以从一个驱动方向上驱动该质量块5b在左右振动；第一检测机构4bl和第三检测机构4b3设置在质量块5b的一侧，第二检测机构4b2和第四检测机构4b4设置在质量块5b相对的另一侧，分别与第一检测机构4bl和第三检测机构4b3相对应，第一检测机构4bl与质量块5b之间通过第四活动U型折叠梁7b4和第五活动U型折叠梁7b5连接，第四活动U型折叠梁7b4和第五活动U型折叠梁7b5设置在第一检测机构4bI的两端，第二检测机构4b2与质量块5b之间通过第二十活动U型折叠梁7b20和第二十一活动U型折叠梁7b21连接，第二十活动U型折叠梁7b20和第二i^一活动U型折叠梁7b21设置在第二检测机构4b2的两端，第三检测机构4b3与质量块5b之间通过第八活动U型折叠梁7b8和第九活动U型折叠梁7b9连接，第八活动U型折叠梁7b8和第九活动U型折叠梁7b9设置在第三检测机构4b3的两端，第四检测机构4b4与质量块5b之间通过第十六活动U型折叠梁7bl6和第十七活动U型折叠梁7bl7连接，第十六活动U型折叠梁7bl6和第十七活动U型折叠梁7bl7设置在第四检测机构4b4的两端，以检测质量块5b在垂直于驱动方向上的质量块5b的振动。子结构中的第一驱动机构3bl、第二驱动机构3b2被限制在X轴方向运动,子结构中的第一检测机构4b1、第二检测机构4b2、第三检测机构4b3、第四检测机构4b4被限制在Y轴方向运动。
[0038]结合图3，子结构连接装置2包括固定在基座上的第一连接装置固定基座6cl、固定在基座上的第二连接装置固定基座6c2、固定在基座上的第三连接装置固定基座6c3、第一固定连接U型折叠梁7cl、第二固定连接U型折叠梁7c2、第三活动U型折叠梁7c3、第四活动U型折叠梁7c4、第五活动U型折叠梁7c5、第六活动U型折叠梁7c6、第七固定连接U型折叠梁7c7、第八固定连接U型折叠梁7c8、第九活动U型折叠梁7c9、第十活动U型折叠梁7cl0、第i^一活动U型折叠梁7cll、第十二活动U型折叠梁7cl2、第一梁间连接块9cl、第二梁间连接块9c2、第三梁间连接块9c3、第四梁间连接块9c4、第一固接平行梁llcl、第二固接平行梁llc2、第三固接平行梁llc3、第四固接平行梁llc4、第一平行梁连接杆12cl、第二平行梁连接杆12c2 ;第一梁间连接块9cl通过第一固定连接U型折叠梁7cl和第二固定连接U型折叠梁7c2与第一固定基座6cl连接，第一梁间连接块9cl分别与第三活动U型折叠梁7c3和第四活动U型折叠梁7c4的一端连接，第三活动U型折叠梁7c3和第四活动U型折叠梁7c4的另一端分别与质量块5a连接，第二梁间连接块9c2分别与第五活动U型折叠梁7c5和第六活动U型折叠梁7c6的一端连接，第五活动U型折叠梁7c5和第六活动U型折叠梁7c6的另一端分别与质量块5a连接，第二梁间连接块9c2通过第一固接平行梁Ilcl和第二固接平行梁llc2与第三固定基座6c3连接，第三梁间连接块9c3通过第七固定连接U型折叠梁7c7和第八固定连接U型折叠梁7c8与第二固定基座6c2连接，第三梁间连接块9c3分别与第九活动U型折叠梁7c9和第十活动U型折叠梁7cl0的一端连接，第九活动U型折叠梁7c9和第十活动U型折叠梁7cl0的另一端分别与质量块5b连接，第四梁间连接块9c4分别与第十一活动U型折叠梁7cll和第十二活动U型折叠梁7cl2的一端连接，第十一活动U型折叠梁7cll和第十二活动U型折叠梁7cl2的另一端分别与质量块5b连接，第四梁间连接块9c4通过第三固接平行梁llc3和第四固接平行梁llc4与第三固定基座6c3连接，第一平行梁连接杆12cl的两端分别与第一固接平行梁Ilcl和第三固接平行梁llc3的活动端连接，第二平行梁连接杆12c2的两端分别与第二固接平行梁llc2和第四固接平行梁llc4的活动端连接以连接第一子结构Ia和第二子结构lb。子结构连接装置，使第一子结构Ia和第二子结构Ib成为一个整体，保证了两个子结构运动频率的一致性，使陀螺仪驱动运动和检测运动时两个子结构的驱动部分和检测部分分别为相向的线运动，且子结构连接装置的设计保证了驱动运动和检测运动的隔离，实现了结构运动的全解耦。
[0039]当工作时，第一驱动机构3al、第二驱动机构3a2在输入驱动信号的作用下通过第三活动U型折叠梁7a3、第十二活动U型折叠梁7al2、第十三活动U型折叠梁7al3、第二十四活动U型折叠梁7a24，带动质量块5a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5a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4al、第二检测机构4a2、第三检测机构4a3、第四检测机构4a4测量质量块5a在Y轴上的受迫振动的振幅，从而得知Z轴方向上的输入角速度大小。
[0040]微陀螺第一子结构驱动机构如图4左半部分所示，由第一驱动机构3al、第二驱动机构3a2组成；第一驱动机构3al包括设置于基座上的第一驱动固定基座及固定梳齿13al、设置于基座上的第一驱动反馈固定基座及驱动反馈固定梳齿13a2、第一驱动活动梳齿架及活动梳齿14al，第二驱动机构3a2包括设置于基座上的第二驱动固定基座及固定梳齿13a3、设置于基座上的第二驱动反馈固定基座及驱动反馈固定梳齿13a4、第二驱动活动梳齿架及活动梳齿14a2 ;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4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3al为例具体说明，本实施例中第一驱动机构3al的活动梳齿架及活动梳齿14al由左至右包括五组相同的梳齿结构，然而也可以只设置一组梳齿结构而不会影响本发明的实现。通过在第一驱动固定基座及固定梳齿13al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5a做间歇振动，通过第一驱动反馈固定基座及驱动反馈固定梳齿13a2来检测驱动运动状况反馈调节驱动电路。对第二驱动机构3a2，同样通过在第二驱动固定基座及固定梳齿13a3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5a做间歇振动，通过第二驱动反馈固定基座及驱动反馈固定梳齿13a4来检测驱动运动状况反馈调节驱动电路。
[0041]微陀螺第二子结构驱动机构如图4右半部分所示，由第一驱动机构3bl、第二驱动机构3b2组成；第一驱动机构3bl包括设置于基座上的第一驱动固定基座及固定梳齿13bl、设置于基座上的第一驱动反馈固定基座及驱动反馈固定梳齿13b2、第一驱动活动梳齿架及活动梳齿14bl，第二驱动机构3b2包括设置于基座上的第二驱动固定基座及固定梳齿13b3、设置于基座上的第二驱动反馈固定基座及驱动反馈固定梳齿13b4、第二驱动活动梳齿架及活动梳齿14b2 ;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4所示设置的第一驱动机构和第二驱动机构中，均为左侧的梳齿结构作为驱动梳齿，右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3bI为例具体说明，本实施例中第一驱动机构3bl的活动梳齿架及活动梳齿14bl由左至右包括五组相同的梳齿结构，然而也可以只设置一组梳齿结构而不会影响本发明的实现。通过在第一驱动固定基座及固定梳齿13bl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5b做间歇振动，通过第一驱动反馈固定基座及驱动反馈固定梳齿13b2来检测驱动运动状况反馈调节驱动电路。对第二驱动机构3b2，同样通过在第二驱动固定基座及固定梳齿13b3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5b做间歇振动，通过第二驱动反馈固定基座及驱动反馈固定梳齿13b4来检测驱动运动状况反馈调节驱动电路。
[0042]微陀螺第一子结构的检测机构如图5左半部分所示，由第一检测机构4al、第二检测机构4a2、第三检测机构4a3、第四检测机构4a4组成；第一检测机构4al包括设置于基座上的第一检测固定基座及固定梳齿正极15al、设置于基座上的第一检测固定基座及固定梳齿负极15a2、第一检测活动梳齿架及活动梳齿16al,第二检测机构4a2包括设置于基座上的第二检测固定基座及固定梳齿正极15a3、设置于基座上的第二检测固定基座及固定梳齿负极15a4、第二检测活动梳齿架及活动梳齿16a2，第三检测机构4a3包括设置于基座上的第三检测固定基座及固定梳齿正极15a5、设置于基座上的第三检测固定基座及固定梳齿负极15a6、第三检测活动梳齿架及活动梳齿16a3，第四检测机构4a4包括设置于基座上的第四检测固定基座及固定梳齿正极15a7、设置于基座上的第四检测固定基座及固定梳齿负极15a8、第四检测活动梳齿架及活动梳齿16a4。以下以第一检测机构4al为例具体说明，本实施例中第一检测机构4al的活动梳齿架及活动梳齿16al由上至下包括三组相同的梳齿结构，然而也可以只设置一组梳齿结构而不会影响本发明的实现。当微陀螺工作时，Z轴存在角速度输入时，质量块5a将会在Y轴方向间歇振动，通过U型折叠梁带动第一检测机构4al同样在Y轴方向间歇振动，第一检测活动梳齿架及活动梳齿16al在Y轴方向的间歇振动使固定梳齿正极15al和固定梳齿负极15a2上的电容产生变化，电容的变化量与质量块5a在Y轴上的受迫振动的振幅成正比，测量检测电容的变化量可以得知Z轴方向上的输入角速度大小。
[0043]微陀螺第二子结构的检测机构如图5右半部分所示，由第一检测机构4bl、第二检测机构4b2、第三检测机构4b3、第四检测机构4b4组成；第一检测机构4bl包括设置于基座上的第一检测固定基座及固定梳齿正极15bl、设置于基座上的第一检测固定基座及固定梳齿负极15b2、第一检测活动梳齿架及活动梳齿16bl,第二检测机构4b2包括设置于基座上的第二检测固定基座及固定梳齿正极15b3、设置于基座上的第二检测固定基座及固定梳齿负极15b4、第二检测活动梳齿架及活动梳齿16b2，第三检测机构4b3包括设置于基座上的第三检测固定基座及固定梳齿正极15b5、设置于基座上的第三检测固定基座及固定梳齿负极15b6、第三检测活动梳齿架及活动梳齿16b3，第四检测机构4b4包括设置于基座上的第四检测固定基座及固定梳齿正极15b7、设置于基座上的第四检测固定基座及固定梳齿负极15b8、第四检测活动梳齿架及活动梳齿16b4。以下以第一检测机构4bl为例具体说明，本实施例中第一检测机构4bl的活动梳齿架及活动梳齿16bl由上至下包括三组相同的梳齿结构，然而也可以只设置一组梳齿结构而不会影响本发明的实现。当微陀螺工作时，Z轴存在角速度输入时，质量块5b将会在Y轴方向间歇振动，通过U型折叠梁带动第一检测机构4bI同样在Y轴方向间歇振动，第一检测活动梳齿架及活动梳齿16bl在Y轴方向的间歇振动使固定梳齿正极15bl和固定梳齿负极15b2上的电容产生变化，电容的变化量与质量块5b在Y轴上的受迫振动的振幅成正比，测量检测电容的变化量可以得知Z轴方向上的输入角速度大小。
[0044]玻璃基座如图6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17a3、第一驱动输入引线17al、第二驱动输入引线17a9、第一驱动反馈引线17a2、第二驱动反馈引线17a8、第一检测信号引线正极17a4、第二检测信号引线正极17a6、第一检测信号引线负极17a5、第二检测信号引线负极17a7 ;其中公共电极17a3引线连通至第一固定基座18al ;第一驱动输入引线17al连通至第一驱动固定基座及固定梳齿13al，第二驱动输入引线17a9连通至第二驱动固定基座及固定梳齿13a3，第一驱动反馈引线17a2连通至第一驱动反馈固定基座及驱动反馈固定梳齿13a2，第二驱动反馈引线17a8连通至第二驱动反馈固定基座及驱动反馈固定梳齿13a4 ;第一检测信号引线正极17a4连通至第一检测固定基座及固定梳齿正极15al和第二检测固定基座及固定梳齿正极15a3,第二检测信号引线正极17a6连通至第三检测固定基座及固定梳齿正极15a5和第四检测固定基座及固定梳齿正极15a7，第一检测信号引线负极17a5连通至第一检测固定基座及固定梳齿负极15a2和第二检测固定基座及固定梳齿负极15a4,第二检测信号引线负极17a7连通至第三检测固定基座及固定梳齿负极15a6和第四检测固定基座及固定梳齿负极15a8。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、第五固定基座键合点18a5、第六固定基座键合点18a6、第七固定基座键合点18a7、第八固定基座键合点18a8，第一驱动固定基座键合点18dl、第一驱动反馈固定基座键合点18d2、第二驱动固定基座键合点18d3、第二驱动反馈固定基座键合点18d4、第一检测固定基座正极键合点18el、第一检测固定基座负极键合点18e2、第二检测固定基座正极键合点18e3、第二检测固定基座负极键合点18e4、第三检测固定基座正极键合点18e5、第三检测固定基座负极键合点18e6、第四检测固定基座正极键合点18e7、第四检测固定基座负极键合点18e8。
[0045]第二子结构Ib的信号引线包括公共电极引线17b3、第一驱动输入引线17bl、第二驱动输入引线17b9、第一驱动反馈引线17b2、第二驱动反馈引线17b8、第一检测信号引线正极17b4、第二检测信号引线正极17b6、第一检测信号引线负极17b5、第二检测信号引线负极17b7 ;其中公共电极17b3引线连通至第一固定基座18bl ;第一驱动输入引线17bl连通至第一驱动固定基座及固定梳齿13bl，第二驱动输入引线17b9连通至第二驱动固定基座及固定梳齿13b3，第一驱动反馈引线17b2连通至第一驱动反馈固定基座及驱动反馈固定梳齿13b2，第二驱动反馈引线17b8连通至第二驱动反馈固定基座及驱动反馈固定梳齿13b4 ;第一检测信号引线正极17b4连通至第一检测固定基座及固定梳齿正极15bl和第二检测固定基座及固定梳齿正极15b3，第二检测信号引线正极17b6连通至第三检测固定基座及固定梳齿正极15b5和第四检测固定基座及固定梳齿正极15b7，第一检测信号引线负极17b5连通至第一检测固定基座及固定梳齿负极15b2和第二检测固定基座及固定梳齿负极15b4，第二检测信号引线负极17b7连通至第三检测固定基座及固定梳齿负极15b6和第四检测固定基座及固定梳齿负极15b8。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、第五固定基座键合点18b5、第六固定基座键合点18b6、第七固定基座键合点18b7、第八固定基座键合点18b8，第一驱动固定基座键合点18f 1、第一驱动反馈固定基座键合点18f2、第二驱动固定基座键合点18f3、第二驱动反馈固定基座键合点18f4、第一检测固定基座正极键合点18gl、第一检测固定基座负极键合点18g2、第二检测固定基座正极键合点18g3、第二检测固定基座负极键合点18g4、第三检测固定基座正极键合点18g5、第三检测固定基座负极键合点18g6、第四检测固定基座正极键合点18g7、第四检测固定基座负极键合点18g80
[0046]子结构连接装置键合点包括第一固定基座键合点18cl、第二固定基座键合点18c2、第三固定基座键合点18c3。
[0047]各个固定基座:6al、6a2、6a3、6a4、6a5、6a6、6a7、6a8、6bl、6b2、6b3、6b4、6b5、6b6、6b7、6b8、6cl、6c2、6c3、13al、13a2、13a3、13a4、13bl、13b2、13b3、13b4、15al、15a2、15a3、15a4、15a5、15a6、15a7、15a8、15bl、15b2、15b3、15b4、15b5、15b6、15b7、15b8 分别对应键合点 18al、18a2、18a3、18a4、18a5、18a6、18a7、18a8、18bl、18b2、18b3、18b4、18b5、18b6、18b7、18b8、18cl、18c2、18c3、18dl、18d2、18d3、18d4、18f!、18f2、18f3、18f4、18el、18e2、18e3、18e4、18e5、18e6、18e7、18e8、18gl、18g2、18g3、18g4、18g5、18g6、18g7、18g8 相连。
[0048]本发明基于柔性连接的双质量解耦硅微陀螺仪，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3al、第二驱动机构3a2通过第三活动U型折叠梁7a3、第十二活动U型折叠梁7al2、第十三活动U型折叠梁7al3、第二十四活动U型折叠梁7a24，带动质量块5a在X轴方向上来回振动，同时驱动第一驱动机构3bl、第二驱动机构3b2通过第三活动U型折叠梁7b3、第十二活动U型折叠梁7bl2、第十三活动U型折叠梁7bl3、第二十四活动U型折叠梁7b24，带动质量块5b在X轴方向上来回振动，质量块5a和质量块5b的运动通过子结构连接装置2作相向的简谐线振动；而此时第一检测机构4a1、第二检测机构4a2、第三检测机构4a3、第四检测机构4a4、第一检测机构4b1、第二检测机构4b2、第三检测机构4b3、第四检测机构4b4由于第二固接U型梁7a2、第六固接U型梁7a6、二十二固接U型梁7a22、第十九固接U型梁7al9、第七固接U型梁7a7、第十固接U型梁7al0、第十五固接U型梁7al5、第十八固接U型梁7al8、第二固接U型梁7b2、第六固接U型梁7b6、二十二固接U型梁7b22、第十九固接U型梁7bl9、第七固接U型梁7b7、第十固接U型梁7bl0、第十五固接U型梁7bl5、第十八固接U型梁7bl8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ωζ时，根据右手定则，质量块5a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5a沿着敏感轴Y轴作相向简谐线振动，而质量块5b沿着敏感轴Y轴与质量块5a作相反的简谐线振动；通过第四活动U型折叠梁7a4、第五活动U型折叠梁7a5、第二十活动U型折叠梁7a20、第二H^一活动U型折叠梁7a21、第八活动U型折叠梁7a8、第九活动U型折叠梁7a9、第十六活动U型折叠梁7al6、第十七活动U型折叠梁7al7、第四活动U型折叠梁7b4、第五活动U型折叠梁7b5、第二十活动U型折叠梁7b20、第二i^一活动U型折叠梁7b21、第八活动U型折叠梁7b8、第九活动U型折叠梁7b9、第十六活动U型折叠梁7bl6、第十七活动U型折叠梁7bl7、带动第一检测机构4al、第二检测机构4a2、第三检测机构4a3、第四检测机构4a4、第一检测机构4bl、第二检测机构4b2、第三检测机构4b3、第四检测机构4b4沿Y方向作相向的简谐线振动，而此时第一驱动机构3al、第二驱动机构3a2、第一驱动机构3bl、第二驱动机构3b2由于受到第一驱动机构3al通过第一固接U型梁7al、第二十三固接U型梁7a23、第H^一固接U型梁7all、第十四固接U型梁7al4、第一固接U型梁7bl、第二十三固接U型梁7b23、第十一固接U型梁7bll、第十四固接U型梁7bl4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4al的第一检测固定梳齿正极15al、第一检测固定梳齿负极15a2、第二检测机构4al的第二检测固定梳齿正极15a3、第二检测固定梳齿负极15a4、第三检测机构4al的第三检测固定梳齿正极15a5、第三检测固定梳齿负极15a6、第四检测机构4a4的第四检测固定梳齿正极15a7、第四检测固定基座及固定梳齿负极15a8、第一检测机构4bl的第一检测固定梳齿正极15bl、第一检测固定梳齿负极15b2、第二检测机构4bl的第二检测固定梳齿正极15b3、第二检测固定梳齿负极15b4、第三检测机构4bl的第三检测固定梳齿正极15b5、第三检测固定梳齿负极15b6、第四检测机构4b4的第四检测固定梳齿正极15b7、第四检测固定基座及固定梳齿负极15b8、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。
[0049]输出电压信号为子结构5a和5b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。
[0050]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】
1.一种基于柔性连接的双质量解耦硅微陀螺仪，其特征在于，包括设有电信号引出线的基座和置于基座上的微陀螺机械结构层； 微陀螺机械结构层包括第一子结构、第二子结构和子结构连接装置，第一子结构和第二子结构通过子结构连接装置连接； 第一子结构和第二子结构为结构相同的角速度测量子结构，所述的角速度测量子结构为轴对称结构，包括质量块、驱动机构、检测机构和子结构固定基座；驱动机构有两个，分别设在质量块的上下两端、并分别通过固接U型折叠梁与质量块的上下两端连接；检测机构有四个，其中两个设在质量块上端的左右两侧、并分别通过固接U型折叠梁与质量块上端的左右两侧连接，另外两个设在质量块下端的左右两侧、并分别通过固接U型折叠梁与质量块下端的左右两侧连接；驱动机构和检测机构均通过固定基座固定在基座上。
2.根据权利要求1所述的基于柔性连接的双质量解耦硅微陀螺仪，其特征在于，子结构连接装置为轴对称结构，包括第一连接装置固定基座、第二连接装置固定基座、第三连接装置固定基座、第一梁间连接块、第二梁间连接块、第三梁间连接块、第四梁间连接块； 第二梁间连接块和第四梁间连接块的一端分别通过固接平行梁连接在第三连接装置固定基座的两端；第二梁间连接块和第四梁间连接块的另一端分别通过活动U型折叠梁与第一子结构和第二子结构中部的一侧连接；第一子结构和第二子结构中部的另一侧分别与第一梁间连接块和第三梁间连接块的一端连接，第一梁间连接块和第三梁间连接块的另一端分别通过活动U型折叠梁与第一连接装置固定基座和第二连接装置固定基座连接。
3.根据权利要求2所述的基于柔性连接的双质量解耦硅微陀螺仪，其特征在于，固接平行梁有四个，分别为第一固接平行梁、第二固接平行梁、第三固接平行梁和第四固接平行梁； 第二梁间连接块的一端通过第一固接平行梁和第二固接平行梁与第三连接装置固定基座的一端连接；第四梁间连接块的一端通过第三固接平行梁和第四固接平行梁与第三连接装置固定基座的另一端连接；第一平行梁连接杆的两端分别与第一固接平行梁和第三固接平行梁的活动端连接，第二平行梁连接杆的两端分别与第二固接平行梁和第四固接平行梁的活动端连接。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于柔性连接的双质量解耦硅微陀螺仪，其特征在于，所述的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、驱动活动梳齿、驱动固定梳齿和驱动反馈固定梳齿； 驱动活动梳齿有两个以上，等间距垂直设在驱动活动梳齿架上；驱动固定梳齿和驱动反馈固定均与活动梳齿的数量相等，每个驱动活动梳齿的两侧均分别配合有一个驱动固定梳齿和一个驱动反馈固定梳齿，每个驱动固定梳齿和驱动反馈固定梳齿均固定在基座上，所有驱动反馈固定梳齿连为一体结构；驱动活动梳齿架通过固接U型折叠梁与质量块连接。
5.根据权利要求4所述的基于柔性连接的双质量解耦硅微陀螺仪，其特征在于，所述的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检测活动梳齿架、检测活动梳齿、检测固定梳齿正极和检测固定梳齿负极； 检测活动梳齿有两个以上，等间距垂直设在检测活动梳齿架上；检测固定梳齿正极和检测固定梳齿负极均与检测活动梳齿的数量相等，每个检测活动梳齿的两侧均分别配合有一个检测固定梳齿正极和一个检测固定梳齿负极，每个检测固定梳齿正极和检测固定梳齿负极均固定在基座上，检测固定梳齿正极连为一体结构；检测活动梳齿架通过固接U型折叠梁与质量块连接。
6.根据权利要求5所述的基于柔性连接的双质量解耦硅微陀螺仪，其特征在于，所述基座上设置有驱动输入引线、驱动反馈引线、检测信号引线正极和检测信号引线负极；驱动输入引线连通至驱动固定梳齿，驱动反馈引线连通至驱动反馈固定梳齿；检测信号引线正极连通至检测固定梳齿正极，检测信号引线负极连通至检测固定梳齿负极。
【文档编号】G01C19/5684GK104236535SQ201410449942
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】杨波, 邓允朋, 殷勇, 戴波, 王行军, 胡迪 申请人:东南大学