一种防过载冲击的微机械结构的制作方法

本发明涉及微机械结构，尤其涉及一种防过载冲击的微机械结构。

背景技术：

1、陀螺仪作为测量角速度的一种现代高精度传感器，当应用在强烈振动或者剧烈冲击等较为恶劣的环境中时，测量结果存在漂移，甚至导致陀螺仪的破碎，使得陀螺仪失效。针对测量结果存在的漂移，目前常用的解决方案是采用传感器单元配合加速度计结合算法实现标定与校正，但是这种结构的陀螺仪具有较大的尺寸，同时分立器件彼此之间的电学参数会串扰，从而带来寄生电容、相位漂移等问题。为了应对过载冲击而导致的陀螺仪的破碎，通常会在陀螺仪的可动部件上设计一个凸块，撞击发生时首先凸块撞击到固定边界或者其他可动部件，从而防止撞击磕碰点发生在陀螺的关键器件，由于这种防碰撞结构本质上是通过一次碰撞时瞬间的动能转化实现的，因此，关键器件仍然会承受比较大的应力，导致陀螺仪的测量精度降低甚至损坏。

技术实现思路

1、基于以上所述，本发明的目的在于提供一种防过载冲击的微机械结构，解决了现有的防碰撞陀螺仪不适用于强烈振动或者剧烈冲击的环境中的问题，降低了因关键部件损坏而使得陀螺仪的精度下降甚至损坏的概率，提高了陀螺仪的鲁棒性。

2、为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种防过载冲击的微机械结构，包括：

4、固定框；

5、缓冲组件，包括变形壁、压阻区域及交换块组，所述变形壁固定在所述固定框上且两者围成隔离的阻尼腔和真空腔，所述阻尼腔内填充有阻尼气体，至少部分所述变形壁沿第一方向和第二方向中的至少一个方向延伸，所述压阻区域形成在所述变形壁上，所述交换块组位于所述真空腔内且与所述变形壁弹性连接，所述交换块组能够沿垂直于所述变形壁的方向运动；

6、微机械单元，位于所述真空腔内且包括若干个质量块，所述质量块能够沿第一方向和第二方向中的至少一个方向运动，所述变形壁的第一等效刚度大于所述微机械单元的第二等效刚度；

7、泄载块，与所述质量块连接且能够撞击所述交换块组以使所述变形壁发生变形，所述压阻区域的阻值随所述变形壁的变形而变化，所述泄载块的质量和与所述泄载块对应的能够沿第一方向或第二方向的可动的所述质量块的质量之和大于与所述泄载块对应的所述交换块组的质量。

8、作为一种防过载冲击的微机械结构的优选方案，所述交换块组包括第一交换子块和第二交换子块，所述第一交换子块的第一斜面能够与所述泄载块的第二斜面贴合，所述第二交换子块的第三斜面能够与所述泄载块的第四斜面贴合，所述第一斜面与所述第三斜面相对设置且两者以沿第一方向或者第二方向的轴线为对称轴对称分布，所述第一斜面与所述第三斜面之间的距离沿靠近所述变形壁的方向逐渐减小。

9、作为一种防过载冲击的微机械结构的优选方案，所述第一交换子块和所述第二交换子块均为直角梯形块，所述泄载块为等腰梯形块，所述第一斜面、所述第二斜面、所述第三斜面及所述第四斜面与所述等腰梯形块的高之间的夹角均为θ。

10、作为一种防过载冲击的微机械结构的优选方案，定义沿第一方向或者第二方向的可动的所述质量块的质量之和以及与之对应的所述泄载块的质量之和为m1,所述交换块组的质量为mj，所述交换块组与所述泄载块碰撞时两者之间的摩擦系数为μ1，则θ、m1、mj及μ1之间满足式中，m1＞mj，μ1＞0.5，且θ满足tanθ＞2或者sinθ＜0.5。

11、作为一种防过载冲击的微机械结构的优选方案，所述压阻区域包括两个第一压阻子区域和至少两个第二压阻子区域，两个所述第一压阻子区域分别设置在所述变形壁的端部，所述第一交换子块和所述第二交换子块分别正对一个所述第二压阻子区域。

12、作为一种防过载冲击的微机械结构的优选方案，两个所述第一压阻子区域和至少两个所述第二压阻子区域形成惠斯通电桥。

13、作为一种防过载冲击的微机械结构的优选方案，沿第一方向延伸的所述变形壁上设有能够沿第二方向运动的所述交换块组，沿第二方向延伸的所述变形壁上设有能够沿第一方向运动的所述交换块组。

14、作为一种防过载冲击的微机械结构的优选方案，所述阻尼气体为氮气或者惰性气体，所述真空腔的压强低于0.1pa。

15、作为一种防过载冲击的微机械结构的优选方案，所述缓冲组件还包括缓冲梁，所述微机械单元为微陀螺单元，所述微陀螺单元包括固定锚点和弹性连接梁，所述缓冲梁的第一劲度系数小于所述弹性连接梁的第二劲度系数，所述质量块通过所述弹性连接梁连接在所述固定锚点上，所述缓冲梁的两端分别与所述交换块组和所述变形壁相连，所述泄载块固定在所述质量块上。

16、作为一种防过载冲击的微机械结构的优选方案，所述质量块分为驱动质量块、检测质量块及耦合质量块，所述驱动质量块上设有驱动电极，所述检测质量块上设有检测电极，所述耦合质量块分别与所述驱动质量块和所述检测质量块弹性连接，所述驱动电极能够驱动所述驱动质量块沿第一方向带动所述耦合质量块运动，检测第三方向的角速度时，所述耦合质量块能够带动所述检测质量块沿第二方向运动，所述检测电极能够检测所述第三方向的角速度。

17、本发明的有益效果为：

18、本发明公开的防过载冲击的微机械结构，采用一体式协同设计，结构紧凑，彼此之间的延时和相位差均比较小，泄载块撞击交换块组时，变形壁产生变形，由于泄载块的质量和与该泄载块对应的可动的质量块的质量之和大于与变形壁弹性连接的交换块组的质量，因此，交换块组与泄载块可以发生多次碰撞以实现泄载块动能的逐步释放，以多次碰撞代替一次的瞬时碰撞，每次碰撞所交换的动能得到降低，变形壁的变形量实时变化使得压阻区域的电阻值随之实时变化，根据算法可以获取相应时刻的加速度，实时追踪的泄载情况，监控的状态，降低了关键器件发生损坏的概率，增加了陀螺仪适用于强烈振动或者剧烈冲击的环境的可靠性，提高了陀螺仪的鲁棒性，延长了陀螺仪的使用寿命。

技术特征：

1.一种防过载冲击的微机械结构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的防过载冲击的微机械结构，其特征在于，所述交换块组包括第一交换子块和第二交换子块，所述第一交换子块的第一斜面能够与所述泄载块的第二斜面贴合，所述第二交换子块的第三斜面能够与所述泄载块的第四斜面贴合，所述第一斜面与所述第三斜面相对设置且两者以沿第一方向或者第二方向的轴线为对称轴对称分布，所述第一斜面与所述第三斜面之间的距离沿靠近所述变形壁的方向逐渐减小。

3.根据权利要求2所述的防过载冲击的微机械结构，其特征在于，所述第一交换子块和所述第二交换子块均为直角梯形块，所述泄载块为等腰梯形块，所述第一斜面、所述第二斜面、所述第三斜面及所述第四斜面与所述等腰梯形块的高之间的夹角均为θ。

4.根据权利要求3所述的防过载冲击的微机械结构，其特征在于，定义沿第一方向或者第二方向的可动的所述质量块的质量之和以及与之对应的所述泄载块的质量之和为m1,所述交换块组的质量为mj，所述交换块组与所述泄载块碰撞时两者之间的摩擦系数为μ1，则θ、m1、mj及μ1之间满足式中，m1＞mj，μ1＞0.5，且θ满足tanθ＞2或者sinθ＜0.5。

5.根据权利要求2所述的防过载冲击的微机械结构，其特征在于，所述压阻区域包括两个第一压阻子区域和至少两个第二压阻子区域，两个所述第一压阻子区域分别设置在所述变形壁的端部，所述第一交换子块和所述第二交换子块分别正对一个所述第二压阻子区域。

6.根据权利要求5所述的防过载冲击的微机械结构，其特征在于，两个所述第一压阻子区域和至少两个所述第二压阻子区域形成惠斯通电桥。

7.根据权利要求1所述的防过载冲击的微机械结构，其特征在于，沿第一方向延伸的所述变形壁上设有能够沿第二方向运动的所述交换块组，沿第二方向延伸的所述变形壁上设有能够沿第一方向运动的所述交换块组。

8.根据权利要求1所述的防过载冲击的微机械结构，其特征在于，所述阻尼气体为氮气或者惰性气体，所述真空腔的压强低于0.1pa。

9.根据权利要求1所述的防过载冲击的微机械结构，其特征在于，所述缓冲组件还包括缓冲梁，所述微机械单元为微陀螺单元，所述微陀螺单元包括质量块、固定锚点及弹性连接梁，所述缓冲梁的第一劲度系数大于所述弹性连接梁的第二劲度系数，所述质量块通过所述弹性连接梁连接在所述固定锚点上，所述缓冲梁的两端分别与所述交换块组和所述变形壁相连，所述泄载块固定在所述质量块上。

10.根据权利要求9所述的防过载冲击的微机械结构，其特征在于，所述质量块分为驱动质量块、检测质量块及耦合质量块，所述驱动质量块上设有驱动电极，所述检测质量块上设有检测电极，所述耦合质量块分别与所述驱动质量块和所述检测质量块弹性连接，所述驱动电极能够驱动所述驱动质量块沿第一方向带动所述耦合质量块运动，检测第三方向的角速度时，所述耦合质量块能够带动所述检测质量块沿第二方向运动，所述检测电极能够检测所述第三方向的角速度。

技术总结
本发明涉及微机械结构技术领域，公开一种防过载冲击的微机械结构，包括：固定框；缓冲组件，包括变形壁、压阻区域及交换块组，变形壁固定在固定框上且两者围成隔离的阻尼腔和真空腔，至少部分变形壁沿第一方向和第二方向中的至少一个方向延伸，压阻区域形成在变形壁上，交换块组位于真空腔内且与变形壁弹性连接；微机械单元，位于真空腔内且包括质量块；泄载块，与微机械单元连接且能够撞击交换块组以使变形壁发生变形，泄载块的质量和与该泄载块对应的能够沿第一方向或第二方向的可动的质量块的质量之和大于与泄载块对应的交换块组的质量。本发明公开的防过载冲击的微机械结构降低了因关键部件损坏而使得陀螺仪的精度下降甚至损坏的概率。

技术研发人员：熊万里,柳俊文,史晓晶,张一鸣,胡引引
受保护的技术使用者：南京元感微电子有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29