一种基于音叉驱动效应的高精度水平轴硅微陀螺仪的制作方法

本发明属于微机械惯性仪表技术领域，尤其涉及一种基于音叉驱动效应的高精度水平轴硅微陀螺仪，可应用于制导炸弹、便携防空导弹、移动设备、无人机、导航设备等系统，用于测量载体绕固定轴相对惯性空间的的旋转角速率。

背景技术：

陀螺仪是测量载体相对惯性空间旋转运动的传感器，是运动测量、惯性导航、制导控制等领域的核心器件，在航空航天、无人驾驶、制导弹药等高端工业装备和精确打击武器中具有非常重要的应用价值。随着单兵导航、微小型作战平台、卫星导航、无人驾驶、物联网、智能医疗等应用领域的不断发展，硅微陀螺仪因具有体积小、功耗低、寿命长、可批量生产、价格便宜等特点而具有巨大的应用前景。

硅微陀螺仪通常应用在小型惯性测量单元(imu)中，一个高性能的6轴imu由3个单轴微型陀螺仪和3个单轴微型加速度计构成，可同时测量偏航角速率、俯仰角速率及滚动角速率。由于传统的硅微陀螺仪一般为z轴陀螺仪，用以偏航角速率检测器件的应用，而俯仰和滚动角速率的测量需要将z轴陀螺仪垂直放置才可实现。此种放置方式导致惯性测量单元的体积增加，不利于微惯性系统的小型化。而国内单片集成三轴陀螺仪的精度、集成度等与国外先进技术相比仍然存在较大的差距，极大的限制了国内微惯性器件的发展应用，且单片集成三轴陀螺仪各个方向的耦合度较高，不利于高精度测量。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于音叉驱动效应的高精度水平轴硅微陀螺仪，采用音叉驱动效应的高精度水平轴硅微陀螺仪，实现俯仰和滚动速率的检测。同时采用差分真空封装形式，实现硅微陀螺仪在复杂振动力学环境下能保持较高的角速率测量精度，进而为小型惯性测量单元的集成打下基础。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种基于音叉驱动效应的高精度水平轴硅微陀螺仪，包括：包括盖帽层、陀螺仪敏感结构和衬底层；其中，所述盖帽层和所述衬底层相连接组成内部真空结构，所述陀螺仪敏感结构设置于所述内部真空结构；所述陀螺敏感结构包括第一驱动梳齿组、第二驱动梳齿组、第三驱动梳齿组、第四驱动梳齿组、第一驱动检测梳齿、第二驱动检测梳齿、第三驱动检测梳齿、第四驱动检测梳齿、第一驱动弹性梁组、第二驱动弹性梁组、第一检测弹性梁组、第二检测弹性梁组、锚区组、第一质量块、第二质量块、耦合弹性梁、第一驱动框架和第二驱动框架；其中，所述第一驱动梳齿组和所述第一驱动检测梳齿均设置于所述第一驱动框架的第一一侧壁；所述第二驱动梳齿组和所述第二驱动检测梳齿均设置于所述第一驱动框架的第一二侧壁；其中，第一一侧壁和第一二侧壁相对；所述第三驱动梳齿组和所述第三驱动检测梳齿均设置于所述第二驱动框架的第二一侧壁；所述第四驱动梳齿组和所述第四驱动检测梳齿均设置于所述第二驱动框架的第二二侧壁；其中，第二一侧壁与第二二侧壁相对；所述第一驱动弹性梁组的一端与所述锚区组相连接，所述第一驱动弹性梁组的另一端与第一驱动框架相连接；所述第二驱动弹性梁组的一端与所述锚区组相连接，所述第二驱动弹性梁组的另一端与第二驱动框架相连接；所述第一质量块设置于所述第一驱动框架的内部，所述第二质量块设置于所述第二驱动框架的内部；所述第一检测弹性梁组的一端与所述第一驱动框架相连接，所述第一检测弹性梁组的另一端与所述第一质量块相连接；所述第二检测弹性梁组的一端与所述第二驱动框架相连接，所述第二检测弹性梁组的另一端与所述第二质量块相连接；所述第一驱动框架通过所述耦合弹性梁和所述第二驱动框架相连接；所述第一质量块和所述第二质量块关于所述耦合弹性梁的中心线对称；所述衬底层的上表面设置有第一金属电极板和第二金属电极板，所述第一金属电极板与所述第一质量块的下表面形成检测电容，所述第二金属电极板与所述第二质量块的下表面形成检测电容。

上述基于音叉驱动效应的高精度水平轴硅微陀螺仪中，所述第一驱动梳齿组包括五个第一驱动梳齿，五个第一驱动梳齿等间距并排设置于第一驱动框架的一个侧壁；所述第二驱动梳齿组包括五个第二驱动梳齿，五个第二驱动梳齿等间距并排设置于第一驱动框架的另一个侧壁；所述第三驱动梳齿组包括五个第三驱动梳齿，五个第三驱动梳齿等间距并排设置于第二驱动框架的一个侧壁；所述第四驱动梳齿组包括五个第四驱动梳齿，五个第四驱动梳齿等间距并排设置于第二驱动框架的另一个侧壁。

上述基于音叉驱动效应的高精度水平轴硅微陀螺仪中，所述第一驱动弹性梁组包括第一一驱动弹性梁、第一二驱动弹性梁、第一三驱动弹性梁和第一四驱动弹性梁；所述锚区组包括第一锚区、第二锚区、第三锚区、第四锚区、第五锚区和第六锚区；所述第一一驱动弹性梁的一端与第一锚区相连接，所述第一一驱动弹性梁的另一端与第一驱动框架的左上角点相连接；所述第一二驱动弹性梁的一端与第二锚区相连接，所述第一二驱动弹性梁的另一端与第一驱动框架的右上角点相连接；所述第一三驱动弹性梁的一端与第三锚区相连接，所述第一三驱动弹性梁的另一端与第一驱动框架的左下角点相连接；所述第一四驱动弹性梁的一端与第四锚区相连接，所述第一四驱动弹性梁的另一端与第一驱动框架的右下角点相连接。

上述基于音叉驱动效应的高精度水平轴硅微陀螺仪中，所述第二驱动弹性梁组包括第二一驱动弹性梁、第二二驱动弹性梁、第二三驱动弹性梁和第二四驱动弹性梁；所述第二一驱动弹性梁的一端与第二锚区相连接，所述第二一驱动弹性梁的另一端与第二驱动框架的左上角点相连接；所述第二二驱动弹性梁的一端与第五锚区相连接，所述第二二驱动弹性梁的另一端与第二驱动框架的右上角点相连接；所述第二三驱动弹性梁的一端与第四锚区相连接，所述第二三驱动弹性梁的另一端与第二驱动框架的左下角点相连接；所述第二四驱动弹性梁的一端与第六锚区相连接，所述第二四驱动弹性梁的另一端与第二驱动框架的右下角点相连接。

上述基于音叉驱动效应的高精度水平轴硅微陀螺仪中，所述第一检测弹性梁组包括第一一检测弹性梁、第一二检测弹性梁、第一三检测弹性梁和第一四检测弹性梁；其中，所述第一一检测弹性梁的一端与所述第一驱动框架的第一一侧壁相连接，所述第一一检测弹性梁的另一端与所述第一质量块相连接；所述第一二检测弹性梁的一端与所述第一驱动框架的第一二侧壁相连接，所述第一二检测弹性梁的另一端与所述第一质量块相连接；所述第一三检测弹性梁的一端与所述第一驱动框架的第一三侧壁相连接，所述第一三检测弹性梁的另一端与所述第一质量块相连接；所述第一四检测弹性梁的一端与所述第一驱动框架的第一四侧壁相连接，所述第一四检测弹性梁的另一端与所述第一质量块相连接。

上述基于音叉驱动效应的高精度水平轴硅微陀螺仪中，所述第二检测弹性梁组包括第二一检测弹性梁、第二二检测弹性梁、第二三检测弹性梁和第二四检测弹性梁；其中，所述第二一检测弹性梁的一端与所述第二驱动框架的第二一侧壁相连接，所述第二一检测弹性梁的另一端与所述第二质量块相连接；所述第二二检测弹性梁的一端与所述第二驱动框架的第二二侧壁相连接，所述第二二检测弹性梁的另一端与所述第二质量块相连接；所述第二三检测弹性梁的一端与所述第二驱动框架的第二三侧壁相连接，所述第二三检测弹性梁的另一端与所述第二质量块相连接；所述第二四检测弹性梁的一端与所述第二驱动框架的第二四侧壁相连接，所述第二四检测弹性梁的另一端与所述第二质量块相连接。

上述基于音叉驱动效应的高精度水平轴硅微陀螺仪中，所述第一质量块的横截面为正方形。

上述基于音叉驱动效应的高精度水平轴硅微陀螺仪中，所述第二质量块的横截面为正方形。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明通过驱动弹性梁及检测弹性梁的自由度和位置设计，以及检测电容的结构设计，相较于传统的音叉驱动z轴陀螺仪在水平放置时只能测量偏航角速率信号的局限，本发明在水平放置时可测量俯仰与滚动角速率信号；

(2)本发明通过采用双质量对称差分微结构设计，可形成振动条件输入下的应力自抵消，相比单质量水平轴结构，其仪表精度大幅提升，可实现硅微机电陀螺在复杂振动力学环境下对水平方向角速度的测量；

(3)本发明通过采用差分检测电容结构设计，能够有效抑制各类共模干扰信号，提升检测电容灵敏度。

(4)本发明通过使用具有气体吸附效果的材料作为检测电极材料，实现信号检测的同时，可有效提高结构品质因数，进而提升检测灵敏度。

(5)本发明通过利用质量块下表面与衬底层上表面构成的检测电容，电容量更大，从而具有更高的检测电容灵敏度。

(6)本发明所设计的水平轴陀螺可集成在三轴微陀螺仪系统上，相较于传统三个z轴陀螺仪的集成，可有效降低系统尺寸。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的基于音叉驱动效应的高精度水平轴硅微陀螺仪的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于音叉驱动效应的高精度水平轴硅微陀螺仪的截面结构图；

图3是本发明实施例提供的基于音叉驱动效应的高精度水平轴硅微陀螺仪的一个驱动谐振模态图；

图4是本发明实施例提供的基于音叉驱动效应的高精度水平轴硅微陀螺仪的另一个驱动谐振模态图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例提供的基于音叉驱动效应的高精度水平轴硅微陀螺仪的结构示意图；图2是本发明实施例提供的基于音叉驱动效应的高精度水平轴硅微陀螺仪的截面结构图。

如图1和图2所示，该基于音叉驱动效应的高精度水平轴硅微陀螺仪包括盖帽层17、陀螺仪敏感结构18和衬底层19.其中，

盖帽层17和衬底层19相连接组成内部真空结构，陀螺仪敏感结构18设置于内部真空结构；

陀螺敏感结构18包括第一驱动梳齿组1、第二驱动梳齿组2、第三驱动梳齿组3、第四驱动梳齿组4、第一驱动检测梳齿5、第二驱动检测梳齿6、第三驱动检测梳齿7、第四驱动检测梳齿8、第一驱动弹性梁组91、第二驱动弹性梁组92、第一检测弹性梁组101、第二检测弹性梁组102、锚区组11、第一质量块12、第二质量块13、耦合弹性梁14、第一驱动框架151和第二驱动框架152；其中，

第一驱动梳齿组1和第一驱动检测梳齿5均设置于第一驱动框架151的第一一侧壁1511；第二驱动梳齿组2和第二驱动检测梳齿6均设置于第一驱动框架151的第一二侧壁1512；其中，第一一侧壁1511和第一二侧壁1512相对；第三驱动梳齿组3和第三驱动检测梳齿7均设置于第二驱动框架152的第二一侧壁1521；第四驱动梳齿组4和第四驱动检测梳齿8均设置于第二驱动框架152的第二二侧壁1522；其中，第二一侧壁1521与第二二侧壁1522相对；第一驱动弹性梁组91的一端与锚区组11相连接，第一驱动弹性梁组91的另一端与第一驱动框架151相连接；第二驱动弹性梁组92的一端与锚区组11相连接，第二驱动弹性梁组92的另一端与第二驱动框架152相连接；第一质量块12设置于第一驱动框架151的内部，第二质量块13设置于第二驱动框架152的内部；第一检测弹性梁组101的一端与第一驱动框架151相连接，第一检测弹性梁组101的另一端与第一质量块12相连接；第二检测弹性梁组102的一端与第二驱动框架152相连接，第二检测弹性梁组102的另一端与第二质量块13相连接；第一驱动框架151通过耦合弹性梁14和第二驱动框架152相连接；第一质量块12和第二质量块13关于耦合弹性梁14的中心线对称；衬底层19的上表面设置有第一金属电极板211和第二金属电极板212，第一金属电极板211与第一质量块12的下表面形成检测电容，第二金属电极板212与第二质量块13的下表面形成检测电容。

陀螺仪敏感结构18工作环境为由盖帽层17和衬底层19相连接组成的真空环境；

陀螺仪敏感结构18的驱动模态为第一质量块12和第二质量块13在x方向的反相振动，其谐振频率由第一驱动弹性梁组91的和第二驱动弹性梁组92的刚度及第一质量块12和第二质量块13的质量决定；

反相驱动模态与同相驱动模态的频差由弹性耦合梁14的刚度决定，通过调节弹性耦合梁14的刚度，使同相驱动模态的频率远离实际工作中的反相工作模态频率，减少模态干扰；

陀螺仪敏感结构18检测模态的频率由第一检测弹性梁组101和第二检测弹性梁组102的刚度及第一质量块12和第二质量块13的质量决定；

工作状态下，外部驱动电路在第一驱动梳齿组1、第二驱动梳齿组2、第三驱动梳齿组3、第四驱动梳齿组4上施加偏置交流信号，且第一驱动梳齿组1、第二驱动梳齿组2与第三驱动梳齿组3、第四驱动梳齿组4的交流信号反相，交流信号产生的静电力通过第一驱动框架151和第二驱动框架152分别带动第一质量块12和第二质量块13振动，驱动方向的振动振型为第一质量块12和第二质量块13在x向的左右简谐振动，且第一质量块12和第二质量块13振动方向反相；当外界有沿y轴的角速度输入时，第一质量块12和第二质量块13受到科里奥利力而在z方向上下振动，且第一质量块12和第二质量块13振动反相。第一质量块12和第二质量块13的振动导致衬底层19上表面的第一金属电极板211和第一质量块12的下表面形成的检测电容及第二金属电极板212和第二质量块13形成的检测电容的电容间隙交替增加和减小，从而实现变间距式电容差分检测。

如图1所示，第一驱动梳齿组1包括五个第一驱动梳齿，五个第一驱动梳齿等间距并排设置于第一驱动框架151的一个侧壁；第二驱动梳齿组2包括五个第二驱动梳齿，五个第二驱动梳齿等间距并排设置于第一驱动框架151的另一个侧壁；第三驱动梳齿组3包括五个第三驱动梳齿，五个第三驱动梳齿等间距并排设置于第二驱动框架152的一个侧壁；第四驱动梳齿组4包括五个第四驱动梳齿，五个第四驱动梳齿等间距并排设置于第二驱动框架152的另一个侧壁。

如图1所示，第一驱动弹性梁组91包括第一一驱动弹性梁911、第一二驱动弹性梁912、第一三驱动弹性梁913和第一四驱动弹性梁914；锚区组11包括第一锚区111、第二锚区112、第三锚区113、第四锚区114、第五锚区115和第六锚区116；第一一驱动弹性梁911的一端与第一锚区111相连接，第一一驱动弹性梁911的另一端与第一驱动框架151的左上角点相连接；第一二驱动弹性梁912的一端与第二锚区112相连接，第一二驱动弹性梁912的另一端与第一驱动框架151的右上角点相连接；第一三驱动弹性梁913的一端与第三锚区113相连接，第一三驱动弹性梁913的另一端与第一驱动框架151的左下角点相连接；第一四驱动弹性梁914的一端与第四锚区114相连接，第一四驱动弹性梁914的另一端与第一驱动框架151的右下角点相连接。

如图1所示，第二驱动弹性梁组92包括第二一驱动弹性梁921、第二二驱动弹性梁922、第二三驱动弹性梁923和第二四驱动弹性梁924；第二一驱动弹性梁921的一端与第二锚区112相连接，第二一驱动弹性梁921的另一端与第二驱动框架152的左上角点相连接；第二二驱动弹性梁922的一端与第五锚区115相连接，第二二驱动弹性梁922的另一端与第二驱动框架152的右上角点相连接；第二三驱动弹性梁923的一端与第四锚区114相连接，第二三驱动弹性梁923的另一端与第二驱动框架152的左下角点相连接；第二四驱动弹性梁924的一端与第六锚区116相连接，第二四驱动弹性梁924的另一端与第二驱动框架152的右下角点相连接。

如图1所示，第一检测弹性梁组101包括第一一检测弹性梁1011、第一二检测弹性梁1012、第一三检测弹性梁1013和第一四检测弹性梁1014；其中，第一一检测弹性梁1011的一端与第一驱动框架151的第一一侧壁1511相连接，第一一检测弹性梁1011的另一端与第一质量块12相连接；第一二检测弹性梁1012的一端与第一驱动框架151的第一二侧壁1512相连接，第一二检测弹性梁1012的另一端与第一质量块12相连接；第一三检测弹性梁1013的一端与第一驱动框架151的第一三侧壁1513相连接，第一三检测弹性梁1013的另一端与第一质量块12相连接；第一四检测弹性梁1014的一端与第一驱动框架151的第一四侧壁1514相连接，第一四检测弹性梁1014的另一端与第一质量块12相连接。

如图1所示，第二检测弹性梁组102包括第二一检测弹性梁1021、第二二检测弹性梁1022、第二三检测弹性梁1023和第二四检测弹性梁1024；其中，第二一检测弹性梁1021的一端与第二驱动框架152的第二一侧壁1521相连接，第二一检测弹性梁1021的另一端与第二质量块13相连接；第二二检测弹性梁1022的一端与第二驱动框架152的第二二侧壁1522相连接，第二二检测弹性梁1022的另一端与第二质量块13相连接；第二三检测弹性梁1023的一端与第二驱动框架152的第二三侧壁1523相连接，第二三检测弹性梁1023的另一端与第二质量块13相连接；第二四检测弹性梁1024的一端与第二驱动框架152的第二四侧壁1524相连接，第二四检测弹性梁1024的另一端与第二质量块13相连接。

第一质量块12和第二质量块13为对称布局，工作频率可通过对驱动弹性梁的尺寸设计进行调节，优选地，本实施例工作频率约10khz左右。所述驱动弹性梁在x方向的刚度远小于y方向和z方向的刚度，从而可以使质量块在x方向被驱动。

如图3所示，驱动模态下，由于采用对称差分设计，两个质量块运动方向反相，可形成振动条件输入下的应力自抵消，降低热弹性损耗，提高品质因数，进而提高机械灵敏度，同时，质量块设计有阻尼孔，在降低陀螺仪质量的同时，可有效减小空气阻尼损耗，进而提升陀螺仪的品质因数及机械灵敏度。

在实施例中，在第一驱动梳齿组1、第二驱动梳齿组2、第三驱动梳齿组3和第四驱动梳齿组4施加带直流偏置的正相交流驱动电压，在第一驱动检测梳齿5、第二驱动检测梳齿6、第三驱动检测梳齿7和第四驱动检测梳齿8施加带直流偏置的反相交流驱动电压，产生交变的静电驱动力，并使第一质量块12和第二质量块13在x轴实现反相简谐振动，通过外部电路及算法可以实现闭环驱动。

如图4所示，为本发明的水平轴硅微陀螺仪检测模态，检测频率可由检测弹性梁进行调节。当有y轴角速度输入时，质量块在x方向振动产生的速度与角速率输入ω相互作用，产生沿z轴的哥氏加速度。第一质量块12和第二质量块13在z轴受到哥氏惯性力作用产生强迫振动，且质量块振动方向反相，振动幅值大小代表了哥氏加速度的大小。外部检测电路提取第一驱动检测梳齿5、第二驱动检测梳齿6和第三驱动检测梳齿7、第四驱动检测梳齿8的驱动位移信号，并作差分处理，从而抑制各类共模干扰信号。

在实施例中，质量块在z轴的上下振动导致质量块下表面与衬底层的上表面的间隙改变，通过外部检测电路将电容变化信号提取出来，并进一步解算得到角速率输出的测量值。

本实施例可广泛应用于制导炸弹、便携防空导弹、智能炮弹、无人机、导航设备等系统，用于测量载体绕固定轴相对惯性空间的的旋转角速率，亦可有效缩小三轴集成微惯性系统的体积。在不脱离本发明技术原理的前提下，可以作出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。