一种单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪制造技术

本发明专利技术公开了一种单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪，其结构形式为四方全对称结构，主要包括驱动模块、驱动检测模块、航向角检测模块、俯仰角检测模块、横滚角检测模块以及相应的耦合折叠梁、工字型梁、T型梁、U型梁等组成部分。所设计四方全对称三轴硅微陀螺仪在每个方向上都具有相同的结构，四边的四个大框架通过对角处的耦合折叠梁实现连接支撑，这种对称的结构设计以及对角处的耦合连接保证了陀螺仪工作时的音叉效果。本发明专利技术的单片集成三轴硅微陀螺仪可以同时测量航向、俯仰、横滚三个方向的角速度，其中驱动检测模态与航向角检测模态同其他模态之间实现了解耦。

【技术实现步骤摘要】
一种单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪
本专利技术涉及微机电陀螺仪领域，特别是一种单片集成全对称三轴硅微机械音叉式陀螺仪。
技术介绍
陀螺仪是一种重要的惯性传感器，它可以实现角速度的测量。目前在高精度应用领域，已经发展比较成熟传统陀螺仪更具有性能优势，而在中低精度领域，硅微机械陀螺仪则已逐渐取而代之。与传统陀螺仪相比，硅微机械陀螺仪具有体积小，重量轻，成本低，可靠性高，功耗小，可批量生产等优点，可广泛用于航空、汽车、医疗、摄影、电子消费等领域，具有广阔的应用前景。然而，目前在陀螺仪研究应用上较为广泛的是单轴陀螺仪，它只能检测一个方向的角速度输入，而三轴陀螺仪则可以同时敏感三个方向的角速度输入，能够进一步扩大陀螺仪的应用范围。在三轴陀螺仪的研制方面，AD公司、利顿公司等已经有了商业级的产品问世，但其较多三轴陀螺仪产品并非单片集成，而是由三个单轴陀螺仪组装而成，由于存在着安装偏心等问题，这种形式的三轴陀螺仪难以达到较高精度，目前已经到了进一步提高的瓶颈期。在单片集成三轴陀螺仪研制上，意法半导体公司推出了一款单片集成的三轴陀螺仪产品，其结构尺寸仅为3.2×3.2毫米，但是它并没有实现各驱动、检测方向的解耦，各模态之间的耦合误差较大，而且也没有设置相应的正交校正电极，因此难以达到较高性能。台湾成功大学的蔡南全设计了一种振动环式硅微陀螺仪，理论上可以实现三个方向的角速度测量，但是其结构与加工工艺复杂，难以达到较好的性能，因此还需要进一步研究提高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种新型的单片集成全对称三轴硅微音叉式陀螺仪。一种单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪，包括衬底和位于衬底上的驱动模块、驱动检测模块、航向角检测模块、俯仰角检测模块、横滚角检测模块、正方形大框架和耦合折叠梁；正方形大框架有四件，两两相对设置且构成四方对称结构，四件正方形大框架通过耦合折叠梁连为一体，耦合折叠梁固定在衬底上；驱动模块有四件，分别连接在四件正方形大框架的内边上，内边指两两相对设置的正方形大框架内侧的边；驱动检测模块有四件，分别连接在四件正方形大框架的外边上，外边指同一正方形大框架上与内边相对的边；航向角检测模块有八件，分别两两对称地连接在四个正方形大框架的两侧；俯仰角检测模块有两件，分别置于一对相对设置的两件正方形大框架内部，横滚角检测模块有两件，分别置于另一对相对设置的两件正方形大框架内部，俯仰角检测部分与横滚角检测部分结构相同。俯仰角（横滚）检测部分分别位于两对对边正方形大框架内部，可以实现差分检测。为了提高检测的准确性，上述单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪，为四方全对称结构。上述四方全对称三轴硅微陀螺仪在每个方向上都具有相同的结构，四边的四个大框架通过对角处的耦合折叠梁实现连接支撑，这种对称的结构设计以及对角处的耦合连接保证了陀螺仪工作时的音叉效果。本专利技术的单片集成三轴硅微陀螺仪可以同时测量航向、俯仰、横滚三个方向的角速度，其中驱动检测模态与航向角检测模态同其他模态之间实现了解耦，而俯仰角与横滚角检测模态虽未对驱动与航向角检测模态结构，但是通过合理的检测结构设计避免了其他模态的干扰影响，此外在俯仰角与横滚角检测部分还设置了相应的正交校正电极，从而可以达到较为良好的测量性能。为了提高陀螺仪的稳固性，耦合折叠梁有四件，分别将相邻的两正方形大框架连为一体。优选，每个驱动模块包括连接于衬底之上的固定驱动梳齿和连接在正方形大框架内边上的可动驱动梳齿，固定驱动梳齿和可动驱动梳齿构成变面积式电容检测；四件驱动部分的固定驱动梳齿通过电极引线连接在一起。当在固定驱动梳齿上施加叠加的直流电压信号与交流电压信号时，四边的框架将在静电驱动力的作用下同时周期性向内收缩或向外扩张运动；驱动梳齿采用电容式变面积静电驱动形式。为了制备简便，同时保证产品的稳定性，可动驱动梳齿通过T型折叠梁与正方形大框架内边相连，可动驱动梳齿还通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上。为了进一步提高检测的准确性，优选，驱动检测模块包括：与正方形大框架的外边相连的可动驱动检测梳齿和连接于衬底之上的固定驱动检测梳齿，可动驱动检测梳齿与固定驱动检测梳齿构成变面积电容检测，固定驱动检测梳齿所在的衬底下方设有引线电极。可动驱动检测梳齿通过T型折叠梁与正方形大框架外边相连，可动驱动检测梳齿还通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上，以限制其在除驱动方向以外的运动自由度，从而实现了驱动检测模态与其他模态之间的解耦。为了简化装置，同时提高检测的准确性，航向角检测部分包括与正方形大框架的侧边相连的可动航向角检测梳齿和连接于衬底之上的固定航向角检测梳齿，与可动航向角检测梳齿组成变间距式电容检测，测固定航向角检测梳齿下方设有引线电极，正方形大框架的侧边指正方形大框架除内边和外边之外的边。优选，可动航向角检测梳齿通过T型梁与正方形大框架侧边相连，并通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上。上述大框架两边的航向角检测梳齿为差分排列形式，其检测形式为变间距式电容检测，当陀螺仪敏感到航向角运动时，大框架两边的梳齿电容检测信号为差动变化，其中一路梳齿间距增大，另一路间距减小。上述俯仰角检测模块或横滚角检测模块包括：检测上极板和位于检测上极板正下方的检测下极板，检测上极板通过位于检测上极板两侧的两个工字型梁与正方形大框架相连，检测下极板固定在衬底上，检测下极板所在的衬底下方设有引线电极，检测上极板和检测下极板组成平行平板电容检测。陀螺仪工作时，四边正方形大框架在各自驱动方向做周期性运动，其内部工字型梁和检测质量块（检测上极板）也随着大框架一起运动，当陀螺仪感受到外界俯仰（横滚）角速度时，工字型梁则起到了在面外方向上检测质量块与大框架的运动隔离，即检测质量块将在哥氏力的作用下做面外运动，而大框架则由于其外侧的耦合折叠梁及其他连接梁限制不能做面外运动，工字型梁由于在垂直方向刚度较小因而可以实现检测质量块和大框架的耦合连接。上述每个下极板优选分为一大两小的三块，其中位于两边的两小块极板作为反馈校正电极。上述当上极板受哥氏力做面外运动时，两极板间距改变，通过在固定于衬底上的下极板引线即可测得相应的电容变化，从而可以计算出相应输入角速度大小。上述单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪，所述俯仰（横滚）角检测模态虽然与驱动和航向角检测模态未能实现解耦，但是通过合理的结构设计实现了驱动模态和航向角检测模态耦合误差的消除，即由所述俯仰（横滚）角检测质量块所构成的可动上极板的面积大于固定下极板，当上极板（检测质量块）随着大框架在驱动方向和航向角检测方向运动时，两极板的重合面积将保持不变，只有当敏感到俯仰（横滚）角上极板进行面外运动时，两极板才由于间距的改变而产生电容变化。上述述四方全对称结构中，四边正方形大框架外部的耦合折叠梁在四个对角处会合连接在一起，并固定连接于四角处的固定锚点，这种对称的结构设计有利于保证测量时的音叉效果。上述结构设计实现了在驱动、驱动检测以及航向角检测三个方向的解耦，而俯仰（横滚）角检测方向虽然没有解耦，但是通过合理的结构设计有效减小机械耦合误差。上述T型梁、工字型梁具有分别具有较小的面内水平切向刚度与面外垂直方向刚度，通过合理安排放置这两种折叠梁，可以实现对所连接质量块或框架在面内切向或者面外垂直方向的运动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪，其特征在于：包括衬底和位于衬底上的驱动模块、驱动检测模块、航向角检测模块、俯仰角检测模块、横滚角检测模块、正方形大框架和耦合折叠梁；正方形大框架有四件，两两相对设置且构成四方对称结构，四件正方形大框架通过耦合折叠梁连为一体，耦合折叠梁固定在衬底上；驱动模块有四件，分别连接在四件正方形大框架的内边上，内边指两两相对设置的正方形大框架内侧的边；驱动检测模块有四件，分别连接在四件正方形大框架的外边上，外边指同一正方形大框架上与内边相对的边；航向角检测模块有八件，分别两两对称地连接在四个正方形大框架的两侧；俯仰角检测模块有两件，分别置于一对相对设置的两件正方形大框架内部，横滚角检测模块有两件，分别置于另一对相对设置的两件正方形大框架内部，俯仰角检测部分与横滚角检测部分结构相同。

【技术特征摘要】
1.一种单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪，其特征在于：包括衬底和位于衬底上的驱动模块、驱动检测模块、航向角检测模块、俯仰角检测模块、横滚角检测模块、正方形大框架和耦合折叠梁；正方形大框架有四件，两两相对设置且构成四方对称结构，四件正方形大框架通过耦合折叠梁连为一体，耦合折叠梁固定在衬底上；驱动模块有四件，分别连接在四件正方形大框架的内边上，内边指两两相对设置的正方形大框架内侧的边；驱动检测模块有四件，分别连接在四件正方形大框架的外边上，外边指同一正方形大框架上与内边相对的边；航向角检测模块有八件，分别两两对称地连接在四个正方形大框架的两侧；俯仰角检测模块有两件，分别置于一对相对设置的两件正方形大框架内部，横滚角检测模块有两件，分别置于另一对相对设置的两件正方形大框架内部，俯仰角检测部分与横滚角检测部分结构相同；每个驱动模块包括连接于衬底之上的固定驱动梳齿和连接在正方形大框架内边上的可动驱动梳齿，固定驱动梳齿和可动驱动梳齿构成变面积式电容检测；四件驱动部分的固定驱动梳齿通过电极引线连接在一起；可动驱动梳齿通过T型折叠梁与正方形大框架内边相连，可动驱动梳齿还通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上。2.如权利要求1所述的单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪，其特征在于：为四方全对称结构；耦合折叠梁有四件，分别将相邻的两正方形大框架连为一体。3.如权利要求1或2所述的单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪，其特征在于：驱动检测模块包括：与正方形大框架的外边相连的...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏敦柱，孔伦，虞成，胡异炜，倪佩圳，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32