一种双解耦微机械轮式水平轴陀螺制造技术

本发明专利技术涉及一种双解耦微机械轮式水平轴陀螺，其特征在于：可实现机械双解耦，驱动方式为角振动驱动的微机械水平轴陀螺；陀螺结构包括中心锚点，驱动扭转梁，角振动弧形驱动梳齿，检测扭转梁，分段排布的不等高检测梳齿，驱动质量块，复合质量块，检测质量块等；连接复合质量块和检测质量块的驱动扭转梁采用叉指形打折梁设计，有效地解决了陀螺在大驱动位移下的非线性问题；陀螺包括一种蟹爪形检测扭转梁，有效地降低了驱动到检测的机械耦合。本发明专利技术的陀螺设计方案可以提高微机械水平轴陀螺的性能，可以用于实现单片三轴陀螺，并进行批量生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微机械陀螺，特别是关于一种微机械轮式水平轴陀螺。
技术介绍
陀螺仪是指能在惯性空间中对角运动进行测量的装置，是惯性导航与制导系统的核心元件之一，是现代航空、航天，航海和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器。微机械陀螺相比传统转子陀螺和光纤陀螺等具有体积小、重量轻、成本低、功耗小、易于集成等优点。微机械陀螺在航空、航天、兵器、汽车和消费类电子产品等领域都有着迫切的应用需求和广泛的应用前景。惯性空间中物体角运动的表征需要两个双轴或三个单轴陀螺来实现，这就需要陀螺系统既要包含用于检测垂直于器件表面方向角速度的z轴陀螺，又要包含用于检测平行于器件表面方向角速度的水平轴陀螺。据相关报道，目前微机械z轴陀螺的零偏稳定性可达0.1°/h。但是对于水平轴陀螺，由于其陀螺结构设计难度相对较高，影响陀螺性能的因素相对较复杂，所以微机械水平轴陀螺的性能指标要低于z轴陀螺，这严重的限制了微机械陀螺系统的发展和应用。实现与微机械z轴陀螺工艺兼容的高性能微机械水平轴陀螺是目前研发微惯性测量单元的一项关键技术。微机械陀螺按照驱动方向可划分为线驱动陀螺和角驱动陀螺，其中角驱动陀螺又称轮式陀螺。微机械轮式陀螺相比线驱动陀螺具有面内结构对称性高、机械耦合小、工艺容差大、对线加速度不敏感、在单一驱动模态下即可实现双轴甚至三轴角速度检测等优势。已有的微机械轮式水平轴陀螺主要是采用单一质量块的非解耦或是单解耦结构，驱动到检测的机械耦合成为限制其性能的关键因素之一。设计高性能的双解耦微机械轮式水平轴陀螺是微惯性器件研究的热点。双解耦陀螺是实现检测模态到驱动模态，以及驱动模态到检测模态的双向解耦的陀螺。目前双解耦微机械轮式水平轴陀螺的结构设计难点主要包括：多质量块振动陀螺系统中由于各敏感梁不规则形变导致的驱动和检测非线性问题；驱动模态到检测模态的机械解耦不够充分等。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高性能双解耦微机械轮式水平轴陀螺，并通过陀螺中敏感梁的独特结构设计来解决陀螺驱动和检测的非线性问题，以及陀螺机械解耦不充分问题。为实现上述目的，本专利技术采取以下陀螺结构设计方案：1)设计陀螺中心锚点区域，该区域是陀螺可动结构层与其下方玻璃衬底的键合区域，用以在玻璃衬底上固定陀螺结构；2)在所述结构1)的锚点上设计4个依次成90度的双端固支梁，该组固支梁构成陀螺的驱动扭转梁Kd1；3)在所述结构2)的双端固支梁的外侧设计连接环，连接环的外侧设计多组角驱动弧形可动梳齿及固定梳齿，所述结构3)的可动梳齿和固定梳齿共同构成陀螺的静电力驱动结构，所述结构3)的连接环和可动梳齿部分共同构成陀螺的驱动质量块；4)在所述结构3)的可动梳齿外侧设计连接环，并在连接环的最上端和最下端各设计一个相对较短的双端固支梁，该组固支梁构成陀螺的检测扭转梁Ks1；5)在所述结构4)的双端固支梁的外侧设计宽度较大的圆环形质量块，并在该圆环形质量块的外侧、在与x轴和y轴成45度夹角位置设计4个向外侧突出的矩形质量块，所述结构5)的圆环形质量块和与其连接的4个矩形质量块共同构成陀螺的复合质量块(ProofMass)；6)在所述结构5)的每个矩形质量块的两侧设计对称的打折梁，该对称打折梁在形态上类似叉指形，所以称之为叉指打折梁，在所述结构6)的4组叉指打折梁构成陀螺的驱动扭转梁Kd2；7)在所述结构1)一结构6)的外侧设计4个矩形质量块，并首尾相连构成闭合的矩形，矩形的4个内角与所述结构6)的驱动扭转梁Kd2相连；8)在所述结构7)的左右两侧矩形质量块的外侧设计上下端面不等高的垂直衬底的可动梳齿和固定梳齿结构，在所述结构8)的可动梳齿和固定梳齿共同构成陀螺的变面积式离面检测电容，并对该电容梳齿结构进行分段排布，用以形成差分电容检测；9)所述结构8)的可动梳齿和所述结构7)的矩形质量块共同构成陀螺的检测质量块；10)在所述结构8)的上下两侧矩形质量块的外侧中心点设计两个相对较短的双端固支梁，并设计2个锚点，用以固定双端固支梁的另一端，所述结构10)的两个双端固支梁构成陀螺的检测扭转梁Ks211)在所述结构8)的左右两侧矩形质量块的内侧设计4个蟹爪形的打折梁，并设计4个锚点，用以固定打折梁的另一端，所述结构11)的4个蟹爪形的打折梁构成陀螺的检测扭转梁Ks3。本专利技术采取的陀螺设计结构具有以下优点：1、本专利技术是采用角振动方式驱动的轮式水平轴陀螺，具有轮式陀螺所具有的结构对称性好，工艺容差大、对线加速度不敏感等优点；2、本专利技术采用了双解耦设计，实现陀螺检测模态到驱动模态，以及驱动模态到检测模态的双向机械解耦，可提高陀螺解耦性能；3、本专利技术中连接陀螺复合质量块和检测质量块的驱动扭转梁Kd2采用叉指打折梁设计，有利于保证大驱动位移下的驱动线性度，有利于释放加工过程和工作过程中产生的应力从而提高陀螺的线性度和稳定性；4、本专利技术中与检测质量块相连的蟹爪形检测扭转梁Ks3可以将驱动到检测的耦合位移降低一个数量级，提高了陀螺的解耦性能；5、本专利技术采用北京大学开发的5块版复合掩模工艺加工陀螺与衬底垂直的不等高检测梳齿，从而使陀螺的检测方式为变面积式电容检测，提高了陀螺的线性度；6、本专利技术采用检测电容梳齿的分段式排布，并实行差分电容检测，有效抑制共模干扰，并且使陀螺对面内线加速度不敏感，检测电容梳齿分段式排布的另一个好处是有利于降低陀螺加工误差对性能造成的影响；7、本专利技术采用的5块版复合掩模工艺与传统用于微机械陀螺加工的3块版SOG工艺完全兼容，可用于实现单片三轴陀螺，并进行批量生产。附图说明图1为本专利技术中的陀螺整体结构示意图；图2为本专利技术中的陀螺一组角振动驱动可动梳齿和固定梳齿结构示意图；图3为本专利技术中的陀螺整体检测梳齿的分段排布结构示意图；图4为本专利技术中的陀螺两组检测不等高梳齿结构剖面图；图5为本专利技术中的陀螺一组叉指形驱动扭转梁Kd2结构示意图；图6为本专利技术中的陀螺两个蟹爪形检测扭转梁Ks3结构示意图。具体实施方式本专利技术中的陀螺整体结构如图1所示，陀螺结构主要包括驱动扭转梁1和6，角振动驱动梳齿2，驱动质量块3，检测扭转梁4、8和9，复合质量块5，检测质量块7，分段排布的不等高检测梳齿10等。陀螺工作原理是这样的：驱动质量块3和复合质量块5在陀螺驱动力的作用下沿z方向作扭转振动，此时由于检测质量块7受到驱动扭转梁6的隔离以及检测扭转梁9的约束作用，并不会随驱动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双解耦微机械轮式水平轴陀螺，其特征在于：它包括衬底，中心锚点，驱动扭转梁，角振动弧形驱动梳齿，检测扭转梁，分段排布的不等高检测梳齿，驱动质量块，复合质量块，检测质量块；所述驱动梳齿和检测梳齿分别包括可动电极和固定电极；所述角振动驱动梳齿的可动电极同驱动质量块固定连接；所述不等高检测梳齿的可动电极同检测质量块固定连接；所述驱动质量块为弧形梳齿静电力驱动，驱动电压加载形式为固定梳齿双边加载；所述检测质量块分段排布的不等高滑膜检测梳齿为检测电容采用垂直于衬底的滑膜梳齿结构，其加工方法为北京大学开发的复合掩模不等高梳齿加工工艺，检测梳齿排布方式为分段排布。

【技术特征摘要】
1.一种双解耦微机械轮式水平轴陀螺，其特征在于：它包括衬底，中心锚点，
驱动扭转梁，角振动弧形驱动梳齿，检测扭转梁，分段排布的不等高检测梳齿，驱
动质量块，复合质量块，检测质量块；所述驱动梳齿和检测梳齿分别包括可动电极
和固定电极；
所述角振动驱动梳齿的可动电极同驱动质量块固定连接；所述不等高检测梳齿
的可动电极同检测质量块固定连接；所述驱动质量块为弧形梳齿静电力驱动，驱动
电压加载形式为固定梳齿双边加载；所述检测质量块分段排布的不等高滑膜检测梳
齿为检测电...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐宗刚，赵前程，闫桂珍，杨振川，聂铭昊，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11