一种解耦式双框架微陀螺制造技术

本发明专利技术公开了一种解耦式双框架微陀螺，其包括：左驱动质量块组、右驱动质量块组、左哥氏质量块组和右哥氏质量块组，其均为一侧开口的半包围结构，且所述左驱动质量块组和右驱动质量块组的开口相对设置，所述左驱动质量块组和右驱动质量块组对称分布；所述左哥氏质量块组和右哥氏质量块组的开口相对设置；所述左哥氏质量块组和所述左驱动质量块组依次套设在左检测质量块的外围；所述右哥氏质量块组和所述右驱动质量块组依次套设在右检测质量块的外围。本发明专利技术所述的解耦式双框架微陀螺实现了检测电容的差分放大，提高了该结构的灵敏度，抑制了微陀螺的机械耦合，提高了微陀螺的检测精度。

【技术实现步骤摘要】
一种解耦式双框架微陀螺
本专利技术涉及微机械系统
，尤其涉及一种具有高检测精度的解耦式双框架微陀螺。
技术介绍
陀螺是用于测量角速率的传感器，是惯性技术的核心器件之一，在现代工业控制、航空航天、国防军事及消费电子等领域发挥着重要作用。陀螺的发展大致可分为三个阶段：第一阶段是传统的机械转子陀螺，它精度很高，在核潜艇、洲际战略导弹等军用战略武器上发挥着不可替代的作用，但它的体积较大、制造过程复杂、价格昂贵、周期长且不适合批量化生产；第二阶段是光学检测陀螺，主要包括激光陀螺和光纤陀螺，主要利用萨格纳克效应，其优点是无旋转部件、精度较高，在航海和航空航天方面发挥着重要作用，但仍面临着体积较大、成本较高、不易集成的问题；第三阶段是微机械陀螺，发展于20世纪90年代，其研究起步较晚，但凭借着体积小、功耗小、重量轻、可批量生产、价格低、抗过载能力强和可集成的独特优点发展迅速，适用于飞机导航、汽车制造、数码电子、工业器械等民用领域和无人机、战术导弹、智能炸弹、军用瞄准系统等现代国防军事领域，其具有广泛的应用前景，越来越受到人们的关注。目前，微机械陀螺常用的驱动方式有压电式、电磁式、静电式等；检测方式有压阻式、压电式、共振隧穿式、电子隧道效应式、电容式等。对于驱动方式，压电驱动具有精度高、误差小的优点，但其对陀螺结构设计要求高，不易加工制作；电磁驱动幅值大，但难以稳定控制；静电驱动虽驱动幅值小但具有稳定性好的优点。对于检测方式，其中压阻效应检测，灵敏度较低，温度系数大，因而限制了检测精度的进一步提高；压电效应检测的灵敏度易漂移，需要经常校正，归零慢，不宜连续测试；共振隧穿效应的灵敏度较硅压阻效应高一个数量级，但检测灵敏度较低，存在的问题是偏置电压容易因陀螺驱动而漂移，导致陀螺不能稳定工作；电子隧道效应式器件制造工艺极其复杂，检测电路也相对较难实现，成品率低，难以正常工作，不利于集成，特别是很难控制隧道结隧尖和电极板之间的距离在纳米级，无法保障传感器正常工作。而电容检测采用梳齿结构，位移分辨率较高，电容结构适用于MEMS工艺加工，现如今静电驱动、电容检测仍为微陀螺加工的主流工艺。然而现有加工技术中微陀螺的检测精度一直无法得到提高，究其原因主要有两点：其一是由于陀螺仪结构设计、加工工艺等误差，使得驱动模态和检测模态存在着较大的机械耦合，导致微陀螺输出信号中耦合有正交误差干扰信号；其二是由于陀螺仪无法避免外界线性加速度的影响，导致微陀螺输出信号中耦合有同频同向的干扰信号。参见中国专利技术专利CN109737943A，其公开了一种高精度MEMS陀螺仪，该专利所公开的微陀螺结构为框架结构，且其创新点在于通过所述干扰模态隔离结构将质量块内框相连，使得干扰模态远离工作模态，但同时该结构微陀螺驱动模态和检测模态存在较大的机械耦合，会带来很大的正交误差。继续参见中国专利技术专利CN108507555A，其公开了一种MEMS微机械全解耦闭环陀螺仪，该专利公开的微陀螺结构驱动沿X方向，检测沿Y方向，且考虑到了结构解耦，但其无法避免外界线性加速度的影响，此外，其也无法使微陀螺检测时共模干扰模态远离反向工作模态，这样最终会导致微陀螺输出信号受到影响，影响检测精度。因此，亟需提出一种新的技术方案来解决现有技术中微陀螺的检测精度低的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种具有高检测精度的解耦式双框架微陀螺，采用的技术方案如下：一种解耦式双框架微陀螺，其包括：左驱动质量块组和右驱动质量块组，其中所述左驱动质量块组和右驱动质量块组均为一侧开口的半包围结构，且所述左驱动质量块组和右驱动质量块组的开口相对设置；左哥氏质量块组和右哥氏质量块组，其中所述左哥氏质量块组和右哥氏质量块组均为一侧开口的半包围结构，且所述左哥氏质量块组和右哥氏质量块组的开口相对设置；左检测质量块和右检测质量块，所述左哥氏质量块组和所述左驱动质量块组依次套设在所述左检测质量块的外围，所述左哥氏质量块组和所述左驱动质量块组的开口朝向相同；所述右哥氏质量块组和所述右驱动质量块组依次套设在所述右检测质量块的外围，所述右哥氏质量块组和所述右驱动质量块组的开口朝向相同。上述技术方案进一步的，还包括外框架，所述左驱动质量块组和右驱动质量块组容纳于所述外框架内。进一步的，所述左驱动质量块组和右驱动质量块组对称分布，所述左驱动质量块组和右驱动质量块组通过两个驱动质量块组解耦梁相连，所述驱动质量块组解耦梁固定在驱动质量块组解耦梁锚点上，所述驱动质量块组解耦梁锚点固定连接在微陀螺基体上，进一步的，所述驱动质量块组解耦梁被配置的促使所述左驱动质量块组和所述右驱动质量块组保持相反的方向运动。进一步的，所述左驱动质量块组和右驱动质量块组均包括两个驱动质量块，以及连接该两个驱动质量块的连接臂，每个所述驱动质量块具有第一驱动端和第二驱动端，所述连接臂的两端分别与所述两个驱动质量块的第一驱动端相连，以使得所述左驱动质量块组和右驱动质量块组分别形成半包围结构；进一步的，所述左驱动质量块组中的一个所述驱动质量块的第二驱动端与所述右驱动质量块组中的一个所述驱动质量块的第二驱动端通过第一驱动质量块组解耦梁相连，进一步的，所述左驱动质量块组中的另一个所述驱动质量块的第二驱动端与所述右驱动质量块组中的另一个所述驱动质量块的第二驱动端通过第二驱动质量块组解耦梁相连。进一步的，每个所述驱动质量块上设置有两个驱动折叠梁，两个所述驱动折叠梁分别位于所述驱动质量块的第一驱动端和第二驱动端，且两个所述驱动折叠梁靠近所述哥氏质量块；进一步的，每个所述驱动质量块上还设置有两个驱动电极和一个驱动反馈电极，所述驱动电极和驱动反馈电极设置在背离所述哥氏质量块的一侧。进一步的，每个所述驱动质量块的第一驱动端和第二驱动端分别设置有一个所述驱动折叠梁锚点，所述驱动折叠梁通过驱动折叠梁锚点固定连接在微陀螺基体上，所述驱动折叠梁的轴线方向与所述驱动质量块的第一驱动端和第二驱动端的中心连线方向相同。进一步的，所述左哥氏质量块组和右哥氏质量块组均包括两个哥氏质量块，以及连接该两个哥氏质量块的连接杆，每个所述哥氏质量块具有第一端和第二端，所述连接杆的两端分别与所述两个哥氏质量块的第一端相连，以使得所述左哥氏质量块组和右哥氏质量块组分别形成半包围结构；进一步的，每个所述哥氏质量块的第一端和第二端分别设置有一个检测解耦梁，每个检测解耦梁的一端连接哥氏质量块，另一端连接驱动质量块，所述检测解耦梁被设置的使得所述哥氏质量块随所述驱动质量块运动。进一步的，所述检测解耦梁沿所述连接杆的轴向方向布置，所述检测解耦梁沿所述连接杆的轴线方向的刚度大于其沿所述哥氏质量块第一端和第二端连线方向的刚度。进一步的，每个哥氏质量块上设置有两个正交校正电极，两个所述正交校正电极分别靠近所述哥氏质量块的第一端和第二端，进一步的，所述左哥氏质量块组的两个哥氏质量块相对设置，同时调节左哥氏质量块组中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种解耦式双框架微陀螺，其特征在于，其包括：/n左驱动质量块组和右驱动质量块组，其中所述左驱动质量块组和右驱动质量块组均为一侧开口的半包围结构，且所述左驱动质量块组和右驱动质量块组的开口相对设置；/n左哥氏质量块组和右哥氏质量块组，其中所述左哥氏质量块组和右哥氏质量块组均为一侧开口的半包围结构，且所述左哥氏质量块组和右哥氏质量块组的开口相对设置；/n左检测质量块和右检测质量块，所述左哥氏质量块组和所述左驱动质量块组依次套设在所述左检测质量块的外围，所述左哥氏质量块组和所述左驱动质量块组的开口朝向相同；/n所述右哥氏质量块组和所述右驱动质量块组依次套设在所述右检测质量块的外围，所述右哥氏质量块组和所述右驱动质量块组的开口朝向相同。/n

【技术特征摘要】
1.一种解耦式双框架微陀螺，其特征在于，其包括：
左驱动质量块组和右驱动质量块组，其中所述左驱动质量块组和右驱动质量块组均为一侧开口的半包围结构，且所述左驱动质量块组和右驱动质量块组的开口相对设置；
左哥氏质量块组和右哥氏质量块组，其中所述左哥氏质量块组和右哥氏质量块组均为一侧开口的半包围结构，且所述左哥氏质量块组和右哥氏质量块组的开口相对设置；
左检测质量块和右检测质量块，所述左哥氏质量块组和所述左驱动质量块组依次套设在所述左检测质量块的外围，所述左哥氏质量块组和所述左驱动质量块组的开口朝向相同；
所述右哥氏质量块组和所述右驱动质量块组依次套设在所述右检测质量块的外围，所述右哥氏质量块组和所述右驱动质量块组的开口朝向相同。


2.根据权利要求1所述的解耦式双框架微陀螺，其特征在于，
还包括外框架，所述左驱动质量块组和右驱动质量块组容纳于所述外框架内。


3.根据权利要求1所述的解耦式双框架微陀螺，其特征在于，
所述左驱动质量块组和右驱动质量块组对称分布，所述左驱动质量块组和右驱动质量块组通过两个驱动质量块组解耦梁相连，所述驱动质量块组解耦梁固定在驱动质量块组解耦梁锚点上，所述驱动质量块组解耦梁锚点固定连接在微陀螺基体上，
所述驱动质量块组解耦梁被配置的促使所述左驱动质量块组和所述右驱动质量块组保持相反的方向运动。


4.根据权利要求3所述的解耦式双框架微陀螺，其特征在于，
所述左驱动质量块组和右驱动质量块组均包括两个驱动质量块，以及连接该两个驱动质量块的连接臂，每个所述驱动质量块具有第一驱动端和第二驱动端，所述连接臂的两端分别与所述两个驱动质量块的第一驱动端相连，以使得所述左驱动质量块组和右驱动质量块组分别形成半包围结构；
所述左驱动质量块组中的一个所述驱动质量块的第二驱动端与所述右驱动质量块组中的一个所述驱动质量块的第二驱动端通过第一驱动质量块组解耦梁相连，
所述左驱动质量块组中的另一个所述驱动质量块的第二驱动端与所述右驱动质量块组中的另一个所述驱动质量块的第二驱动端通过第二驱动质量块组解耦梁相连。


5.根据权利要求4所述的解耦式双框架微陀螺，其特征在于，
每个所述驱动质量块上设置有两个驱动折叠梁，两个所述驱动折叠梁分别位于所述驱动质量块的第一驱动端和第二驱动端，且两个所述驱动折叠梁靠近所述哥氏质量块；
每个所述驱动质量块上还设置有两个驱动电极和一个驱动反馈电极，所述驱动电极和驱动反馈电极设置在背离所述哥氏质量块的一侧。


6.根据权利要求5所述的解耦式双框架微陀螺，其特征在于，
每个所述驱动质量块的第一驱动端和第二驱动端分别设置有一个所述驱动折叠梁锚点，所述驱动折叠梁通过驱动折叠梁锚点固定连接在微陀螺基体上，所述驱动折叠梁的轴线方向与所述驱动质量块的第一驱动端和第二驱动端的中心连线方向相同。


7.根据权利要求1所述的解耦式双框架微陀螺，其特征在于，
所述左哥氏质量块组和右哥氏质量块组均包括两个哥氏质量块，以及连接该两个哥氏质量块的连接杆，每个所述哥氏质量块具有第一端和第二端，所述连接杆的两端分别与所述两个哥氏质量块的第一端相连，以使得所述左哥氏质量块组和右哥氏质量块组分别形成半包围结构；
每个所述哥氏质量块的第一端和第二端分别设置有一个检测解耦梁，每个检测解耦梁的一端连接哥氏质量块，另一端连接驱动质量块，所述检测解耦梁被设置的使得所述哥氏质量块随所述驱动质量块运动。


8.根据权利要求7所述的解耦式双框架微陀螺，其特征在于，
所述检测解耦梁沿所述连接杆的轴向方向布置，所述检测解耦梁沿所述连接杆的轴线方向的刚度大于其沿所述哥氏质量块第一端和第二端连线方向的刚度。


9.根据权利要求7所述的解耦式双框架微陀螺，其特征在于，
每个哥氏质量块上设置有两个正交校正电极，两个所述正交校正电极分别靠近所述哥氏质量块的第一端和第二端，
所述左哥氏质量块组的两个哥氏质量块相对设置，同时调节左哥氏质量块组中的一个哥氏质量块上的第一端或第二端的正交校正电极和左哥氏质量块组中的另一个哥氏质量块上的第二端或第一端的正交校正电极，所述左哥氏质量块组实现从第一角度位置到第二角度位置的偏转；
所述右哥氏质量块组的两个哥氏质量块相对设置，同时调节右哥氏质量块组中的一个哥氏质量块上的第一端或第二端的正交校正电极和右哥氏质量块组中的另一个哥氏质量块上的第二端或第一端的正交校正电极，所述右哥氏质量块组实现从第三角度位置到第四角度位置的偏转。


10.根据权利要求9所述的解耦式双框架微陀螺，其特征在于，
每个所述哥氏质量块上均具有一个驱动解耦梁，左哥氏质量块组中的两个哥氏质量块分别通过所述驱动解耦梁与所述左检测质量块连接，右哥氏质量块组中的两个哥氏质量块分别通过所述驱动解耦梁与所述右检测质量块连接，
所述驱动解耦梁包括“H”型结构，所述驱动解耦梁沿所述哥氏质量块的第一端和第二端的中心连线方向分布，所述驱动解耦梁沿所述连接杆的轴线方向的刚度小于其沿所述哥氏质量块第一端和第二端的中心连线方向的刚度。


11.根据权利要求1所述的解耦式双框架微陀螺，其特征在于，
所述左检测质量块和右检测质量块的中心位置上分别设置有四个检测电极，四个所述检测电极排列成两行，每行具有两个检测电极，
所述左检测质量块和右检测质量块上还分别设置有四个检测反馈电极，四个所述检测反馈电极分别设置于所述左检测质量块或右检测质量块的四角。


12.根据权利要求11所述的解耦式双框架微陀螺，其特征在于，
所述左检测质量块和右检测质量块上分别设置有四个检测折叠梁，每个所述检测折叠梁通过检测折叠梁锚点固定连接在微陀螺基体上，...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁希聪，凌方舟，蒋乐跃，刘尧，刘海东，苏云鹏，
申请(专利权)人：美新半导体天津有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12