一種靜電驅動式參數激勵的微機械固體波動盤形陀螺儀的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種靜電驅動式參數激勵的微機械固體波動盤形陀螺儀，包括：一個圓盤形基體、四個非交叉梳齒靜電驅動電極、四個交叉梳齒平行板檢測電極和八個U型梁，其中：四個驅動電極和四個檢測電極分別沿圓盤形基體外環邊緣均勻交替配置，四個驅動電極和四個檢測電極的末端均設有一個起固定支撐作用的U型梁。本發明利用參數激勵的方式驅動圓盤形基體工作，其驅動模態和檢測模態互相匹配。本發明采用MEMS體硅加工工藝制作。本發明驅動頻率是陀螺儀固有頻率的兩倍，所以產生的寄生信號不會對檢測信號產生干擾；同時，參數激勵本身也具有增益大，穩定性強，受阻尼影響小的特點。
【專利說明】一種靜電驅動式參數激勵的微機械固體波動盤形陀螺儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及微機電【技術領域】的固體波動模態匹配陀螺，具體地，涉及一種靜電驅動式參數激勵的微機械固體波動盤形陀螺儀。
【背景技術】
[0002]陀螺儀是一種能夠檢測載體角度或角速度的慣性器件，在姿態控制和導航定位等領域有著非常重要的作用。隨著國防科技和航空、航天工業的發展，慣性導航系統對于陀螺儀的要求也向低成本、小體積、高精度、多軸檢測、高可靠性、能適應各種惡劣環境的方向發展。因此，MEMS微陀螺的重要性不言而喻。特別地，靜電驅動陀螺儀作為MEMS微陀螺的一個重要研究方向，已經成為該領域的一個研究熱點。
[0003]然而，在靜電驅動MEMS陀螺儀中，由于寄生電容的存在，輸出信號會受到驅動信號的干擾，使得無法直接從輸出信號中獲得準確的信息，甚至連諧振頻率都會有比較大的差距。
[0004]基于此，迫切需要提出一種新的陀螺結構或新的工作原理，使其產生的寄生信號不會對檢測信號產生干擾，從而保證能夠得到準確的信號輸出。
【發明內容】
[0005]針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種靜電驅動式參數激勵的微機械固體波動盤形陀螺儀，該陀螺利用新的驅動原理，其驅動頻率是陀螺儀固有頻率的兩倍，所以產生的寄生信號不會對檢測信號產生干擾。同時，參數激勵本身也具有增益大，穩定性強，受阻尼影響小的特點。
[0006]為實現以上目的，本發明提供一種靜電驅動式參數激勵的微機械固體波動盤形陀螺儀，包括:
[0007]一個圓盤形基體；
[0008]四個非交叉梳齒靜電驅動電極；
[0009]四個交叉梳齒平行板檢測電極；
[0010]八個U型梁；
[0011]其中，四個驅動電極和四個檢測電極分別沿圓盤形基體外環邊緣均勻交替配置，四個驅動電極和四個檢測電極的末端均設有一個起固定支撐作用的U型梁；
[0012]所述微陀螺利用參數激勵的方式驅動圓盤形基體振動，其驅動模態和檢測模態互相匹配，通過在一對非交叉梳齒靜電驅動電極上施加正弦交流電壓，由邊緣場效應產生圓盤形基體在驅動模態的振動；當有垂直于圓盤形基體底部的角速度輸入時，在科氏力作用下，圓盤形基體的諧振方式會從驅動模態向檢測模態變化；通過檢測圓盤形基體交叉梳齒平行板檢測電極間的感應電容的變化，就可檢測垂直于圓盤形基體底部平面的角速度大小。
[0013]優選地，所述圓盤形基體材料為單晶硅，其上均勻配置驅動電極和檢測電極的一個梳齒，其中:在驅動電極結構中，盤形基體上對應的梳齒電極與另外兩側的電極構成非交叉梳齒結構；在檢測電極結構中，盤形基體上對應的梳齒電極與另外兩側的電極構成交叉梳齒平行板結構。
[0014]優選地，所述驅動電極材料為單晶硅，其上沉積有一層金屬或者采用離子摻雜方式形成所需電極；所述驅動電極采用靜電驅動方式，具體來說，是利用邊緣場效應產生圓盤形基體在驅動模態的振動，其結構為非交叉梳齒結構。
[0015]優選地，所述檢測電極材料為單晶硅，其上沉積有一層金屬或者采用離子摻雜方式形成所需電極；所述檢測電極利用電容感應效應進行檢測，其結構為交叉梳齒平行板結構。
[0016]優選地，所述U型梁結構位于驅動電極和檢測電極的末端，其材料為單晶硅，起固定、支撐圓盤形基體的作用。
[0017]優選地，四個所述驅動電極中的兩個相對的驅動電極被施加交流電壓時，由邊緣場效應產生圓盤形基體在驅動模態的振動；當存在輸入角速度時，圓盤形基體的振型向檢測模態轉變，利用檢測電極處電容感應效應產生的敏感電信號進行信號檢測；上述驅動模態和檢測模態互相匹配。
[0018]與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果:
[0019]1、受阻尼因素影響小，根據非線性振動理論，陀螺儀振動時，如果外界條件(溫度等)發生變化，材料阻尼系數會隨之發生變化，但是該微陀螺在主振型上的振動幅值與阻尼系數的大小無關，阻尼的大小只是與輸入電壓的閾值有關，阻尼越大，輸入電壓的最小值也越大；
[0020]2、陀螺儀帶寬增大，使陀螺儀的穩定性大大增強；
[0021]3、陀螺儀的靈敏度大大提高，利用非線性振動獲得的振動幅值比直接簡諧振動的振幅要大得多；
[0022]4、陀螺儀的驅動信號的頻率是其振動的固有頻率的兩倍左右，可以減小寄生電容對于檢測信號的影響，從而能夠減小陀螺儀的噪聲，增大陀螺儀的分辨率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯:
[0024]圖1為本實施例立體結構示意圖；
[0025]圖2為本實施例平面結構示意圖；
[0026]圖3為本實施例非交叉梳齒靜電驅動電極的結構示意圖；
[0027]圖4為本實施例交叉梳齒平行板檢測電極的結構剖面圖；
[0028]圖中:1為圓盤形基體，2為驅動電極，3為檢測電極，4為U型梁。
【具體實施方式】
[0029]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。
[0030]如圖1所示，本實施例提供一種靜電驅動式參數激勵的微機械固體波動盤形陀螺儀，包括:
[0031]一個圓盤形基體I;
[0032]四個非交叉梳齒靜電驅動電極2 ；
[0033]四個交叉梳齒平行板檢測電極3 ；
[0034]八個U型梁4 ；
[0035]其中，四個驅動電極2和四個檢測電極3分別沿圓盤形基體I外環邊緣均勻交替配置，四個驅動電極2和四個檢測電極3的末端均設有一個起固定支撐作用的U型梁4。
[0036]本實施例中，所述圓盤形基體I的材料為單晶硅，其上均勻配置驅動電極2和檢測電極3的一個梳齒，其中:在驅動電極2結構中，圓盤形基體I上對應的梳齒電極與另外兩側的電極構成非交叉梳齒結構；在檢測電極3結構中，圓盤形基體I上對應的梳齒電極與另外兩側的電極構成交叉梳齒平行板結構(如圖1所示)。
[0037]本實施例中，所述驅動電極2材料為單晶硅，其上沉積有一層金屬或者采用離子摻雜方式形成所需電極。驅動電極2采用靜電驅動方式，具體來說，是利用邊緣場效應產生圓盤形基體I在驅動模態的振動，其結構為非交叉梳齒結構(如圖2所示)。
[0038]本實施例中，所述檢測電極3材料為單晶硅，其上沉積有一層金屬或者采用離子摻雜方式形成所需電極。檢測電極3利用電容感應效應進行檢測，其結構為交叉梳齒平行板結構(如圖3所示)。
[0039]本實施例中，所述U型梁4結構位于驅動電極2和檢測電極3的末端，其材料為單晶硅，起固定、支撐圓盤形基體I的作用。
[0040]本實施例中，四個所述驅動電極2中的兩個相對的驅動電極被施加交流電壓時，由邊緣場效應產生圓盤形基體I在驅動模態的振動；當存在輸入角速度時，圓盤形基體I的振型向檢測模態轉變，利用檢測電極3處電容感應效應產生的敏感電信號進行信號檢測；上述驅動模態和檢測模態互相匹配。
[0041]本發明利用參數激勵的方式驅動圓盤形基體I振動，其驅動模態和檢測模態互相匹配。當四個所述驅動電極2中的兩個相對的驅動電極2被施加交流電壓時，由邊緣場效應產生圓盤形基體I在驅動模態的振動；當有垂直于圓盤形基體I底部的角速度輸入時，在科氏力作用下，圓盤形基體I的諧振方式會從驅動模態向檢測模態變化；通過檢測圓盤形基體I交叉梳齒平行板電極間的感應電容的變化，就可檢測垂直于圓盤形基體I底部平面的角速度大小。
[0042]本實施例所述的一種靜電驅動式參數激勵的微機械固體波動盤形陀螺儀，使用單晶硅基體，采用硅體加工工藝，通過在對應的單晶硅梳齒上沉積一層金屬或者采用離子摻雜方式形成所需要的驅動電極和檢測電極；最后，為盤形諧振子焊接外圍電路以及進行最終的封裝得到陀螺芯片成品。
[0043]以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。
【權利要求】
1.一種靜電驅動式參數激勵的微機械固體波動盤形陀螺儀，其特征在于，包括: 一個圓盤形基體； 四個非交叉梳齒靜電驅動電極； 四個交叉梳齒平行板檢測電極； 八個U型梁； 其中，四個驅動電極和四個檢測電極分別沿圓盤形基體外環邊緣均勻交替配置，四個驅動電極和四個檢測電極的末端均設有一個起固定支撐作用的U型梁； 所述微陀螺利用參數激勵的方式驅動圓盤形基體振動，其驅動模態和檢測模態互相匹配，通過在一對非交叉梳齒靜電驅動電極上施加正弦交流電壓，由邊緣場效應產生圓盤形基體在驅動模態的振動；當有垂直于圓盤形基體底部的角速度輸入時，在科氏力作用下，圓盤形基體的諧振方式會從驅動模態向檢測模態變化；通過檢測圓盤形基體交叉梳齒平行板檢測電極間的感應電容的變化，檢測垂直于圓盤形基體底部平面的角速度大小。
2.根據權利要求1所述的一種靜電驅動式參數激勵的微機械固體波動盤形陀螺儀，其特征在于，所述圓盤形基體材料為單晶硅，其上均勻配置驅動電極和檢測電極的一個梳齒，其中:在驅動電極結構中，盤形基體上對應的梳齒電極與另外兩側的電極構成非交叉梳齒結構；在檢測電極結構中，盤形基體上對應的梳齒電極與另外兩側的電極構成交叉梳齒平行板結構。
3.根據權利要求2所述的一種靜電驅動式參數激勵的微機械固體波動盤形陀螺儀，其特征在于，所述驅動電極材料為單晶硅，其上沉積有一層金屬或者采用離子摻雜方式形成所需電極；所述驅動電極采用靜電驅動方式，即是利用邊緣場效應產生圓盤形基體在驅動模態的振動，其結構為非交叉梳齒結構。
4.根據權利要求2所述的一種靜電驅動式參數激勵的微機械固體波動盤形陀螺儀，其特征在于，所述檢測電極材料為單晶硅，其上沉積有一層金屬或者采用離子摻雜方式形成所需電極；所述檢測電極利用電容感應效應進行檢測，其結構為交叉梳齒平行板結構。
5.根據權利要求1-4任一項所述的一種靜電驅動式參數激勵的微機械固體波動盤形陀螺儀，其特征在于，所述U型梁結構位于驅動電極和檢測電極的末端，其材料為單晶硅，起固定、支撐圓盤形基體的作用。
6.根據權利要求1-4任一項所述的一種靜電驅動式參數激勵的微機械固體波動盤形陀螺儀，其特征在于，四個所述驅動電極中的兩個相對的驅動電極被施加交流電壓時，由邊緣場效應產生圓盤形基體在驅動模態的振動；當存在輸入角速度時，圓盤形基體的振型向檢測模態轉變，利用檢測電極處電容感應效應產生的敏感電信號進行信號檢測；上述驅動模態和檢測模態互相匹配。
【文檔編號】G01C19/56GK103822620SQ201410058548
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月20日 優先權日:2014年2月20日
【發明者】張衛平, 劉亞東, 唐健, 汪濙海, 成宇翔, 孫殿竣, 陳文元 申請人:上海交通大學