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靜電驅(qū)動(dòng)壓阻檢測(cè)硅微陀螺儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種靜電驅(qū)動(dòng)壓阻檢測(cè)的硅微陀螺儀，包括：兩個(gè)帶錘頭的驅(qū)動(dòng)梁（1），兩個(gè)與驅(qū)動(dòng)梁垂直的檢測(cè)梁（2），兩組叉指驅(qū)動(dòng)電極，兩個(gè)檢測(cè)電極（5），一個(gè)固定錨點(diǎn)（6）及一個(gè)陀螺的基座(7)。該微陀螺利用靜電驅(qū)動(dòng)，壓阻檢測(cè)的原理，制作方法采用體硅微加工工藝和表面硅微加工工藝，制作工藝路線成熟，可靠性高，能保證較低的成本和較高的成品率。同時(shí)本發(fā)明體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工工藝易于實(shí)現(xiàn)，能夠同CMOS工藝兼容，成本低，適用于批量化生產(chǎn)。
【專利說(shuō)明】靜電驅(qū)動(dòng)壓阻檢測(cè)硅微陀螺儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微機(jī)電【技術(shù)領(lǐng)域】(MEMS)，具體地說(shuō)，涉及的是一種靜電驅(qū)動(dòng)壓阻檢測(cè)的硅微陀螺儀。
【背景技術(shù)】
[0002]陀螺儀是一種能夠敏感載體角度或角速度的慣性器件，在姿態(tài)控制和慣性導(dǎo)航定位等領(lǐng)域有著非常重要的作用。隨著MEMS微陀螺在航空航天工業(yè)、汽車安全及導(dǎo)航系統(tǒng)、消費(fèi)電子及物聯(lián)網(wǎng)中的大規(guī)模應(yīng)用，陀螺儀正朝著低成本、小體積、高可靠性和與CMOS電路兼容的方向發(fā)展。
[0003]經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利“基于剪應(yīng)力檢測(cè)的石英微機(jī)械陀螺及其制作方法”(專利申請(qǐng)?zhí)?CN 200810143292.9)利用z切石英晶體，通過(guò)濕法刻蝕加工的方法制作出一種具有帶錘頭的雙音叉微陀螺。該陀螺利用陀螺兩個(gè)叉指的橫向面內(nèi)振動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)模態(tài)，利用兩叉指的面內(nèi)豎向模態(tài)作為檢測(cè)模態(tài)，利用剪應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)而非傳統(tǒng)的正應(yīng)力檢測(cè)敏感z軸角速度的變化，并通過(guò)優(yōu)化敏感梁的錐度增大陀螺的靈敏度。該陀螺的結(jié)構(gòu)尺寸13X12.2X0.5mm3。
[0004]此技術(shù)存在如下不足:該石英微陀螺體積過(guò)大，限制了其在很多小體積條件下的應(yīng)用；陀螺材料為石英，不能與CMOS電路直接兼容；石英材料在加工過(guò)程中側(cè)壁會(huì)產(chǎn)生晶棱，產(chǎn)生機(jī)械稱合，影響陀螺的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于新型驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模態(tài)，體積小，加工工藝易于實(shí)現(xiàn)，能夠與CMOS電路兼容，適用于批量化生產(chǎn)，利用靜電驅(qū)動(dòng)，壓阻檢測(cè)的娃微陀螺。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出以下解決方案:
一種靜電驅(qū)動(dòng)壓阻檢測(cè)的硅微陀螺儀，它包括兩個(gè)帶錘頭的驅(qū)動(dòng)梁，兩個(gè)與驅(qū)動(dòng)梁垂直的檢測(cè)梁，兩組叉指驅(qū)動(dòng)電極，兩個(gè)檢測(cè)電極，一個(gè)固定錨點(diǎn)及一個(gè)陀螺的基座。
[0007]所述驅(qū)動(dòng)梁共有兩個(gè)，截面為長(zhǎng)方形，每個(gè)驅(qū)動(dòng)梁的兩端分別有兩個(gè)錘頭形質(zhì)量塊。
[0008]所述檢測(cè)梁共有兩個(gè)，截面為長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，每個(gè)檢測(cè)梁的一端與驅(qū)動(dòng)梁長(zhǎng)度方向上的中點(diǎn)處相連，另一端與固定錨點(diǎn)相連。
[0009]所述叉指驅(qū)動(dòng)電極共有兩組，分別位于兩驅(qū)動(dòng)梁的兩側(cè)，每組叉指包括一個(gè)固定叉指和兩個(gè)活動(dòng)叉指。固定叉指一端固定在陀螺的框架上，另一端懸空?；顒?dòng)叉指一段固定在驅(qū)動(dòng)梁上，另一端懸空。
[0010]所述檢測(cè)電極共有兩個(gè)，分別位于兩個(gè)檢測(cè)梁的上表面，由壓阻材料構(gòu)成，通過(guò)電極引線聯(lián)接至錨點(diǎn)上的接線電極板。
[0011]所述固定錨點(diǎn)共有一個(gè)，為正方體結(jié)構(gòu)，下端同陀螺基座相連，兩端聯(lián)接檢測(cè)梁，通過(guò)檢測(cè)梁支撐驅(qū)動(dòng)梁及活動(dòng)叉指。固定錨點(diǎn)上分布有檢測(cè)電極接線電極板。
[0012]所述陀螺基座共有一個(gè)，形狀為空心長(zhǎng)方體，為整個(gè)陀螺的支撐部件，陀螺的振子通過(guò)固定錨點(diǎn)固定于基座之上，固定叉指通過(guò)基座的框架固定在基座上。
[0013]上述部件的連接以及位置關(guān)系為:所述正方體形固定錨點(diǎn)位于空心長(zhǎng)方體陀螺基座的中心；錨點(diǎn)左右兩邊的中心處連接陀螺的兩個(gè)長(zhǎng)方體形桿狀懸臂檢測(cè)梁；檢測(cè)梁的另一端連接帶有錘頭形質(zhì)量塊的檢測(cè)梁；兩組活動(dòng)叉指驅(qū)動(dòng)電極一端同驅(qū)動(dòng)梁連接，另一端懸空，位置分布關(guān)于兩檢測(cè)梁對(duì)稱；兩組固定叉指同活動(dòng)叉指配合，一端固定在基座邊框上，一端同活動(dòng)叉指交叉配合并懸空；檢測(cè)電極位于檢測(cè)梁的上表面，位置偏向于檢測(cè)梁固定端。
[0014]本發(fā)明利用兩個(gè)帶有錘頭形質(zhì)量塊的驅(qū)動(dòng)梁的面內(nèi)模態(tài)作為參考振動(dòng)，在該模態(tài)下同一驅(qū)動(dòng)梁上兩端質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)方向相同，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)梁上質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)方向相反。通過(guò)在與驅(qū)動(dòng)梁相連接的活動(dòng)叉指和固定在基座邊框上的固定叉指上施加電壓對(duì)振子施加靜電力激勵(lì)振子產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)模態(tài)。當(dāng)有垂直于檢測(cè)梁(y軸)的角速度輸入時(shí)，在科氏力作用下，檢測(cè)梁會(huì)在力矩作用下產(chǎn)生垂直于基座方向(z軸)的彎曲。其中，彎曲時(shí)在檢測(cè)電極上產(chǎn)生的正應(yīng)力的大小同輸入角速度的大小成正比。通過(guò)測(cè)量壓阻材料做成的檢測(cè)電極電阻值的變化即可檢測(cè)垂直于檢測(cè)梁(y軸)輸入角速度的大小。
[0015]本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明所涉及的靜電驅(qū)動(dòng)壓阻檢測(cè)硅微陀螺因?yàn)椴捎渺o電驅(qū)動(dòng)和壓阻檢測(cè)的方式，不需要如石英陀螺一樣利用機(jī)械掩模在側(cè)壁制作電極，因此可大大的縮小陀螺的體積。本發(fā)明的陀螺采用硅微加工工藝，加工工藝路線成熟，可靠性高，能保證較低的成本和較高的成品率。此外,本發(fā)明的硅微陀螺可以和CMOS電路兼容，因此具有更廣泛的應(yīng)用范圍。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本發(fā)明的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是本發(fā)明的三維立體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3是本發(fā)明所采用的驅(qū)動(dòng)模態(tài)示意圖。
[0019]圖4是本發(fā)明所受科氏力的示意圖。
[0020]圖5是本發(fā)明所采用的檢測(cè)模態(tài)示意圖。
[0021]其中:
I驅(qū)動(dòng)梁2檢測(cè)梁
3活動(dòng)叉指4固定叉指
5檢測(cè)電極6固定錨點(diǎn)
7基座。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明:本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0023]如圖1和圖2所示，本實(shí)施例包括兩個(gè)帶錘頭的驅(qū)動(dòng)梁1，兩個(gè)與驅(qū)動(dòng)梁垂直的檢測(cè)梁2，兩組活動(dòng)叉指驅(qū)動(dòng)電極3，兩組固定叉指驅(qū)動(dòng)電極4，兩個(gè)檢測(cè)電極5，一個(gè)固定錨點(diǎn)6及一個(gè)陀螺的基座7。
[0024]本實(shí)例中驅(qū)動(dòng)梁I共有兩個(gè)，截面為長(zhǎng)方形，每個(gè)驅(qū)動(dòng)梁I的兩端分別有兩個(gè)錘頭形質(zhì)量塊。
[0025]本實(shí)例中檢測(cè)梁2共有兩個(gè)，截面為長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，每個(gè)檢測(cè)梁2的一端與驅(qū)動(dòng)梁I長(zhǎng)度方向上的中點(diǎn)處相連，另一端與固定錨點(diǎn)6相連。
[0026]本實(shí)例中活動(dòng)叉指驅(qū)動(dòng)電極3共有兩組，分別位于兩驅(qū)動(dòng)梁I的外側(cè)，活動(dòng)叉指3一端固定在驅(qū)動(dòng)梁I上，另一端懸空。
[0027]本實(shí)例中固定叉指驅(qū)動(dòng)電極4共有兩組，分別位于兩驅(qū)動(dòng)梁I的外側(cè)，固定叉指4一端固定在基座的框架7上，另一端懸空。
[0028]本實(shí)例中檢測(cè)電極5共有兩個(gè)，分別位于兩個(gè)檢測(cè)梁2的上表面，由壓阻材料構(gòu)成。
[0029]本實(shí)施例中固定錨點(diǎn)6共有一個(gè)，為正方體結(jié)構(gòu)，下端同陀螺基座7相連，兩端聯(lián)接檢測(cè)梁2，通過(guò)檢測(cè)梁2支撐驅(qū)動(dòng)梁I及活動(dòng)叉指3。
[0030]本實(shí)施例中陀螺基座7共有一個(gè)，為整個(gè)陀螺的支撐部件，陀螺的振子包括驅(qū)動(dòng)梁I和檢測(cè)梁2通過(guò)固定錨點(diǎn)6固定于基座7之上，固定叉指4通過(guò)基座的框架固定在基座7上。
[0031]上述部件的連接以及位置關(guān)系為:所述正方體形固定錨點(diǎn)6位于空心長(zhǎng)方體陀螺基座7的中心；錨點(diǎn)6左右兩邊的中心處連接陀螺的兩個(gè)長(zhǎng)方體形桿狀懸臂檢測(cè)梁2 ;檢測(cè)梁2的另一端連接帶有錘頭形質(zhì)量塊的檢測(cè)梁I ;兩組活動(dòng)叉指驅(qū)動(dòng)電極3 —端同驅(qū)動(dòng)梁I連接，另一端懸空，位置分布關(guān)于兩檢測(cè)梁2對(duì)稱；兩組固定叉指4同活動(dòng)叉3指配合，一端固定在基座7邊框上，一端同活動(dòng)叉指3交叉配合并懸空；檢測(cè)電極5位于檢測(cè)梁2的上表面，位置偏向于檢測(cè)梁2固定端。
[0032]如圖3所示，本發(fā)明利用兩個(gè)帶有錘頭形質(zhì)量塊的驅(qū)動(dòng)梁I的面內(nèi)模態(tài)作為參考振動(dòng)，在該模態(tài)下同一驅(qū)動(dòng)梁2上兩端質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)方向相同，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)梁I上質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)方向相反。通過(guò)在與驅(qū)動(dòng)梁I相連接的活動(dòng)叉指3和固定在基座邊框上的固定叉指4上施加電壓對(duì)振子施加靜電力激勵(lì)振子產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)模態(tài)。當(dāng)有垂直于檢測(cè)梁2 (y軸)的角速度輸入時(shí)，在如圖4所示科氏力作用下，檢測(cè)梁2會(huì)在力矩作用下產(chǎn)生垂直于基座7方向(z軸)的彎曲，如圖5所示。其中，彎曲時(shí)在檢測(cè)電極5上產(chǎn)生的正應(yīng)力的大小同輸入角速度的大小成正比。通過(guò)惠斯通電橋法測(cè)量壓阻材料做成的檢測(cè)電極5電阻值的變化即可檢測(cè)垂直于檢測(cè)梁5 (y軸)輸入角速度的大小。
[0033]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范疇。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也都應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種靜電驅(qū)動(dòng)壓阻檢測(cè)的硅微陀螺儀，其特征在于:該微陀螺采用靜電驅(qū)動(dòng)，壓阻檢測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電驅(qū)動(dòng)壓阻檢測(cè)的硅微陀螺儀，其特征在于:該微陀螺的采用體硅微加工工藝和表面硅微加工工藝制作。
3.一種靜電驅(qū)動(dòng)壓阻檢測(cè)的硅微陀螺儀，其特征在于:它包括兩個(gè)帶錘頭的驅(qū)動(dòng)梁(1)，兩個(gè)與驅(qū)動(dòng)梁垂直的檢測(cè)梁(2)，兩組叉指驅(qū)動(dòng)電極，兩個(gè)檢測(cè)電極(5)，一個(gè)固定錨點(diǎn)(6)及一個(gè)陀螺的基座。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的靜電驅(qū)動(dòng)壓阻檢測(cè)的硅微陀螺儀，其特征在于:所述驅(qū)動(dòng)梁(1)共有兩個(gè)，截面為長(zhǎng)方形，每個(gè)驅(qū)動(dòng)梁(I)的兩端分別有兩個(gè)錘頭形質(zhì)量塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的靜電驅(qū)動(dòng)壓阻檢測(cè)的硅微陀螺儀，其特征在于:所述檢測(cè)梁(2)共有兩個(gè)，截面為長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)，每個(gè)檢測(cè)梁(2)的一端與驅(qū)動(dòng)梁長(zhǎng)度方向上的中點(diǎn)處相連，另一端與固定錨點(diǎn)(6)相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的靜電驅(qū)動(dòng)壓阻檢測(cè)的硅微陀螺儀，其特征在于:所述叉指驅(qū)動(dòng)電極共有兩組，分別位于兩驅(qū)動(dòng)梁(I)的兩側(cè)，每組叉指包括一個(gè)固定叉指(4)和兩個(gè)活動(dòng)叉指(3)。
7.固定叉指(4)一端固定在陀螺的框架上，另一端懸空；活動(dòng)叉指(3)—段固定在驅(qū)動(dòng)梁上，另一端懸空。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的靜電驅(qū)動(dòng)壓阻檢測(cè)的硅微陀螺儀，其特征在于:所述檢測(cè)電極共有兩個(gè)，分別位于兩個(gè)檢測(cè)梁(2)的上表面，由壓阻材料構(gòu)成，通過(guò)電極引線聯(lián)接至錨點(diǎn)上的接線電極板。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的靜電驅(qū)動(dòng)壓阻檢測(cè)的硅微陀螺儀，其特征在于:所述固定錨點(diǎn)(6)共有一個(gè)，為正方體結(jié)構(gòu)，下端同陀螺基座(7)相連，兩端聯(lián)接檢測(cè)梁(2)，通過(guò)檢測(cè)梁(2)支撐驅(qū)動(dòng)梁(I)及活動(dòng)叉指(3);固定錨點(diǎn)(6)上分布有檢測(cè)電極接線電極板。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的靜電驅(qū)動(dòng)壓阻檢測(cè)的硅微陀螺儀，其特征在于:所述陀螺基座(7)共有一個(gè)，形狀為空心長(zhǎng)方體，為整個(gè)陀螺的支撐部件，陀螺的振子通過(guò)固定錨點(diǎn)(6)固定于基座之上，固定叉指(4)通過(guò)基座的框架固定在基座上。
11.根據(jù)權(quán)利要求3至9任一項(xiàng)所述的靜電驅(qū)動(dòng)壓阻檢測(cè)的硅微陀螺儀，其特征在于:上述部件的連接以及位置關(guān)系為:所述正方體形固定錨點(diǎn)(6)位于空心長(zhǎng)方體陀螺基座(7)的中心；錨點(diǎn)左右兩邊的中心處連接陀螺的兩個(gè)長(zhǎng)方體形桿狀懸臂檢測(cè)梁(2);檢測(cè)梁(2)的另一端連接帶有錘頭形質(zhì)量塊的檢測(cè)梁(2);兩組活動(dòng)叉指(3)驅(qū)動(dòng)電極一端同驅(qū)動(dòng)梁(I)連接，另一端懸空，位置分布關(guān)于兩檢測(cè)梁(2)對(duì)稱；兩組固定叉指(4)同活動(dòng)叉指(3)配合，一端固定在基座(7)邊框上，一端同活動(dòng)叉指(3)交叉配合并懸空；檢測(cè)電極位于檢測(cè)梁(2)的上表面，位置偏向于檢測(cè)梁(2)固定端。
【文檔編號(hào)】G01C19/5656GK103822622SQ201210463520
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2012年11月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月17日
【發(fā)明者】孟繁錕 申請(qǐng)人:上海市閔行區(qū)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)協(xié)會(huì)