[实用新型]双自由度硅微振动陀螺仪

说明书

本实用新型的双自由度硅微振动陀螺仪属陀螺技术。

20世纪90年代以来，微机电系统(MEMS)技术得到迅猛发展，在医疗领域、信息领域、汽车工程领域、自动化领域、环境与安全领域和日常生活领域都有着广泛的应用前景。MEMS技术的深入发展，也促进了微惯性仪表的出现和发展，使惯性技术领域正在经历一场深刻的变化。微型惯性仪表是新兴的交叉学科的产物，各学科前沿领域的进一步发展将积极促进微型惯性仪表性能的进一步提高。硅微型惯性敏感器件包括硅微型加速度计和硅微型陀螺仪。它们具有体积小、重量轻、适宜于批量生产、成本低、中等精度、可靠性高，能承受恶劣环境条件等突出优点，在战术导弹、智能弹药、微型卫星、GPS组合导航等军事领域和汽车、工业机器人、油井钻探、摄影、生物医学器械等民用领域，均有着广泛的应用前景。因此世界各国普遍重视这一新兴技术的研究方向，纷纷投入巨资加以研究开发。仅硅微机械陀螺仪经10多年来的发展，就出现了许多形式。依照不同的激励与检测方式，大致可分为5大类：①静电激励、电容检测方式；②电磁激励、电容检测方式；③压电激励、电容检测方式；④静电激励、电磁检测方式；⑤电磁激励、压阻检测方式。

1997年美国加州大学伯克利分校传感器与执行器研究中心(BerkeleySensor and Actuator Center)利用静电驱动、电容检测技术，研制一种双自由度振动轮式角振动陀螺仪。该陀螺仪采用弧形梳齿状谐振器，可同时检测两个正交输入轴方向的输入角速度。

1988年韩国三星先进技术研究院微系统实验室(Micro Systems LabSamsung Advanced Institute of Technology)同样利用静电激励、电容检测方式，研制出一种双自由度振动陀螺仪。这种陀螺仪，它的基本结构形式是，在陀螺仪中心支柱上，通过四根支撑梁将陀螺仪结构悬挂起来，敏感检测部分的外侧设计成静电梳齿。它可同时检测两个正交输入轴方向输入的角速度。

以上两种陀螺仪结构类似，都存在运动耦合的问题。因此，误差较大、不够稳定。

本实用新型的目的旨在研制一种能实现驱动模态与敏感模态的运动解耦以及敏感输出解耦，达到误差小、稳定性好的双自由度硅微振动陀螺仪。

本实用新型的双自由度硅微振动陀螺仪，由上、下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的陀螺仪机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的陀螺仪信号线和电容极板，陀螺仪机械结构由驱动轮、隔离环、外框架、内扭杆和外扭杆组成。外框架通过一对外扭杆与隔离环相连，隔离环通过一对内扭杆与驱动轮相连，驱动轮通过四根支撑梁与固定支撑柱相连。陀螺仪可活动部分通过四根支撑梁和固定支撑柱悬空于下层的玻璃衬底之上。玻璃衬底上的信号线包括地线、驱动输入信号引线、敏感输出信号引线。玻璃衬底上的电容极板包括x轴检测电容固定极板、y轴检测电容固定极板、x轴反馈力矩电容固定极板、y轴反馈力矩电容固定极板。另外，玻璃衬底上还有固定支撑柱键合点和固定梳齿键合点等所组成。

由于本陀螺仪采用内外扭杆将驱动部分与检测部分分开的特殊结构，尤其是x、y轴向完全对称的结构形式，实现了驱动模态与敏感模态的运动解耦，实现了敏感输出解耦，提高了频率稳定性和精度，同时使得这种双自由度硅微振动陀螺仪实际上成了一种两个单自由度速率陀螺仪。

附图1双自由度硅微振动陀螺仪上层的机械结构示意图。

附图2双自由度硅微振动陀螺仪下层的玻璃衬底上的信号引线及电容极板示意图。

附图3本实用新型的工作原理简图。

下面根据上述附图叙述本实用新型的具体实施例结构及其工作原理。

附图1所示的是本陀螺仪制作在单晶硅片上的上层机械结构，由外框架1，隔离环3，驱动轮5，内扭杆4和外扭杆2所组成，隔离环3设置在外框架1与驱动轮5之间，并通过一对内扭杆4与驱动轮5相连，通过一对外扭杆2与外框架1相连，驱动轮5通过四根支撑梁6连于固定支撑柱7，支撑梁连于驱动轮的轮缘，支撑梁可以是直梁，也可以是“S”形梁等，驱动轮5由8组弧形梳状静电谐振器构成，每个静电谐振器由固定梳齿8与活动梳齿9对插组成。整个陀螺仪的上层机械结构通过四根支撑梁6和固定支撑柱7悬空安装在玻璃衬底之上。