[实用新型]硅微振动陀螺仪

说明书

一、技术领域

本实用新型的硅微振动陀螺仪是一种较高精度的陀螺仪，属陀螺仪制造技术领域。

二、背景技术

微机电系统MEMS是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。它涉及机械工程、电子工程、材料工程、物理学。MEMS的出现就立即引起了世界各国科学家、产业界和政府部门的高度重视。经过几十年的发展，MEMS已成为世界瞩目的重大科技领域之一。

硅微型机械振动陀螺仪具有微型化、整体惯性小、响应速度快以及动态性能好等优异特性。因而决定了它今后的应用前景十分广阔。与硅微型机械振动陀螺仪同属硅微型惯性敏感器件的硅微型机械加速度计发展于八十年代初期，并于九十年代初期由Analog Devices、Bosch、VTI、Denso、IC Sensors、Motorola、TEMIC等公司成功推向市场。由此可以更加确信地推测，在今后的几年内，硅微型机械振动陀螺仪也将会作为又一种成熟的硅微惯性敏感器件，广泛应用于诸多领域。在军用领域，如新概念武器、智能弹药、微型飞机的自主导航制导系统；在民用领域，如汽车安全、机器控制、振动监测、机器人、飞行物体的姿态控制、稳定平台；在消费领域，如惯性鼠标、个人导航仪、摄影机的稳定控制、玩具和运动器材；在生物医药领域，如活体监测、振动诊断、轮椅等。因此，硅微型机械陀螺仪成为一个倍受关注的领域和研发热点。

1996年，美国加洲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Z轴硅微型振动陀螺仪。这种陀螺仪是通过一个H型支撑梁结构将陀螺仪活动结构悬挂起来，采用直线形梳状谐振器，可检测垂直于陀螺仪结构平面的轴向的输入角速度。

1998年，德国微机械及信息技术研究所(Institute of Micromachining andInformation Technology)同样利用静电驱动、电容检测技术，研制出一种双线振动Z轴陀螺仪。该陀螺仪可检测垂直于陀螺仪结构平面的轴向的输入角速度。

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。

三、发明内容

1、发明目的

本实用新型的目的是提供一种能实现驱动模态与检测模态的运动解耦以及检测输出解耦，达到误差小、稳定性好、灵敏度高的硅微振动陀螺仪。

2、技术方案

本实用新型的硅微振动陀螺仪是用于垂直于基座水平面的测量仪器，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信号引线，陀螺仪上层机械结构的内框架通过内扭杆与外框架相连，外框架通过外扭杆和横梁连于固定基座，陀螺仪下层玻璃衬底上制作有地线、驱动输入引线，敏感输出信号引线、反馈信号引线，上层机械结构的固定基座对应安装在玻璃衬底上的固定基座键合点上，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上，外框架由对称的两组直线形梳状静电谐振器构成，每个静电谐振器由固定梳齿与活动梳齿对插组成，内框架由3组直线形敏感梳状电极和3组直线形反馈梳状电极组成，每组电极均由固定梳齿电极与活动梳齿电极交错对插组成，固定梳齿及反馈梳状电极与内框架之间构成梳齿差动电容，固定基座和固定基座键合点相连，固定梳齿、固定敏感梳齿电极和固定反馈梳齿电极对应与下层玻璃衬底的键合点相连，敏感梳状电极与反馈梳状电极均为不等距电极，即电极的左右间距不相等。

陀螺仪工作原理

在梳状谐振器的固定梳齿2a、2b、2c、2d上，施加含直流偏置电压的相位相反的交变电压，由于交变的静电吸力的作用，使整个陀螺仪活动结构沿驱动轴向作线振动。设线振动波形为正弦波，振幅为X₀，角频率为ω_n，则线振动位移为：

x＝X₀sinω_nt线振动速度为： V = dx dt = X 0 ω n cos ω n t ]]>