[发明专利]双质量振动式硅微陀螺仪

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统和微惯性测量技术，特别是一种双质量振动式硅微陀螺仪。

背景技术

微机械惯性仪表包括微机械陀螺仪(MMG)和微机械加速度计(MMA)。利用微电子加工工艺允许将微机械结构与所需的电子线路完全集成在一个硅片上，从而达到性能、价格、体积、重量、可靠性诸方面的高度统一。因而，这类仪表具有一系列的优点(如体积小、重量轻、价格便宜、可靠性高、能大批量生产等)，在军民两方面都具有广泛的应用前景。在民用方面，主要用于汽车工业、工业监控及消费类产品和机器人技术，如气囊、防抱死系统、偏航速率传感器、翻滚速率传感器、图象稳定及玩具等等；在军用领域，主要用于灵巧炸弹、智能炮弹、战术导弹、新概念武器和微型飞机的自主导航制导系统等。

1993年，美国德雷珀实验室通过在玻璃表面复盖硅层技术制作了一种新颖的微机械陀螺一音叉式线振动陀螺(M.Weinberg，J.Bernstein，et al.A micromachined comb-drivetuning fork rate gyroscope.Proc.Of the 49^th annual meeting”Future global navigation andguidance”，the Institute of Navigation，June21-23，1993，pp.595-601)。该陀螺仪由双质量块、支承梁和横梁组成，陀螺仪采用线振动驱动，角振动敏感检测，可检测陀螺仪平面的轴向的输入角速率。该陀螺仪的双质量块设计可增加输出信号，但其驱动与敏感运动完全耦合，且角振动的线性度较差，限制了其灵敏度的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能实现驱动模态与检测模态的运动解耦、大幅度振动、检测输出解耦，达到误差小、抗干扰能力强、灵敏度高的双质量振动式硅微陀螺仪。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种双质量振动式硅微陀螺仪，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信号引线，陀螺仪上层机械结构由一对完全相同的子结构组成，该两个子结构左右对称设置，并分别与横梁连接，该横梁通过两组扭杆与固定基座连接，该固定基座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。

本发明双质量振动式硅微陀螺仪的每个子结构由质量块、谐振器、驱动支承梁、检测支承梁和固定敏感梳齿组成，每个质量块分别通过各自的检测支承梁与横板相连，该横板上的各自谐振器通过驱动支承梁与横梁相连。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)两个子结构左右对称布置，增加了输出信号，为单质量块输出信号的两倍；(2)采用两组支承梁将驱动部分与检测部分分开，实现了驱动方向与检测方向的运动解耦，从而减小误差信号；(3)两个子结构的驱动运动和检测运动均为相向运动，形成梳齿差动电容检测，实现了敏感输出解耦，抑制了干扰信号；(4)扭杆两两对称布置，增加了y、z轴的转动刚度以及z轴的弯曲刚度，增加了抗冲击能力，此外，还增加了调节振动模态和谐振频率的灵活性；(5)检测支承梁采用U型梁的结构，不仅有效地释放热应力，并抑制了正交耦合误差信号，此外，还减小了运动的非线性，从而可增大振动幅度，提高检测灵敏度；(6)两个子结构的谐振器梳齿反对称布置，在两个子结构的驱动梳齿上施加相同的驱动电压，便可使得两个子结构相向运动，从而简化了电路。该发明中的设计在国内还没有相关、相似的设计。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明双质量振动式硅微陀螺仪的结构示意图。

图2是本发明双质量振动式硅微陀螺仪的谐振器结构示意图。

图3是本发明双质量振动式硅微陀螺仪的检测结构示意图。

图4是本发明双质量振动式硅微陀螺仪下层的玻璃衬底上的信号引线示意图。

具体实施方式