[实用新型]高灵敏度体声波硅微陀螺仪

说明书

技术领域

本实用新型涉及的是一种微机电技术领域的微陀螺，具体地说，涉及的是一种高灵敏度体声波硅微陀螺仪。

背景技术

微陀螺仪是一种利用微机械电子（MEMS）工艺制作的能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。随着硅微陀螺仪在消费电子姿态控制系统、汽车辅助导航和安全控制系统、工业机器人姿态控制、武器惯性制导等领域的大范围应用，陀螺仪正朝着高精度、小型化、成本低的方向发展。

传统的梳状叉指结构的硅微陀螺仪通常工作频率在1KHz-90KHz的工作频率范围，采用方形的质量块作为振子，利用梳状叉指结构的静电驱动器驱动质量块产生一个方向的参考振动，当有垂直于质量块参考振动方向的角速度输入时，在科氏加速度的作用下质量块会产生垂直于角速度输入方向和参考振动方向的振动，以此敏感载体角速度的大小。梳状叉指结构的硅微陀螺仪工作在较低的工作频率使得其驱动质量块产生的有效位移较大，器件灵敏度较高，但在低频工作模式下，相邻模态之间的频率差较小使得相邻模态之间的振动耦合所引起的耦合误差对陀螺的精度影响较大，同时低频下的1/f噪声带来的误差对陀螺精度的影响较大；同时采用方形质量块是一个轴对称的图形，由于加工误差导致方形振子存在对称性误差时，陀螺会产生正交误差。基于以上原因，在一些对精度要求更高的场合，通常使用具有更高对称性的圆盘形振子来代替方形质量块振子，以减小陀螺仪的正交误差，同时提高器件的刚度和工作频率至MHz，以避免器件的模态耦合误差和1/f噪声对陀螺精度的影响，陀螺的噪声因此大大降低，使得硅微陀螺仪具有更高的精度。

由于采用圆盘形振子的陀螺仪刚度较大、工作频率较高，因此其驱动模态下产生的参考振动的幅值较小，所以在角速度输入时引起的敏感模态的振动输出也很小，为增大陀螺的灵敏度，圆弧形驱动电极和检测电极同圆盘状谐振子之间的间隙需要采用超高深宽比（约200:1）的工艺，高深宽比电容间隙加工十分困难，且由于间隙宽度较小，侧壁表面粗糙度精度难以控制，工作过程中容易引起隧穿。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的不足提供了一种高灵敏度体声波硅微陀螺仪，陀螺仪采用基于杠杆原理的位移放大机构将检测模态下的微小位移输出放大，利用普通加工工艺代替高深宽比电容间隙加工工艺制作驱动电极和圆盘形谐振子间的间隙实现静电驱动，在提高了陀螺灵敏度的同时简化了陀螺的加工工艺，降低了其生产成本。

为实现上述目的，本实用新型提出如下的技术方案：一种高灵敏度体声波硅微陀螺仪，包括圆盘形谐振子，支撑圆柱，圆弧形驱动电极，具有位移放大机构的检测电极，检测电极固定凸台和基板。陀螺仪采用圆盘状谐振子的2个面内四波幅波节频率匹配模态作为驱动模态和检测模态，驱动模态和检测模态具有相同的振型，且其径向振动正交，即驱动模态的波幅为检测模态的波节，驱动模态的波节为检测模态的波幅。

具有位移放大机构的检测电极由驱动臂、柔性铰链、平板电容极板组成，共有四个。驱动臂一端在圆盘谐振子半径方向和谐振子驱动模态的波节点固定连接，另一端和平板电容极板中部固定连接。柔性铰链一端固定在检测电极凸台上，另一端和平板电容极板的一端固定连接。平行电容极板和检测电极固定凸台之间形成检测电容。驱动臂和平板电容极板的连接点靠近柔性铰链一端，以增大位移放大系数。

圆盘形谐振子上开有关于圆心对称均匀分布的贯穿孔，可以通过改变孔的大小调节谐振子的刚度，圆盘形谐振子通过重离子掺杂的工艺提高其电导率。

支撑圆柱为圆柱形，支撑圆柱和圆盘形谐振子同心，一端同圆形谐振子中心固定，另一端同基板固定，支撑圆柱半径和圆盘形谐振子半径之间的比值小于1:20。

圆弧形驱动电极和圆盘状谐振子同心，圆弧形驱动电极位于圆盘形谐振子驱动模态的波幅处，共有四个，圆弧形驱动电极和圆盘状谐振子之间的间隙为1-10μm，间隙的深宽比小于20:1，圆弧形驱动电极通过重离子掺杂的工艺提高其电导率。

检测电极固定凸台和圆盘形谐振子同心，检测电极固定凸台位于圆盘形谐振子检测模态的波幅处，共有四个，检测电极固定凸台的外径和圆弧形驱动电极外径大小相同，检测电极凸台内壁和检测电极中平板电容极板对应的部分为平面，检测电极凸台内壁平面和平板电容极板平行。

基板为圆盘形，基板和圆盘形谐振子同心，半径和圆弧形检测电极固定凸台以及圆弧形驱动电极的外径相同，检测电极固定凸台、圆弧形驱动电极和支撑圆柱固定在基板上。