[实用新型]一种转动输出的双质量块音叉角速率陀螺仪

说明书

本实用新型公开了一种转动输出的双质量块音叉角速率陀螺仪，包括上层真空封装盖板、下层硅衬底和中层单晶硅片，中层单晶硅片上设有陀螺机械结构，所述陀螺机械结构的两个子结构左右对称分布在横梁中部支撑直梁和驱动电容的两侧，并分别与横梁连接，该横梁通过中部支撑直梁和端部折叠梁与上层真空封装盖板和下层硅衬底锚固，使中层的机械结构部分悬空在上层封装盖板和下层硅衬底之间。本实用新型实现了转动模态输出，降低了驱动模态和检测模态之间的运动耦合，减少了驱动电容在工作中的变化，提高了陀螺性能的稳定性，并使高阶模态频率大于工作模态频率两倍以上，起到了有效的模态隔离，具有较强的抗振动干扰能力。

技术领域

本实用新型属于微电子机械系统和微惯性测量技术，特别是一种转动输出的双质量块音叉角速率陀螺仪。

背景技术

微机械惯性仪表包括微机械陀螺(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—音叉式线振动陀螺。该陀螺由双质量块、支承梁和横梁组成，陀螺采用线振动驱动和角振动检测的方式，可以敏感陀螺平面内轴向的角速率。由于该陀螺的驱动运动与敏感运动完全耦合，限制了其灵敏度的提高。

2007年，苏岩等人研制了双质量振动式硅微陀螺(申请号：200710133223.5)，在驱动力的作用下双质量在做平行于衬底的线振动，有角速率输入时，双质量块做平行于衬底的垂直于驱动方向的线振动，通过检测敏感电容的变化，测试输入角速率。该陀螺采用了八根驱动支承梁和八根敏感支承梁实现驱动模态与敏感模态的分离。由于微电子工艺存在误差，会导致两个子结构没有很好的一致性，产生敏感模态不同步等现象。

2009年，苏岩等人又研制了摆动式硅微陀螺(申请号：200920037290.1)。采用扭杆和横梁，使陀螺绕Z轴转动，实现陀螺的敏感运动，实现了驱动方向与检测方向的运动解耦。扭杆代替了敏感支承梁，减小了支承梁数目，降低了加工误差对陀螺性能的影响。但是在体硅工艺中，对竖直扭杆的加工具有相当大的难度。

2011年，苏岩等人研制了硅微角振动输出陀螺(申请号：201110170673.8)和扭摆式角速率陀螺(申请号：201120340974.6)。二者都采用水平扭杆和横梁，实现陀螺的角振动输出。水平扭杆的使用，降低了对加工过程的要求。同时设置了质量块链接机构，增大了工作模态与干扰模态的频率差，增加了陀螺的稳定性。二者不同的地方在于横梁与固定基座的连接方式不同。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种转动输出的双质量块音叉角速率陀螺仪，所述陀螺仪通过支撑梁的合理设计，实现了转动模态输出，降低了驱动模态和检测模态之间的运动耦合，减少了驱动电容在工作中的变化，提高了陀螺性能的稳定性。同时也去除了检测同向模态，实现驱动模态与检测模态为第二阶模态和第三阶模态低阶模态，且其他高阶干扰模态频率大于工作模态频率的两倍以上，起到了有效的模态隔离，具有较强的抗振动干扰能力。