專利名稱：電容式微機(jī)械陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電容式微機(jī)械陀螺。
背景技術(shù)：
電容式微機(jī)械陀螺采用硅基半導(dǎo)體工藝制作，具有體積小、可靠度高、可批量制造等特點(diǎn)，可用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、汽車等運(yùn)動(dòng)物體的角速度測(cè)量、姿態(tài)穩(wěn)定等。微機(jī)械陀螺都是基于科里奧里力檢測(cè)角速度的，包含兩個(gè)相互垂直的工作模態(tài)驅(qū)動(dòng)模態(tài)與敏感模態(tài)。
參照?qǐng)D2，文獻(xiàn)“Micromachined z-axis vibratory gyroscope，US Patent 5992233”介紹了美國(guó)伯克利大學(xué)的William A.Clark基于上述原理的一種z軸電容式微機(jī)械陀螺，在該陀螺中，慣性質(zhì)量平板框架22由兩根框架梁24，兩根檢測(cè)梳齒梁26，一根驅(qū)動(dòng)梳齒梁28共同構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)梳齒梁28在各個(gè)自由度具有較大的剛度，在陀螺工作過(guò)程中不發(fā)生變形，其兩側(cè)分別伸出一組橫截面為矩形的梳齒狀懸臂梁即驅(qū)動(dòng)梳齒30，梳齒30與框架內(nèi)的驅(qū)動(dòng)施力電極32上伸出的驅(qū)動(dòng)電極梳齒34交疊構(gòu)成變面積的梳齒驅(qū)動(dòng)電容對(duì)36，且梳齒之間的間距相等，用于產(chǎn)生沿著驅(qū)動(dòng)方向的靜電力維持慣性質(zhì)量平板框架22的振動(dòng)。兩根檢測(cè)梳齒梁26同樣具有較大的剛度且不發(fā)生變形，其兩側(cè)分別伸出一組梳齒，其中位于框架內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒38和驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極40上伸出的驅(qū)動(dòng)電極梳齒42交疊構(gòu)成變面積的梳齒驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容對(duì)44，用于檢測(cè)慣性質(zhì)量平板22的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；位于框架外部的檢測(cè)梳齒46和左變間距梳齒48.1以及右變間距梳齒48.1構(gòu)成變間距的敏感電容對(duì)50，用于敏感科里奧里力所引起的電容變化。慣性質(zhì)量平板框架22由四組驅(qū)動(dòng)彎曲梁52，敏感彎曲梁54以及兩根無(wú)變形連接梁56共同支撐形成可動(dòng)結(jié)構(gòu)，敏感彎曲梁54通過(guò)錨點(diǎn)60固連于基體上。
此陀螺工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)施力電容對(duì)36將產(chǎn)生適當(dāng)?shù)撵o電力保持慣性質(zhì)量平板框架22在x方向穩(wěn)幅穩(wěn)頻振動(dòng)即驅(qū)動(dòng)模態(tài)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)彎曲梁52發(fā)生彎曲，其它梁不發(fā)生變形。當(dāng)z軸有一角速度Ω輸入時(shí)，受科里奧里力作用慣性質(zhì)量平板框架22在y方向產(chǎn)生位移，形成敏感模態(tài)的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)敏感彎曲梁54發(fā)生彎曲變形，并導(dǎo)致敏感電容對(duì)50的電容值發(fā)生變化，通過(guò)敏感該電容變化即可測(cè)得輸入角速度Ω。
但是，此陀螺在工作中，慣性質(zhì)量平板框架22在敏感模態(tài)的運(yùn)動(dòng)使得驅(qū)動(dòng)梳齒電容對(duì)36和驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒電容對(duì)44中的梳齒間距不再相等，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)模態(tài)的驅(qū)動(dòng)力在檢測(cè)方向有一個(gè)分量，干擾陀螺有效信號(hào)的檢測(cè)。這種驅(qū)動(dòng)模態(tài)和敏感模態(tài)的相互耦合還將導(dǎo)致其它誤差項(xiàng)，是陀螺設(shè)計(jì)必須解決的一個(gè)問(wèn)題。William Clark是通過(guò)在敏感模態(tài)方向上慣性質(zhì)量平板框架22的兩側(cè)設(shè)置了四個(gè)擋塊58來(lái)限制慣性質(zhì)量平板框架22在敏感方向的位移量，同時(shí)還從信號(hào)處理的角度設(shè)計(jì)了相應(yīng)的誤差抑制電路，但是此方法并沒(méi)有從本質(zhì)上消除驅(qū)動(dòng)模態(tài)與敏感模態(tài)之間的耦合，僅僅是在一定程度上減弱了此交叉耦合的影響。因此，若能從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上對(duì)模態(tài)之間的耦合進(jìn)行完全消除，則可以避免相應(yīng)的誤差抑制電路設(shè)計(jì)，降低陀螺的成本和體積。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中不能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模態(tài)與檢測(cè)模態(tài)解耦的不足，本發(fā)明提出一種電容式微機(jī)械陀螺，利用其特殊的解耦梁結(jié)構(gòu)，可以解決現(xiàn)有技術(shù)驅(qū)動(dòng)模態(tài)和敏感模態(tài)之間的耦合問(wèn)題。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種電容式微機(jī)械陀螺，包括慣性質(zhì)量平板框架22、檢測(cè)梳齒46、左變間距梳齒48.1、右變間距梳齒48.2、驅(qū)動(dòng)彎曲梁52、敏感彎曲梁54以及無(wú)變形連接梁56，慣性質(zhì)量平板框架22通過(guò)四根驅(qū)動(dòng)彎曲梁52分別與兩根無(wú)變形連接梁56連接，再由四根敏感彎曲梁54通過(guò)錨點(diǎn)60固連于基體，慣性質(zhì)量平板框架22的外側(cè)分別伸出一組檢測(cè)梳齒46，左變間距梳齒48.1和右變間距梳齒48.2等距離位于檢測(cè)梳齒46兩側(cè)構(gòu)成變間距的敏感電容對(duì)50，并通過(guò)錨點(diǎn)固定在基體上，其特征在于兩根驅(qū)動(dòng)梳齒梁28分別連接在內(nèi)驅(qū)動(dòng)彎曲梁72上，內(nèi)驅(qū)動(dòng)彎曲梁72固定在內(nèi)錨點(diǎn)96上，連接在驅(qū)動(dòng)梳齒梁28上的內(nèi)敏感彎曲梁74的另一端與慣性質(zhì)量平板框架22相連；驅(qū)動(dòng)梳齒梁28的兩側(cè)分別伸出一組驅(qū)動(dòng)梳齒30，驅(qū)動(dòng)梳齒30與驅(qū)動(dòng)施力電極32上伸出的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒34交疊構(gòu)成變面積的驅(qū)動(dòng)施力電容對(duì)36，驅(qū)動(dòng)梳齒30與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極40上伸出的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒42交疊構(gòu)成變面積的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容對(duì)44；驅(qū)動(dòng)施力電極32和驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極40均通過(guò)錨點(diǎn)固定在基體上。
所述慣性質(zhì)量平板框架22由兩根框架梁24，兩根檢測(cè)梳齒梁26首尾固連構(gòu)成。
所述內(nèi)驅(qū)動(dòng)彎曲梁72和內(nèi)敏感彎曲梁74的長(zhǎng)度大于其寬度。
本發(fā)明的有益效果是由于采用解耦梁結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)與敏感模態(tài)之間的解耦。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2是現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意中，22-慣性質(zhì)量平板框架，24-框架梁，26-檢測(cè)梳齒梁，28-驅(qū)動(dòng)梳齒梁，30-驅(qū)動(dòng)梳齒，32-驅(qū)動(dòng)施力電極，34-驅(qū)動(dòng)電極梳齒，36-梳齒驅(qū)動(dòng)電極對(duì)，38-驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒，40-驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極，42-驅(qū)動(dòng)電極梳齒，44-驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極對(duì)，46-檢測(cè)梳齒，48.1-左變間距梳齒，48.2-右變間距梳齒，50-變間距敏感電容對(duì)，52-驅(qū)動(dòng)彎曲梁，54-敏感彎曲梁，56-無(wú)變形連接梁，58-擋塊，60-錨點(diǎn)，72-內(nèi)驅(qū)動(dòng)彎曲梁，74-內(nèi)敏感彎曲梁，96-內(nèi)錨點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1，本發(fā)明所述慣性質(zhì)量平板框架22由兩根框架梁24，兩根檢測(cè)梳齒梁26首尾固連共同構(gòu)成。而在慣性質(zhì)量平板框架22內(nèi)部，兩根驅(qū)動(dòng)梳齒梁28分別連接在內(nèi)驅(qū)動(dòng)彎曲梁72上，內(nèi)驅(qū)動(dòng)彎曲梁72固定在內(nèi)錨點(diǎn)96上，連接在驅(qū)動(dòng)梳齒梁28上的內(nèi)敏感彎曲梁74的另一端與慣性質(zhì)量平板框架22相連。驅(qū)動(dòng)梳齒梁28具有較大的寬度和剛度，在陀螺工作過(guò)程中可認(rèn)為不發(fā)生變形。內(nèi)驅(qū)動(dòng)彎曲梁72和內(nèi)敏感彎曲梁74的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其寬度，一般在10倍以上，即梁在x-y平面內(nèi)的彎曲剛度遠(yuǎn)小于其軸向的變形剛度，在陀螺工作過(guò)程中，內(nèi)驅(qū)動(dòng)彎曲梁72和內(nèi)敏感彎曲梁74僅在x-y平面內(nèi)發(fā)生彎曲變形而不改變其軸向長(zhǎng)度。驅(qū)動(dòng)梳齒梁28的兩側(cè)分別伸出一組驅(qū)動(dòng)梳齒30，驅(qū)動(dòng)梳齒30與驅(qū)動(dòng)施力電極32上伸出的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒34交疊構(gòu)成變面積的驅(qū)動(dòng)施力電容對(duì)36，驅(qū)動(dòng)梳齒30與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極40上伸出的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒42交疊構(gòu)成變面積的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容對(duì)44。驅(qū)動(dòng)施力電極32和驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極40均通過(guò)錨點(diǎn)固定在基體上；兩根檢測(cè)梳齒梁26上向外側(cè)伸出的檢測(cè)梳齒46與左變間距梳齒48.1以及右變間距梳齒48.2構(gòu)成變間距的敏感電容對(duì)50，并通過(guò)錨點(diǎn)固定在基體上，用于敏感由科里奧里力所引起的電容變化。慣性質(zhì)量平板框架22由四根驅(qū)動(dòng)彎曲梁52、四根敏感彎曲梁54、四根內(nèi)驅(qū)動(dòng)彎曲梁72、四根內(nèi)敏感彎曲梁74以及兩根無(wú)變形連接梁56共同支撐形成可動(dòng)結(jié)構(gòu)。敏感彎曲梁54通過(guò)錨點(diǎn)60固連于基體，內(nèi)驅(qū)動(dòng)彎曲梁72通過(guò)內(nèi)錨點(diǎn)96固連于基體，同時(shí)內(nèi)錨點(diǎn)96在慣性質(zhì)量平板框架22內(nèi)部還起擋塊作用，用來(lái)限制結(jié)構(gòu)在敏感方向的位移，保護(hù)檢測(cè)梳齒46結(jié)構(gòu)。
解耦梁結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)彎曲梁52、敏感彎曲梁54、內(nèi)驅(qū)動(dòng)彎曲梁72以及內(nèi)敏感彎曲梁74構(gòu)成，當(dāng)陀螺工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)施力電容對(duì)36將產(chǎn)生適當(dāng)?shù)撵o電力保持慣性質(zhì)量平板框架22在x方向穩(wěn)幅穩(wěn)頻振動(dòng)，即驅(qū)動(dòng)模態(tài)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)驅(qū)動(dòng)彎曲梁52、內(nèi)驅(qū)動(dòng)彎曲梁72同時(shí)發(fā)生彎曲，其它梁不發(fā)生變形，從而消除了驅(qū)動(dòng)模態(tài)對(duì)敏感模態(tài)的耦合。當(dāng)繞z軸有一角速度Ω輸入時(shí)，受科里奧里力作用慣性質(zhì)量平板框架22在y方向產(chǎn)生位移，形成敏感模態(tài)的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)敏感彎曲梁54、內(nèi)敏感彎曲梁74同時(shí)發(fā)生彎曲變形，而內(nèi)驅(qū)動(dòng)彎曲梁72因?yàn)榫哂邢鄬?duì)無(wú)窮大的軸向剛度，所以將驅(qū)動(dòng)梳齒梁28在y方向的運(yùn)動(dòng)限制為零，這將保證僅有敏感電容對(duì)50的電容值發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)該電容變化即可測(cè)得輸入角速度Ω，從而成功地消除了敏感模態(tài)對(duì)驅(qū)動(dòng)模態(tài)的耦合。
敏感模態(tài)上變間距的敏感電容對(duì)50采用勻置變間距敏感電容對(duì)結(jié)構(gòu)，其中定齒分為兩組，即左變間距梳齒48.1和右變間距梳齒48.2，左變間距梳齒48.1和右變間距梳齒48.2在電學(xué)連接上是分離的，且一般地具有相反電位。檢測(cè)梳齒46的初始位置與兩側(cè)定齒距離相等，當(dāng)動(dòng)齒發(fā)生位移時(shí)敏感電容形成差動(dòng)輸出。
權(quán)利要求
1.一種電容式微機(jī)械陀螺，包括慣性質(zhì)量平板框架(22)、檢測(cè)梳齒(46)、左變間距梳齒(48.1)、右變間距梳齒(48.2)、驅(qū)動(dòng)彎曲梁(52)、敏感彎曲梁(54)以及無(wú)變形連接梁(56)，慣性質(zhì)量平板框架(22)通過(guò)四根驅(qū)動(dòng)彎曲梁(52)分別與兩根無(wú)變形連接梁(56)連接，再由四根敏感彎曲梁(54)通過(guò)錨點(diǎn)(60)固連于基體，慣性質(zhì)量平板框架(22)的外側(cè)分別伸出一組檢測(cè)梳齒(46)，左變間距梳齒(48.1)和右變間距梳齒(48.2)等距離位于檢測(cè)梳齒(46)兩側(cè)構(gòu)成變間距的敏感電容對(duì)(50)，并通過(guò)錨點(diǎn)固定在基體上，其特征在于兩根驅(qū)動(dòng)梳齒梁(28)分別連接在內(nèi)驅(qū)動(dòng)彎曲梁(72)上，內(nèi)驅(qū)動(dòng)彎曲梁(72)固定在內(nèi)錨點(diǎn)(96)上，連接在驅(qū)動(dòng)梳齒梁(28)上的內(nèi)敏感彎曲梁(74)的另一端與慣性質(zhì)量平板框架(22)相連；驅(qū)動(dòng)梳齒梁(28)的兩側(cè)分別伸出一組驅(qū)動(dòng)梳齒(30)，驅(qū)動(dòng)梳齒(30)與驅(qū)動(dòng)施力電極(32)上伸出的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒(34)交疊構(gòu)成變面積的驅(qū)動(dòng)施力電容對(duì)(36)，驅(qū)動(dòng)梳齒(30)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極(40)上伸出的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒(42)交疊構(gòu)成變面積的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容對(duì)(44)；驅(qū)動(dòng)施力電極(32)和驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極(40)均通過(guò)錨點(diǎn)固定在基體上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式微機(jī)械陀螺，其特征在于所述慣性質(zhì)量平板框架(22)由兩根框架梁(24)，兩根檢測(cè)梳齒梁(26)首尾固連構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容式微機(jī)械陀螺，其特征在于所述內(nèi)驅(qū)動(dòng)彎曲梁(72)和內(nèi)敏感彎曲梁(74)的長(zhǎng)度大于其寬度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種電容式微機(jī)械陀螺，用來(lái)解決現(xiàn)有技術(shù)中不能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模態(tài)與檢測(cè)模態(tài)的解耦問(wèn)題，其特征在于兩根驅(qū)動(dòng)梳齒梁(28)分別與固定在內(nèi)錨點(diǎn)(96)上的內(nèi)驅(qū)動(dòng)彎曲梁(72)和連接在慣性質(zhì)量平板框架(22)上的內(nèi)敏感彎曲梁(74)相連；驅(qū)動(dòng)梳齒梁(28)的兩側(cè)分別伸出一組驅(qū)動(dòng)梳齒(30)，與驅(qū)動(dòng)施力電極(32)上伸出的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒(34)交疊構(gòu)成變面積的驅(qū)動(dòng)施力電容對(duì)(36)，與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極(40)上伸出的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒(42)交疊構(gòu)成變面積的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容對(duì)(44)；驅(qū)動(dòng)施力電極(32)和驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極(40)均通過(guò)錨點(diǎn)固定在基體上。由于本發(fā)明采用了解耦梁結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)與敏感模態(tài)之間的解耦。
文檔編號(hào)G01C19/574GK1749693SQ20051009622
公開(kāi)日2006年3月22日 申請(qǐng)日期2005年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月24日
發(fā)明者苑偉政, 常洪龍, 謝建兵, 蔣慶華 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)