CN103822620A - 一种静电驱动式参数激励的微机械固体波动盘形陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种静电驱动式参数激励的微机械固体波动盘形陀螺仪，包括：一个圆盘形基体、四个非交叉梳齿静电驱动电极、四个交叉梳齿平行板检测电极和八个U型梁，其中：四个驱动电极和四个检测电极分别沿圆盘形基体外环边缘均匀交替配置，四个驱动电极和四个检测电极的末端均设有一个起固定支撑作用的U型梁。本发明利用参数激励的方式驱动圆盘形基体工作，其驱动模态和检测模态互相匹配。本发明采用MEMS体硅加工工艺制作。本发明驱动频率是陀螺仪固有频率的两倍，所以产生的寄生信号不会对检测信号产生干扰；同时，参数激励本身也具有增益大，稳定性强，受阻尼影响小的特点。

Description

一种静电驱动式参数激励的微机械固体波动盘形陀螺仪
技术领域
本发明涉及微机电技术领域的固体波动模态匹配陀螺，具体地，涉及一种静电驱动式参数激励的微机械固体波动盘形陀螺仪。
背景技术
陀螺仪是一种能够检测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。随着国防科技和航空、航天工业的发展，惯性导航系统对于陀螺仪的要求也向低成本、小体积、高精度、多轴检测、高可靠性、能适应各种恶劣环境的方向发展。因此，MEMS微陀螺的重要性不言而喻。特别地，静电驱动陀螺仪作为MEMS微陀螺的一个重要研究方向，已经成为该领域的一个研究热点。
然而，在静电驱动MEMS陀螺仪中，由于寄生电容的存在，输出信号会受到驱动信号的干扰，使得无法直接从输出信号中获得准确的信息，甚至连谐振频率都会有比较大的差距。
基于此，迫切需要提出一种新的陀螺结构或新的工作原理，使其产生的寄生信号不会对检测信号产生干扰，从而保证能够得到准确的信号输出。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种静电驱动式参数激励的微机械固体波动盘形陀螺仪，该陀螺利用新的驱动原理，其驱动频率是陀螺仪固有频率的两倍，所以产生的寄生信号不会对检测信号产生干扰。同时，参数激励本身也具有增益大，稳定性强，受阻尼影响小的特点。
为实现以上目的，本发明提供一种静电驱动式参数激励的微机械固体波动盘形陀螺仪，包括：
一个圆盘形基体；
四个非交叉梳齿静电驱动电极；
四个交叉梳齿平行板检测电极；
八个U型梁；
其中，四个驱动电极和四个检测电极分别沿圆盘形基体外环边缘均匀交替配置，四个驱动电极和四个检测电极的末端均设有一个起固定支撑作用的U型梁；
所述微陀螺利用参数激励的方式驱动圆盘形基体振动，其驱动模态和检测模态互相匹配，通过在一对非交叉梳齿静电驱动电极上施加正弦交流电压，由边缘场效应产生圆盘形基体在驱动模态的振动；当有垂直于圆盘形基体底部的角速度输入时，在科氏力作用下，圆盘形基体的谐振方式会从驱动模态向检测模态变化；通过检测圆盘形基体交叉梳齿平行板检测电极间的感应电容的变化，就可检测垂直于圆盘形基体底部平面的角速度大小。
优选地，所述圆盘形基体材料为单晶硅，其上均匀配置驱动电极和检测电极的一个梳齿，其中：在驱动电极结构中，盘形基体上对应的梳齿电极与另外两侧的电极构成非交叉梳齿结构；在检测电极结构中，盘形基体上对应的梳齿电极与另外两侧的电极构成交叉梳齿平行板结构。
优选地，所述驱动电极材料为单晶硅，其上沉积有一层金属或者采用离子掺杂方式形成所需电极；所述驱动电极采用静电驱动方式，具体来说，是利用边缘场效应产生圆盘形基体在驱动模态的振动，其结构为非交叉梳齿结构。
优选地，所述检测电极材料为单晶硅，其上沉积有一层金属或者采用离子掺杂方式形成所需电极；所述检测电极利用电容感应效应进行检测，其结构为交叉梳齿平行板结构。
优选地，所述U型梁结构位于驱动电极和检测电极的末端，其材料为单晶硅，起固定、支撑圆盘形基体的作用。
优选地，四个所述驱动电极中的两个相对的驱动电极被施加交流电压时，由边缘场效应产生圆盘形基体在驱动模态的振动；当存在输入角速度时，圆盘形基体的振型向检测模态转变，利用检测电极处电容感应效应产生的敏感电信号进行信号检测；上述驱动模态和检测模态互相匹配。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、受阻尼因素影响小，根据非线性振动理论，陀螺仪振动时，如果外界条件（温度等）发生变化，材料阻尼系数会随之发生变化，但是该微陀螺在主振型上的振动幅值与阻尼系数的大小无关，阻尼的大小只是与输入电压的阈值有关，阻尼越大，输入电压的最小值也越大；
2、陀螺仪带宽增大，使陀螺仪的稳定性大大增强；
3、陀螺仪的灵敏度大大提高，利用非线性振动获得的振动幅值比直接简谐振动的振幅要大得多；
4、陀螺仪的驱动信号的频率是其振动的固有频率的两倍左右，可以减小寄生电容对于检测信号的影响，从而能够减小陀螺仪的噪声，增大陀螺仪的分辨率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本实施例立体结构示意图；
图2为本实施例平面结构示意图；
图3为本实施例非交叉梳齿静电驱动电极的结构示意图；
图4为本实施例交叉梳齿平行板检测电极的结构剖面图；
图中：1为圆盘形基体，2为驱动电极，3为检测电极，4为U型梁。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例提供一种静电驱动式参数激励的微机械固体波动盘形陀螺仪，包括：
一个圆盘形基体1；
四个非交叉梳齿静电驱动电极2；
四个交叉梳齿平行板检测电极3；
八个U型梁4；
其中，四个驱动电极2和四个检测电极3分别沿圆盘形基体1外环边缘均匀交替配置，四个驱动电极2和四个检测电极3的末端均设有一个起固定支撑作用的U型梁4。
本实施例中，所述圆盘形基体1的材料为单晶硅，其上均匀配置驱动电极2和检测电极3的一个梳齿，其中：在驱动电极2结构中，圆盘形基体1上对应的梳齿电极与另外两侧的电极构成非交叉梳齿结构；在检测电极3结构中，圆盘形基体1上对应的梳齿电极与另外两侧的电极构成交叉梳齿平行板结构（如图1所示）。
本实施例中，所述驱动电极2材料为单晶硅，其上沉积有一层金属或者采用离子掺杂方式形成所需电极。驱动电极2采用静电驱动方式，具体来说，是利用边缘场效应产生圆盘形基体1在驱动模态的振动，其结构为非交叉梳齿结构（如图2所示）。
本实施例中，所述检测电极3材料为单晶硅，其上沉积有一层金属或者采用离子掺杂方式形成所需电极。检测电极3利用电容感应效应进行检测，其结构为交叉梳齿平行板结构（如图3所示）。
本实施例中，所述U型梁4结构位于驱动电极2和检测电极3的末端，其材料为单晶硅，起固定、支撑圆盘形基体1的作用。
本实施例中，四个所述驱动电极2中的两个相对的驱动电极被施加交流电压时，由边缘场效应产生圆盘形基体1在驱动模态的振动；当存在输入角速度时，圆盘形基体1的振型向检测模态转变，利用检测电极3处电容感应效应产生的敏感电信号进行信号检测；上述驱动模态和检测模态互相匹配。
本发明利用参数激励的方式驱动圆盘形基体1振动，其驱动模态和检测模态互相匹配。当四个所述驱动电极2中的两个相对的驱动电极2被施加交流电压时，由边缘场效应产生圆盘形基体1在驱动模态的振动；当有垂直于圆盘形基体1底部的角速度输入时，在科氏力作用下，圆盘形基体1的谐振方式会从驱动模态向检测模态变化；通过检测圆盘形基体1交叉梳齿平行板电极间的感应电容的变化，就可检测垂直于圆盘形基体1底部平面的角速度大小。
本实施例所述的一种静电驱动式参数激励的微机械固体波动盘形陀螺仪，使用单晶硅基体，采用硅体加工工艺，通过在对应的单晶硅梳齿上沉积一层金属或者采用离子掺杂方式形成所需要的驱动电极和检测电极；最后，为盘形谐振子焊接外围电路以及进行最终的封装得到陀螺芯片成品。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种静电驱动式参数激励的微机械固体波动盘形陀螺仪，其特征在于，包括：
一个圆盘形基体；
四个非交叉梳齿静电驱动电极；
四个交叉梳齿平行板检测电极；
八个U型梁；
其中，四个驱动电极和四个检测电极分别沿圆盘形基体外环边缘均匀交替配置，四个驱动电极和四个检测电极的末端均设有一个起固定支撑作用的U型梁；
所述微陀螺利用参数激励的方式驱动圆盘形基体振动，其驱动模态和检测模态互相匹配，通过在一对非交叉梳齿静电驱动电极上施加正弦交流电压，由边缘场效应产生圆盘形基体在驱动模态的振动；当有垂直于圆盘形基体底部的角速度输入时，在科氏力作用下，圆盘形基体的谐振方式会从驱动模态向检测模态变化；通过检测圆盘形基体交叉梳齿平行板检测电极间的感应电容的变化，检测垂直于圆盘形基体底部平面的角速度大小。
2.根据权利要求1所述的一种静电驱动式参数激励的微机械固体波动盘形陀螺仪，其特征在于，所述圆盘形基体材料为单晶硅，其上均匀配置驱动电极和检测电极的一个梳齿，其中：在驱动电极结构中，盘形基体上对应的梳齿电极与另外两侧的电极构成非交叉梳齿结构；在检测电极结构中，盘形基体上对应的梳齿电极与另外两侧的电极构成交叉梳齿平行板结构。
3.根据权利要求2所述的一种静电驱动式参数激励的微机械固体波动盘形陀螺仪，其特征在于，所述驱动电极材料为单晶硅，其上沉积有一层金属或者采用离子掺杂方式形成所需电极；所述驱动电极采用静电驱动方式，即是利用边缘场效应产生圆盘形基体在驱动模态的振动，其结构为非交叉梳齿结构。
4.根据权利要求2所述的一种静电驱动式参数激励的微机械固体波动盘形陀螺仪，其特征在于，所述检测电极材料为单晶硅，其上沉积有一层金属或者采用离子掺杂方式形成所需电极；所述检测电极利用电容感应效应进行检测，其结构为交叉梳齿平行板结构。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种静电驱动式参数激励的微机械固体波动盘形陀螺仪，其特征在于，所述U型梁结构位于驱动电极和检测电极的末端，其材料为单晶硅，起固定、支撑圆盘形基体的作用。
6.根据权利要求1-4任一项所述的一种静电驱动式参数激励的微机械固体波动盘形陀螺仪，其特征在于，四个所述驱动电极中的两个相对的驱动电极被施加交流电压时，由边缘场效应产生圆盘形基体在驱动模态的振动；当存在输入角速度时，圆盘形基体的振型向检测模态转变，利用检测电极处电容感应效应产生的敏感电信号进行信号检测；上述驱动模态和检测模态互相匹配。
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