[发明专利]一种电容式水平轴微机械音叉陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机械陀螺，特别是关于一种电容式水平轴微机械音叉陀螺。

背景技术

微机械陀螺具有体积小、重量轻、成本低、功耗小及易集成等优点，在航空、航天、兵器、汽车和消费类电子产品等领域都有着迫切的应用需求和广泛的应用前景。

目前，单检测质量块陀螺是研究最广泛也是较成熟的微机械振动陀螺形式，除振动轮陀螺之外，这种结构形式在原理上存在对线加速度敏感的问题。解决这一问题现有以下措施：1、通过配对使两个单轴陀螺反向安装组成一个单轴陀螺；2、通过测量线加速度予以补偿；3、采用措施2的同时采取闭环检测。但是，这些解决方法也存在以下不足：1、措施1会提高生产成本，降低生产效率和成品率，器件数目的增加也提高了使用成本并降低了系统可靠性；2、措施2会大大降低陀螺的量程和线性度；3、措施3采用闭环检测的微机械振动陀螺技术难度较大，目前尚未见诸报道。

对于惯性导航系统，为获得载体如飞机等的方位和姿态信息，需要载体的三个相互垂直轴方向的角速度信息，传统上通过安装两个双轴或三个单轴陀螺来实现。对于微机械陀螺，保证安装精度有一定困难，该问题可通过单片三轴集成来解决。目前用于检测垂直于器件表面方向角速度的Z轴微机械音叉陀螺的偏值稳定性已达0.1°/h，但是高性能的水平轴微机械音叉陀螺尚未见诸报道。实现与Z轴微机械音叉陀螺工艺兼容的高性能的水平轴微机械音叉陀螺是实现单片三轴微机械音叉陀螺的一项关键技术。

现有的采用双端不等高梳齿电容检测的水平轴陀螺，由于采用单检测质量块或不对称结构，存在与单检测质量块微机械陀螺同样的问题。同样，现有的水平轴微机械音叉陀螺检测运动受压膜阻尼影响大，常压下品质因数(Q值)和灵敏度低。解决这些问题包括以下措施：1、采取真空封装以降低阻尼；2、采取在检测质量块上打孔以减小阻尼。但这些措施分别存在以下缺点：1、措施1很大程度提高了对封装的要求，因而提高了成本并降低生产效率；2、措施2减小检测质量块质量从而降低陀螺灵敏度和分辨率。

已有的水平轴微机械音叉陀螺和其它采用双端不等高梳齿电容检测的水平轴陀螺采用直梁提供检测质量块的运动自由度。但是直梁的采用存在以下不足：1、无法释放微机械陀螺在加工过程中产生的应力，从而影响陀螺性能的稳定；2、无法释放陀螺工作过程中由于温度变化和温度梯度产生的应力。针对不足1，通常的解决办法是采取老化或温度循环等环境实验来释放加工应力。这种办法提高了对实验设备的要求，延长了生产周期，提高了生产成本；针对不足2，该问题可通过对陀螺进行恒温控制来解决，但温控增大系统的复杂度和体积并增加了功耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种高性能，可实现差分检测Y轴方向角速度信息的电容式水平轴微机械音叉陀螺。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种电容式水平轴微机械音叉陀螺，其特征在于：它包括衬底，锚点，检测折叠梁，框架，驱动折叠梁，检测质量块，驱动梳齿电容及检测梳齿电容；所述驱动梳齿电容和检测梳齿电容分别包括可动电极和固定电极；所述锚点，检测折叠梁，框架，检测质量块，驱动梳齿电容及检测梳齿电容相对于陀螺X、Y轴对称分布；所述驱动梳齿电容的可动电极与所述检测质量块固定连接，所述检测质量块通过所述驱动折叠梁与所述框架连接，所述检测梳齿电容的可动电极与所述框架连接，所述框架通过所述检测折叠梁与所述锚点连接，所述锚点固定连接在所述衬底上；所述驱动梳齿电容的固定电极和所述检测梳齿电容的固定电极通过各自的锚点固定连接在所述衬底上。

所述检测梳齿电容采用双端不等高结构，所述可动部分和固定部分厚度一致。

所述框架左、右两侧中部的检测梳齿电容的可动梳齿双端高于或低于对应的所述固定梳齿的双端，所述两中部检测梳齿电容上、下两端梳齿电容的可动梳齿双端低于或高于对应的所述固定梳齿的双端。

所述检测梳齿电容闭环检测时，所述左、右两侧中部的检测梳齿电容作为检测电容或施力反馈电容，所述中部检测梳齿电容上、下两端的梳齿电容作为施力反馈电容或检测电容。

所述检测折叠梁为弯曲变形梁、扭转变形梁和弯扭组合梁中的一种。