[发明专利]一种抗高强度冲击的音叉式微机械陀螺

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统领域，涉及音叉式微机械陀螺结构。

背景技术

微机械陀螺是利用科氏效应来检测转动物体角速度的一种惯性传感器。微机械陀螺采用微电子加工设备制备，具有体积小、质量轻、成本低、易于批量生成的特点，在武器制导、航空航天、汽车、生物医学器械、消费品电子等领域具有极其广泛的应用前景。

由于MEMS陀螺在工作过程中会受到各种外力和加速度的影响，在搬运存放过程中也难免存在冲击，微机械陀螺可能被损坏。当器件应用在如航空航天、武器制导等存在高强度冲击的场合时，微机械陀螺的抗冲击性尤为重要。国内从20世纪90年代开始进行微机械陀螺的研究工作，并相继取得了一定的研究成果。典型成果如中国科学院上海微系统与信息技术研究所在2001年左右研制的栅结构振动式微机械陀螺、振子框架式微机械陀螺、基于滑膜阻尼效应的音叉式微机械陀螺，中国上海复旦大学电子工程系2001年研制的具有矩形梁式质量块结构的微机械陀螺，清华大学还研制有振动轮式微机械陀螺等。但国内对MEMS器件的抗冲击设计的研究较少，且主要集中于微加速度计的研究。截止目前，国内未见有关于抗高冲击微陀螺研制成功的相关文献、专利或报道，国外在抗高冲击微陀螺方面对中国采取严格的技术封锁政策。基于此，有必要对音叉式微机械陀螺的抗冲击性能进行研究，以使其可应用对存在较高强度冲击的民用与军用场合进行角速度检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微机械陀螺仪，具有抗高强度冲击的能力，可以应用于存在高强度冲击的应用场合。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种新型音叉式抗高冲击微机械陀螺，包括左右对称设置的两个单框式结构，所述两个单框式结构经由中间耦合梁连接，每个单框式结构均包括驱动质量框、设于所述驱动质量框内部的检测质量框、检测弹性梁结构、驱动弹性梁结构以及在水平方向和竖直方向单方向上成对设置弹性限位结构，所述检测弹性梁结构连接所述驱动质量框与所述检测质量框，所述驱动质量框经由驱动弹性梁结构与锚点连结，所述弹性限位结构包括连接于锚点上的至少一组弹性限位梳齿和连接于驱动质量框或检测质量框上的限位挡块。

所述与驱动质量框相连的弹性限位结构为差动式的限位结构，在驱动质量框外侧沿水平方向单方向成对设置，且均包括三组弹性限位梳齿：第一弹性限位梳齿、第二弹性限位梳齿与第三弹性限位梳齿。

初始状态下限位挡块距离第一限位梳齿和第三弹性限位梳齿的距离d1与其距离第二限位梳齿的距离d2不同。

所述与检测质量框相连的弹性限位结构设于检测质量框内部四侧，左右两侧各沿竖直方向单方向成对设置弹性限位结构，上下两侧各沿水平方向单方向成对设置弹性限位结构，且所述与检测质量框相连的弹性限位结构分别设有两组弹性限位梳齿：第四弹性限位梳齿与第五弹性限位梳齿，限位挡块到第四弹性限位梳齿与第五弹性限位梳齿的距离不同。

所述驱动弹性梁结构包括四根驱动弹性梁，所述四根驱动弹性梁位于所述驱动质量框外侧，以所述驱动质量框的中轴线为中心对称设置，用于连接锚点。

所述检测弹性梁结构包括四根检测弹性梁，所述四根检测弹性梁位于所述检测质量框外侧的四角位置，用于连接所述驱动质量框与所述检测质量框。

所述的微机械陀螺的驱动弹性梁与检测弹性梁均由多根直弹性梁以串联的方式进行连接构成。

所述微机械陀螺的制作材料为硅片，制作方法为反应离子刻蚀（RIE）、硅硅键合和深反应离子刻蚀（DRIE）。

驱动质量框和检测质量框均为中空式结构。

优选的，检测质量框的中空部分的内部为键合区，键合区内设有多条沟槽。

驱动质量框与检测质量框上均匀分布多个小孔。

所述微机械陀螺的厚度为300μm，驱动质量框和检测质量框的厚度为150μm，驱动质量框长度为4970μm，宽度为2368μm，检测质量框长度为4290μm，宽度为2008μm，驱动弹性梁的长度为1130μm，驱动弹性梁的宽度为50μm，检测弹性梁的长度为660μm，检测弹性梁的宽度为25μm，中间耦合梁的长度为370μm，宽度为6μm，第一弹性限位梳齿、第二弹性限位梳齿、第三弹性限位梳齿的长度为760μm，宽度为30μm，d1与d2的大小分别为20μm和21μm，第四弹性限位梳齿与第五弹性限位梳齿的长度为512μm，宽度为20μm，第四限位梳齿与第五限位梳齿距离限位挡块的距离分别为15μm和16μm。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：