[发明专利]一种单片集成的全解耦三轴硅微陀螺仪

说明书

技术领域

本发明涉及微机电陀螺仪领域，特别是一种单片集成的全解耦三轴硅微陀螺仪。

背景技术

与传统陀螺仪相比，硅微机械陀螺仪具有体积小，重量轻，成本低，可靠性高，功耗小，可批量生产等优点，可广泛用于航空、汽车、医疗、摄影、电子消费等领域，具有广阔的应用前景。目前研究应用较为广泛的是单轴陀螺仪，它只能敏感检测一个方向的角速度输入，而三轴陀螺仪则可以同时敏感三个方向的角速度输入。

在三轴陀螺仪的研制方面，目前意法半导体公司、AD公司等已经有了商业级的产品问世，但其较多三轴陀螺仪产品并非单片集成，而是由水平轴陀螺仪、Z轴陀螺仪组装而成，其精度极限有限，目前已经到了进一步提高的瓶颈期。意法半导体设计了一种单片集成的三轴陀螺仪产品，其结构尺寸仅为3.2×3.2毫米，但是它并没有实现各驱动、检测方向的完全解耦，因此难以达到较高性能。台湾成功大学的蔡南全设计了一种振动环式硅微陀螺仪，理论上可以实现三个方向的角速度测量，但是其结构与加工工艺复杂，难以达到较好的性能，因此还需要进一步研究提高。

发明内容

本发明的目的是提出一种单片集成的全解耦三轴硅微陀螺仪。

一种单片集成的全解耦三轴硅微陀螺仪，包括衬底和位于衬底上的驱动部分、驱动检测部分、航向角检测部分、俯仰角检测部分、横滚角检测部分、正方形大框架和耦合折叠梁；正方形大框架有四件，两两相对设置且构成四方对称结构，四件正方形大框架通过耦合折叠梁连为一体，耦合折叠梁固定在衬底上；驱动部分有四件，分别连接在四件正方形大框架的内边上，内边指两两相对设置的正方形大框架内侧的边；驱动检测部分有两件，分别连接在一对相对设置的两件正方形大框架的外边上，航向角检测部分有两件，分别连接在另一对相对设置的两件正方形大框架的外边上，外边为同一正方形大框架上与内边相对的边；俯仰角检测部分有两件，分别置于一对相对设置的两件正方形大框架内部，横滚角检测部分有两件，分别置于另一对相对设置的两件正方形大框架内部，俯仰角检测部分与横滚角检测部分结构相同。

本发明的单片集成三轴硅微陀螺仪可以同时测量航向、俯仰、横滚三个方向的角速度，而且各模态之间通过合理的结构设计实现了完全解耦，从而能够达到较为良好的测量性能。

为了提高陀螺仪的稳定性，耦合折叠梁有四件，分别将相邻的两正方形大框架连为一体。

驱动部分优选为电容式变面积静电驱动，每个驱动部分包括连接于衬底之上的固定驱动梳齿和连接在正方形大框架内边上的可动驱动梳齿，固定驱动梳齿和可动驱动梳齿构成变面积式电容检测；四件驱动部分的固定驱动梳齿通过电极引线连接在一起。

通过在固定驱动梳齿上施加叠加的直流电压信号与交流电压信号来驱动四边的正方形大框架运动；在驱动电压所产生的静电力作用下，所述结构的运动形式为四边大框架同时周期性向内收缩或向外扩张，如同心脏的规律性收缩与扩张运动。

为了保证陀螺仪的稳定性及测量的准确性，可动驱动梳齿通过T型折叠梁与正方形大框架内边相连，可动驱动梳齿还通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上。

为了方便制备、同时保证测量的准确性，驱动检测部分包括：与正方形大框架的外边相连的可动驱动检测梳齿和连接于衬底之上的固定驱动检测梳齿，可动驱动检测梳齿与固定驱动检测梳齿构成变间距式电容检测，固定驱动检测梳齿所在的衬底下方设有引线电极。

优选，可动驱动检测梳齿通过T型折叠梁与正方形大框架外边相连，可动驱动检测梳齿还通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上。

航向角检测部分包括与正方形大框架的外边相连的可动航向角检测梳齿和连接于衬底之上的固定航向角检测梳齿，固定航向角检测梳齿从中间断开分为两部分、且与可动航向角检测梳齿组成变间隙式差动电容检，测固定航向角检测梳齿下方设有引线电极。

上述设计方式能够有效减小由于制造误差、梳齿运动过程中的梳齿倾斜等非理想因素对检测结果的影响。

优选，可动航向角检测梳齿通过U型折叠梁与正方形大框架外边相连，并通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上。