[发明专利]一种具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统和微惯性测量技术，特别是一种具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪。

背景技术

微机械惯性仪表包括微机械陀螺(MMG)和微机械加速度计(MMA)。利用微电子加工工艺允许将微机械结构与所需的电子线路完全集成在一个硅片上，从而达到性能、价格、体积、重量、可靠性诸方面的高度统一。因而，这类仪表具有一系列的优点(如体积小、重量轻、价格便宜、可靠性高、能大批量生产等)，在军民两方面都具有广泛的应用前景。在民用方面，主要用于汽车工业、工业监控及消费类产品和机器人技术，如气囊、防抱死系统、偏航速率传感器、翻滚速率传感器、图象稳定及玩具等等；在军用领域，主要用于灵巧炸弹、智能炮弹、战术导弹、新概念武器和微型飞机的自主导航制导系统等。

1993年，美国德雷珀实验室通过在玻璃表面复盖硅层技术制作了一种新颖的微机械陀螺—音叉式线振动陀螺。该陀螺由双质量块、支承梁和横梁组成，陀螺采用线振动驱动和角振动检测的方式，可以敏感陀螺平面内轴向的角速率。由于该陀螺的驱动运动与敏感运动完全耦合，限制了其灵敏度的提高。

2007年，苏岩等人研制了双质量振动式硅微陀螺(申请号：200710133223.5)，在驱动力的作用下双质量在做平行于衬底的线振动，有角速率输入时，双质量块做平行于衬底的垂直于驱动方向的线振动，通过检测敏感电容的变化，测试输入角速率。该陀螺采用了八根驱动支承梁和八根敏感支承梁实现驱动模态与敏感模态的分离。由于微电子工艺存在误差，会导致两个子结构没有很好的一致性，产生敏感模态不同步等现象。

2009年，苏岩等人又研制了摆动式硅微陀螺(申请号：200920037290.1)。采用扭杆和横梁，使陀螺绕Z轴转动，实现陀螺的敏感运动，实现了驱动方向与检测方向的运动解耦。扭杆代替了敏感支承梁，减小了支承梁数目，降低了加工误差对陀螺性能的影响。但是在体硅工艺中，对竖直扭杆的加工具有相当大的难度。

2011年，苏岩等人研制了硅微角振动输出陀螺(申请号：201110170673.8)和扭摆式角速率陀螺(申请号：201120340974.6)。二者都采用水平扭杆和横梁，实现陀螺的角振动输出。水平扭杆的使用，降低了对加工过程的要求。同时设置了质量块链接机构，增大了工作模态与干扰模态的频率差，增加了陀螺的稳定性。二者不同的地方在于横梁与固定基座的连接方式不同。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪，所述陀螺仪通过驱动框、敏感框和检测框的相互功能独立实现了驱动模态和检测模态的运动解耦，降低了陀螺输出的正交误差，同时也实现驱动模态与检测模态为第一阶模态和第二阶模态，有效抑制常见的驱动同向、检测同向和Z向模态等干扰模态，其陀螺性能好，一致性强，抗振动干扰能力强。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有结构解耦能力的双质量块音叉角速率陀螺仪，包括上层真空封装盖板、下层硅衬底和中层单晶硅片，中层单晶硅片上设有陀螺机械结构，所述陀螺机械结构包括质量块连接机构、两个子结构、两个桁架与水平直梁的组合机构、两个U型梁组合梁、八个第一U型梁和四个直梁，所述两个子结构对称分布在质量块连接机构和两个桁架与水平直梁的组合机构的两侧，质量块连接机构和两个桁架与水平直梁的组合机构呈直线分布，且质量块连接机构位于两个桁架与水平直梁的组合机构之间，第一U型梁沿子结构的长边设置，且位于长边的两端，桁架与水平直梁的组合机构通过第一U型梁与子结构连接，U型梁组合梁沿子结构的长边设置，且位于远离质量块连接机构一侧的两个第一U型梁的中间；直梁沿子结构宽度方向设置，用于连接子结构两侧的第一U型梁。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)根据功能划分，独立设计驱动框，敏感框和检测框，实现了驱动模态和检测模态的运动解耦，降低了陀螺输出的正交误差。

(2)用桁架及水平直梁的组合机构代替与两个子结构相连的横梁，这种结构形式即保证敏感结构的驱动模态频率低于驱动同向模态频率，也抑制了Z向干扰模态。

(3)用质量块连接机构连接两个子结构，这种结构形式既能保证敏感结构的检测模态频率低于检测同向模态频率，又能实现两个子结构的运动同步，也抑制了Z向干扰模态。

(4)两个子结构外侧分别通过两个对称布置的U形梁组合梁与上层真空封装盖板和下层硅衬底锚固，这种结构形式能抑制两个子结构沿z轴方向的干扰模态。