[发明专利]一种切向驱动双差分蝶翼式硅微陀螺及其应用方法

说明书

本发明公开了一种切向驱动双差分蝶翼式硅微陀螺及其应用方法，硅微陀螺由硅敏感结构和玻璃电极板组成的硅‑玻璃双层结构，硅敏感结构包括外部框架和内设的耦合弹簧结构及两个硅敏感子结构，硅敏感子结构包括通过悬臂梁连接到支撑梁上的四个惯性质量块，惯性质量块上设有驱动梳齿，玻璃电极板上设有驱动电极、检测电极及电极焊盘，两个硅敏感子结构的检测电容组成双差分平板检测电容；应用方法包括对单侧硅敏感结构额外施加静电刚度来改变系统模态频率的模态控制方法。本发明能够有效解决法向位移对驱动振幅以及电容间隙的限制，能够有效提升驱动Q值，改善陀螺工作状态，从而提高陀螺的灵敏度、增强带宽和稳定性。

技术领域

本发明涉及微机电系统中的微机械传感器技术，具体涉及一种切向驱动双差分蝶翼式硅微陀螺及其应用方法。

背景技术

与传统机械陀螺相比，以MEMS技术为基础的微机械陀螺具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等突出优点，在各个领域得到越来越广泛的应用。以蝶翼式硅微陀螺为例，它是一种基于哥氏效应的电容式微机电陀螺，采用静电驱动、电容检测的工作方式。传统的蝶翼式微陀螺最早由瑞典IMEGO研究所提出，其敏感结构是一种四质量块全差分结构，利用了单晶硅的各向异性湿法腐蚀，采用了平行四边形截面的支撑梁。支撑梁截面为平行四边形，可以利用垂直于驱动方向的法向静电力实现质量块的平行于驱动方向的切向运动。

然而，采用这种平行四边形截面支撑梁的蝶翼式微陀螺，在其工作在驱动模态下，质量块受到法向静电力作用时，不仅在切向产生位移，在法向也会产生位移。当驱动振幅较大时，振动质量块将会与玻璃极板碰撞。所以，这种法向位移严重限制了驱动振幅的大小以及检测电容的间隙，从而限制了蝶翼式微陀螺灵敏度的提升。其次，传统蝶翼式微陀螺在驱动模态下振动过程中，会对锚点处产生一个弯矩，引起支撑损耗，从而较小驱动Q值，限制驱动幅值的大小，从而限制了灵敏度的提升。另外，微陀螺的灵敏度与其固有模态与工作模态的关系密切相关。传统蝶翼式微陀螺敏感结构，具有一个驱动模态和一个检测模态，在结构设计中，当微陀螺的检测模态与驱动模态重合（即模态匹配）时，灵敏度最大，但是此时微陀螺的工作模态受对环境的适应性差，稳定性不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种切向驱动双差分蝶翼式硅微陀螺及其应用方法，本发明的切向驱动双差分蝶翼式硅微陀螺采用切向力驱动、双差分对称阵列结构，能够有效解决法向位移对驱动振幅以及电容间隙的限制，能够有效提升驱动Q值，应用方法利用静电负刚度效应，在单个硅敏感子结构上施加一定的静电刚度来进行模态控制，可提升陀螺的灵敏度、稳定性和带宽。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种切向驱动双差分蝶翼式硅微陀螺，包括由硅敏感结构和玻璃电极板组成的硅-玻璃双层结构，所述硅敏感结构包括外部框架，所述外部框架内设有耦合弹簧结构以及通过耦合弹簧结构相连的两个硅敏感子结构，两个硅敏感子结构相对耦合弹簧结构对称布置，所述硅敏感子结构包括支撑梁、四根悬臂梁以及四个惯性质量块，所述四个惯性质量块分别通过一根悬臂梁连接到支撑梁上，所述惯性质量块上设有均匀分布的驱动梳齿，所述玻璃电极板上设有驱动电极、检测电极以及电极焊盘，所述驱动电极分别布置于驱动梳齿的下方与惯性质量块构成驱动电容，所述检测电极布置于惯性质量块的下方且与惯性质量块构成检测电容，且两个硅敏感子结构的检测电容组成双差分平板检测电容，所述电极焊盘与驱动电极、检测电极连接导通。

优选地，所述耦合弹簧结构由菱形环和连接梁组成，所述菱形环的一对角分别与外部框架相连、另一对角分别通过一根连接梁与一个硅敏感子结构相连。

优选地，所述菱形环的一对角与外部框架之间分别连接有折叠弹簧。

优选地，所述折叠弹簧包括一个T字形部件和两个环形部件，所述T字形部件两侧的端部各与一个环形部件相连，所述环形部件由端部相连的内外两个杯状部件组件，且外部的杯状部件的外侧与外部框架相连、内部的杯状部件的杯底内侧中部与T字形部件一侧的端部相连。