[发明专利]一种微机电轮式双水平轴陀螺

说明书

本发明公开了一种微机电轮式双水平轴陀螺，用于检测围绕水平面内X、Y轴的旋转，其特征在于：它包括外框、外环、内框、内环、敏感质量块、驱动梳齿、驱动检测梳齿、驱动连接梁、连接梁、扭转梁、检测电极、锚点和衬底，整个陀螺结构同时关于器件平面的X轴和Y轴对称。驱动梳齿连接在外框上，驱动检测梳齿连接在内框上，外框一方面通过驱动连接梁和锚点连接，另一方面通过连接梁和外环连接，内框一方面通过中间连接梁和中间锚点连接，另一方面通过连接梁和内环连接，敏感质量块一方面通过扭转梁和外环连接，另一方面通过扭转梁和内环连接，检测电极位于敏感质量块下方并固定在衬底上，结构层通过锚点和衬底固定连接。

技术领域：

本发明属于微机电系统技术领域，涉及了一种微机电轮式双水平轴陀螺，应用了微惯性传感器技术，它作为微惯性器件广泛应用于汽车工业、航空航天、地震监测、消费类电子等领域。

背景技术：

陀螺仪是一种检测物体运动角速度的器件。微机电陀螺具有体积小、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得到了广泛的应用。

惯性测量单元(IMU)是由单轴、双轴或者三轴陀螺仪及加速度计组合而成的单元，可以同时测量物体三个正交轴向的加速度和角速度，经过一系列数据处理可以得到物体的速度、位移、方向、姿态等信息，已广泛运用在无人机、无人车、机器人、虚拟现实(VR)和增强现实(AR)中。

目前用于检测垂直于器件表面方向角速度的Z轴微机电音叉陀螺的性能已达到较高水平。因此，多轴惯性传感器一种思路是分立元件的组装，将多个单轴(Z轴)陀螺仪和加速度计组装成IMU。但是由于多个元件组装在一起，体积较大，且会产生安装误差，不同器件难以严格正交组装，使得不同器件之间的耦合会使器件性能受到影响，同时，多个元件的组装对工艺兼容性要求很高。目前，单检测质量块陀螺是研究最广泛也是较成熟的微机电振动陀螺形式，这种结构形式在原理上容易存在对线加速度敏感的问题，而谐振轮式陀螺仪由于其完全对称的特点，可以很好的解决这一问题。轮式水平轴陀螺仪其驱动状态为绕垂直于器件平面的轴进行角振动，当外界有水平方向的角速度输入时，敏感质量块受到科尔奥利力作用会产生离面运动，检测敏感质量块与底部电极间电容的变化便可以得到输入水平轴角速度的值。因此，水平轴陀螺与Z轴陀螺单片集成在同一个平面上，可以减小IMU器件的体积。但是水平轴陀螺因其受到的诸多设计限制的存在，成为IMU研究中亟待解决的重要研究突破点。北京大学陀螺组已对微机电轮式水平轴陀螺有一定研究，轮式双水平轴陀螺因其结构对称性能够同时检测沿器件平面的X轴输入角速度和Y轴输入角速度，其结构设计实现及性能的提高将有益于多轴惯性器件的单片集成。

发明内容：

本发明的目的是提供一种高性能的微机电轮式双水平轴陀螺。

本发明适用的轮式双水平轴陀螺，主要结构包括外框101、外环102、内框103、内环104、中心敏感质量块105、连接梁[108，110，113，114]、扭转梁[111，112]、驱动梳齿106、驱动检测梳齿107和检测电极[401，402，403，404]，其特征为：整个陀螺结构同时关于沿器件平面的X轴和Y轴对称，即关于器件结构中心中心对称。