[发明专利]一种微机械音叉陀螺

说明书

本发明涉及一种微机械音叉陀螺，包括衬底、在衬底上固定陀螺可动结构的锚点、驱动框架、惯性质量块、敏感框架、连接驱动框架和惯性质量块的弹性梁、连接惯性质量块与敏感框架的弹性梁、连接敏感框架与锚点的弹性梁、连接驱动框架与锚点的弹性梁、连接驱动框架的弹性梁、检测电极和驱动电极；所述检测电极由非可动电极、固定非可动电极的锚点、连接于陀螺可动结构的可动电极组成；所述驱动电极由非可动电极、固定非可动电极的锚点、连接于陀螺可动结构的可动电极组成。本发明将可动结构锚点至于一条对称轴上，可抑制陀螺工作模态间的机械耦合使陀螺性能对环境温度变化和加工误差不敏感。本发明可以广泛应用于各领域中物体转动角速度的检测。

技术领域

本发明涉及一种微机械陀螺，特别是关于一种可以抑制机械耦合、对环境温度变化和加工误差不敏感的微机械音叉陀螺。

背景技术

近30年来，基于微机电系统(MEMS)技术的微机械陀螺受到广泛的研究并得到迅猛发展。基于电容检测方式的振动式微机械陀螺因工艺简单、检测精度高、工作稳定可靠等优点，发展尤为迅速，已在消费电子、汽车、医疗康复、航天甚至军事领域得到广泛应用。为获得高性能电容式微机械陀螺，研究人员要面临诸如结构设计、器件加工和封装和控制系统等技术难题。其中，器件结构类型与总体布局是器件设计中的核心问题。

振动式微机械陀螺驱动模态和检测模态间的机械耦合是影响陀螺性能的关键因素之一。机械耦合虽然可以通过控制电路抑制或消除，但会增加控制系统的复杂度，在陀螺结构中加入解耦结构是一种简易有效的解决方案。陀螺解耦结构通常采用单自由度的弹性梁约束陀螺的驱动单元和检测单元只能在各自的模态方向振动，两个模态之间的科里奥利加速度振动耦合只通过与它们以单自由度弹性梁连接的振动质量块实现。如美国加州大学欧文分校发明的四质量陀螺结构(美国专利US 8,322,213)、申请人发明的水平轴微机械音叉陀螺(中国专利ZL 200610114485.2)等。为了抑制机械耦合和减小加工误差对微机械陀螺性能的影响，陀螺结构通常采用轴对称结构，但陀螺加工和使用过程中环境温度变化产生的热应力会导致结构发生形变，从而破坏原设计的对称性，影响陀螺的性能和稳定性。将陀螺可动结构的锚点置于结构中心，可以减小热应力的影响，但该设计方案在采用扭转驱动或扭转检测的水平轴陀螺上较易实现，如美国专利US6513380B2采用单锚点结构方案，但对于检测垂直方向转动的垂直轴陀螺实现难度较大，特别是具有解耦结构的垂直轴振动式音叉陀螺，缺乏合理的结构设计方案。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能有效抑制驱动模态和检测模态之间机械耦合、对加工误差和环境温度变化不敏感的微机械音叉陀螺。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

1、一种微机械音叉陀螺，其特征在于：它包括衬底、在衬底上固定陀螺可动结构的锚点、驱动框架结构、惯性质量块、敏感框架结构、连接驱动框架结构和惯性质量块的弹性梁、连接惯性质量块与敏感框架结构的弹性梁、连接敏感框架结构与锚点结构的弹性梁、连接驱动框架结构与锚点结构的弹性梁、连接驱动框架结构的弹性梁、检测电极单元和驱动电极单元；所述检测电极单元由非可动电极、固定非可动电极的锚点、连接于陀螺可动结构的可动电极组成；所属驱动电极单元由非可动电极、固定非可动电极的锚点、连接于陀螺可动结构的可动电极组成。

2、如权利要求1所述的一种微机械音叉陀螺，其特征在于：所述陀螺的结构分别在陀螺驱动轴方向和检测轴方向上轴对称。

3、如权利要求1所述的一种微机械音叉陀螺，其特征在于：所述固定陀螺可动结构的锚点的中心点布置于陀螺结构的同一条对称轴上。

4、如权利要求1所述的一种微机械音叉陀螺，其特征在于：在结构空间允许的条件下，驱动电极单元和检测电极单元中非可动结构的锚点中心点处于如权利要求3所述的同一对称轴上或最大限度的靠近如权利要求3所述的对称轴。

5、如权利要求1所述的一种微机械音叉陀螺，其特征在于：陀螺驱动框架结构的一条或多条边框采用有镂空的桁架结构。