一种切向驱动双差分蝶翼式硅微陀螺及其应用方法

摘要

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。

说明书

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和分别通过悬臂梁连接到支撑梁上的四个惯性质量块，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。

优选地，所述外部框架上位于支撑梁的连接点外侧设有应力释放槽。

优选地，所述硅敏感子结构中的四个惯性质量块分为围绕支撑梁对称布置的两对惯性质量块，且两对惯性质量块中位于支撑梁同一侧的惯性质量块之间呈轴对称布置且对称轴相对支撑梁垂直布置。

优选地，所述外部框架上设有多个锚点，所述外部框架通过锚点和玻璃电极板锚接形成硅-玻璃双层结构。

优选地，所述硅敏感子结构的支撑梁中部与耦合弹簧结构连接形成一体。

优选地，所述支撑梁的横截面为矩形。

本发明还提供一种前述切向驱动双差分蝶翼式硅微陀螺的应用方法，实施步骤包括：在通过驱动电极驱动相对耦合弹簧结构对称布置的两个硅敏感子结构的同时，利用静电负刚度效应，通过对单个硅敏感子结构上的四个检测电极施加静电电压的方式来改变该硅敏感子结构的刚度、从而减小该硅敏感子结构对应的检测模态频率，使得切向驱动双差分蝶翼式硅微陀螺的驱动模态的频率处于两个硅敏感子结构的检测模态频率之间。

本发明的切向驱动双差分蝶翼式硅微陀螺具有下述优点：

1、本发明将原来的法向静电力驱动改进为切向静电力驱动。一方面，由于驱动模态在检测方向没有振动分量，可以进一步的减小电容间隙，增大初始电容，提升陀螺的机械灵敏度；另一方面，改进为切向静电力驱动后，驱动振幅不再受到电容间隙的限制，可以通过增大驱动振幅来增加陀螺的机械灵敏度。

2、本发明具有对称分布的整体结构，其中两个硅敏感子结构是通过耦合弹性梁相连，两个硅敏感子结构相对耦合弹簧结构对称布置，硅敏感子结构包括支撑梁和分别通过悬臂梁连接到支撑梁上的四个惯性质量块，形成双差分对称阵列结构。这种双差分对称阵列结构在驱动模态下，其两个硅敏感子结构都对锚点处有弯矩产生，且方向相反，可以相互抵消，能够减少支撑能量损耗、提升驱动Q值，进而提升陀螺的灵敏度。另外，在正对面积不变的前提下，双差分对称阵列结构的检测电容将会变为原来的两倍，使得陀螺的灵敏度将会得到进一步的提升。

3、本发明设计了双差分敏感结构具有一个驱动模态和两个检测模态。利用静电刚度改变其中一个检测模态，使得驱动模态处于两个检测模态之间。能够改善微陀螺的工作状态，不仅能提高陀螺的灵敏度，还能增强陀螺的带宽和稳定性。

综上所述，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以及静电刚度模态控制，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。

本发明的切向驱动双差分蝶翼式硅微陀螺的应用方法具有下述优点：本发明的应用方法在通过驱动电极驱动相对耦合弹簧结构对称布置的两个硅敏感子结构的同时，利用静电负刚度效应，可通过对单个硅敏感子结构上的四个检测电极施加静电电压的方式，来改变单个硅敏感子结构的刚度，从而减小微陀螺对应的一个检测模态。通过合理的参数设计，可使得驱动模态的频率处于两个检测模态频率之间。这样能够改善微陀螺的工作状态，不仅能提高陀螺的灵敏度，还能增强陀螺的带宽和稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例的立体分解结构示意图。

图2为本发明实施例硅敏感结构的局部放大结构示意图。

图3为本发明实施例硅敏感结构的主视结构示意图。

图4为本发明实施例硅敏感结构的主视局部放大结构示意图。

图5为本发明实施例的第一阶模态，对应频率为3170.4Hz。

图6为本发明实施例的第二阶模态，对应频率为3180.1Hz。

图7为本发明实施例的第三阶模态，对应频率为3902.8Hz。

图8为本发明实施例的第四阶模态，对应频率为4094Hz。

图9为本发明实施例的第五阶模态，对应频率为4094Hz。

图10为本发明实施例的第六阶模态，对应频率为5075.1Hz。

图11为本发明实施例耦合弹簧结构的同相运动仿真结果示意图。

图12为本发明实施例耦合弹簧结构的反相运动仿真结果示意图。

图13为本发明实施例的反相运动耦合弹簧结构端点位移关系示意图。

图14为本发明实施例的同相运动耦合弹簧结构端点位移关系示意图。

图15为本发明实施例子结构刚度不对称情况下的驱动模态，对应频率为3177.2Hz。

图16为本发明实施例子结构刚度不对称情况下的检测模态1，对应频率为3213.1Hz。

图17为本发明实施例子结构刚度不对称情况下的检测模态2，对应频率为3217.3Hz。

图18为本发明实施例子结构刚度不对称情况下的模态曲线图，其中左侧为驱动模态曲线，右侧两个曲线为两个检测模态曲线。

图19为本发明实施例单侧子结构施加静电刚度的驱动模态，对应频率为3177.2Hz。

图20为本发明实施例单侧子结构施加静电刚度的检测模态2，对应频率3131.5Hz(原 3217.3Hz)。

图21为本发明实施例单侧子结构施加静电刚度的检测模态1，对应频率为3213.1Hz。

图22为本发明实施例单侧子结构施加静电刚度的模态曲线图，其中中间为驱动模态曲线，两侧两个曲线为两个检测模态曲线。

图例说明：1、硅敏感结构；10、外部框架；11、耦合弹簧结构；111、菱形结构；112、连接梁；113、折叠弹簧；12、硅敏感子结构；121、支撑梁；122、悬臂梁；123、惯性质量块；124、驱动梳齿；125、应力释放槽；13、锚点；2、玻璃电极板；20、驱动电极；21、检测电极；22、电极焊盘。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例的切向驱动双差分蝶翼式硅微陀螺包括由硅敏感结构1和玻璃电极板2组成的硅-玻璃双层结构，硅敏感结构1包括外部框架10，外部框架10内设有耦合弹簧结构11以及通过耦合弹簧结构11相连的两个硅敏感子结构12，两个硅敏感子结构 12相对耦合弹簧结构11对称布置，硅敏感子结构12包括支撑梁121和分别通过悬臂梁122 连接到支撑梁121上的四个惯性质量块123，惯性质量块123上设有均匀分布的驱动梳齿124，玻璃电极板2上设有驱动电极20、检测电极21以及电极焊盘22，驱动电极20分别布置于驱动梳齿124的下方与惯性质量块123构成驱动电容，检测电极21布置于惯性质量块123的下方且与惯性质量块123构成检测电容，且两个硅敏感子结构12的检测电容组成双差分平板检测电容(在计算检测电容变化量时，首先分别将两硅敏感子结构12各自的检测电容的差分结果作为第一次差分，然后在两硅敏感子结构12之间将各自的第一次差分结果再进行第二次差分得到最终的检测电容变化量)，电极焊盘22与驱动电极20、检测电极21连接导通。本实施例的切向驱动双差分蝶翼式硅微陀螺采用切向力驱动和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。

如图1和图2所示，外部框架10上位于支撑梁121的连接点外侧设有应力释放槽125，通过应力释放槽125的设计，能够将框架和支撑梁之间的应力进行有效隔离，阳极键合和贴片封装过程中产生的结构应力主要作用于支撑框架上。

如图1和图2所示，硅敏感子结构12中的四个惯性质量块123分为围绕支撑梁121对称布置的两对惯性质量块123，且两对惯性质量块123中位于支撑梁121同一侧的惯性质量块123之间呈轴对称布置且对称轴相对支撑梁121垂直布置。

如图1和图2所示，外部框架10上设有多个锚点13，外部框架10通过锚点13和玻璃电极板2锚接形成硅-玻璃双层结构，工艺简单方便。

本实施例中，支撑梁121的横截面为矩形。

如图1和图2所示，硅敏感子结构12的支撑梁121中部与耦合弹簧结构11连接形成一体。

如图1和图2所示，两个硅敏感子结构12相对耦合弹簧结构11对称布置，每一个硅敏感子结构12包括支撑梁121和分别通过悬臂梁122连接到支撑梁121上的四个惯性质量块123，两个硅敏感子结构12组成双差分平板检测电容，从而形成了双差分对称阵列结构，由于结构特性，它具有一个驱动模态和两个重合的检测模态。利用静电负刚度效应，可通过对单个硅敏感子结构12上的四个检测电极21施加静电电压的方式，来改变单个硅敏感子结构12的刚度，从而减小微陀螺对应的一个检测模态。通过合理的参数设计，可使得驱动模态的频率处于两个检测模态频率之间。这样能够改善微陀螺的工作状态，不仅能提高陀螺的灵敏度，还能增强陀螺的带宽和稳定性。本实施例在设计结构上进行了创新，与传统的蝶翼式微陀螺相比，具有较高的灵敏度，较好的性能潜力。

如图2、图3和图4所示，耦合弹簧结构11由菱形环111和连接梁112组成，菱形环111的一对角分别与外部框架10相连、另一对角分别通过一根连接梁112与一个硅敏感子结构12相连。耦合弹簧结构11的作用是将两个硅敏感子结构12的驱动运动模态相耦合，而将二者的检测运动模态相独立，由于这种结构特性，使得微陀螺具有一个耦合的驱动模态和两个互相重合检测模态。

如图2、图3和图4所示，菱形环111的一对角与外部框架10之间分别连接有折叠弹簧 113。通过上述结构，把中间的耦合弹簧结构11放大，使得两个硅敏感子结构12的驱动是耦合的，而且反相运动刚度小，同相的大，驱动更加稳定。

如图2、图3和图4所示，折叠弹簧113包括一个T字形部件和两个环形部件，T字形部件两侧的端部各与一个环形部件相连，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10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。

本实施例中，耦合弹簧结构11的作用是将两个硅敏感子结构12的驱动运动模态相耦合，而将二者的检测运动模态相独立。当单个子结构12工作在驱动模态时，那么其支撑梁121中心位置在平面内左右振动(陀螺结构的长度方向)，由于耦合弹簧结构11在陀螺结构长度方向刚度较大，不可能完全吸收这种振动，而是会带动菱形环111和连接梁112的运动和变形，从而将振动传递到另一个硅敏感子结构12的支撑梁121上，引起另一个硅敏感子结构12的驱动模态振动。这时，耦合弹簧结构11就能够实现两个子结构12的驱动运动模态的耦合。而当单个硅敏感子结构12陀螺工作在检测模态时，矩形支撑梁121只发生扭转运动，且中心处无形变或位移，故不会向菱形环111或连接梁112传递形变或位移，从而不会将形变或位移传递到另一个子结构12上去，实现了检测运动模态的相互独立。由于这种结构特性，使得微陀螺具有一个耦合的驱动模态和两个互相重合检测模态。

本实施例的切向驱动双差分蝶翼式硅微陀螺工作原理如下：通过在驱动电极20上施加电压，使得驱动梳齿124受到静电力的作用，从而使惯性质量块123产生切向运动。在外界输入角速度时，由哥氏力原理可知，惯性质量块123将受到法向的哥氏力，引起法向的位移，平板检测电容的间距发生变化，通过对应电路测量其差分变化量即可得到外界输入的角速度大小。其中，水平驱动位移越大，系统产生的哥式力越大，引起检测电容的变化量越大，从而系统灵敏度高。惯性质量块123与检测电极21之间的距离即为平板检测电容的间隙，在微陀螺受到水平驱动力驱动而运动时，惯性质量块123在法向上产生的位移并没有得到Q值的放大，所以法向位移很小。那么，可以通过增大施加在驱动电极20上的电压，增大驱动力、驱动位移，进而提升陀螺的灵敏度。

利用COMSOL软件对本实施例的切向驱动双差分蝶翼式硅微陀螺进行模态分析，典型的陀螺硅结构的前六阶模态及其对应频率如图5～图10所示，为了简化分析过程，上述图中省略了应力释放槽125(省略应力释放槽125不会影响前六阶模态及频率分析结果)。其中，第一、二阶模态(图5和图6)为干扰模态；第三阶模态(图7)为工作反相驱动模态；第四、第五阶模态(图8和图9)为工作检测模态，第六阶模态(图10)为同相驱动模态。本实施例的切向驱动双差分蝶翼式硅微陀螺工作在驱动模态时，两个硅敏感子结构12在切向静电力的作用下在平面内做角振动，此时为支撑梁121的弯曲振动。同时，由于两个硅敏感子结构 12受中间连接的耦合弹簧结构的11作用，两硅敏感子结构12在平面内同步反相运动。当有指定方向的角速度输入时，在检测方向上产生哥氏力，导致惯性质量块123在检测方向上产生垂直于陀螺平面的位移，支撑梁121发生扭转。通过检测输出信号就可以得到输入角速度，这就是双蝶翼式敏感结构微陀螺检测角速度的基本原理。

为了模拟陀螺工作在驱动模态时的反相运动和同相运动，将耦合弹簧结构在四个锚点处固定，分别在连接梁的左右两个端面施加同相和反相的力，通过COMSOLMultiphysics有限元分析软件进行仿真分析，计算两个端面的位移，得到的结果如图11和图12所示。参见图 11和图12，当在两个端面施加同向的大小为F的力时，两端面向同一个方向运动，可求得此时的端面处位移x₁，这时上下的折叠弹簧发生了扭转变形。当在两个端面施加反向的大小同样为F的力时，两端面向反方向运动，也可以求出端面处的位移x₂，此时上下的折叠弹簧发生的是弯曲变形。

使用COMSOL软件对上述过程进行参数化扫描，得到两种情况下的端面位移分别如图 13和图14所示。参见图13和图14，耦合弹簧结构11的同相运动和反相运动均为弹性运动，端点处的位移与受力成线性关系。通过对上述图进行线性拟合，可得两种情况下的刚度分别为：

反相运动刚度k_an＝21522N/m

同相运动刚度k_in＝93370N/m

通过分析可知，耦合弹簧结构11的刚度不随着端点位移的增大而变化，同时耦合弹簧结构11会使得同相运动的刚度k_in明显大于反相运动k_an的刚度，使得驱动模态更加稳定这便是耦合弹簧结构最主要的特性。

本实施例进一步还提供一种前述切向驱动双差分蝶翼式硅微陀螺的应用方法，实施步骤包括：在通过驱动电极驱动相对耦合弹簧结构对称布置的两个硅敏感子结构的同时，对其中的一个硅敏感子结构施加指定大小的静电刚度(静电电压)来控制硅敏感子结构的模态。在通过驱动电极驱动相对耦合弹簧结构11对称布置的两个硅敏感子结构12的同时，利用静电负刚度效应，通过对单个硅敏感子结构12上的四个检测电极21施加静电电压的方式来改变该硅敏感子结构12的刚度、从而减小该硅敏感子结构12对应的检测模态频率，使得切向驱动双差分蝶翼式硅微陀螺的驱动模态的频率处于两个硅敏感子结构12的检测模态频率之间。这样能够改善微陀螺的工作状态，不仅能提高陀螺的灵敏度，还能增强陀螺的带宽和稳定性。

①当两个硅敏感子结构12的系统刚度不对称的情况下，模态仿真频率为：

(a)驱动模态：f＝3177.2Hz，如图15所示；

(b)检测模态1：f＝3213.1Hz，如图16所示；

(c)检测模态2：f＝3217.3Hz，如图17所示；

(d)模态曲线图，如图18所示；

参见图15～图18，当两个硅敏感子结构12系统刚度不对称的情况下，对该结构进行模态仿真分析。从仿真结果来看，结构只有一个驱动模态，且驱动模态频率为3177.2Hz；结构具有两个检测模态，分别为频率为3213.1Hz的检测模态1，以及频率为3217.3Hz的检测模态2。从数值上看，结构的驱动模态频率均小于两个检测模态频率，此时驱动模态曲线位于两个检测模态曲线的左侧。

②在左侧硅敏感子结构12的惯性质量块123上施加静电刚度，改变左侧硅敏感子结构 12的系统刚度后，模态仿真频率为：

(a)驱动模态：f＝＝3177.2Hz，如图19所示；

(b)检测模态2：f＝＝3131.5Hz(原3217.3Hz)，如图20所示；

(c)检测模态1：f＝＝3213.1Hz，如图21所示；

(d)模态曲线图，如图22所示；

参见图19～图22，利用静电负刚度效应，在一侧硅敏感子结构12的电极上施加一定的静电电压，从而产生静电负刚度，减小了一侧硅敏感子结构12的系统刚度后，再进行模态仿真分析。从结果来看，驱动模态频率和检测模态2的频率均没有发生变化，只有检测模态1 的频率由原来的3217.3Hz减小到3131.5Hz。从数值上看，结构经过施加静电刚度后，结构的驱动模态频率大于检测模态2的频率，小于检测模态1的频率，此时驱动模态曲线位于两个检测模态曲线之间。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。