專利名稱：：電磁驅(qū)動(dòng)靜電預(yù)緊硅微機(jī)械陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種微機(jī)械陀螺，尤其是涉及一種應(yīng)用于對飛行器、工業(yè)機(jī)器人、汽車輪胎等旋轉(zhuǎn)體的姿態(tài)參數(shù)測量和控制的電磁驅(qū)動(dòng)靜電預(yù)緊硅微機(jī)械陀螺。
背景技術(shù)：
：微機(jī)械陀螺具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。在軍事上，它可用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈智能炸彈的制導(dǎo)和微型衛(wèi)星的姿態(tài)控制。在民用方面，它可用于汽車的自動(dòng)駕駛和安全防護(hù)系統(tǒng)以及工業(yè)機(jī)器人、大地測量、石油鉆探、礦山開采、隧道工程、海洋開發(fā)等的定位定向系統(tǒng)。陀螺發(fā)展至今，人們已經(jīng)研制出多種不同形式的陀螺，有轉(zhuǎn)子式陀螺、光學(xué)陀螺和振動(dòng)式陀螺等。微機(jī)械陀螺從形式上屬于振動(dòng)式陀螺，它是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)來制作的，在加工方法以及器件特性等方面，微才;u^陀螺都有別于轉(zhuǎn)子式陀螺和光學(xué)陀螺等。表i是不同應(yīng)用場合對陀螺性能的要求。從表i可以看出，雖然微機(jī)械陀螺具有小體積、低工耗、低成本等突出優(yōu)點(diǎn)，但由于目前的微機(jī)械陀螺性能都比壽交低，因而只能應(yīng)用于對測量精度及測量帶寬等要求不高的場合，比如說角速度級(jí)應(yīng)用場合，而不能應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)級(jí)應(yīng)用場合，更不用說慣導(dǎo)級(jí)應(yīng)用場合。表i不同應(yīng)用場合對陀螺性能的要求<table>tableseeoriginaldocumentpage3</column></row><table>
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種既具有微機(jī)械陀螺固有的小體積、低工耗、低成本等突出優(yōu)點(diǎn)、又有利于陀螺輸出信號(hào)的檢測、還可以極大地提高陀螺的分辨力、檢測精度、測量范圍和響應(yīng)速度、完全能滿足戰(zhàn)術(shù)級(jí)乃至慣導(dǎo)級(jí)應(yīng)用的電磁驅(qū)動(dòng)靜電預(yù)緊硅微機(jī)械陀螺。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明包括由硅片構(gòu)成的硅框架，特征是在硅框架上通過體微機(jī)械工藝制作出驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊、驅(qū)動(dòng)梁、敏感質(zhì)量塊、上振弦、下振弦和水平檢測梁，并通過電鍍工藝制作相應(yīng)的上電容極板對、下電容極板對、驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線、上電極導(dǎo)線、下電極導(dǎo)線、上檢測導(dǎo)線、下檢測導(dǎo)線和焊盤，其中在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊內(nèi)的中間制作有敏感質(zhì)量塊，敏感質(zhì)量塊通過兩端的水平梁支撐在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊上，在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的上方和下方分別制作有上電容極板對和下電容極板對，帶焊盤的上電極導(dǎo)線分別與上電容極板對相連，帶焊盤的下電極導(dǎo)線分別與下電容極板對相連，上振弦、下振弦與敏感質(zhì)量塊相連接，在上振弦的上端連接有檢測導(dǎo)線，在下振弦的下端連接有檢測導(dǎo)線；在硅框架內(nèi)制作用于驅(qū)動(dòng)硅驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)梁，在驅(qū)動(dòng)梁上制作驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線。本發(fā)明能夠把角速度的變化轉(zhuǎn)換成振弦振動(dòng)的頻率變化來進(jìn)行檢測，即把因物體旋轉(zhuǎn)而在檢測梁上所產(chǎn)生的洛倫茲力直接轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，這樣不但有利于陀螺輸出信號(hào)的檢測，而且可以極大地提高陀螺的分辨力、檢測精度、測量范圍和響應(yīng)速度。因此本發(fā)明的陀螺既具有微:機(jī)械陀螺固有的小體積、低工耗、低成本等突出優(yōu)點(diǎn)、又有利于陀螺輸出信號(hào)的檢測、還可以極大地提高陀螺的分辨力、檢測精度、測量范圍和響應(yīng)速度、完全能滿足戰(zhàn)術(shù)級(jí)應(yīng)用，甚至能有望滿足慣導(dǎo)級(jí)應(yīng)用場合的優(yōu)點(diǎn)。圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明的工作原理圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例并對照附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明包括由硅片構(gòu)成的硅框架1，在硅框架l上通過體微機(jī)械工藝制作出驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2、驅(qū)動(dòng)梁3、敏感質(zhì)量塊4、上振弦7、下振弦6和水平檢測梁5,并通過電鍍工藝制作相應(yīng)的上電容極板對13、14、下電容極板對15、16、驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線8、上電極導(dǎo)線9、10、下電極導(dǎo)線ll、12、上檢測導(dǎo)線17、下檢測導(dǎo)線19和焊盤18，其中在在硅框架1內(nèi)通過體微機(jī)械工藝制作驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2,在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2內(nèi)的中間制作有敏感質(zhì)量塊4，敏感質(zhì)量塊4通過兩端的水平梁5支撐在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊3上，在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊4的上方和下方通過電鍍工藝分別制作有上電容極板對13、14和下電容極板對15、16，帶焊盤18的上電極導(dǎo)線9與上電容極板對14相連，帶焊盤18的上電極導(dǎo)線10與上電容極板對13相連，帶焊盤18的下電極導(dǎo)線11與下電容極板對15相連，帶焊盤18的下電極導(dǎo)線12與下電容極板對16相連，上振弦7、下振弦6與敏感質(zhì)量塊4相連接，在上振弦7的上端連接有上檢測導(dǎo)線17，在下振弦6的下端連接有下4企測導(dǎo)線19;在硅框架l內(nèi)制作用于驅(qū)動(dòng)硅驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)梁3，在驅(qū)動(dòng)梁上制作驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線8。本發(fā)明的工作原理為在陀螺的上下方各放置一塊強(qiáng)磁鐵20、21，從而產(chǎn)生一個(gè)垂直于陀螺(即如圖1所示的Z方向)的穩(wěn)定磁場，在上電容極板對13、14、下電容極板對15、16上加相應(yīng)的恒定電壓，使得上振弦7、下振弦6上產(chǎn)生相應(yīng)的初始預(yù)緊力F，在驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線8上加上與陀螺驅(qū)動(dòng)才莫態(tài)的固有頻率相同的驅(qū)動(dòng)電流，則硅驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊2將會(huì)在電磁力的作用下在如圖1所示的速度V方向振動(dòng)，從而使得上振弦7、下振弦6在與預(yù)緊力對應(yīng)的初始頻率下振動(dòng)。當(dāng)陀螺隨著物體一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在上振弦7、下振弦6上會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的洛倫茲力，這一洛倫茲力與加在上振弦7、下振弦6上的初始預(yù)緊力相作用，從而改變了上振弦7、下振弦6的振動(dòng)頻率，檢測出上振弦7、下振弦6振動(dòng)頻率的改變，就能計(jì)算出角速度Q。如果上振弦7、下振弦6的截面尺寸為2um*2um,長度為200um,材料為單晶硅，當(dāng)上振弦7、下振弦6受到的初始預(yù)緊力F為lmN時(shí)，由公式2/^(式中/為上振弦7、下振弦6有效振動(dòng)長度，F(xiàn)為上振弦7、下振弦6所受到的張力，P為上振弦7、下振弦6的線密度)可計(jì)算出上振弦7、下振弦6的固有振動(dòng)頻率約為lOMHz。如果信號(hào)帶寬為lMHz，頻率分辨力為lHz，那么角速度信號(hào)的分辨率將能達(dá)到0.0001%。權(quán)利要求1.一種電磁驅(qū)動(dòng)靜電預(yù)緊硅微機(jī)械陀螺，包括由硅片構(gòu)成的硅框架(1)，其特征在于在硅框架(1)上通過體微機(jī)械工藝制作出驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2)、驅(qū)動(dòng)梁(3)、敏感質(zhì)量塊(4)、上振弦(7)、下振弦(6)和水平檢測梁(5)，并通過電鍍工藝制作相應(yīng)的上電容極板對(13)、(14)、下電容極板對(15)、(16)、驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線(8)、上電極導(dǎo)線(9)、(10)、下電極導(dǎo)線(11)、(12)、上檢測導(dǎo)線(17)、下檢測導(dǎo)線(19)和焊盤(18)，其中在在硅框架(1)內(nèi)通過體微機(jī)械工藝制作驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2)，在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2)內(nèi)的中間制作有敏感質(zhì)量塊(4)，敏感質(zhì)量塊(4)通過兩端的水平梁(5)支撐在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(3)上，在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(4)的上方和下方通過電鍍工藝分別制作有上電容極板對(13)、(14)和下電容極板對(15)、(16)，帶焊盤(18)的上電極導(dǎo)線(9)與上電容極板對(14)相連，帶焊盤18)的上電極導(dǎo)線(10)與上電容極板對(13)相連，帶焊盤(18)的下電極導(dǎo)線(11)與下電容極板對(15)相連，帶焊盤(18)的下電極導(dǎo)線(12)與下電容極板對(16)相連，上振弦(7)、下振弦(6)與敏感質(zhì)量塊(4)相連接，在上振弦(7)的上端連接有上檢測導(dǎo)線(17)，在下振弦(6)的下端連接有下檢測導(dǎo)線(19)；在硅框架(1)內(nèi)制作用于驅(qū)動(dòng)硅驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊(2)振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)梁(3)，在驅(qū)動(dòng)梁上制作驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線(8)。全文摘要本發(fā)明公開了電磁驅(qū)動(dòng)靜電預(yù)緊硅微機(jī)械陀螺，它包括硅框架，特征是在硅框架內(nèi)通過體微機(jī)械工藝制作硅驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊，在硅驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊內(nèi)的中間制作敏感質(zhì)量塊，敏感質(zhì)量塊兩側(cè)制作振弦，在兩根振弦的外側(cè)通過電鍍工藝制作上下電容極板對，上下電極導(dǎo)線分別與上下電容極板對相連，在振弦的兩端連接有檢測導(dǎo)線；在硅框架內(nèi)制作用于驅(qū)動(dòng)硅驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)梁，在驅(qū)動(dòng)梁上制作驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線。本發(fā)明的陀螺既具有微機(jī)械陀螺固有的小體積、低工耗、低成本等突出優(yōu)點(diǎn)、又有利于陀螺輸出信號(hào)的檢測、還可以極大地提高陀螺的分辨力、檢測精度、測量范圍和響應(yīng)速度、完全能滿足戰(zhàn)術(shù)級(jí)應(yīng)用，甚至能有望滿足慣導(dǎo)級(jí)應(yīng)用場合的優(yōu)點(diǎn)。文檔編號(hào)G01C19/5635GK101493327SQ20091011495公開日2009年7月29日申請日期2009年2月23日優(yōu)先權(quán)日2009年2月23日發(fā)明者陳志龍申請人:陳志龍