微機(jī)電可變形結(jié)構(gòu)和三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀，包括：內(nèi)框架、中間框架、外框架，以及位于內(nèi)框架內(nèi)部的聯(lián)動部；位于中央的環(huán)形檢測電容，環(huán)形上極板的外沿與聯(lián)動部連接；兩組驅(qū)動電容，對稱分布在所述外框架平行于x軸的兩側(cè)；兩組第二檢測電容，對稱分布在所述外框架平行于y軸的兩側(cè)。本實(shí)用新型的三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀采用單結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電容式靜電驅(qū)動和差動電容檢測，驅(qū)動方式簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，有利于減小陀螺儀體積，工藝上適合批量生產(chǎn)，并且受溫度及加工工藝誤差影響小，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的測量精度和靈敏度。
【專利說明】微機(jī)電可變形結(jié)構(gòu)和三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及微機(jī)電技術(shù)，具體涉及一種微機(jī)電可變形結(jié)構(gòu)以及一種三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀。

【背景技術(shù)】
[0002]微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical System)，簡稱MEMS，是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的集微型機(jī)械、微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理、智能控制于一體的一項(xiàng)新興科學(xué)技術(shù)。
[0003]在微機(jī)電測量技術(shù)中，經(jīng)常需要用到可變形的連接結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)關(guān)系著測量方案的可實(shí)施性，其靈敏度也關(guān)系著測量的準(zhǔn)確性。
[0004]微機(jī)電陀螺儀是基于MEMS技術(shù)的慣性器件，用于測量物體運(yùn)動的角速度。它具有體積小，可靠性高，成本低廉，適合大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，因此具有廣闊的市場前景，可應(yīng)用于包括消費(fèi)電子、航空航天、汽車、醫(yī)療設(shè)備和武器在內(nèi)的廣泛領(lǐng)域。
[0005]微機(jī)電陀螺儀系統(tǒng)通常包括驅(qū)動部分和檢測部分，其設(shè)計(jì)具有一定的復(fù)雜性，尤其是涉及三軸同時(shí)測量的微機(jī)電陀螺儀時(shí)。目前三軸陀螺儀主要通過將三個(gè)單軸陀螺儀或者將一個(gè)Z軸陀螺儀和一個(gè)平面檢測陀螺儀進(jìn)行正交配置的設(shè)計(jì)方式來實(shí)現(xiàn)，但是這種組合的方式不利于器件的小型化，因此開發(fā)單結(jié)構(gòu)的三軸陀螺儀已經(jīng)成為現(xiàn)今微機(jī)電陀螺儀設(shè)計(jì)研發(fā)的重要方向。開發(fā)單結(jié)構(gòu)的三軸陀螺儀時(shí)，更加需要一種結(jié)構(gòu)緊湊，體積減小，以及靈敏度高的可變形連接結(jié)構(gòu)。
[0006]此外，微機(jī)電陀螺儀的性能受環(huán)境和工藝因素影響很大:當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，陀螺儀敏感結(jié)構(gòu)動態(tài)特性發(fā)生變化，導(dǎo)致驅(qū)動和檢測模態(tài)的固有頻率發(fā)生偏移，從而改變了驅(qū)動和檢測模態(tài)的匹配性，導(dǎo)致在不同環(huán)境溫度下陀螺儀性能的差異化。而當(dāng)加工工藝存在誤差時(shí)，陀螺儀的實(shí)際動態(tài)特性也會與設(shè)計(jì)參數(shù)之間產(chǎn)生較大偏差，影響陀螺儀設(shè)計(jì)性能的實(shí)現(xiàn)。因此，微機(jī)電陀螺儀在設(shè)計(jì)階段增強(qiáng)其設(shè)計(jì)的健壯性也成為微機(jī)電陀螺儀研發(fā)的重要內(nèi)容。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]本實(shí)用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單易實(shí)現(xiàn)且靈敏度高的微機(jī)電可變形結(jié)構(gòu)，以及一種單結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的受溫度及加工工藝誤差影響小的三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀，為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種微機(jī)電可變形結(jié)構(gòu)，包括:基板；位于所述基板上的同中心的三層矩形框架，從內(nèi)向外依次為內(nèi)框架、包圍所述內(nèi)框架的中間框架、以及包圍所述中間框架的外框架，所述中心處為原點(diǎn)，所述內(nèi)框架、中間框架、以及外框架各有兩條邊平行于X軸，另外兩條邊平行于I軸；所述外框架和所述中間框架之間通過第一解耦梁連接，所述第一解耦梁設(shè)置于所述中間框架平行于y軸的兩側(cè)；所述中間框架和所述內(nèi)框架之間通過第二解耦梁連接，所述第二解耦梁設(shè)置于所述內(nèi)框架平行于X軸的兩側(cè)；位于所述內(nèi)框架內(nèi)部的聯(lián)動部，所述聯(lián)動部包括第一聯(lián)動梁，兩條杠桿梁、以及兩條第二聯(lián)動梁；所述第一聯(lián)動梁和所述第二聯(lián)動梁均平行于I軸，所述杠桿梁均平行于X軸；兩條所述杠桿梁關(guān)于X軸對稱，分別與所述第一聯(lián)動梁連接以形成一端開口的方框結(jié)構(gòu)；兩條所述第二聯(lián)動梁關(guān)于X軸對稱且位于所述杠桿梁和所述內(nèi)框架之間，所述第二聯(lián)動梁的一端連接鄰近的一條杠桿梁，另一端連接所述內(nèi)框架。
[0009]進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述第一解耦梁包括關(guān)于y軸對稱的四個(gè)Z型解耦梁，所述Z型解耦梁的一端垂直連接所述中間框架平行于y軸的側(cè)邊，另一端垂直連接所述外框架平行于y軸的側(cè)邊。
[0010]進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述第一解耦梁包括關(guān)于y軸對稱的四個(gè)L型解耦梁，所述L型解耦梁的一端垂直連接所述中間框架平行于I軸的側(cè)邊，另一端垂直連接所述外框架平行于X軸的側(cè)邊。
[0011 ] 進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述第二解耦梁包括關(guān)于X軸對稱的四個(gè)Z型解耦梁，所述z型解耦梁的一端垂直連接所述內(nèi)框架平行于X軸的側(cè)邊，另一端垂直連接所述中間框架平行于X軸的側(cè)邊。
[0012]進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述第二解耦梁包括關(guān)于X軸對稱的四個(gè)L型解耦梁，所述L型解耦梁的一端垂直連接所述內(nèi)框架平行于X軸的側(cè)邊，另一端垂直連接所述中間框架平行于y軸的側(cè)邊。
[0013]進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述杠桿梁未與所述第一聯(lián)動梁連接的一端為支撐端，所述兩條杠桿梁的支撐端各通過一第二錨點(diǎn)固定于所述基板上。
[0014]進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述聯(lián)動部還包括兩條支撐梁，所述兩條支撐梁均平行于I軸；所述兩條支撐梁關(guān)于X軸對稱且位于所述方框結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)，一端連接鄰近的一條杠桿梁，另一端各通過一第三錨點(diǎn)固定于所述基板上。
[0015]進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述杠桿梁未與所述第一聯(lián)動梁連接的一端為支撐端，所述兩條杠桿梁支撐端的各通過一第二錨點(diǎn)固定于所述基板上；所述第二聯(lián)動梁與杠桿梁的連接位置位于杠桿梁的支撐端和杠桿梁與支撐梁的連接點(diǎn)中間。
[0016]進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述聯(lián)動部還包括第三聯(lián)動梁，所述第三聯(lián)動梁的一端連接所述第一聯(lián)動梁的中部，另一端用于和待連接件連接。
[0017]本實(shí)用新型的微機(jī)電可變形結(jié)構(gòu)，在受到外力作用時(shí)，外框架、中間框架、內(nèi)框架、以及方框結(jié)構(gòu)均能產(chǎn)生變形扭曲的效果，同時(shí)還具有變形阻力小變形空間大的優(yōu)點(diǎn)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)良好的測量精度和靈敏度。本實(shí)用新型的微機(jī)電可變形結(jié)構(gòu)簡單緊湊，有利于減小微機(jī)電系統(tǒng)的體積，工藝上適合批量生產(chǎn)，并且受溫度及加工工藝誤差影響小，有利于測量方案實(shí)現(xiàn)良好的測量精度和靈敏度。
[0018]一種三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀，包括如前所述的可變形結(jié)構(gòu)，還包括:位于兩條所述杠桿梁之間的環(huán)形檢測電容，所述環(huán)形檢測電容的中心正對所述原點(diǎn)處；所述環(huán)形檢測電容包括固定在基板上的四個(gè)下極板以及正對所述四個(gè)下極板并且懸置于所述下極板上方的環(huán)形上極板；所述四個(gè)下極板分為兩組:第一組下極板沿X軸在原點(diǎn)的兩側(cè)對稱分布且組內(nèi)的兩個(gè)下極板形狀相同，所述第一組下極板與其對應(yīng)部分的環(huán)形上極板相配合構(gòu)成一組第一檢測電容；第二組下極板沿y軸在原點(diǎn)的兩側(cè)對稱分布且組內(nèi)的兩個(gè)下極板形狀相同，所述第二組下極板與其對應(yīng)部分的環(huán)形上極板相配合構(gòu)成另一組第一檢測電容；所述環(huán)形上極板在原點(diǎn)處通過第一錨點(diǎn)固定于基板上；所述第三聯(lián)動梁與所述環(huán)形上極板的外沿連接；兩組驅(qū)動電容，對稱分布在所述外框架平行于X軸的兩側(cè)，每組所述驅(qū)動電容都包括互相配合的可動驅(qū)動電極和固定驅(qū)動電極，其中所述可動驅(qū)動電極與所述外框架的外側(cè)邊連接；所述驅(qū)動電容用于提供沿y軸方向的驅(qū)動力；兩組第二檢測電容，對稱分布在所述外框架平行于y軸的兩側(cè)，每組所述第二檢測電容都包括互相配合的可動檢測電極和固定檢測電極，其中所述可動檢測電極與所述外框架的外側(cè)邊連接。
[0019]進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，所述環(huán)形上極板為圓環(huán)形狀或者方環(huán)形狀。
[0020]進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，還包括位于所述環(huán)形檢測電容環(huán)孔內(nèi)的支撐梁組；所述支撐梁組包括同心的內(nèi)圓環(huán)和外圓環(huán)、兩條內(nèi)環(huán)支撐梁、兩條內(nèi)外環(huán)連接梁、以及四條外環(huán)連接梁；所述四條外環(huán)連接梁的一端分別與外圓環(huán)連接，另一端分別與所述環(huán)形上極板的內(nèi)沿連接；所述外環(huán)連接梁分成兩個(gè)一組，其中一組沿X軸分布，另一組沿y軸分布；所述兩條內(nèi)環(huán)支撐梁的一端分別與內(nèi)圓環(huán)連接，另一端通過所述第一錨點(diǎn)固定于所述基板上；所述兩條內(nèi)外環(huán)連接梁的一端分別與內(nèi)圓環(huán)連接，另一端分別與外圓環(huán)連接；所述內(nèi)環(huán)支撐梁沿I軸分布且所述內(nèi)外環(huán)連接梁沿X軸分布，或者，所述內(nèi)環(huán)支撐梁沿X軸分布且所述內(nèi)外環(huán)連接梁沿y軸分布。
[0021]本實(shí)用新型的三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀采用單結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電容式靜電驅(qū)動和差動電容檢測，驅(qū)動方式簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，有利于減小陀螺儀體積，工藝上適合批量生產(chǎn)，并且受溫度及加工工藝誤差影響小，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的測量精度和靈敏度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1、2為本實(shí)用新型三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀第一實(shí)施例的立體示意圖。
[0023]圖3、4為本實(shí)用新型三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀第一實(shí)施例的平面示意圖。
[0024]圖5為本實(shí)用新型支撐梁組第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖6為本實(shí)用新型支撐梁組第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖7為本實(shí)用新型支撐梁組第三實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖8為本實(shí)用新型三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀第二實(shí)施例的平面示意圖。
[0028]圖9為本實(shí)用新型三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀第三實(shí)施例的平面示意圖。
[0029]圖10為本實(shí)用新型三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀的X和y軸檢測系統(tǒng)簡化示意圖。
[0030]圖11為X和y軸檢測時(shí)檢測質(zhì)量塊M2在驅(qū)動和檢測方向的頻響曲線。
[0031]圖12為本實(shí)用新型三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀的z軸檢測系統(tǒng)簡化示意圖。
[0032]圖13為z軸檢測時(shí)檢測質(zhì)量塊M4在驅(qū)動和檢測方向的頻響曲線。
[0033]附圖標(biāo)記說明
[0034]I 基板；
[0035]2環(huán)形上極板、6a第一組下極板、6b第二組下極板；
[0036]7可動驅(qū)動電極、4固定驅(qū)動電極；
[0037]17可動檢測電極、3固定檢測電極；
[0038]12內(nèi)框架、14中間框架、16外框架；
[0039]15第一解耦梁、13第二解耦梁；
[0040]8第一聯(lián)動梁、9杠桿梁、11第二聯(lián)動梁、10支撐梁、24第三聯(lián)動梁；
[0041]18支撐梁組、19內(nèi)圓環(huán)、20外圓環(huán)、21內(nèi)環(huán)支撐梁、22內(nèi)外環(huán)連接梁、23外環(huán)連接梁；
[0042]101連接梁、102支撐梁、103圓環(huán)；
[0043]5a第一錨點(diǎn)、5b第二錨點(diǎn)、5c第三錨點(diǎn)。

【具體實(shí)施方式】
[0044]下面參考圖1?13所示，詳細(xì)描述本實(shí)用新型的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本實(shí)用新型，而不能解釋為對本實(shí)用新型的限制。
[0045]參見圖1-圖4為本實(shí)用新型三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀的第一實(shí)施例，包括:
[0046]基板1，基板I中央位置處有一環(huán)形檢測電容，定義以環(huán)形檢測電容的中心為原點(diǎn)O，基板I所在平面為Xy平面的空間直角坐標(biāo)系，空間直角坐標(biāo)系的Z軸垂直于基板I。
[0047]環(huán)形檢測電容包括固定在基板I上的四個(gè)下極板以及正對四個(gè)下極板并且懸置于下極板上方的環(huán)形上極板2，4個(gè)下極板排布組成的形狀與環(huán)形上極板2的形狀相匹配。
[0048]四個(gè)下極板可分為兩組:第一組下極板6a沿X軸在原點(diǎn)的兩側(cè)對稱分布且組內(nèi)的兩個(gè)下極板形狀相同，第一組下極板6a與其對應(yīng)部分的環(huán)形上極板相配合構(gòu)成一組第一檢測電容A ;第二組下極板6b沿y軸在原點(diǎn)的兩側(cè)對稱分布且組內(nèi)的兩個(gè)下極板形狀相同，第二組下極板6b與其對應(yīng)部分的環(huán)形上極板相配合構(gòu)成第一檢測電容B。
[0049]環(huán)形上極板2通過支撐結(jié)構(gòu)懸置于下極板的上方，支撐結(jié)構(gòu)位于環(huán)形檢測電容的環(huán)孔內(nèi)并且與環(huán)形上極板2的內(nèi)沿連接，支撐結(jié)構(gòu)在原點(diǎn)處通過第一錨點(diǎn)5a固定于基板上，由于支撐結(jié)構(gòu)僅中心固定，因此環(huán)形上極板2在外力作用下可以繞xyz任意一軸做角振動。
[0050]參考圖5所示為支撐結(jié)構(gòu)的第一實(shí)施例，支撐結(jié)構(gòu)包括一圓環(huán)103、三條連接梁101、以及一條支撐梁102 ;其中，兩條連接梁101沿y軸分布，第三連接梁101沿x軸分布且位于X軸的正方向，連接梁101的一端與圓環(huán)103連接，另一端與環(huán)形上極板2的內(nèi)沿連接；支撐梁102沿X軸分布且位于X軸的負(fù)方向，一端連接圓環(huán)103，另一端在原點(diǎn)處通過第一錨點(diǎn)5a固定在基板上。當(dāng)然，也可以是第三條連接梁101位于X軸的負(fù)方向并且支撐梁102位于X軸的正方向。
[0051]參考圖6所示為支撐結(jié)構(gòu)的第二實(shí)施例，支撐結(jié)構(gòu)包括一圓環(huán)103、兩連接梁101、以及兩條支撐梁102 ;其中，兩條連接梁101沿y軸分布，連接梁101的一端與圓環(huán)103連接，另一端與環(huán)形上極板2的內(nèi)沿連接；兩條支撐梁102沿X軸分布，一端連接圓環(huán)103，另一端在原點(diǎn)處通過第一錨點(diǎn)5a固定在基板上。
[0052]參考圖1-4和圖7所示為支撐結(jié)構(gòu)的第三實(shí)施例，支撐結(jié)構(gòu)為支撐梁組18，包括同心的內(nèi)圓環(huán)19和外圓環(huán)20、兩條內(nèi)環(huán)支撐梁21、兩條內(nèi)外環(huán)連接梁22、以及四條外環(huán)連接梁23 ;四條外環(huán)連接梁23的一端分別與外圓環(huán)20連接，另一端分別與環(huán)形上極板2的內(nèi)沿連接；外環(huán)連接梁23分成兩個(gè)一組，其中一組沿X軸分布，另一組沿y軸分布，四條外環(huán)連接梁23均勻分割外圓環(huán)20的外周；兩條內(nèi)環(huán)支撐梁21的一端分別與內(nèi)圓環(huán)19連接，另一端通過第一錨點(diǎn)5a固定于基板I上；兩條內(nèi)外環(huán)連接梁22的一端分別與內(nèi)圓環(huán)19連接，另一端分別與外圓環(huán)20連接；內(nèi)環(huán)支撐梁21沿y軸分布且內(nèi)外環(huán)連接梁22沿x軸分布；在其它實(shí)施例中，也可以設(shè)置內(nèi)環(huán)支撐梁21沿X軸分布而內(nèi)外環(huán)連接梁22沿7軸分布。從圖2的剖面部分能夠看出，環(huán)形上極板2的內(nèi)沿與環(huán)孔內(nèi)的支撐梁組18連接，支撐梁組18在原點(diǎn)處通過第一錨點(diǎn)5a固定于基板上，環(huán)形上極板2憑借第一錨點(diǎn)5a的支撐懸置于下極板上方。由于支撐梁組僅中心固定且纖細(xì)具有一定彈性，因此環(huán)形上極板2在外力作用下可以繞xyz任意一軸做角振動。
[0053]其中，以上實(shí)施例中的環(huán)形上極板2均為圓環(huán)形狀，但需要注意的是，本實(shí)用新型并不限定于圓環(huán)形狀，本實(shí)用新型中“環(huán)形”是指中心設(shè)有孔洞的結(jié)構(gòu)，例如內(nèi)沿外沿皆是圓形的圓環(huán)形狀，內(nèi)沿外沿皆是方形的方環(huán)形狀、外沿為圓形而內(nèi)沿為方形的形狀、外沿為方形而內(nèi)沿為圓形的形狀、中心開孔的十字形形狀等等，這些都屬于等同的實(shí)施例在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0054]其中，環(huán)形上極板2和支撐結(jié)構(gòu)可以直接為一體結(jié)構(gòu)，例如為一體構(gòu)圖后蝕刻形成。
[0055]其中，由環(huán)形檢測電容和支撐結(jié)構(gòu)組成的環(huán)形可變電容:第一組下極板6a沿X軸在原點(diǎn)的兩側(cè)對稱分布，第二組下極板6b沿y軸在原點(diǎn)的兩側(cè)對稱分布，從而和環(huán)形上極板各形成一組檢測電容，環(huán)形上極板通過中心處的錨點(diǎn)5a固定并懸置使其自身可以繞xyz任意一軸做角振動。這種可變電容設(shè)計(jì)能夠測量兩個(gè)方向上的變形，同時(shí)還具有變形時(shí)阻力小且變形空間大的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的測量精度和靈敏度。本實(shí)用新型的環(huán)形可變電容結(jié)構(gòu)簡單緊湊，有利于減小微機(jī)電系統(tǒng)的體積，工藝上適合批量生產(chǎn)，除了應(yīng)用于本實(shí)用新型的三軸陀螺儀上，還可以用于制作平面雙軸陀螺儀，z軸陀螺儀以及微致動器件，如微型開關(guān)等。
[0056]參考圖3-4所示，微機(jī)電可變形結(jié)構(gòu)包括以原點(diǎn)為中心的三層矩形框架，從內(nèi)向外依次為內(nèi)框架12、包圍所述內(nèi)框架12的中間框架14、以及包圍所述中間框架14的外框架16。所述內(nèi)框架12、中間框架14以及外框架16的中心都正對原點(diǎn)。所述內(nèi)框架12、中間框架14、以及外框架16各有兩條邊平行于X軸，另外兩條邊平行于y軸。
[0057]所述外框架16和所述中間框架14之間通過4個(gè)第一解耦梁15連接，所述第一解耦梁15設(shè)置于所述中間框架14平行于y軸的兩側(cè)并且關(guān)于y軸對稱。所述第一解耦梁15為Z型解耦梁，一端垂直連接所述中間框架14平行于y軸的側(cè)邊，另一端垂直連接所述外框架16平行于y軸的側(cè)邊。
[0058]所述中間框架14和所述內(nèi)框架12之間通過4個(gè)第二解耦梁13連接，所述第二解耦梁13設(shè)置于所述內(nèi)框架12平行于X軸的兩側(cè)并且關(guān)于X軸對稱。所述第二解耦梁13為Z型解耦梁，一端垂直連接所述內(nèi)框架12平行于X軸的側(cè)邊，另一端垂直連接所述中間框架14平行于X軸的側(cè)邊。
[0059]位于所述內(nèi)框架12內(nèi)部的聯(lián)動部，所述聯(lián)動部包括第一聯(lián)動梁8、兩條杠桿梁9、兩條第二聯(lián)動梁11、兩條支撐梁10、第三聯(lián)動梁24。第一聯(lián)動梁8、第二聯(lián)動梁11、支撐梁10均平行于I軸設(shè)置，杠桿梁9和第三聯(lián)動梁24平行于X軸設(shè)置。
[0060]兩條杠桿梁9關(guān)于X軸對稱，分別與第一聯(lián)動梁8連接以形成一端開口的方框結(jié)構(gòu)，方框結(jié)構(gòu)位于內(nèi)框架12內(nèi)部，環(huán)形檢測電容位于兩條杠桿梁9之間；
[0061]第二聯(lián)動梁11關(guān)于X軸對稱且位于杠桿梁9和內(nèi)框架12之間，第二聯(lián)動梁11的一端連接鄰近的一條杠桿梁9，另一端連接至內(nèi)框架12，從而通過內(nèi)框架12與中間框架14連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與外框架16的連接；
[0062]第三聯(lián)動梁24的一端連接第一聯(lián)動梁8的中部，另一端與環(huán)形上極板2的外沿連接。
[0063]兩條支撐梁10關(guān)于X軸對稱且位于方框結(jié)構(gòu)和環(huán)形檢測電容之間，一端連接鄰近的一條杠桿梁9，另一端各通過一第三錨點(diǎn)5c固定于基板I上。
[0064]其中，杠桿梁9未與第一聯(lián)動梁8連接的一端為支撐端，兩條杠桿梁9的支撐端各通過一第二錨點(diǎn)5b固定于基板I上。
[0065]其中，第二聯(lián)動梁11與杠桿梁9的連接位置位于杠桿梁9的支撐端和杠桿梁9與支撐梁10的連接點(diǎn)中間。
[0066]其中，兩個(gè)第二錨點(diǎn)5b關(guān)于X軸對稱設(shè)置，兩個(gè)第三錨點(diǎn)5c關(guān)于X軸對稱設(shè)置，這種對稱固定的設(shè)置使環(huán)形檢測電容受力更加均勻。
[0067]本實(shí)用新型的微機(jī)電可變形結(jié)構(gòu)，在受到外力作用時(shí)，外框架、中間框架、內(nèi)框架、以及方框結(jié)構(gòu)均能產(chǎn)生變形扭曲的效果，同時(shí)還具有變形阻力小變形空間大的優(yōu)點(diǎn)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)良好的測量精度和靈敏度。本實(shí)用新型的微機(jī)電可變形結(jié)構(gòu)簡單緊湊，有利于減小微機(jī)電系統(tǒng)的體積，工藝上適合批量生產(chǎn)，并且受溫度及加工工藝誤差影響小，有利于測量方案實(shí)現(xiàn)良好的測量精度和靈敏度。除了應(yīng)用于本實(shí)用新型的三軸陀螺儀上，還可以在機(jī)械結(jié)構(gòu)層面上實(shí)現(xiàn)微小位移的放大，有利于提高傳感器的檢測靈敏度和信噪比，并且降低了敏感結(jié)構(gòu)對電路系統(tǒng)的要求。
[0068]兩組驅(qū)動電容，對稱分布在外框架16平行于X軸的兩側(cè)；每組驅(qū)動電容都包括互相配合的可動驅(qū)動電極7和固定驅(qū)動電極4，可動驅(qū)動電極7與外框架16平行于X軸的側(cè)邊連接，固定驅(qū)動電極4固定于基板I上。
[0069]兩組第二檢測電容，對稱分布在外框架16平行于y軸的兩側(cè)；每組第二檢測電容都包括互相配合的可動檢測電極17和固定檢測電極3，可動檢測電極17與外框架16平行于I軸的側(cè)邊連接，固定檢測電極3固定于基板I上。
[0070]其中，本實(shí)施例中的可動驅(qū)動電極7和固定驅(qū)動電極4，以及可動檢測電極17和固定檢測電極3均為梳齒狀電極，基于極板之間交疊長度的變化進(jìn)行檢測。但本實(shí)用新型不限定于此，驅(qū)動電容和第二檢測電容還可以為平板狀電容，基于極板之間間隙的變化進(jìn)行檢測。
[0071]本實(shí)用新型三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀第一實(shí)施例的工作原理如下:
[0072]所述驅(qū)動電容用于提供沿y軸方向的驅(qū)動力，當(dāng)受到外界驅(qū)動時(shí)，外框架16、可動驅(qū)動電極7以及可動檢測電極17沿y軸方向做線運(yùn)動，帶動中間框架14、內(nèi)框架12沿y軸方向做線運(yùn)動，同時(shí)第二聯(lián)動梁11拖動杠桿梁9沿y軸方向做線運(yùn)動，杠桿梁9相當(dāng)于杠桿，因此會帶動第一聯(lián)動梁8在y軸方向做線運(yùn)動，其中第一聯(lián)動梁8的運(yùn)動方向與第二聯(lián)動梁11相反。由于第一聯(lián)動梁8通過第三聯(lián)動梁24和環(huán)形上極板2的外沿相連，且環(huán)形上極板2通過支撐梁組18在原點(diǎn)處經(jīng)第一錨點(diǎn)5a固定于基板I上，因此環(huán)形上極板2會在第一聯(lián)動梁8的拖動下繞第一錨點(diǎn)5a轉(zhuǎn)動，即繞z軸做角振動。因此驅(qū)動運(yùn)動包括三層框架沿I軸方向的線運(yùn)動和環(huán)形上極板2繞z軸的角振動。
[0073]當(dāng)陀螺儀繞X軸轉(zhuǎn)動時(shí)，由于哥氏力的作用，環(huán)形上極板2會繞y軸做角振動，由此引起第一組下極板6a與基板I的間距的變化，導(dǎo)致第一檢測電容A的變化，該電容變化與陀螺儀繞X軸轉(zhuǎn)動的角速度成正比，因此可用于測量X軸角速度。此時(shí)第一檢測電容B和第二檢測電容不受影響，或影響很小可以忽略。
[0074]當(dāng)陀螺儀繞y軸轉(zhuǎn)動時(shí)，由于哥氏力的作用，環(huán)形上極板2會繞X軸做角振動，由此引起第二組下極板6b與基板I的間距的變化，導(dǎo)致第一檢測電容B的變化，該電容變化與陀螺儀繞I軸轉(zhuǎn)動的角速度成正比，因此可用于測量I軸角速度。此時(shí)第一檢測電容A和第二檢測電容不受影響，或影響很小可以忽略。
[0075]當(dāng)陀螺儀繞z軸轉(zhuǎn)動時(shí)，繞z軸做角振動的環(huán)形上極板2本身不受影響。由于哥氏力的作用，外框架16、中間框架14、內(nèi)框架12受到X軸方向的作用力，但由于杠桿梁9是剛性且一端固定住的，所以內(nèi)框架12在X軸方向的運(yùn)動是受限的，也不會影響到環(huán)形上極板2，因此環(huán)形檢測電容不受影響。由于第一解耦梁15的解耦作用，不會對外框架16在X軸向的運(yùn)動造成限制，因此，外框架16會沿X軸方向線運(yùn)動，導(dǎo)致第二檢測電容(由可動檢測電極17和固定檢測電極3組成)的變化，該電容變化即反映了陀螺儀繞z軸的角速度，因此可以用于檢測z軸角速度。
[0076]本實(shí)施例中，杠桿梁9除了和第一聯(lián)動梁8、第二聯(lián)動梁11和支撐梁10相連外，還通過支撐端固定在基板I上(即第二錨點(diǎn)5b處)，并且第二聯(lián)動梁11與杠桿梁9的連接位置位于杠桿梁9的支撐端和杠桿梁9與支撐梁10的連接點(diǎn)中間，這種情況對三層框架的運(yùn)動是有好處的，這是因?yàn)?將杠桿梁9原本的自由端固定為支撐端后，在第二錨點(diǎn)5b與支撐梁10之間的杠桿梁9相當(dāng)于兩端支撐梁，這段杠桿梁9的變形模式為中間鼓兩端固定的形式，其垂直于y軸的狀態(tài)不會變，這時(shí)第二聯(lián)動梁11如果處于其中間位置，則第二聯(lián)動梁11不會受到扭矩進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)動，而如果偏離中間位置，杠桿梁9垂直于y軸的狀態(tài)則會發(fā)生變化，這種偏轉(zhuǎn)會影響三層框架的運(yùn)動模態(tài)。
[0077]參見圖8為本實(shí)用新型三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀第二實(shí)施例的平面示意圖，和第一實(shí)施例的區(qū)別主要在于第一解耦梁15的形狀和連接方式不同。第二實(shí)施例中:外框架16和中間框架14之間通過4個(gè)第一解耦梁15連接，第一解耦梁15設(shè)置于中間框架14平行于I軸的兩側(cè)并且關(guān)于I軸對稱；第一解耦梁15為L型解耦梁，一端垂直連接中間框架14平行于y軸的側(cè)邊，另一端垂直連接外框架16平行于X軸的側(cè)邊。
[0078]參見圖9為本實(shí)用新型三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀第三實(shí)施例的平面示意圖，和第二實(shí)施例的區(qū)別主要在于第二解耦梁13的形狀和連接方式不同。第三實(shí)施例中:中間框架14和內(nèi)框架12之間通過4個(gè)第二解耦梁13連接，第二解耦梁13設(shè)置于內(nèi)框架12平行于X軸的兩側(cè)并且關(guān)于X軸對稱；第二解耦梁13為L型解耦梁，一端垂直連接內(nèi)框架12平行于X軸的側(cè)邊，另一端垂直連接中間框架14平行于y軸的側(cè)邊。
[0079]本實(shí)用新型特別設(shè)計(jì)了三層矩形框架的結(jié)構(gòu)，內(nèi)框架與中間框架之間通過Z型或者L型的第二解耦梁進(jìn)行連接，中間框架與外框架之間通過Z型或者L型的第一解耦梁進(jìn)行連接，其中第一解耦梁限制了外框架16和中間框架14在y軸方向上的相對運(yùn)動，第二解耦梁限制了中間框架14和內(nèi)框架12在X軸方向上的相對運(yùn)動，這種特殊設(shè)計(jì)能夠增強(qiáng)陀螺儀的健壯性，具體來說，具有以下有益效果:
[0080]圖10為本實(shí)用新型三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀的X和y軸檢測系統(tǒng)簡化示意圖，圖11為X和y軸檢測時(shí)檢測質(zhì)量塊M2在驅(qū)動和檢測方向的頻響曲線。
[0081]參考圖10所示，由于第一解耦梁15限制了外框架16和中間框架14在y軸方向上的相對運(yùn)動，所以外框架16和中間框架14的組合可以簡化為質(zhì)量塊M1，內(nèi)框架12和環(huán)形上極板2以及連接兩者的各個(gè)連系梁的組合可以簡化為檢測質(zhì)量塊M2。參考圖11所示，質(zhì)量塊Ml受到驅(qū)動力時(shí)帶動檢測質(zhì)量塊M2在驅(qū)動方向運(yùn)動，其中質(zhì)量塊Ml僅能夠在驅(qū)動方向運(yùn)動，檢測質(zhì)量塊M2能同時(shí)在驅(qū)動和檢測方向運(yùn)動。在檢測質(zhì)量塊M2的驅(qū)動運(yùn)動頻響曲線上，當(dāng)驅(qū)動頻率在驅(qū)動頻響曲線兩峰值之間平直段時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動力放大，即質(zhì)量塊Ml運(yùn)動幅值達(dá)到最小，而檢測質(zhì)量塊M2的運(yùn)動幅值達(dá)到最大。而且此時(shí)由溫度和加工誤差造成諧振頻率的變化對驅(qū)動平直段頻響影響很小，因此陀螺驅(qū)動運(yùn)動變化很小，從而提高了陀螺驅(qū)動工作的穩(wěn)定性。進(jìn)一步的，同時(shí)將檢測質(zhì)量塊M2在檢測方向的檢測模態(tài)的固有頻率設(shè)計(jì)在驅(qū)動頻響兩峰值之間的平直段，就能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動和檢測頻率的匹配，提高了陀螺儀的檢測精度和靈敏度等性能。
[0082]圖12為本實(shí)用新型三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀的z軸檢測系統(tǒng)簡化示意圖，圖13為z軸檢測時(shí)檢測質(zhì)量塊M4在驅(qū)動和檢測方向的頻響曲線。
[0083]參考圖12的左圖所示，z軸檢測系統(tǒng)的驅(qū)動運(yùn)動動力放大原理與圖7相同，因?yàn)槭峭粋€(gè)驅(qū)動運(yùn)動。參考圖12的右圖所示，當(dāng)陀螺儀結(jié)構(gòu)繞z軸轉(zhuǎn)動時(shí)，內(nèi)框架12受X軸向哥氏力驅(qū)動，第二解耦梁13限制了內(nèi)框架12和中間框架14在X軸方向上的相對運(yùn)動，因此內(nèi)框架12和外框架14相當(dāng)于兩個(gè)固連質(zhì)量塊，可以簡化為質(zhì)量塊M3，外框架16與中間框架14的連接相當(dāng)于在X軸向彈簧連接，可以將外框架16簡化為檢測質(zhì)量塊M4。參考圖13所示，質(zhì)量塊M3受到哥氏力帶動檢測質(zhì)量塊M4在檢測方向運(yùn)動，當(dāng)哥氏力頻率處于檢測模態(tài)曲線兩峰值間平直段時(shí)，檢測質(zhì)量塊M4的運(yùn)動位移最大，而質(zhì)量塊M3運(yùn)動位移最小，即實(shí)現(xiàn)了動力放大。同時(shí)該結(jié)構(gòu)也具有受溫度及加工工藝誤差的影響小的特點(diǎn)，從而有利于提高了系統(tǒng)的驅(qū)動和檢測運(yùn)動的穩(wěn)定性以及陀螺儀檢測的精度和靈敏度等性能。
[0084]本實(shí)用新型的三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀采用單結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電容式靜電驅(qū)動和差動電容檢測，驅(qū)動方式簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，有利于減小陀螺儀體積，工藝上適合批量生產(chǎn)，并且受溫度及加工工藝誤差影響小，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的測量精度和靈敏度。
[0085]以上依據(jù)圖式所示的實(shí)施例詳細(xì)說明了本實(shí)用新型的構(gòu)造、特征及作用效果，以上僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，但本實(shí)用新型不以圖面所示限定實(shí)施范圍，凡是依照本實(shí)用新型的構(gòu)想所作的改變，或修改為等同變化的等效實(shí)施例，仍未超出說明書與圖示所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種微機(jī)電可變形結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括: 基板； 位于所述基板上的同中心的三層矩形框架，從內(nèi)向外依次為內(nèi)框架、包圍所述內(nèi)框架的中間框架、以及包圍所述中間框架的外框架，所述中心處為原點(diǎn)，所述內(nèi)框架、中間框架、以及外框架各有兩條邊平行于X軸，另外兩條邊平行于1軸； 所述外框架和所述中間框架之間通過第一解耦梁連接，所述第一解耦梁設(shè)置于所述中間框架平行于1軸的兩側(cè)；所述中間框架和所述內(nèi)框架之間通過第二解耦梁連接，所述第二解耦梁設(shè)置于所述內(nèi)框架平行于X軸的兩側(cè)； 位于所述內(nèi)框架內(nèi)部的聯(lián)動部，所述聯(lián)動部包括第一聯(lián)動梁，兩條杠桿梁、以及兩條第二聯(lián)動梁；所述第一聯(lián)動梁和所述第二聯(lián)動梁均平行于1軸，所述杠桿梁均平行于X軸； 兩條所述杠桿梁關(guān)于X軸對稱，分別與所述第一聯(lián)動梁連接以形成一端開口的方框結(jié)構(gòu)； 兩條所述第二聯(lián)動梁關(guān)于X軸對稱且位于所述杠桿梁和所述內(nèi)框架之間，所述第二聯(lián)動梁的一端連接鄰近的一條杠桿梁，另一端連接所述內(nèi)框架。
2.如權(quán)利要求1所述的可變形結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述第一解耦梁包括關(guān)于1軸對稱的四個(gè)2型解耦梁，所述2型解耦梁的一端垂直連接所述中間框架平行于1軸的側(cè)邊，另一端垂直連接所述外框架平行于1軸的側(cè)邊。
3.如權(quán)利要求1所述的可變形結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述第一解耦梁包括關(guān)于7軸對稱的四個(gè)I型解耦梁，所述I型解耦梁的一端垂直連接所述中間框架平行于1軸的側(cè)邊，另一端垂直連接所述外框架平行于X軸的側(cè)邊。
4.如權(quán)利要求1所述的可變形結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述第二解耦梁包括關(guān)于X軸對稱的四個(gè)2型解耦梁，所述2型解耦梁的一端垂直連接所述內(nèi)框架平行于X軸的側(cè)邊，另一端垂直連接所述中間框架平行于X軸的側(cè)邊。
5.如權(quán)利要求1所述的可變形結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述第二解耦梁包括關(guān)于X軸對稱的四個(gè)I型解耦梁，所述I型解耦梁的一端垂直連接所述內(nèi)框架平行于X軸的側(cè)邊，另一端垂直連接所述中間框架平行于1軸的側(cè)邊。
6.如權(quán)利要求1所述的可變形結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述杠桿梁未與所述第一聯(lián)動梁連接的一端為支撐端，所述兩條杠桿梁的支撐端各通過一第二錨點(diǎn)固定于所述基板上。
7.如權(quán)利要求1所述的可變形結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述聯(lián)動部還包括兩條支撐梁，所述兩條支撐梁均平行于1軸； 所述兩條支撐梁關(guān)于X軸對稱且位于所述方框結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)，一端連接鄰近的一條杠桿梁，另一端各通過一第三錨點(diǎn)固定于所述基板上。
8.如權(quán)利要求7所述的可變形結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述杠桿梁未與所述第一聯(lián)動梁連接的一端為支撐端，所述兩條杠桿梁支撐端的各通過一第二錨點(diǎn)固定于所述基板上； 所述第二聯(lián)動梁與杠桿梁的連接位置位于杠桿梁的支撐端和杠桿梁與所述支撐梁的連接點(diǎn)中間。
9.如權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的可變形結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述聯(lián)動部還包括第三聯(lián)動梁，所述第三聯(lián)動梁的一端連接所述第一聯(lián)動梁的中部，另一端用于和待連接件連接。
10.一種三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀，其特征在于，包括如權(quán)利要求9所述的可變形結(jié)構(gòu)，還包括: 位于兩條所述杠桿梁之間的環(huán)形檢測電容，所述環(huán)形檢測電容的中心正對所述原點(diǎn)處； 所述環(huán)形檢測電容包括固定在基板上的四個(gè)下極板以及正對所述四個(gè)下極板并且懸置于所述下極板上方的環(huán)形上極板； 所述四個(gè)下極板分為兩組:第一組下極板沿X軸在原點(diǎn)的兩側(cè)對稱分布且組內(nèi)的兩個(gè)下極板形狀相同，所述第一組下極板與其對應(yīng)部分的環(huán)形上極板相配合構(gòu)成一組第一檢測電容；第二組下極板沿1軸在原點(diǎn)的兩側(cè)對稱分布且組內(nèi)的兩個(gè)下極板形狀相同，所述第二組下極板與其對應(yīng)部分的環(huán)形上極板相配合構(gòu)成另一組第一檢測電容；所述環(huán)形上極板在原點(diǎn)處通過第一錨點(diǎn)固定于基板上； 所述第三聯(lián)動梁與所述環(huán)形上極板的外沿連接； 兩組驅(qū)動電容，對稱分布在所述外框架平行于X軸的兩側(cè)，每組所述驅(qū)動電容都包括互相配合的可動驅(qū)動電極和固定驅(qū)動電極，其中所述可動驅(qū)動電極與所述外框架的外側(cè)邊連接；所述驅(qū)動電容用于提供沿1軸方向的驅(qū)動力； 兩組第二檢測電容，對稱分布在所述外框架平行于1軸的兩側(cè)，每組所述第二檢測電容都包括互相配合的可動檢測電極和固定檢測電極，其中所述可動檢測電極與所述外框架的外側(cè)邊連接。
11.如權(quán)利要求10所述的三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀，其特征在于: 所述環(huán)形上極板為圓環(huán)形狀或者方環(huán)形狀。
12.如權(quán)利要求10所述的三軸多自由度微機(jī)電陀螺儀，其特征在于: 還包括位于所述環(huán)形檢測電容環(huán)孔內(nèi)的支撐梁組； 所述支撐梁組包括同心的內(nèi)圓環(huán)和外圓環(huán)、兩條內(nèi)環(huán)支撐梁、兩條內(nèi)外環(huán)連接梁、以及四條外環(huán)連接梁； 所述四條外環(huán)連接梁的一端分別與外圓環(huán)連接，另一端分別與所述環(huán)形上極板的內(nèi)沿連接；所述外環(huán)連接梁分成兩個(gè)一組，其中一組沿X軸分布，另一組沿7軸分布； 所述兩條內(nèi)環(huán)支撐梁的一端分別與內(nèi)圓環(huán)連接，另一端通過所述第一錨點(diǎn)固定于所述基板上； 所述兩條內(nèi)外環(huán)連接梁的一端分別與內(nèi)圓環(huán)連接，另一端分別與外圓環(huán)連接； 所述內(nèi)環(huán)支撐梁沿1軸分布且所述內(nèi)外環(huán)連接梁沿X軸分布，或者，所述內(nèi)環(huán)支撐梁沿X軸分布且所述內(nèi)外環(huán)連接梁沿7軸分布。
【文檔編號】G01C19/5684GK204188169SQ201420734425
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】張廷凱 申請人:歌爾聲學(xué)股份有限公司