技术领域
[0001] 本
发明涉及微机电(MEMS)系统技术领域，具体地说，涉及于微机电陀螺仪领域，是一种蜂窝状固体波动微机械陀螺仪及其制备方法。
背景技术
[0002] 陀螺仪作为一种载体
角速度敏感惯性
传感器，在航空、航天、
船舶等传统工业领域的
姿态控制和导航
定位等方面有着非常重要的作用。MEMS微陀螺具有尺寸
质量小、功耗低、成本低、环境适应性好、集成度高等优点。
[0003] 随着国防科技和航空、航天工业的发展，我国在军事、工业及消费
电子等领域对高性能、小尺寸、高可靠性的MEMS微陀螺的需求正变得日益迫切。基于MEMS技术的微陀螺仪采用微纳批量制造技术加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而且环境适应性、工作寿命、可靠性、集成度与传统技术相比有极大的提高，因而MEMS微陀螺已经成为近些年来MEMS技术广泛研究和应用开发的一个重要方向。
[0004] 经对
现有技术的文献检索发现，中国
专利“一种Z轴MEMS电容式陀螺仪”(专利
申请号：201310475914.9)，提供了一种具有弹性梁，质量
块以及杠杆构成的MEMS微陀螺。通过在驱动电容组施加单一特定
频率的
电压信号，对质量块施加驱动
力使得质量块振动。当有外界角速度输入时，在科氏力作用下，振动向一个轴发生偏移，通过检测
电极电容组可以检测角速度的变化。
[0005] 此技术存在如下不足：采用传统的
弹簧-质量块的结构模型，故而抗冲击性差，灵敏度不高，Q值较低，零漂较大，达到高
精度有一定困难。
发明内容
[0006] 针对现有技术的不足，本发明提供一种结构简单、小体积、抗冲击、重量轻，具有高Q值，且不需要
真空封装的高频蜂窝状固体波动微机械陀螺仪及其制备方法，该陀螺成本低并且适合大批量生产。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0008] 本发明提供一种蜂窝状固体波动微机械陀螺仪，包括:包括基底；设置在所述基底上的蜂窝状谐振子；位于基底上连接谐振子、起
支撑作用的支撑体；以及位于蜂窝状谐振子周围的驱动电极、检测电极、监测电极、平衡电极；其中：所述蜂窝状谐振子内部为蜂窝结构，蜂窝的结构单元横截面为正六角形，相邻两个单元共用一个壁，结构强度高；质量轻；抗冲击；强度，
刚度可以通过调整蜂窝芯的孔径、芯柱高度来调节。
[0009] 优选的，所述驱动电极、检测电极、监测电极、平衡电极平均分布于蜂窝状谐振子周围的基底上；电极与蜂窝状谐振子之间存在间隙，形成差动电容；所述蜂窝状谐振子通过支撑体
引出电极接地，保证电势为0。
[0010] 优选的，所述驱动电极被施加工作模态的驱动交流电压时，由电容效应驱动蜂窝状谐振子产生振动，此时蜂窝状谐振子工作在驱动模态下；当存在输入角速度时，所述蜂窝状谐振子的振型向检测模态转变，此时由于科氏力作用以及差动电容效应，对检测电极与监测电极信号进行检出解调，得到陀螺角速度信号。
[0011] 优选的，所述驱动电极、检测电极、监测电极、平衡电极为四
对电极，分别为一对驱动电极、一对检测电极、一对监测电极、一对平衡电极，八个电极按顺
时针顺序分布为：第一个驱动电极、第一个检测电极、第一个监测电极、第一个平衡电极、第二个驱动电极、第二个检测电极、第二个监测电极、第二个平衡电极，每个电极为对称的半扇形结构，每两个相邻电极中心的夹角为45°。
[0012] 优选的，所述蜂窝状谐振子材料可以为金属、以及
硅材料等，利用基底上电极与蜂窝状谐振子形成的电容的间隙变化进行检测。
[0013] 优选的，所述驱动电极材料为金属或掺杂硅
PN结，对所述蜂窝状谐振子施加交流驱动信号起振，使其工作在驱动模态下。
[0014] 优选的，所述监测电极材料为金属或掺杂硅PN结，用于监测所述蜂窝状谐振子是否工作在理想驱动模态振型。
[0015] 优选的，所述检测电极材料为金属或掺杂硅PN结，用于检测垂直于所述基底上表面方向即z轴方向的角速度引起的所述蜂窝状谐振子检测模态上振动。
[0016] 优选的，所述平衡电极材料为金属或掺杂硅PN结，用于在力平衡工作模式下施加交流
电信号，使得所述蜂窝状谐振子恢复驱动模态振型。
[0017] 优选的，所述驱动电极、检测电极、监测电极、平衡电极均通过引线于外围
电路相连，外围电路采用模拟配合数字电路方式实现，同时完成所述蜂窝状固体波动微机械陀螺仪的驱动、检测、校正工作，同时可控制所属蜂窝状固体波动微机械陀螺仪工作在力平衡状态下。
[0018] 本发明仿生自然中的
蜂巢，结构强度好，在高冲击
载荷等恶劣环境下，具有更强的
稳定性和抗破坏性。
[0019] 本发明还提供一种上述陀螺仪的制备方法，所述陀螺仪采用MEMS
微细加工工艺，其谐振子工艺利用光
刻蚀以及气体刻蚀进行定向刻蚀，电极利用溅射金属层进行金属图形化形成，最终再进行电极线引出，外围电路连接以及封装工作。
[0020] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0021] 本发明为全固态MEMS陀螺,采用了蜂窝状谐振子,谐振子为全固态的半球或圆盘结构，抗冲击；并且谐振子内存在蜂窝状六边形镂空结构，故而其结构稳定，重量轻；采用MEMS工艺制造，体积小，可大批量制备；同时可采用硅以及金刚石等材料，Q值高，
能量损失小。
附图说明
[0022] 通过阅读参照以下附图对非限制性
实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0023] 图1为本发明实施例一蜂窝状半球固体波动微机械陀螺立体切面图；
[0024] 图2为本发明实施例一蜂窝状半球固体波动微机械陀螺顶面图；
[0025] 图3为本发明实施例二蜂窝状圆盘固体波动微机械陀螺立体切面图；
[0026] 图4为本发明实施例二蜂窝状圆盘固体波动微机械陀螺顶面图；
[0027] 图中：基底1，支撑体2，蜂窝状谐振子3，基底上表面4，驱动电极5，检测电极6，监测电极7，平衡电极8，监测电极9，检测电极10，驱动电极11，平衡电极12。
具体实施方式
[0028] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干
变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0029] 实施例一：
[0030] 参照图1，本实施例提供一种蜂窝状半球固体波动微机械陀螺，其包括:
[0031] 一个具有上表面4的基底1；
[0032] 一个置在所述基底上的蜂窝状半球谐振子3；
[0033] 位于基底上连接谐振子，起支撑作用的支撑体2；
[0034] 以及位于基底1的上表面4上、蜂窝状谐振子周围的驱动电极5，检测电极6，监测电极7，平衡电极12，驱动电极11，检测电极10，监测电极9，平衡电极8；
[0035] 其中，所述驱动电极，检测电极，监测电极，平衡电极均为一对，共八个，平均分布于蜂窝状谐振子周围的基底上，两个电极中心之间相隔45°；电极与蜂窝状谐振子之间存在间隙，形成差动电容。
[0036] 所述蜂窝状谐振子通过支撑体2引出电极接地，保证电势为0。
[0037] 所述驱动电极被施加工作模态的驱动交流电压时，由电容效应驱动蜂窝状谐振子产生振动，此时蜂窝状谐振子工作在驱动模态下；当存在输入角速度时，所述蜂窝状谐振子的振型向检测模态转变，此时由于科氏力作用以及差动电容效应，对检测电极与监测电极信号进行检出解调，可得到陀螺角速度信号。
[0038] 本实施例中，所述蜂窝状谐振子材料为金属或掺杂硅PN结，利用基底上电极与蜂窝状谐振子形成的电容的间隙变化进行检测。
[0039] 参照图2，作为一个优选，八个电极按功能分为四对，分别为驱动电极5以及驱动电极11构成的驱动电极对，检测电极6以及检测电极10构成的检测电极对，监测电极9以及监测电极7构成的监测电极对，平衡电极12以及平衡电极8构成的平衡电极对，图2中，所述电极对中电极按顺时针顺序分布为驱动电极5、检测电极6、监测电极7、平衡电极12、驱动电极11、检测电极10、监测电极9、平衡电极8，每个电极为对称的半扇形结构，相邻每两个电极中心的夹角为45°。
[0040] 作为一个优选，所述驱动电极5、11材料为金属或掺杂硅PN结，对所述蜂窝状谐振子施加交流驱动信号起振，使其工作在驱动模态下。
[0041] 作为一个优选，所述监测电极7、9材料为金属或掺杂硅PN结，用于监测所述蜂窝状谐振子是否工作在理想驱动模态振型。
[0042] 作为一个优选，所述检测电极6、10材料为金属或掺杂硅PN结，用于检测垂直于所述基底上表面方向即z轴方向的角速度引起的所述蜂窝状谐振子检测模态上振动。
[0043] 作为一个优选，所述平衡电极8、12材料为金属或掺杂硅PN结，用于在力平衡工作模式下施加交流电信号，使得所述蜂窝状谐振子恢复驱动模态振型。
[0044] 作为一个优选，所述驱动电极5、11，检测电极6、10，监测电极7、9，平衡电极8、12，它们均通过引线于外围电路相连，所属外围电路采用模拟配合数字电路方式实现，同时完成所述蜂窝状固体波动微机械陀螺仪的驱动，检测，校正工作，同时可控制所属蜂窝状固体波动微机械陀螺仪工作在力平衡状态下。
[0045] 上述蜂窝状固体波动微机械陀螺仪的制备方法，采用MEMS仿生微细加工工艺，其谐振子工艺可利用
光刻蚀以及气体刻蚀进行定向刻蚀，电极可利用溅射金属层进行金属图形化形成。最终再进行电极线引出，外围电路连接以及封装工作。
[0046] 实施例二：
[0047] 实施例二与实施例一基本相同，不同之处在于其谐振子结构差异，实施例二采用了蜂窝状圆盘谐振子。
[0048] 参照图3，本实施例提供一种蜂窝状半球固体波动微机械陀螺，其包括:
[0049] 一个具有上表面4的基底1；一个置在所述基底上的蜂窝状圆盘谐振子3；位于基底上连接谐振子，起支撑作用的支撑体2；以及位于上表面4上蜂窝状谐振子周围的驱动电极5，检测电极6，监测电极7，,监测电极9，平衡电极8。
[0050] 其中，所述驱动电极，检测电极，监测电极，平衡电极均为一对，共八个，平均分布于蜂窝状谐振子周围的基底上，两个电极中心之间相隔45°；电极与蜂窝状谐振子之间存在间隙，形成差动电容。
[0051] 所述蜂窝状谐振子通过支撑体2引出电极接地，保证电势为0。
[0052] 所述驱动电极被施加工作模态的驱动交流电压时，由电容效应驱动蜂窝状谐振子产生振动，此时蜂窝状谐振子工作在驱动模态下；当存在输入角速度时，所述蜂窝状谐振子的振型向检测模态转变，此时由于科氏力作用以及差动电容效应，对检测电极与监测电极信号进行检出解调，可得到陀螺角速度信号。
[0053] 本实施例中，所述蜂窝状谐振子材料为金属或掺杂硅PN结，利用基底上电极与蜂窝状谐振子形成的电容的间隙变化进行检测。
[0054] 参照图4，本实施例中，八个电极按功能分为四对，分别为驱动电极5以及驱动电极11构成的驱动电极对，检测电极6以及检测电极10构成的检测电极对，监测电极9以及监测电极7构成的监测电极对，平衡电极12以及平衡电极8构成的平衡电极对，图2中，所述电极对中电极按顺时针顺序分布为驱动电极5、检测电极6、监测电极7、平衡电极12、驱动电极11、检测电极10、监测电极9、平衡电极8，每个电极为对称的半扇形结构，相邻每两个电极中心的夹角为45°。
[0055] 本实施例中，所述驱动电极5、11材料为金属或掺杂硅PN结，对所述蜂窝状谐振子施加交流驱动信号起振，使其工作在驱动模态下。
[0056] 本实施例中，所述监测电极7、9材料为金属或掺杂硅PN结，用于监测所述蜂窝状谐振子是否工作在理想驱动模态振型。
[0057] 本实施例中，所述检测电极6、10材料为金属或掺杂硅PN结，用于检测垂直于所述基底上表面方向即z轴方向的角速度引起的所述蜂窝状谐振子检测模态上振动。
[0058] 本实施例中，所述平衡电极8、12材料为金属或掺杂硅PN结，用于在力平衡工作模式下施加交流电信号，使得所述蜂窝状谐振子恢复驱动模态振型。
[0059] 本实施例中，所述驱动电极5、11，检测电极6、10，监测电极7、9，平衡电极8、12均通过引线于外围电路相连，所述外围电路采用模拟配合数字电路方式实现，同时完成所述蜂窝状固体波动微机械陀螺仪的驱动，检测，校正工作，同时可控制所属蜂窝状固体波动微机械陀螺仪工作在力平衡状态下。
[0060] 本实施例中所述蜂窝状固体波动微机械陀螺仪的制备方法，采用MEMS微细加工工艺，其谐振子工艺可利用光刻蚀以及气体刻蚀进行定向刻蚀，电极可利用溅射金属层进行金属图形化形成。最终再进行电极线引出，外围电路连接以及封装工作。
[0061] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在
权利要求的范围内做出各种变形或
修改，这并不影响本发明的实质内容。
