专利名称：微型振动式双轴感测陀螺仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微型振动式双轴感测陀螺仪，特别是一种梁式且具有对称性结构，可作X方向或Y方向双轴感测的静电驱动谐振式陀螺仪。
背景技术：
陀螺仪(Gyroscope)是一利用惯性原理量测转角或角速度的装置，主要应用领域为军事、航空及航海导航，陀螺仪依其工作原理不同可概分为转子(Rotor)式陀螺仪及静电驱动的振动式陀螺仪(Vibration Gyroscope)两种。
如图1所示，是为一单轴感测梁型陀螺仪(美国专利US4,499,778号，FLEXURE MOUNT ASSEMBLY FOR A DYNAMI CALLY TUNED GYROSCOPE AND METHOD OFMANUFACTURING SAME)，该陀螺仪10是一传统梁型转动陀螺仪，仅能做单轴量测，其是用复数加工原件16、18组装而成，该传统转子式陀螺仪10利用角动量守恒原理进行设计以求得转动的角速度，因此存在结构复杂及高速轴承磨耗等问题，导致传统陀螺仪的价格昂贵、重量重，且使用寿命不长。
不同于传统转子式陀螺仪的设计原理，振动式陀螺仪以弹性体振动原理设计，利用陀螺仪构型中固有的两个正交且频率相同的模态振形，作为驱动与感测模态以增加系统的灵敏度(Sensitivity)，由于振动式陀螺仪构造简单，且因其无轴承等移动件，所以极适合以微加工技术大量制作以降低成本，因此，微型振动式陀螺仪以其低成本、且具有高级性能特性的优势，加上微小的体积，使其逐渐拥有广大的应用领域，是一极具发展与商品化浅力的感测组件，而讯号检出电路的讯噪比设计，及构型的最佳设计是影响振动式微陀螺仪性能(灵敏度)的主要因素。
如图2所示的环型振动式陀螺仪20(美国专利US5,450,751，MICROSTRUCTURE FOR VIBRATORY GYROSCOPE)，该振动式陀螺仪20设置于一基座22中，其包括外环24、中心柱25及复数辐射状等间距分布的半圆形支撑结构26，于外环24外周围设置有复数电极23，该外环24、支撑结构26均是利用高深宽比(High Aspect-Ratio)微机电制程技术制作出，外环24与支撑结构26的结构高度相同，并藉由不同的外环24区域分别提供振动式陀螺仪20作为静电式驱动与电容式感测电极所需的感应面积，其感应方式是藉由外环24的不同区段与该复数感测/驱动电极23作感应达成。
再如图3所示的环型振动式陀螺仪30(美国专利US5,547,093，METHOD OFFORMING A MICROMACHINE MOTION SENSOR)，该振动式陀螺仪30的结构与图2的振动式陀螺仪20结构相似，其包括外环34、中心柱35及复数辐射状等间距分布的半圆形支撑结构36，于外环34外周围设置有复数电极33，该外环34、支撑结构36均利用高深宽比(High Aspect-Ratio)微机电制程技术制作出，外环34与支撑结构36的结构高度相同，并藉由不同的外环34区域分别提供振动式陀螺仪30作为静电式驱动与电容式感测电极所需的感应面积，其感应方式是藉由外环34的不同区段与该复数感测/驱动电极33作感应达成。
再请参阅图4所示的悬臂梁型振动式陀螺仪40(美国专利US5,450,751，VIBRATION BEAM ROTATION SENSOR)，该振动式陀螺仪40是采用微机电加工制造，其结构主要包括一悬臂梁41，该悬臂梁41设置于一底座电极42上，于该悬臂梁41的底部及侧缘包覆有悬臂电极43，由震荡回路44驱动电压于底座电极42与悬臂电极43之间，使悬臂梁41先产生上下方向的垂直往复运动，再经由科氏力作用将悬臂结构转成水平方向振动，由设置于悬臂梁41两侧的压阻式感测装置感测水平振动距离而获得转动角加速度值。
综观上述图2至图4所示的各型环型振动式陀螺仪，其中，该振动式陀螺仪20、30的外环24、34与感测电极23、33必须采用高深宽比(HighAspect-Ratio)为二十的特殊制程，此设计并非一般微机电制程所能达到，此外，由于振动式陀螺仪的作动是利用平面上两个频率相同而相差45度的椭圆形模态作为驱动与感测模态，因此前述该振动式陀螺仪20、30、40均仅能做单轴感测。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种微型振动式双轴感测陀螺仪，其结构为梁式且具有对称性，因此拥有X方向或Y方向双轴感测性能。
本发明的次要目的是提供一种微型振动式双轴感测陀螺仪，为梁式且具有对称性结构，故其稳定性与抗环境振噪能力较佳，可提升感测性能。
本发明的另一目的是提供一种微型振动式双轴感测陀螺仪，可使用微机电制程大量制造，可降低成本。
本发明的又一目的是提供一种微型振动式双轴感测陀螺仪，不需要其它特别的制造技术，整体尺寸可小于1mm2。
本发明的再一目的是提供一种微型振动式双轴感测陀螺仪，其具有感测模态频率近似于驱动模态频率的特性，可增加感测灵敏度。
本发明的微型振动式双轴感测陀螺仪包括一基座，其中心设有一支撑柱；多个悬臂，设置于支撑柱外围并以该支撑柱为中心径向向外成放射状延伸；一平台，设置于悬臂的外侧端，以该悬臂为中心分向两侧水平延伸；静电驱动电极，设置于平台下方的该基座顶部相对应于平台处；以及数个电容感测电极，设置于平台顶部。
下面结合附图以具体实例对本发明进行详细说明，以便进一步了解本发明的特征、目的及功能。
图1是习知单轴感测梁型陀螺仪的外观图；图2及图3是习知环型振动式陀螺仪的结构示意图；图4是习知悬臂梁型振动式陀螺仪的结构示意图；图5是本发明的一较佳具体实施例的立体外观图；图6是图5的实施例的前视图；图7是本发明的悬臂及平台振动的示意图；图8是本发明另一较佳具体实施例的立体外观图；图9是本发明又一较佳具体实施例的立体外观图；图10A及图10B是本发明的其它实施态样示意图。
附图标记说明10-陀螺仪；16、18-加工原件；20-振动式陀螺仪；22-基座；23-电极；24-外环；25-中心柱；26-支撑结构；30-振动式陀螺仪；33-电极；34-外环；35-中心柱；36-支撑结构；40-该振动式陀螺仪；41-悬臂梁；42-底座电极；43-悬臂电极；44-震荡回路；50-陀螺仪；51-电容感测电极；52-悬臂；521-内侧端；522-外侧端；523-平台；53-静电驱动电极；54-基座；55-支撑柱；60-陀螺仪；61-电容感测电极；62-悬臂；621-内侧端；622-外侧端；623-平台；63-静电驱动电极；64-基座；65-支撑柱；66、67-补强壁结构；70-陀螺仪；71-电容感测电极；72-悬臂；721-内侧端；722-外侧端；723-平台；73-静电驱动电极；74-基座；75-支撑柱；76、77-补强壁结构；78-补强片；81-电容感测电极；82-悬臂；921-内侧端；822-外侧端；823-平台；85-支撑柱；91-电容感测电极；92-悬臂；921-内侧端；922-外侧端；923-平台；95-支撑柱H1、H2、H3-高度。
具体实施例方式
图5至图7示出了本发明的一较佳具体实施例的立体外观图，其是为一以静电驱动、电容方式感测的梁型振动式陀螺仪50，该陀螺仪50具有一环型基座54，于基座54中心设有一支撑柱55，于该支撑柱55外围设有复数以该支撑柱55为中心、等水平高度径向向外成放射状水平延伸的悬臂52，该悬臂52的设置数量至少为两支且为双数设置，该悬臂52的内侧端521与支撑柱55相连接，该悬臂52的外侧端522以该悬臂52为中心分向两侧水平延伸形成一平台523，于本实施例中，设置有四支悬臂52，各悬臂52均具有一平台523，该四平台523具有相同弯弧度，可由平台523构成一不连续的环型，于平台523下方的该基座54顶部相对应于平台523处设有静电驱动电极53，该平台523则作为静电电极；于平台523顶部的两端各设有一具有一高度H1的金属材质电容感测电极51，该电容感测电极51以电镀方式成型于平台523上，由该电容感测电极51作为陀螺仪50的惯性质量块；当给予驱动电压于静电驱动电极53时，悬臂52及平台523受静电吸引呈Z方向振动，且相邻的两悬臂52及平台523振动相位相差180度，当陀螺仪50受X方向或Y方向的旋转时，因科氏力将使得悬臂52及平台523产生X方向或Y方向的位移(如图7所示)，则电容感测电极51将因为两电极间的距离改变，而产生不同的电容值，藉由量测电容值的改变即可测得陀螺仪50所受的旋转角速度大小。
图8示出了本发明另一较佳具体实施例的立体外观图，其亦为一以静电驱动、电容方式感测的梁型振动式陀螺仪60，该陀螺仪60具有一环型基座64，于基座64中心设有一支撑柱65，于该支撑柱65外围设有复数以该支撑柱65为中心、等水平高度径向向外成放射状延伸的悬臂62，该悬臂62的设置数量至少为两支，且为双数设置，该悬臂62的内侧端621与支撑柱65相连接，该悬臂62的外侧端622以该悬臂62为中心分向两侧水平延伸形成一平台623，于本实施例中，是设置有四支悬臂62，各悬臂62均具有一平台623，该四平台623具有相同弯弧度，可由平台623构成一不连续的环型，于平台623下方的该基座64顶部相对应于平台623处设有静电驱动电极63，该平台623则作为静电电极；于平台623顶部的两端各设有一具有一高度H2的金属材质电容感测电极61，该电容感测电极61以电镀方式成型于平台623上，由该电容感测电极61作为陀螺仪60的惯性质量块；本实施例的特点在于该平台623及悬臂62的顶部周缘设有凸伸的补强壁结构66、67，其中，该补强壁结构66位于悬臂62顶部两侧并延伸于平台623内侧，再与电容感测电极61连接，该补强壁结构66的材质亦为导电材质，不但具有补强作用，同时可作为讯号传递，而位于平台623外侧的补强壁结构67因纯粹为补强作用，故其材质不限，必须注意的是，补强壁结构67不可与电容感测电极61连接；于本实施例中，当给予驱动电压于静电驱动电极63，悬臂62及平台623受静电吸引呈Z方向振动，且相邻的两悬臂62及平台623振动相位相差180度，当陀螺仪60受X方向或Y方向的旋转时，因科氏力将使得悬臂62及平台623产生X方向或Y方向的位移，则电容感测电极61将因为两电极间的距离改变，而产生不同的电容值，藉由量测电容值的改变即可测得陀螺仪60所受的旋转角速度大小。
图9示出了本发明另一较佳具体实施例，该陀螺仪70的外型与图8所示陀螺仪60的外型相似，该陀螺仪70具有一环型基座74，于基座74中心设有一支撑柱75，于该支撑柱75外围设有复数以该支撑柱75为中心、等水平高度径向向外成放射状延伸的悬臂72，该悬臂72的设置数量至少为两支，且为双数设置，该悬臂72的内侧端721与支撑柱75相连接，该悬臂72的外侧端722以该悬臂72为中心分向两侧水平延伸形成一平台723，于悬臂72与平台723的衔接处设有补强片78，于本实施例中，设置有四支悬臂72，各悬臂72均具有一平台723，该四平台723具有相同弯弧度，可由平台723构成一不连续的环型，于本实施例中，于平台723下方的该基座74顶部相对应于平台723处设有静电驱动电极73，该平台723则作为静电电极；于平台723顶部的两端各设有一具有一高度H3的金属材质电容感测电极71，该电容感测电极71呈长条状，其两端略凸出于平台723边缘，该电容感测电极71以电镀方式成型于平台723上，由该电容感测电极71作为陀螺仪70的惯性质量块；于该平台723及悬臂72的顶部周缘设有凸伸的补强壁结构76、77，其中，该补强壁结构76位于悬臂72顶部两侧并延伸于平台723内侧，再与电容感测电极71连接，该补强壁结构76的材质亦为导电材质，不但具有补强作用，同时可作为讯号传递，而位于平台723外侧的补强壁结构77因纯粹为补强作用，故其材质不限，必须注意的是，补强壁结构77不可与电容感测电极71连接；当给予驱动电压于静电驱动电极73，悬臂72及平台723受静电吸引呈Z方向振动，且相邻的两悬臂72及平台723振动相位相差180度，当陀螺仪70受X方向或Y方向的旋转时，因科氏力将使得悬臂72及平台723产生X方向或Y方向的位移，则电容感测电极71将因为两电极间的距离改变，而产生不同的电容值，藉由量测电容值的改变即可测得陀螺仪70所受的旋转角速度大小。
另必须说明的是，本发明的悬臂、平台、电容感测电极的设置方式并不限于上述附图所示的态样，且电容感测电极与静电驱动电极可互换，如图10A所示，是将两支悬臂82对称设置于支撑柱85的径向两侧，悬臂82的内侧端821与支撑柱85相连接，悬臂82的外侧端822具有一平台823，于平台823两端的顶部各设有一电容感测电极81，该平台823概呈一半圆形，由两平台823构成一不连续的圆环型；再如图10B所示，将四支悬臂92等角对称设置于支撑柱95的径向四边，悬臂92的内侧端921与支撑柱95相连接，悬臂92的外侧端922具有一平台923，于平台923两端的顶部各设有一电容感测电极91，该平台923是呈直长条状，由四平台923围绕构成一不连续的等边方型；前述两实施例显示，本发明的悬臂设置原则是为两支以上且双数设置，悬臂是以支撑柱为中心、等水平高度径向向外成放射状延伸，而平台可为弯弧形，亦可为直长条型，无论平台的形状为何，平台的中心是设置于悬臂外侧端，且平台的延伸方向与悬臂的延伸方向概呈垂直而构成一”T”型，而电容感测电极则设置于平台的两侧端的顶部，且电容感测电极以悬臂轴心或平台中心为中心成镜射外型。
综上所述，本发明具有以下优点一、其结构具有对称性，因此拥有X方向或Y方向双轴感测性能。
二、具有对称性结构，故其稳定性与抗环境振噪能力较佳，可提升感测性能。
三、可使用微机电制程大量制造，可降低成本。
四、不需要其它特别的制造技术，整体尺寸可小于1mm2。
五、其具有感测模态频率近似于驱动模态频率的特性，可增加感测领灵敏度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，当不能以此限制本发明的范围，凡依本发明权利要求所做的均等变化及修饰，仍将不失本发明的要义所在，亦不脱离本发明的精神和范围的，都应视为本发明的进一步实施。
权利要求
1.一种微型振动式双轴感测陀螺仪，包括一基座，其中心设有一支撑柱；多个悬臂，设置于支撑柱外围并以该支撑柱为中心径向向外成放射状延伸；一平台，设置于悬臂的外侧端，以该悬臂为中心分向两侧水平延伸；静电驱动电极，设置于平台下方的该基座顶部相对应于平台处；以及数个电容感测电极，设置于平台顶部。
2.如权利要求1所述的微型振动式双轴感测陀螺仪，其中，该电容感测电极以电镀方式成型于平台两端的顶部。
3.如权利要求1所述的微型振动式双轴感测陀螺仪，其中，该悬臂位于同一水平高度，且平行于基座。
4.如权利要求1所述的微型振动式双轴感测陀螺仪，其中，设置至少两支或双数悬臂。
5.如权利要求1所述的微型振动式双轴感测陀螺仪，其中，该平台以悬臂轴心为中心对称延伸于悬臂两侧。
6.如权利要求1所述的微型振动式双轴感测陀螺仪，其中，该平台具有弧度的弯弧形，各由平台构成一不连续的圆环型。
7.如权利要求1所述的微型振动式双轴感测陀螺仪，其中，该平台是直长条型，由各平台围绕构成一不连续的等边形。
8.如权利要求1所述的微型振动式双轴感测陀螺仪，其中，于悬臂顶部两侧并延伸于平台内侧设有补强壁结构，该补强壁结构与电容感测电极连接，于平台外侧设有补强壁结构，该补强壁结构不连接电容感测电极。
9.如权利要求1所述的微型振动式双轴感测陀螺仪，其中，于悬臂与平台的衔接处设有补强片。
10.一种微型振动式双轴感测陀螺仪，包括一基座，中心设有一支撑柱；多个悬臂，设置于支撑柱外围并以该支撑柱为中心径向向外成放射状延伸；一平台，设置于悬臂的外侧端，以该悬臂为中心分向两侧水平延伸；电容感测电极，设置于平台下方的该基座顶部相对应于平台处；以及数个静电驱动电极，设置于平台顶部。
11.如权利要求10所述的微型振动式双轴感测陀螺仪，其中，该静电驱动电极以电镀方式成型于平台两端的顶部。
12.如权利要求10所述的微型振动式双轴感测陀螺仪，其中，该悬臂是位于同一水平高度，且平行于基座。
13.如权利要求10所述的微型振动式双轴感测陀螺仪，其中，设置至少两支或双数悬臂。
14.如权利要求10所述的微型振动式双轴感测陀螺仪，其中，该平台以悬臂轴心为中心对称延伸于悬臂两侧。
15.如权利要求10所述的微型振动式双轴感测陀螺仪，其中，该平台具有弧度的弯弧形，各由平台构成一不连续的圆环型。
16.如权利要求10所述的微型振动式双轴感测陀螺仪，其中，该平台是直长条型，由各平台围绕构成一不连续的等边形。
17.如权利要求10所述的微型振动式双轴感测陀螺仪，其中，于悬臂顶部两侧并延伸于平台内侧设有补强壁结构，该补强壁结构与静电驱动电极连接，于平台外侧设有补强壁结构，该补强壁结构不连接静电驱动电极。
18.如权利要求10所述的微型振动式双轴感测陀螺仪，其中，于悬臂与平台的衔接处设有补强片。
全文摘要
本发明公开了一种微型振动式双轴感测陀螺仪，包括一基座，于基座中心设有一支撑柱，于支撑柱外围设有复数以该支撑柱为中心、等水平高度径向向外成放射状延伸的悬臂，悬臂外侧端以该悬臂为中心分向两侧等距水平延伸形成一平台，于平台顶部两端各电镀有一电容感测电极或静电驱动电极，于平台下方设有静电驱动电极或电容感测电极；其结构具有对称性，因此拥有X或Y方向双轴感测性能，稳定性与抗环境振噪能力较佳，可提升感测性能，并其加工方式简单，适于大量生产、成本低。
文档编号G01C19/16GK1580700SQ03149769
公开日2005年2月16日 申请日期2003年8月5日 优先权日2003年8月5日
发明者陈怡加, 张凯程, 范光钱, 许铭修, 梁佩芳 申请人:财团法人工业技术研究院
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
