CN111351478B - 一种振动陀螺元件、陀螺传感器及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动陀螺元件、陀螺传感器及电子设备，该振动陀螺元件包括：基部，包括分别设置于所述基部一端的一对驱动臂和另一端的一对检测臂；第一凹槽，开设于所述驱动臂相对应的第一表面和第二表面；所述第一凹槽的两侧槽壁沿所述驱动臂的延伸方向形成夹角C；第一电极，设置于所述第一凹槽。如此设置，可以使第一凹槽槽壁与驱动臂之间的宽度不相等，使得驱动臂工作模态应力分布更加均匀，可以保证在增加槽部结构后，能够提升驱动效率。并且，在驱动臂振动时，应变较大的部分具有更大的宽度，可以避免小的凹槽厚度在施加大的应变时发生微小扭曲等非理想形变，从而避免引入结构噪声，提高信噪比。

Description

一种振动陀螺元件、陀螺传感器及电子设备

技术领域

本发明涉及振动元件技术领域，具体涉及到一种振动陀螺元件、陀螺传感器及电子设备。

背景技术

目前微机械陀螺是现代惯性导航与控制技术的核心部件，广泛应用于航空航天、武器装备、工业控制以及消费电子。其中振动陀螺元件具有较高的检测精度，在高精度应用领域获得了广泛的应用。随着应用需求的不断提升，传统结构的振动陀螺元件由于驱动检测原理的限制其检测灵敏度很难进一步提高，限制了振动陀螺元件在高精度领域的广泛应用。

振动陀螺原件实现角速度检测的核心在于微弱柯氏力的高精度检测，要实现振动陀螺元件灵敏度的进一步提升，一方面需要提升振动陀螺元件的驱动效率，使的单位角速度能够产生等大的柯氏力；另一方面需要提升振动元件的检测效率，使单位柯氏力能够产生更大的电信号输出。并且在整个过程中需要避免引入噪声，避免噪声导致信噪比降低。

对于高精度应用领域，需要振动陀螺元件具有更高的结构灵敏度。但是在现有技术中，由于技术手段的限制，现有技术难以实现灵敏度的突破。目前石英音叉陀螺典型结构为双端石英音叉结构，基部两端分别设置有一对驱动臂和一对检测臂。

首先关于驱动效率：双端石英音叉结构驱动臂在驱动电压驱动下进行谐振，用来检测垂直于驱动谐振方向上的角速度输入。通过提升驱动臂的驱动效率，使一定驱动电压下能够获得更大的振动幅值将能够获得更高的结构灵敏度。

目前增大音叉驱动效率的主要方案是增加驱动臂尺寸，但是尺寸的增大将直接导致振动陀螺元件体积增大，与小型化的发展趋势相悖。也有专利采用在驱动臂上布置槽部来实现驱动电场强度增加，进一步实现驱动效率增加。但是，已有的技术通过在驱动臂上增加平行于振动臂边缘的开槽来获得更大的驱动电场强度，而如此获得的驱动电场并不能有效转化为驱动力，导致驱动效率提高有限。然而，未能有效转化为驱动力的电场将造成槽壁上下应力应变失衡，从而转化为振动噪声，使得驱动效率有限提高的同时将引入更多的结构噪声，无法实现结构灵敏度的大幅提升。

其次关于检测灵敏度：当音叉陀螺敏感方向有角速度输入时，由于柯氏效应，会使检测臂产生振动，当输入驱动效率一定时，检测臂的振动幅值与待测角速度正相关；通过石英的压电效应将检测臂应变所产生的电荷进行收集解调就可检测出输入的角速度。

石英压电效应产生的电荷强度与其应变正相关，由于检测臂应变其正反表面最大，而检测臂中心应变为零，使得检测臂表面的电荷密度最大，受目前检测臂电极加工工艺的限制，现有技术中并未对表面电荷进行有效收集，从而难以提高检测臂的检测灵敏度，也就难以提高振动陀螺元件的结构灵敏度。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中难以对振动陀螺元件的结构灵敏度进行提升的问题，从而提出一种振动陀螺元件、陀螺传感器及电子设备。

为实现上述目的，本发明实施例提供了一种振动陀螺元件，该振动陀螺元件包括：基部，包括分别设置于所述基部一端的一对驱动臂和另一端的一对检测臂；第一凹槽，开设于所述驱动臂相对应的第一表面和第二表面；所述第一凹槽的两侧槽壁沿所述驱动臂的延伸方向形成夹角C；第一电极，设置于所述第一凹槽。

可选地，所述夹角C的范围为0.01°～2°。

可选地，沿靠近所述基部的方向，所述第一凹槽的槽宽逐渐变小。

可选地，所述第一凹槽靠近所述基部的一端槽宽为DX2，槽深为DH2，5μm≤DX2≤20μm，1≤DH2/DX2≤4。

可选地，所述驱动臂靠近所述基部的一端设置有连接槽，所述连接槽与所述第一凹槽连通；所述第一电极沿所述连接槽延伸至所述驱动臂表面。

可选地，所述连接槽的槽宽为AX，所述连接槽的长度为AY，AX＞0.5×DH2，AY＞0.5×DH2。

可选地，该振动陀螺元件还包括：槽部，开设于所述检测臂相对应的第一表面和第二表面；所述槽部由多个第二凹槽构成；所述第二凹槽在所述检测臂延伸方向的长度大于在所述检测臂宽度方向的长度；若干所述第二凹槽沿所述检测臂的宽度方向设置；所述第二凹槽呈V型槽；第二电极，设置于所述第二凹槽。

可选地，所述槽部的两侧槽壁与所述检测臂边缘的间距为SX1，其中，5μm≤SX1≤20μm。

可选地，多个所述第二凹槽311等间距设置，所述间距为SD0，所述第二凹槽的宽度为SD，0＜SD0≤SD。

可选地，所述第二电极由以下制备方法制成：

A.在所述检测臂表面制备电极薄膜；

B.在所述电极薄膜表面涂覆光刻胶；

C.通过平面光刻定义所述第二电极的形貌；

D.根据所述第二电极的形貌进行刻蚀，并得到所述第二电极。

本发明实施例还提供了一种陀螺传感器，包括上述任一项所述的振动陀螺元件。

本发明实施例还提供了一种电子设备，包括上述任一项所述的振动陀螺元件或上述所述的陀螺传感器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明提供了一种振动陀螺元件，该振动陀螺元件包括：基部，包括分别设置于所述基部一端的一对驱动臂和另一端的一对检测臂；第一凹槽，开设于所述驱动臂相对应的第一表面和第二表面；所述第一凹槽的两侧槽壁沿所述驱动臂的延伸方向形成夹角C；第一电极，设置于所述第一凹槽。本发明实施例通过将第一凹槽槽壁的延伸方向与所述驱动臂边缘的延伸方向形成夹角C，可以使第一凹槽的槽壁与驱动臂之间的宽度不相等，从而调制驱动臂不同位置结构刚度，使得驱动臂工作模态应力分布更加均匀，这样可以保证在增加第一凹槽后所增加的驱动电场更加高效的转化为驱动力，提升驱动效率。并且，在驱动臂振动时，应变较大的部分具有更大的宽度，可以避免小的凹槽厚度在施加达到应变是发生微小扭曲等非理想形变，从而避免引入结构噪声，提高信噪比。

2.本发明提供了驱动臂的槽宽为DX2，槽深为DH2，5μm≤DX2≤20μm，1≤DH2/DX2≤4的实施方式。由于减小槽壁厚度能够使驱动臂获得更高的驱动力，但越小的槽壁宽度将会使驱动臂发生微小扭曲，从而引入结构噪声。通过设置上述参数，能够在保证槽壁宽度在最小的同时，还可以在保证引入最小的振动噪声，从而有效提高驱动臂的驱动效率。

3.本发明通过设置连接槽，可以将第一电极从第一凹槽引至驱动臂表面，从而使振动陀螺元件在工作时获得可靠的电连接，防止了振动陀螺元件断路，保证了振动陀螺元件的正常工作。

4.本发明提供了一种振动陀螺元件，该振动陀螺元件包括：槽部，开设于所述检测臂相对应的第一表面和第二表面；所述槽部由若干第二凹槽构成；所述第二凹槽在所述检测臂延伸方向的长度大于在所述检测臂宽度方向的长度；多个所述第二凹槽沿所述检测臂的宽度方向设置；第二电极，设置于所述第二凹槽。如此设置，通过在所述检测臂沿其延伸方向设置多个并排设置的第二凹槽以及与之匹配的三维电极，可以有效的增加检测臂正反表面有效电极面积。由于检测臂的正反表面检测电荷密度最大，并且检测灵敏度与有效电极面积和电荷密度的乘积成正比。因此可以有效提升检测臂的检测灵敏度。

5.本发明提供了槽部与所述检测臂边缘的间距设置为SX1，5μm≤SX1≤20μm；所述第二凹槽的宽度为SD，多个所述第二凹槽之间的间距为SD0，5μm≤SX1≤20μm，0＜SD0≤SD的实施方式。基于石英晶体腐蚀的各向异性，不同晶向腐蚀速率不同，通过以上对检测臂的第二槽体的参数进行控制，能够使得通过一次减薄腐蚀获得驱动臂与检测臂具有不同的深度及形貌。同时，基于以上参数所获得的多个呈V型的第二槽部组成的W型结构能够通过平面光刻获得三维电极图形，突破了现有技术无法在检测臂开多个槽并在槽中布置电极的难题，能够获得更高的检测灵敏度。

6.本发明实施例提供了第二电极的制备方法，由于在检测臂布置第二电极需要实现只在槽部的槽壁上布置第二电极，且检测臂的检测灵敏度对槽部的槽深不敏感，对槽壁宽度及第二凹槽的数量敏感，使得第二电极结构复杂无法实现。通过上述制备方法，可以进行高精度的平面光刻，实现复杂波浪开槽电极的高精度制备，突破了传统工艺局限。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实施例振动陀螺元件的整体结构示意图；

图2是本实施例振动陀螺元件的正视图；

图3是本实施例振动陀螺元件E部分的放大图；

图4是本实施例振动陀螺元件D部分的放大图；

图5是本实施例振动陀螺元件B方向的剖视图；

图6是本实施例振动陀螺元件A方向的剖视图；

图7是本实施例驱动臂振动模式图；

图8是本实施例检测臂振动模式的整体图；

图9是本实施例检测臂振动模式整体图的部分结构放大图；

图10是本实施例检测臂振动模式的侧视图；

图11是本实施例检测臂振动模式侧视图的部分结构放大图；

图12是本实施例驱动臂的部分结构放大图；

图13是本实施例F部分连接槽的结构放大图；

图14是本实施例第二电极在检测臂上制备的示意图；

图15是本实施例布置第二电极之后检测臂的电荷分布图；

图16是本实施例另一种实施方式的结构示意图；

图17是本实施例另一种实施方式的立体图。

附图标记说明：

1-驱动臂；11-第一凹槽；12-连接槽；

2-基部；

3-检测臂；31-槽部；311-第二凹槽；

4-光刻胶；5-第二电极。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

现有技术通过在驱动臂上增加平行于振动臂边缘的开槽来获得更大的驱动电场强度，而如此获得的驱动电场并不能有效转化为驱动力，导致驱动效率提高有限。然而，未能有效转化为驱动力的电场将造成槽壁上下应力应变失衡，从而转化为振动噪声，使得驱动效率有限提高的同时将引入更多的结构噪声，无法实现结构灵敏度的大幅提升。并且，由于检测臂应变正反表面最大，而检测臂中心应变为零，使得检测臂表面的电荷密度最大，受目前检测臂电极加工工艺的限制，现有技术中并未对表面电荷进行有效收集，从而难以提高检测臂的检测灵敏度。

本发明实施例提供的一种振动陀螺元件、陀螺传感器及电子设备可以解决现有技术中难以对振动陀螺元件的结构灵敏度进行提升的问题。

石英音叉工作原理：

设石英音叉的宽度方向为X轴方向，厚度方向为Z轴方向，长度方向为Y轴方向。石英音叉的驱动臂在驱动电场的作用下在X轴方向产生振动，当有角速度输入时，由柯氏效应，驱动臂将在垂直于X轴方向和角速度的旋转方向(Y轴方向)的第三方向，也就是在Z轴方向产生柯氏力，使音叉在Y轴方向产生振动分量，该振动再由基部传递到检测臂。通过石英的压电效应,检测臂上的第二电极5将会产生电荷积累并输出电信号，该电信号中包含输入角速度的信息，通过检测电信号即可检测出输入的角速度。

实施例1

如图1至图15所示，本发明提供了一种振动陀螺元件，该振动陀螺元件包括：基部2，一对驱动臂1和一对检测臂3，驱动臂1设置于基部2的一端，检测臂3设置于基部2的另一端。驱动臂1相对应的第一表面和第二表面开设有第一凹槽11，如图5所示。第一凹槽11的两侧槽壁沿驱动臂1的延伸方向形成夹角C，如图12所示。第一凹槽11中布置有第一电极，第一电极用于收集驱动臂1表面产生的电荷。

本实施例通过将第一凹槽11槽壁的延伸方向与所述驱动臂1边缘的延伸方向形成夹角C，可以使第一凹槽11槽壁与驱动臂1之间的宽度不相等，从而调制驱动臂1不同位置结构刚度，使得驱动臂1工作模态应力分布更加均匀，这样可以保证在增加第一凹槽11后所增加的驱动电场更加高效的转化为驱动力，提升驱动效率。

在该实施方式中，夹角C的取值范围可以在0.01°～2°。夹角C的取值范围是根据驱动臂1的长宽高来确定的。

在本实施例中，沿靠近所述基部2的方向，所述第一凹槽11的槽宽逐渐变小。如图12所示，第一凹槽11槽壁的延伸方向与所述驱动臂1边缘的延伸方向形成夹角C。在本实施例中仅以该种情况进行举例说明。

驱动臂1的振动模式如图7所示，颜色越深代表应变幅度越大。由于驱动臂1在振动时，驱动臂1本身受到的应变从靠近基部2一端到远离基部2一端逐渐减小，即驱动臂1靠近基部2的部分受到的应变最大，远离基部2的一端受到的应变最小。通过沿靠近基部2的方向第一凹槽11的槽宽逐渐变小，可以使驱动臂1在振动时，应变较大的部分具有更大的宽度。从而可以避免小的凹槽厚度在施加达到应变是发生微小扭曲等非理想形变，从而避免引入结构噪声，提高信噪比。

当然，作为另一种实施方式，还可以将第一凹槽11的两侧槽壁在远离基部2的一端相互接近。在此基础上，如图16和图17所示，沿远离基部2的方向，驱动臂1的臂宽逐渐减小。并且夹角C的取值范围同样在0.01°～2°之间。

由于减小第一凹槽11的槽壁厚度能够使驱动臂1获得更高的驱动力，但越小的槽壁厚度将会使驱动臂1在驱动时发生微小扭曲，从而引入结构噪声。所以，在本实施例中，将第一凹槽11靠近基部2一端的槽宽DX2设置为5μm≤DX2≤20μm，并且槽深DH2设置为1≤DH2/DX2≤4。

如此设置，能够在保证第一凹槽11的槽壁宽度在最小的同时，还可以保证引入最小的振动噪声，从而有效提高驱动臂1的驱动效率。

如图13所示，驱动臂1靠近基部2的一端设置有连接槽12，连接槽12与第一凹槽11连通。同时将第一电极布置到连接槽12，然后将第一电极从连接槽12引至驱动臂1表面。连接槽12的槽宽为AX，连接槽12的长度为AY，AX＞0.5×DH2，AY＞0.5×DH2。通过设置连接槽12，可以将第一电极从第一凹槽11引至驱动臂1表面，从而使振动陀螺元件在工作时获得可靠的电连接，防止了振动陀螺元件断路，保证了振动陀螺元件的正常工作。并且还能保证连接槽12为U型槽，使得连接槽12的底部与第一凹槽11的底部在同一平面上。同时，通过使AX＞0.5×DH2，AY＞0.5×DH2，可以保证连接槽12正常工作。

如图1至图4所示，该振动陀螺元件的检测臂3上开设有槽部31，槽部31设置在检测臂3相对应的第一表面和第二表面。槽部31包括多个第二凹槽311，第二凹槽311沿检测臂3的宽度方向并排设置，第二凹槽311在检测臂3延伸方向的长度大于在检测臂3宽度方向的长度。第二凹槽311还设置有第二电极5，用于收集检测臂3表面产生的电荷。

由于电荷在X轴方向产生，也就是在检测臂3的宽度方向产生，且只有在X轴方向上的电极才是有效电极，所以通过在检测臂3沿其延伸方向设置多个并排设置的第二凹槽311以及与之匹配的第二电极5，此时第二电极5为三维电极。如此，可以有效的增加检测臂3正反表面的有效电极的面积。

检测臂3的振动模式如图8至图11所示，颜色越深代表应变幅度越大。由于检测臂3在振动时，检测臂3本身受到的应变从靠近基部2一端到远离基部2一端逐渐减小，即检测臂3靠近基部2的部分受到的应变最大，远离基部2的一端受到的应变最小。

因为检测臂3的应变量越大，产生的电荷越多。所以检测臂3的正反表面检测电荷密度最大，并且检测臂3的检测灵敏度与有效电极面积和电荷密度的乘积成正比，因此可以有效提升检测臂3的检测灵敏度。

槽部31的两侧槽壁与检测臂3边缘的间距为SX1，其中，5μm≤SX1≤20μm。第二凹槽311呈V型槽，第二凹槽311的宽度为SD，多个第二凹槽311等间距设置，间距为SD0，并且0＜SD0≤SD。

基于石英晶体腐蚀的各向异性，不同晶向腐蚀速率不同，通过以上对第二凹槽311的参数进行控制，能够使得通过一次减薄腐蚀获得驱动臂1与检测臂3具有不同的深度及形貌。而深度和形貌决定了是否可以通过平面光刻实现三维电极制备。

由于第二凹槽311为V型槽，而不是普通的U型槽。如果是U型槽，那么刻蚀深度和时间正相关，但如果是V型槽，在角度不变和宽度不变的前提下，则其形貌与时间无关。所以可以通过开槽宽度控制深度，实现在相同的腐蚀时间的情况下，驱动臂1开槽深，检测臂3开槽浅。

检测臂3布置第二电极5只需要在槽部31的槽壁上布置第二电极5，且检测臂3的检测灵敏度对槽部31的槽深不敏感，对槽壁宽度及第二凹槽311的数量敏感，所以，会使第二电极5因结构复杂从而无法实现。

但是，基于以上参数所获得的槽部31呈W型结构，如图6所示，能够通过平面光刻获得第二电极5图形。第二电极5可通过高精度的平面光刻，实现高精度制备，从而突破了在检测臂3多开槽布置电极难度大的难题，也因此能够获得更高的检测灵敏度。

具体地，如图13所示，第二电极5可通过以下制备方法制成，该制备方法的步骤具体包括：

S1.在所述检测臂3表面制备电极薄膜；

S2.在所述电极薄膜表面涂覆光刻胶4；

S3.通过平面光刻定义所述第二电极5的形貌；

S4.根据所述第二电极5的形貌进行刻蚀，并得到所述第二电极5。

作为另一种实施方式，如图16和图17所示，沿远离基部2的方向，检测臂3的臂宽逐渐减小。沿检测臂3远离基部2的延伸方向，多个第二凹槽311之间的间距逐渐变小。在检测臂3与基部2连接的部分，多个第二凹槽311呈放射状设置。第二凹槽311呈放射状设置的部分，其作用与连接槽12相同。在此不再赘述。

当然，本领域技术人员可根据检测臂3的实际情况对第二凹槽311的分布进行改变，本实施例对此不进行限制，仅仅是举例说明。

本发明实施例还提供了一种陀螺传感器，包括上述任一项所述的振动陀螺元件。

本发明实施例还提供了一种电子设备，包括上述任一项所述的振动陀螺元件或陀螺传感器。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种振动陀螺元件，其特征在于，包括：

基部（2），包括分别设置于所述基部（2）一端的一对驱动臂（1）和另一端的一对检测臂（3）；

第一凹槽（11），开设于所述驱动臂（1）相对应的第一表面和第二表面；所述第一凹槽（11）的两侧槽壁沿所述驱动臂（1）的延伸方向形成夹角C；

第一电极，设置在所述第一凹槽（11）内；

槽部（31），开设于所述检测臂（3）相对应的第一表面和第二表面；所述槽部（31）由多个第二凹槽（311）构成；所述第二凹槽（311）在所述检测臂（3）延伸方向的长度大于在所述检测臂宽度方向的长度；多个所述第二凹槽（311）沿所述检测臂（3）的宽度方向设置；所述第二凹槽（311）呈V型槽；

第二电极（5），设置在所述第二凹槽（311）内；

所述第一凹槽（11）远离所述基部（2）一端的槽壁宽度为DX2，槽深为DH2，5μm≤DX2≤20μm，1≤DH2/DX2≤4；

所述驱动臂（1）靠近所述基部（2）的一端设置有连接槽（12），所述连接槽（12）的槽宽为AX，所述连接槽（12）的长度为AY，AX＞0.5×DH2，AY＞0.5×DH2；

所述槽部（31）的两侧与所述检测臂（3）边缘的间距均为SX1，其中，5μm≤SX1≤20μm；

多个所述第二凹槽（311）等间距设置，所述间距为SD0，所述第二凹槽（311）的槽宽为SD，0＜SD0≤SD。

2.根据权利要求1所述的振动陀螺元件，其特征在于，所述夹角C的范围为0.01°～2°。

3.根据权利要求1所述的振动陀螺元件，其特征在于，沿靠近所述基部（2）的方向，所述第一凹槽（11）的槽宽逐渐变小。

4.根据权利要求1至3任一项所述的振动陀螺元件，其特征在于，所述连接槽（12）的底面与所述第一凹槽（11）的底面在同一平面；所述第一电极沿所述连接槽（12）延伸至所述驱动臂（1）的表面。

5.根据权利要求1至3任一项所述的振动陀螺元件，其特征在于，所述第二电极（5）由以下制备方法制成：

A.在所述检测臂（3）表面制备电极薄膜；

B.在所述电极薄膜表面涂覆光刻胶（4）；

C.通过平面光刻定义所述第二电极（5）的形貌；

D.根据所述第二电极（5）的形貌进行刻蚀，并得到所述第二电极（5）。

6.一种陀螺传感器，其特征在于，包括权利要求1至5任一项所述的振动陀螺元件。

7.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1至5任一项所述的振动陀螺元件或权利要求6所述的陀螺传感器。