用于MEMS线振动式陀螺的抗冲击止挡结构和止挡方法

技术领域

本发明涉及MEMS陀螺仪芯片领域，特别涉及用于MEMS线振动式陀螺的抗冲击止挡结构和止挡方法。

背景技术

随着微机械加工技术和测控技术的不断发展，MEMS陀螺仪的精度不断提高，加之具有体积小、重量轻、功耗低、可批量生产等特点，已在汽车电子、航空航天等领域得到广泛应用。在一些冲击较强的场景，通常要求MEMS陀螺仪具备优异的抗冲击性能，如常规武器和新型动能武器弹药发射后的角速度测量，所装配的陀螺需经受住炮弹发射过程中的高冲击，确保不会失效。

现有技术中，为应对高冲击环境下的应用，很多MEMS陀螺芯片内部设计有止挡结构。发明专利CN103557853B《一种抗高过载的MEMS陀螺》，提出在质量框架四周和中心掏空区域设计的止挡结构为固定止挡，缺点是固定止挡的刚度很大，不易发生形变，在高过载环境下，质量框架与其发生碰撞后的撞击能量难以被吸收，导致两者相互接触部位的应力很大，容易产生硅渣、造成微粒污染，甚至发生破碎、断裂等情况。

发明专利CN107607100B《一种硅微机械角振动陀螺抗冲击弹性止挡结构》，提出利用悬臂梁作为弹性止挡结构的方案，在一定程度上缓解了固定止挡存在的硬性碰撞的不足，但是其抗冲击能力由悬臂梁的尺寸参数决定，一旦加工成型后，便不可调控，且这种结构仅适用于质量框架在面内作扭转运动的角振动式陀螺，无法植入到质量框架在面内作线运动的线振动式陀螺之中。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种MEMS线振动式陀螺的抗冲击止挡结构，其具有更强的抗冲击能力和更好的过载保护效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于MEMS线振动式陀螺的抗冲击止挡结构，包括可动止挡框架，所述可动止挡框架中部设置有止挡框架锚点，所述止挡框架锚点与可动止挡框架通过第一连接梁和第二连接梁连接，还包括设置在可动止挡框架内的第一区域止挡结构、第二区域止挡结构、第三区域止挡结构和第四区域止挡结构；

所述第一区域止挡结构和第二区域止挡结构沿可动止挡框架中心Y轴对称、所述第三区域止挡结构和第四区域止挡结构沿可动止挡框架中心Y轴对称，所述第一区域止挡结构和第三区域止挡结构沿可动止挡框架中心X轴对称，所述第二区域止挡结构和第四区域止挡结构沿可动止挡框架中心X轴对称；

所述第一区域止挡结构包括沿X轴横向设置的第一固定电极，还包括多对垂直于第一固定电极的第二固定电极和可动梳齿电极，每个第二固定电极与相邻的可动梳齿电极的间距不相等，所述可动梳齿电极与可动止挡框架连接。

进一步的是：每个第二固定电极与相邻的可动梳齿电极的间距比为2:1～10:1。

进一步的是：所述第一连接梁有2个，2个第一连接梁沿可动止挡框架中心X轴对称，2个第一连接梁均位于可动止挡框架中心Y轴上。

进一步的是：所述第一连接梁为栅格梁。

进一步的是：所述第二连接梁有2个，2个第二连接梁沿可动止挡框架中心Y轴对称，2个第二连接梁均位于可动止挡框架中心X轴上。

进一步的是：所述第二连接梁为双折叠梁。

进一步的是：所述可动止挡框架外侧设置有防黏附凸点。

本发明还公开了一种用于MEMS线振动式陀螺的抗冲击止挡方法，其方法为：对第一固定电极施加高位电压，对第二固定电极和可动梳齿电极施加相同的零位电压，第一固定电极、第二固定电极和可动梳齿电极之间会形成非均匀分布的电场，在可动梳齿电极与第二固定电极之间产生沿X轴向的静电排斥力；

未受冲击情况下，陀螺的可动质量框架沿X轴向作恒幅线振动，不会触碰到可动止挡框架，可动止挡框架内的第一区域止挡结构、第二区域止挡结构的静电排斥力大小相等、方向相反，互相抵消，可动止挡框架内的第三区域止挡结构、第四区域止挡结构的静电排斥力大小相等、方向相反，互相抵消，四个区域止挡结构沿X轴向的合力为零，整体处于平衡状态；

当陀螺受到X轴正向或负向的冲击时，可动质量框架会撞击到可动止挡框架，导致Y轴一侧的可动梳齿电极与第二固定电极间的小间隙一侧间距变小，Y轴另一侧的可动梳齿电极与第二固定电极间的小间隙一侧间距变大，使得Y轴一侧受到的静电排斥力增加，Y轴另一侧受到的静电排斥力减小，四个区域止挡结构沿X轴向的合力表现为与冲击方向相反的静电排斥力，对可动质量框架的大位移进行限制。

进一步的是：可通过控制施加在第一固定电极上的高位电压值，来改变可动梳齿电极与第二固定电极之间所生成静电排斥力的大小，进而实现止挡结构抗冲击能力的外部调节。

本发明的有益效果是：

1.本发明提出的一种用于MEMS线振动式陀螺的抗冲击止挡结构，利用静电排斥力限制高冲击下陀螺可动质量框架的大位移，同时缓冲和吸收碰撞冲击能量，具有比传统的固定止挡结构或弹性止挡结构更强的抗冲击能力，更好的过载保护效果；

2.本发明提出的一种用于MEMS线振动式陀螺的抗冲击止挡结构，可通过控制专用集成电路所施加的偏置电压，来改变可动梳齿电极与固定电极之间生成静电排斥力的大小，进而能够实现止挡结构抗冲击能力的外部调节；

3.本发明提出的一种用于MEMS线振动式陀螺的抗冲击止挡结构，在止挡框架上设置有防黏附凸点，可减小陀螺仪芯片受到冲击时其可动质量框架与止挡框架之间的接触面积，降低结合力，防止发生粘连；

4.同时，本发明提出的一种用于MEMS线振动式陀螺的抗冲击止挡结构可与陀螺芯片的主体结构同步采用刻蚀技术实现，不增加额外工艺步骤，具有制作简单，成本低等优点。

附图说明

图1为本申请实施例的用于MEMS线振动式陀螺的抗冲击止挡结构的示意图。

图2为本申请实施例的用于MEMS线振动式陀螺的抗冲击止挡结构的各电极间的电气连接方式示意图。

图3为当陀螺芯片X轴向受到冲击时，本申请实施例的用于MEMS线振动式陀螺的抗冲击止挡结构被可动质量框架撞击后的形变示意图。

图中标记为：01-第一区域止挡结构、02-第二区域止挡结构、03-第三区域止挡结构、04-第四区域止挡结构、1-第一固定电极、2-第二固定电极、3-可动梳齿电极、4-第一电极锚点、5-第二电极锚点、6-止挡框架锚点、7-第一连接梁、8-第二连接梁、9-可动止挡框架、10-防黏附凸点、11-可动质量框架。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。

如图1和图2所示，本申请的实施例公开了一种用于MEMS线振动式陀螺的抗冲击止挡结构，包括可动质量框架11，所述可动质量框架11内部设置有可动止挡框架9，所述可动止挡框架9中部设置有止挡框架锚点6，所述止挡框架锚点6与可动止挡框架9通过第一连接梁7和第二连接梁8连接，还包括设置在可动止挡框架9内的第一区域止挡结构01、第二区域止挡结构02、第三区域止挡结构03和第四区域止挡结构04；

所述第一区域止挡结构01和第二区域止挡结构02沿可动止挡框架9中心Y轴对称、所述第三区域止挡结构03和第四区域止挡结构04沿可动止挡框架9中心Y轴对称，所述第一区域止挡结构01和第三区域止挡结构03沿可动止挡框架9中心X轴对称，所述第二区域止挡结构02和第四区域止挡结构04沿可动止挡框架9中心X轴对称；

所述第一区域止挡结构01包括沿X轴横向设置的第一固定电极1，还包括多对垂直于第一固定电极1的第二固定电极2和可动梳齿电极3，每个第二固定电极2与相邻的可动梳齿电极3的间距不相等，所述可动梳齿电极3与可动止挡框架9连接。

具体的，需解释的是，陀螺芯片包括从下至上依次连接的衬底层、结构层和盖板层，上述所述的抗冲击止挡结构属于结构层的结构，上述每个第一固定电极1上均设置有第一电极锚点4，上述每个第二固定电极2上均设置有第二电极锚点5，所述第一电极锚点4两端分别与衬底层和盖板层连接，所述第二电极锚点5两端分别与衬底层和盖板层连接，上述所述的可动质量框架11通过连接梁和锚点与衬底层和盖板层连接，上述各结构的形成通过刻蚀技术来实现。

具体的，在进行工作时，如图2所示，对第一固定电极1施加高位电压，对第二固定电极2和可动梳齿电极3施加相同的零位电压，第一固定电极1、第二固定电极2和可动梳齿电极3之间会形成非均匀分布的电场，在可动梳齿电极(3)与第二固定电极(2)之间产生沿X轴向的静电排斥力；

未受冲击情况下，陀螺的可动质量框架11沿X轴向作恒幅线振动，不会触碰到可动止挡框架9，可动止挡框架9内的第一区域止挡结构01、第二区域止挡结构02的静电排斥力大小相等、方向相反，互相抵消，可动止挡框架9内的第三区域止挡结构03、第四区域止挡结构04的静电排斥力大小相等、方向相反，互相抵消，四个区域止挡结构沿X轴向的合力为零，整体处于平衡状态；

当陀螺受到X轴正向或负向的冲击时，可动质量框架11会撞击到可动止挡框架9，导致Y轴一侧的可动梳齿电极3与第二固定电极2间的小间隙一侧间距变小，Y轴另一侧的可动梳齿电极3与第二固定电极2间的小间隙一侧间距变大，使得Y轴一侧受到的静电排斥力增加，Y轴另一侧受到的静电排斥力减小，四个区域止挡结构沿X轴向的合力表现为与冲击方向相反的静电排斥力，对可动质量框架11的大位移进行限制；

例如，当陀螺受到X轴正向冲击时，如图3所示，左侧的可动梳齿电极3与第二固定电极2间的小间隙一侧间距变小，右侧的可动梳齿电极3与第二固定电极2间的小间隙一侧间距变大，左、右两侧的可动梳齿电极3受到的静电排斥力一个变大，一个变小，四个区域止挡结构的平衡状态被打破，合力表现为沿X轴负向的静电排斥力，即可动止挡框架9会对可动质量框架11产生沿X轴负向的作用力，从而限制可动质量框架11的大位移运动，同时可缓冲和吸收可动质量框架11和可动止挡框架9碰撞时的冲击能量，大幅降低相互接触部位的应力，从而提升抗冲击能力。

同时，可通过控制施加在第一固定电极1上的高位电压值来改变可动梳齿电极3与第二固定电极2之间所生成的静电排斥力的大小，进而能够实现止挡结构抗冲击能力的外部调节。

本结构的MEMS线振动式陀螺的抗冲击止挡结构，利用静电排斥力限制高冲击下陀螺可动质量框架11的大位移，同时缓冲和吸收碰撞冲击能量，具有比传统的固定止挡结构或弹性止挡结构更强的抗冲击能力，更好的过载保护效果。

本实施例中，每个第二固定电极2与相邻的可动梳齿电极3的间距比为2:1～10:1，具体可为2:1、4:1、6:1、10:1等。

在选择间距比的时候，只有将第二固定电极2与相邻的可动梳齿电极3设计成为不等间隙设计，才会形成非均匀分布的电场，产生静电排斥力。间距比越大，同等条件下所产生的静电排斥力越大，因此，上述间距比可根据实际情况进行选择。

本实施例中，所述第一连接梁7有2个，2个第一连接梁7沿可动止挡框架9中心X轴对称，2个第一连接梁7均位于可动止挡框架9中心Y轴上，所述第二连接梁8有2个，2个第二连接梁8沿可动止挡框架9中心Y轴对称，2个第二连接梁8均位于可动止挡框架9中心X轴上。

上述结构中，通过2个第一连接梁7对称设置，2个第二连接梁8对称设置的方式，可使得可动止挡框架的四边均受力平衡，从而保证在无外部冲击的情况下，可动止挡的平衡状态。

本实施例中，所述第一连接梁7为栅格梁，所述第二连接梁8为双折叠梁。

具体的，第一连接梁为栅格梁，由于栅格梁具备良好的抗冲击及抗干扰能力，因此能够增加该抗冲击止挡结构的稳定性；而第二连接梁为双折叠梁，双折叠梁具有优异的横向刚度及平面外刚度，高冲击情况下，在可动止挡框架9被陀螺可动质量框架11撞击时，可以保证可动止挡框架9及与其相连的可动梳齿电极3始终沿X轴向作平移运动，进而保持整个抗冲击止挡结构所产生的静电排斥力一直沿X轴正向或负向，最大程度地缓冲和吸收碰撞冲击能量；且自身可以释放加工应力，因此综合性能良好。

本实施例中，所述可动止挡框架9外侧设置有防黏附凸点10。

具体的，上述结构中的防黏附凸点10可设置多个，同时也可等间距间隔设置。

具体的，本结构中，当可动止挡框架9与可动质量框架11发生碰撞时，可动止挡框架9上的防黏附凸点10与可动质量框架11接触。

本结构中通过防黏附凸点10的设置，可减小陀螺仪芯片受到冲击时其可动质量框架11与可动止挡框架9之间的接触面积，从而降低其结合力，防止其发生粘连。

本发明还公开了一种用于MEMS线振动式陀螺的抗冲击止挡方法，其方法为：

对第一固定电极1施加高位电压，对第二固定电极2和可动梳齿电极3施加相同的零位电压，第一固定电极1、第二固定电极2和可动梳齿电极3之间会形成非均匀分布的电场，在可动梳齿电极3与第二固定电极2之间产生沿X轴向的静电排斥力；

未受冲击情况下，陀螺的可动质量框架11沿X轴向作恒幅线振动，不会触碰到可动止挡框架9，可动止挡框架9内的第一区域止挡结构01、第二区域止挡结构02的静电排斥力大小相等、方向相反，互相抵消，可动止挡框架9内的第三区域止挡结构03、第四区域止挡结构04的静电排斥力大小相等、方向相反，互相抵消，四个区域止挡结构沿X轴向的合力为零，整体处于平衡状态；

当陀螺受到X轴正向或负向的冲击时，可动质量框架11会撞击到可动止挡框架9，导致Y轴一侧的可动梳齿电极3与第二固定电极2间的小间隙一侧间距变小，Y轴另一侧的可动梳齿电极3与第二固定电极2间的小间隙一侧间距变大，使得Y轴一侧受到的静电排斥力增加，Y轴另一侧受到的静电排斥力减小，四个区域止挡结构沿X轴向的合力表现为与冲击方向相反的静电排斥力，对可动质量框架11的大位移进行限制。

本方法利用静电排斥力限制高冲击下陀螺可动质量框架11的大位移，同时缓冲和吸收碰撞冲击能量，具有比传统的固定止挡结构或弹性止挡结构更强的抗冲击能力，更好的过载保护效果。

本实施例中，可通过控制施加在第一固定电极1上的高位电压值，来改变可动梳齿电极3与第二固定电极2之间所生成静电排斥力的大小。

本申请提出的上述方式可实现通过外部电压的控制来对静电排斥力的大小进行调节，从而根据实际环境，对止挡结构的抗冲击能力进行设定。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。