CN100480629C - 电容式微机械陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电容式微机械陀螺,用来解决现有技术中不能实现驱动模态与检测模态的解耦问题,其特征在于:两根驱动梳齿梁(28)分别与固定在内锚点(96)上的内驱动弯曲梁(72)和连接在惯性质量平板框架(22)上的内敏感弯曲梁(74)相相连;驱动梳齿梁(28)的两侧分别伸出一组驱动梳齿(30),与驱动施力电极(32)上伸出的驱动检测梳齿(34)交叠构成变面积的驱动施力电容对(36),与驱动检测电极(40)上伸出的驱动检测梳齿(42)交叠构成变面积的驱动检测电容对(44);驱动施力电极(32)和驱动检测电极(40)均通过锚点固定在基体上。由于本发明采用了解耦梁结构,可实现陀螺驱动模态与敏感模态之间的解耦。
Description
技术领域
本发明涉及一种电容式微机械陀螺。
背景技术
电容式微机械陀螺采用硅基半导体工艺制作,具有体积小、可靠度高、可批量制造等特点,可用于飞机、导弹、汽车等运动物体的角速度测量、姿态稳定等。微机械陀螺都是基于科里奥里力检测角速度的,包含两个相互垂直的工作模态:驱动模态与敏感模态。
参照图2,文献“Micromachined z-axis vibratory gyroscope,US Patent 5992233”介绍了美国伯克利大学的William A.Clark基于上述原理的一种z轴电容式微机械陀螺,在该陀螺中,惯性质量平板框架22由两根框架梁24,两根检测梳齿梁26,一根驱动梳齿梁28共同构成。驱动梳齿梁28在各个自由度具有较大的刚度,在陀螺工作过程中不发生变形,其两侧分别伸出一组横截面为矩形的梳齿状悬臂梁即驱动梳齿30,梳齿30与框架内的驱动施力电极32上伸出的驱动电极梳齿34交叠构成变面积的梳齿驱动电容对36,且梳齿之间的间距相等,用于产生沿着驱动方向的静电力维持惯性质量平板框架22的振动。两根检测梳齿梁26同样具有较大的刚度且不发生变形,其两侧分别伸出一组梳齿,其中位于框架内部的驱动检测梳齿38和驱动检测电极40上伸出的驱动电极梳齿42交叠构成变面积的梳齿驱动检测电容对44,用于检测惯性质量平板22的运动状态;位于框架外部的检测梳齿46和左变间距梳齿48.1以及右变间距梳齿48.1构成变间距的敏感电容对50,用于敏感科里奥里力所引起的电容变化。惯性质量平板框架22由四组驱动弯曲梁52,敏感弯曲梁54以及两根无变形连接梁56共同支撑形成可动结构,敏感弯曲梁54通过锚点60固连于基体上。
此陀螺工作时,驱动施力电容对36将产生适当的静电力保持惯性质量平板框架22在x方向稳幅稳频振动即驱动模态运动,此时驱动弯曲梁52发生弯曲,其它梁不发生变形。当z轴有一角速度Ω输入时,受科里奥里力作用惯性质量平板框架22在y方向产生位移,形成敏感模态的运动,此时敏感弯曲梁54发生弯曲变形,并导致敏感电容对50的电容值发生变化,通过敏感该电容变化即可测得输入角速度Ω。
但是,此陀螺在工作中,惯性质量平板框架22在敏感模态的运动使得驱动梳齿电容对36和驱动检测梳齿电容对44中的梳齿间距不再相等,导致驱动模态的驱动力在检测方向有一个分量,干扰陀螺有效信号的检测。这种驱动模态和敏感模态的相互耦合还将导致其它误差项,是陀螺设计必须解决的一个问题。William Clark是通过在敏感模态方向上惯性质量平板框架22的两侧设置了四个挡块58来限制惯性质量平板框架22在敏感方向的位移量,同时还从信号处理的角度设计了相应的误差抑制电路,但是此方法并没有从本质上消除驱动模态与敏感模态之间的耦合,仅仅是在一定程度上减弱了此交叉耦合的影响。因此,若能从结构设计上对模态之间的耦合进行完全消除,则可以避免相应的误差抑制电路设计,降低陀螺的成本和体积。
发明内容
为克服现有技术中不能实现驱动模态与检测模态解耦的不足,本发明提出一种电容式微机械陀螺,利用其特殊的解耦梁结构,可以解决现有技术驱动模态和敏感模态之间的耦合问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种电容式微机械陀螺,包括惯性质量平板框架22、检测梳齿46、左变间距梳齿48.1、右变间距梳齿48.2、驱动弯曲梁52、敏感弯曲梁54以及无变形连接梁56,惯性质量平板框架22通过四根驱动弯曲梁52分别与两根无变形连接梁56连接,再由四根敏感弯曲梁54通过锚点60固连于基体,惯性质量平板框架22的外侧分别伸出一组检测梳齿46,左变间距梳齿48.1和右变间距梳齿48.2等距离位于检测梳齿46两侧构成变间距的敏感电容对50,并通过锚点固定在基体上,其特征在于:两根驱动梳齿梁28分别连接在内驱动弯曲梁72上,内驱动弯曲梁72固定在内锚点96上,连接在驱动梳齿梁28上的内敏感弯曲梁74的另一端与惯性质量平板框架22相连,内驱动弯曲梁72和内敏感弯曲梁74的长度远大于其宽度;驱动梳齿梁28的两侧分别伸出一组驱动梳齿30,驱动梳齿30与驱动施力电极32上伸出的驱动检测梳齿34交叠构成变面积的驱动施力电容对36,驱动梳齿30与驱动检测电极40上伸出的驱动检测梳齿42交叠构成变面积的驱动检测电容对44;驱动施力电极32和驱动检测电极40均通过锚点固定在基体上。
所述惯性质量平板框架22由两根框架梁24、两根检测梳齿梁26按照框架梁24、梳齿梁26、框架梁24、梳齿梁26的顺序首尾固连构成。
本发明的有益效果是:由于采用解耦梁结构,可实现陀螺驱动模态与敏感模态之间的解耦。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1是本发明的结构示意图
图2是现有技术的结构示意图
图中,22-惯性质量平板框架,24-框架梁,26-检测梳齿梁,28-驱动梳齿梁,30-驱动梳齿,32-驱动施力电极,34-驱动电极梳齿,36-梳齿驱动电极对,38-驱动检测梳齿,40-驱动检测电极,42-驱动电极梳齿,44-驱动检测电极对,46-检测梳齿,48.1-左变间距梳齿,48.2-右变间距梳齿,50-变间距敏感电容对,52-驱动弯曲梁,54-敏感弯曲梁,56-无变形连接梁,58-挡块,60-锚点,72-内驱动弯曲梁,74-内敏感弯曲梁,96-内锚点。
具体实施方式
参照图1,本发明所述惯性质量平板框架22由两根框架梁24,两根检测梳齿梁26首尾固连共同构成。而在惯性质量平板框架22内部,两根驱动梳齿梁28分别连接在内驱动弯曲梁72上,内驱动弯曲梁72固定在内锚点96上,连接在驱动梳齿梁28上的内敏感弯曲梁74的另一端与惯性质量平板框架22相连。驱动梳齿梁28具有较大的宽度和刚度,在陀螺工作过程中可认为不发生变形。内驱动弯曲梁72和内敏感弯曲梁74的长度远大于其宽度,一般在10倍以上,即梁在x-y平面内的弯曲刚度远小于其轴向的变形刚度,在陀螺工作过程中,内驱动弯曲梁72和内敏感弯曲梁74仅在x-y平面内发生弯曲变形而不改变其轴向长度。驱动梳齿梁28的两侧分别伸出一组驱动梳齿30,驱动梳齿30与驱动施力电极32上伸出的驱动检测梳齿34交叠构成变面积的驱动施力电容对36,驱动梳齿30与驱动检测电极40上伸出的驱动检测梳齿42交叠构成变面积的驱动检测电容对44。驱动施力电极32和驱动检测电极40均通过锚点固定在基体上;两根检测梳齿梁26上向外侧伸出的检测梳齿46与左变间距梳齿48.1以及右变间距梳齿48.2构成变间距的敏感电容对50,并通过锚点固定在基体上,用于敏感由科里奥里力所引起的电容变化。惯性质量平板框架22由四根驱动弯曲梁52、四根敏感弯曲梁54、四根内驱动弯曲梁72、四根内敏感弯曲梁74以及两根无变形连接梁56共同支撑形成可动结构。敏感弯曲梁54通过锚点60固连于基体,内驱动弯曲梁72通过内锚点96固连于基体,同时内锚点96在惯性质量平板框架22内部还起挡块作用,用来限制结构在敏感方向的位移,保护检测梳齿46结构。
解耦梁结构由驱动弯曲梁52、敏感弯曲梁54、内驱动弯曲梁72以及内敏感弯曲梁74构成,当陀螺工作时,驱动施力电容对36将产生适当的静电力保持惯性质量平板框架22在x方向稳幅稳频振动,即驱动模态运动,此时驱动弯曲梁52、内驱动弯曲梁72同时发生弯曲,其它梁不发生变形,从而消除了驱动模态对敏感模态的耦合。当绕z轴有一角速度Ω输入时,受科里奥里力作用惯性质量平板框架22在y方向产生位移,形成敏感模态的运动,此时敏感弯曲梁54、内敏感弯曲梁74同时发生弯曲变形,而内驱动弯曲梁72因为具有相对无穷大的轴向刚度,所以将驱动梳齿梁28在y方向的运动限制为零,这将保证仅有敏感电容对50的电容值发生变化,通过检测该电容变化即可测得输入角速度Ω,从而成功地消除了敏感模态对驱动模态的耦合。
敏感模态上变间距的敏感电容对50采用匀置变间距敏感电容对结构,其中定齿分为两组,即左变间距梳齿48.1和右变间距梳齿48.2,左变间距梳齿48.1和右变间距梳齿48.2在电学连接上是分离的,且一般地具有相反电位。检测梳齿46的初始位置与两侧定齿距离相等,当动齿发生位移时敏感电容形成差动输出。
Claims (2)
1、一种电容式微机械陀螺,包括惯性质量平板框架(22)、检测梳齿(46)、左变间距梳齿(48.1)、右变间距梳齿(48.2)、驱动弯曲梁(52)、敏感弯曲梁(54)以及无变形连接梁(56),惯性质量平板框架(22)通过四根驱动弯曲梁(52)分别与两根无变形连接梁(56)连接,再由四根敏感弯曲梁(54)通过锚点(60)固连于基体,惯性质量平板框架(22)的外侧分别伸出一组检测梳齿(46),左变间距梳齿(48.1)和右变间距梳齿(48.2)等距离位于检测梳齿(46)两侧构成变间距的敏感电容对(50),并通过锚点固定在基体上,其特征在于:两根驱动梳齿梁(28)分别连接在内驱动弯曲梁(72)上,内驱动弯曲梁(72)固定在内锚点(96)上,连接在驱动梳齿梁(28)上的内敏感弯曲梁(74)的另一端与惯性质量平板框架(22)相连,内驱动弯曲梁(72)和内敏感弯曲梁(74)的长度远大于其宽度;驱动梳齿梁(28)的两侧分别伸出一组驱动梳齿(30),驱动梳齿(30)与驱动施力电极(32)上伸出的驱动检测梳齿(34)交叠构成变面积的驱动施力电容对(36),驱动梳齿(30)与驱动检测电极(40)上伸出的驱动检测梳齿(42)交叠构成变面积的驱动检测电容对(44);驱动施力电极(32)和驱动检测电极(40)均通过锚点固定在基体上。
2、根据权利要求1所述的电容式微机械陀螺,其特征在于:所述惯性质量平板框架(22)由两根框架梁(24)、两根检测梳齿梁(26)按照框架梁(24)、梳齿梁(26)、框架梁(24)、梳齿梁(26)的顺序首尾固连构成。
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CN101298987B (zh) * | 2008-06-13 | 2011-09-14 | 同济大学 | 一种健壮性音叉振动式微机械陀螺 |
CN102042829B (zh) * | 2009-10-10 | 2012-06-20 | 北京理工大学 | 全顺向电容式微机械陀螺 |
CN101860338B (zh) * | 2010-06-03 | 2012-05-23 | 西北工业大学 | 一种用于微机械谐振结构的闭环驱动电路 |
CN102221361B (zh) * | 2011-05-20 | 2013-04-03 | 西北工业大学 | 一种电容式微机械陀螺 |
CN102288172B (zh) * | 2011-07-07 | 2013-06-05 | 西北工业大学 | 一种放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺 |
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微机械陀螺的发展现状. 李新刚,袁建平.力学进展,第33卷第3期. 2003 |
微机械陀螺的发展现状. 李新刚,袁建平.力学进展,第33卷第3期. 2003 * |
梳状电容微加速度计的涉及和分析. 黄书琴,郝永平,张德智,王键.探测与控制学报,第26卷第4期. 2004 |
梳状电容微加速度计的涉及和分析. 黄书琴,郝永平,张德智,王键.探测与控制学报,第26卷第4期. 2004 * |
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