CN101592489B - 一种微机械音叉陀螺仪 - Google Patents

Abstract

一种微机械音叉陀螺仪，属于惯性器件技术领域，涉及测量物体空间角度位置的微机械陀螺仪。包括两个质量块、两个音叉折叠式悬臂梁、两个支柱、四个驱动梳齿；所述音叉折叠式悬臂梁由“T”字型连接梁和两个折叠梁构成；折叠梁包括与连接梁相连的直线部分和与质量块相连的折叠部分；质量块和音叉折叠式悬臂梁通过支柱支撑于基底上，使得整个微机械音叉陀螺结构平行悬浮于基底上方；驱动梳齿的可动梳齿电极固定于音叉折叠式悬臂梁的折叠梁的直线部分且靠近折叠部分的侧面。本发明在拥有高Q值以及低驱动模态和检测模态之间的机械刚度耦合特性的同时，能够提高微机械音叉陀螺仪的测量精度，使得微机械音叉陀螺仪能够在条件更苛刻的惯性级别领域内进行运用。

Description

一种微机械音叉陀螺仪

技术领域

本发明属于惯性器件技术领域，涉及测量物体空间角度位置的微机械陀螺仪。

背景技术

自1910年人类首次生产出用于船载指北陀螺罗经以来，陀螺仪已有100多年的发展史。其发展过程大致可分为四个阶段：第一个阶段是滚珠轴承支承陀螺马达或框架陀螺仪；第二个阶段是二十世纪40年代末到50年代初发展起来的液浮或气浮陀螺仪；第三个阶段是二十世纪60年代以后发展起来的干式动力挠性支承的转子陀螺仪；目前陀螺仪的发展已进入第四个阶段，即静电陀螺仪、激光陀螺仪、光纤陀螺仪和微机械陀螺仪。微机械陀螺仪是利用固体材料特别是半导体材料硅，并利用体加工、面加工或LIGA(德文Lithographie、Galanoformung和Abformung三个词，即光刻、电铸和注塑的缩写)工艺等一种或多种微机械加工技术制作的一种新型陀螺仪。由于它具有重量轻、体积小、寿命长、功耗低和可靠性高等众多优点，自从概念被提出来，一直成为目前国内外的研究热点。

微机械陀螺仪几乎都采用振动式机械元件来感知被测物体的转动信号，其工作基理是：牵连运动引起的科氏加速度会在两个不同振动模态上进行能量传递。其工作原理可由图1所示。陀螺敏感质量块(mass)受到一个沿X方向的交变驱动力F_x作用，使得敏感质量块在X方向往复振动，当有一个Z方向的未知角速度Ω作用于陀螺时，根据科氏效应，陀螺将受到一个沿Y方向的科氏力作用，敏感质量块将在Y方向产生振动，通过检测敏感质量块在Y方向的位移或其他物理量的变化即可以解算出Z方向的角速度Ω的值。

目前，世界上精度最高的微机械陀螺仪是由佐治亚理工学院的Ajit Sharma等人设计开发的一种双质量块面内振动对称结构的音叉微陀螺仪(详见A.Sharma，M.F.Zaman，B.Amini，F.Ayazi，“A High-Q In-Plane SOI Tuning Fork Device”，Proceedings IEEE Conference on Sensors，October 2004，pp.467-470.)，它的主要结构如图2所示，包括两个质量块1、音叉折叠式悬臂梁2、支柱3、驱动梳齿4和检测电容5。在驱动梳齿上加载正弦静电力的作用，质量块在驱动梳齿静电力的作用下在X轴方向产生振动；当外界在Z轴方向作用一个未知角速度为Ω的输入信号时，质量块将受到一个沿Y轴方向上的科氏加速度的作用，科氏加速度将引起质量块在Y轴上方向的振动；通过收集直接关联在质量块上的检测电容上的信号可以测得质量块在Y轴方向上的位移；根据公式(1)，可以分析得到由旋转引起的科氏加速度a。

$m\stackrel{\·\·}{y}+c\stackrel{\·}{y}+\mathrm{ky}=\mathrm{ma}---\left(1\right)$

其中m为质量块的质量，c为质量块受到的阻尼系数，k为悬臂梁在Y方向上的刚度系数，y为质量块在Y轴方向的振动位移，为质量块在Y轴方向的振动位移的一阶导数，

为质量块在Y轴方向的振动位移的二阶导数，a为由旋转运动引起的科氏加速度。

而a由公式(2)决定

a＝2Ω×v    (2)

其中Ω为Z轴方向的角速度输入信号，v为质量块在X轴方向的速度。因此通过a可以求得Ω，经过积分运算可进一步求得微机械陀螺仪的角位移。

通过精心设计，该陀螺仪具有高Q值、在驱动模态和检测模态之间低机械刚度耦合等良好有点。但是，尽管该陀螺仪通过采用单折叠梁方式降低了驱动和检测模态之间的刚度耦合，但仍然存在缺陷。在该陀螺仪结构设计中，驱动梳齿1直接设计在质量块上，由于加工缺陷引起的驱动信号在Y轴上产生的误差信号F_xy必然直接作用在质量块上，并且直接传递到功能等效于弹簧的折叠位置处而非通过科氏效应间接转化成Y方向的能量，驱动信号在Y方向上的分量可以直接反应在检测电容上收集的检测信号中，相当于在公式(1)中的方程右端加上了额外的信号F_xy，如公式(3)所示，驱动信号和检测信号间的直接作用隔离效果很差。

$m\stackrel{\·\·}{y}+c\stackrel{\·}{y}+\mathrm{ky}=\mathrm{ma}+F_{\mathrm{xy}}---\left(3\right)$

因此，由检测电容测得的质量块的位移不仅包含了科氏加速度的作用，同时还包含了驱动信号F_x在Y轴的误差分量，在这种情况下，如果仍然通过公式(2)去计算科氏加速度a，并进一步求取输入角速度Ω必然带有误差分量F_xy的影响因素，从而降低了微机械陀螺仪的测量精度。

发明内容

微机械陀螺仪驱动和检测信号之间的耦合作用，一直是制约陀螺仪测量精度提高的最关键因素，所以，目前大部分微机械音叉陀螺仪均处于速率级别应用场合。为了更好地解决耦合问题，以进一步提高微机械音叉陀螺仪的测量精度，本发明提供一种新型的微机械音叉陀螺仪结构，它拥有高Q值以及低驱动模态和检测模态之间的机械刚度耦合的特性；同时，通过对折叠梁和驱动梳齿位置的特殊设计，能够隔离驱动信号和检测信号的直接相互作用，提高了微机械音叉陀螺仪的测量精度，以便微机械音叉陀螺仪能够在条件更苛刻的惯性级别领域内进行运用。

本发明是通过下述技术方案实现的。

一种微机械音叉陀螺仪，包括微机械音叉陀螺结构，如图3所示，所述微机械音叉陀螺结构包括两个质量块1、两个音叉折叠式悬臂梁2、两个支柱3、四个驱动梳齿4。所述音叉折叠式悬臂梁2为音叉结构，由“T”字型连接梁21和两个折叠梁23构成；其中：所述“T”字型连接梁21由纵梁211和横梁212构成；所述“T”字型连接梁21的横梁212两端分别连接一个折叠梁23；所述折叠梁23包括一段直线部分231和折叠部分232。第一音叉折叠式悬臂梁2的第一折叠梁23的折叠部分232和第二音叉折叠式悬臂梁2的第一折叠梁23的折叠部分232之间连接第一质量块1；第一音叉折叠式悬臂梁2的第二折叠梁23的折叠部分232和第二音叉折叠式悬臂梁2的第二折叠梁23的折叠部分232之间连接第二质量块1。两个质量块1和两个音叉折叠式悬臂梁2通过与音叉折叠式悬臂梁2的“T”字型连接梁21的纵梁211底端相连的两个支柱3支撑于基底上，使得整个微机械音叉陀螺结构平行悬浮于基底上方。两个质量块1的形状和质量完全相同，两个音叉折叠式悬臂梁2结构完全相同；且整个微机械音叉陀螺结构以两个支柱3的中心连接为对称轴呈镜面对称，同时以两个质量块的几何中心连接为对称轴呈镜面对称。所述驱动梳齿4由固定梳齿电极41和可动梳齿电极42构成，固定梳齿电极41和可动梳齿电极42形成一个叉指结构；所述固定梳齿电极41固定于基底上方，所述可动梳齿电极42固定于音叉折叠式悬臂梁2的折叠梁23的直线部分231且靠近折叠部分232的侧面。

本发明相对于现有技术方案，其创新之处在于：

首先，本发明折叠梁的折叠部分采用双折叠结构，可以使得整个陀螺仪结构更加紧凑、尺寸更小。

其次，本发明独创性将折叠梁的折叠部分的位置设计在紧靠质量块的地方，同时把驱动梳齿位置设计在折叠梁上，这样设计的好处在于它隔离了驱动信号和检测信号直接的相互作用。本发明提供的微机械陀螺仪工作时，驱动信号直接作用在折叠梁上而非质量块上，因此由加工缺陷带所引起的驱动力F_x在Y轴的分量F_xy也作用在折叠梁上。从驱动力作用处到折叠梁的支座这段梁近似刚体梁，在Y方向刚度非常大，因而F_xy无论是朝Y轴的正方向作用还是负方向作用受到的刚度都非常大，F_xy引起折叠梁和质量块在Y方向上的位移相对于将驱动梳齿设计在质量块让驱动力通过折叠位置而引起的位移非常小，在检测模态下(曲线的第一个峰值)前者与后者的比值约2.5％，如图4所示，相对而言可以忽略不计，因而F_xy对质量块相应的附加振动可以忽略，使得F_xy对质量块的直接作用被隔离。在本发明的微机械陀螺仪工况中，振动控制方程(3)中右边的附加外力F_xy被去除，回到理想的振动控制方程(1)。这是本设计区别于佐治亚理工学院的Ajit Sharma等人设计的音叉微陀螺仪最大的差别之处，也是本发明最大的创新，这样有利于微陀螺仪测量精度的更进一步提高，并达到惯性级别的运用。

综上，本发明提供一种新型的微机械音叉陀螺仪结构，在拥有高Q值以及低驱动模态和检测模态之间的机械刚度耦合特性的同时，通过对折叠梁和驱动梳齿位置的特殊设计，能够隔离驱动信号和检测信号的直接相互作用，从而提高了微机械音叉陀螺仪的测量精度，使得微机械音叉陀螺仪能够在条件更苛刻的惯性级别领域内进行运用。

附图说明

图1是振动式陀螺仪基本结构原理图。

图2是佐治亚理工学院的Ajit Sharma等人设计开发的一种双质量块面内振动对称结构的音叉微陀螺仪结构图。

其中，1是质量块，2是折叠梁，3是支柱，4是驱动梳齿，5是检测电容。

图3是本发明提供的微机械音叉陀螺仪结构图。

其中1是质量块，2是折叠梁，3是支座，4是驱动梳齿；21是“T”字型连接梁，23是折叠梁，211是“T”字型连接梁的纵梁，212是“T”字型连接梁的横梁，231是折叠梁的直线部分，232是折叠梁的折叠部分，41是驱动梳齿的固定梳齿电极，42是驱动梳齿的可动梳齿电极。

图4是将驱动力作用于质量块和将驱动力作用于折叠梁上F_xy对质量块在Y轴方向上引起的振动位移对比图。

其中曲线1代表F_xy作用在质量块上引起的质量块在Y轴的位移曲线，曲线2代表F_xy作用在悬臂直梁根部也即本发明设计的驱动着力点上引起的质量块在Y轴的位移曲线。

具体实施方式

一种微机械音叉陀螺仪，包括微机械音叉陀螺结构，如图3所示，所述微机械音叉陀螺结构包括两个质量块1、两个音叉折叠式悬臂梁2、两个支柱3、四个驱动梳齿4。所述音叉折叠式悬臂梁2为音叉结构，由“T”字型连接梁21和两个折叠梁23构成；其中：所述“T”字型连接梁21由纵梁211和横梁212构成；所述“T”字型连接梁21的横梁212两端分别连接一个折叠梁23；所述折叠梁23包括一段直线部分231和折叠部分232。第一音叉折叠式悬臂梁2的第一折叠梁23的折叠部分232和第二音叉折叠式悬臂梁2的第一折叠梁23的折叠部分232之间连接第一质量块1；第一音叉折叠式悬臂梁2的第二折叠梁23的折叠部分232和第二音叉折叠式悬臂梁2的第二折叠梁23的折叠部分232之间连接第二质量块1。两个质量块1和两个音叉折叠式悬臂梁2通过与音叉折叠式悬臂梁2的“T”字型连接梁21的纵梁211底端相连的两个支柱3支撑于基底上，使得整个微机械音叉陀螺结构平行悬浮于基底上方。两个质量块1的形状和质量完全相同，两个音叉折叠式悬臂梁2结构完全相同；且整个微机械音叉陀螺结构以两个支柱3的中心连接为对称轴呈镜面对称，同时以两个质量块的几何中心连接为对称轴呈镜面对称。所述驱动梳齿4由固定梳齿电极41和可动梳齿电极42构成，固定梳齿电极41和可动梳齿电极42形成一个叉指结构；所述固定梳齿电极41固定于基底上方，所述可动梳齿电极42固定于音叉折叠式悬臂梁2的折叠梁23的直线部分231且靠近折叠部分232的侧面。

本发明可采用绝缘层上的硅(SOI，Silicon on Insulator)材料，基于等离子干法深刻蚀等微机械加工工艺进行相应的加工。

在本发明中，音叉折叠式悬臂梁2实际上由四个部分组成，他们分别为折叠部分、直线部分、横梁和纵梁组成。折叠位置直接与质量块相连，区别于Ajit Sharma等人将折叠位置设计在远离质量块的那端，连接位置设计在质量块在Y轴方向的对称轴上。折叠位置设计成双折叠形式，根据空间尺寸的要求不同也可以采用单折叠或者多折叠的方式，每段折叠臂的宽度均相同且都为矩形，应根据检测模态所需求的频率值(本发明中设计在15K Hz左右)，设计折叠位置梁的宽度和长度，折叠臂间的距离以满足折叠臂在Y轴方向变形时不会相互碰撞的最小极限为准。悬臂直梁与Y轴平行并处在质量块Y轴方向的对称轴上且呈矩形。梁的宽度与折叠位置的折叠臂宽度一致，长度要同时满足驱动模态的频率在15K Hz和悬臂直梁在折叠位置端在X轴方向变形量达到4μm～6μm时，驱动方向的振动依然为线性振动。横梁为矩形，其长度由左右质量块之间的距离决定，其宽度应大于直线部分的宽度，以保证F_x在Y轴的分量F_xy对质量块在Y轴方向引起的变形相对质量块因科氏加速度引起的变形可以忽略为准，同时又不至于太厚以至于降低结构的品质因素。

Claims (3)

1.一种微机械音叉陀螺仪，包括微机械音叉陀螺结构，所述微机械音叉陀螺结构包括两个质量块(1)、两个音叉折叠式悬臂梁(2)、两个支柱(3)、四个驱动梳齿(4)；所述音叉折叠式悬臂梁(2)为音叉结构，由“T”字型连接梁(21)和两个折叠梁(23)构成；其中：所述“T”字型连接梁(21)由纵梁(211)和横梁(212)构成；所述“T”字型连接梁(21)的横梁(212)两端分别连接一个折叠梁(23)；所述折叠梁(23)包括一段直线部分(231)和折叠部分(232)；第一音叉折叠式悬臂梁(2)的第一折叠梁(23)的折叠部分(232)和第二音叉折叠式悬臂梁(2)的第一折叠梁(23)的折叠部分(232)之间连接第一质量块(1)；第一音叉折叠式悬臂梁(2)的第二折叠梁(23)的折叠部分(232)和第二音叉折叠式悬臂梁(2)的第二折叠梁(23)的折叠部分(232)之间连接第二质量块(1)；两个质量块(1)和两个音叉折叠式悬臂梁(2)通过与音叉折叠式悬臂梁(2)的“T”字型连接梁(21)的纵梁(211)底端相连的两个支柱(3)支撑于基底上，使得整个微机械音叉陀螺结构平行悬浮于基底上方；两个质量块(1)的形状和质量完全相同，两个音叉折叠式悬臂梁(2)结构完全相同；且整个微机械音叉陀螺结构以两个支柱(3)的中心连线为对称轴呈镜面对称，同时以两个质量块的几何中心连线为对称轴呈镜面对称；所述驱动梳齿(4)由固定梳齿电极(41)和可动梳齿电极(42)构成，固定梳齿电极(41)和可动梳齿电极(42)形成一个叉指结构；所述固定梳齿电极(41)固定于基底上方，所述可动梳齿电极(42)固定于音叉折叠式悬臂梁(2)的折叠梁(23)的直线部分(231)且靠近折叠部分(232)的侧面。

2.根据权利要求1所述的微机械音叉陀螺仪，其特征在于，所述音叉折叠式悬臂梁(2)的“T”字型连接梁(21)的横梁(212)的宽度尺寸大于折叠梁(23)的直线部分(231)的宽度尺寸。

3.根据权利要求1所述的微机械音叉陀螺仪，其特征在于，所述音叉折叠式悬臂梁(2)的折叠梁(23)的折叠部分为双折叠结构。

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