CN102221361B - 一种电容式微机械陀螺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电容式微机械陀螺，属于微机电***技术领域。该陀螺质量块15与杠杆12的中心连接；在杠杆12的中心和两个端点之间，对称布有两个支点，支点离杠杆中心的距离h0小于支点离杠杆端点的距离h1；同时，杠杆12的两个端点分别依次连接Y向的敏感传递梁8和X向的敏感弯曲梁9，两根敏感弯曲梁9的另一端则分别与无变形梁16的两个端点连接；固定在无变形梁16上的动梳齿与静梳齿构成敏感检测梳齿对10对完成敏感方向的电容检测。本发明将传统微机械陀螺中的位移检测和杠杆放大技术结合起来，杠杆对质量块在Y方向的位移放大作用为h1/h0，从而增大检测电容的变化量，提高微机械陀螺的灵敏度。

Description

一种电容式微机械陀螺
一、所属领域
本发明涉及一种电容式微机械陀螺，属于微机电***技术领域。
二、背景技术
微机械陀螺以其体积小、功耗低、成本低等特性，在惯性导航、姿态参照等军事领域有广泛的应用前景。按检测方式可将微机械陀螺划分成电容式陀螺、谐振式陀螺、压阻式陀螺、压电式陀螺、光学陀螺等。传统微机械陀螺都是基于对科氏力的检测来获取输入角速度量。
电容检测方式具有结构简单，精度高等优点被广泛应用于各种微机械传感器，很多微机械陀螺都是通过测量与驱动方向和角速度输入方向都垂直的敏感方向的位移所引起的电容变化量来得到科氏力。但是一般的微机械陀螺在敏感方向的电容变化量很小，这降低了检测信号的大小，限制了微机械陀螺灵敏度的提高。
申请号为″200610012216.5″的专利提出了“一种谐振式微机械陀螺”，它包括梳状叉指驱动器、平板质量块、杠杆放大机构和双端音叉谐振器。在梳状叉指驱动器上加驱动电压时，平板质量块作沿X轴方向的振荡运动，并在外部绕Z轴的旋转作用下产生沿Y方向的科氏力，通过杠杆放大后传递到对称分布的两个双端音叉谐振器上，使其谐振运动受到周期性的调制，测量两个双端音叉谐振器的差动输出可实现对输入角频率的测量。该专利是通过杠杆将敏感方向的科氏力放大，从而放大谐振器的谐振频率变化量。但是在实际应用中，微机械陀螺产生的科氏力极小，由其引起的谐振器的谐振频率变化量也极小，很难达到较高的灵敏度。本发明提出的电容式微机械陀螺，采用杠杆对科氏力引起的敏感方向位移变化量进行放大，从而增大检测电容的变化量，提高灵敏度。
三、发明内容
本发明提出一种电容式微机械陀螺，将传统微机械陀螺中的位移检测和背景技术中所提的杠杆放大技术结合起来，利用杠杆机构对敏感方向的位移变化量进行放大，从而增大检测电容的变化量，提高微机械陀螺的灵敏度。
如图1所示，本发明所采用的技术方案是：一种电容式微机械陀螺，包括质量块15；定义质量块15中心为原点，与质量块一边平行的方向为X向，与另一边平行的方向为Y向，电容式微机械陀螺在X方向上，关于Y轴对称，在Y轴方向上关于X轴对称；
所述质量块15通过连在其Y向侧边的折叠梁Ⅱ13与驱动框架梁5连接，驱动框架梁5通过折叠梁Ⅰ7连接在锚点上；固定在驱动框架梁5上的部分驱动动梳齿与固定在驱动电极3上的驱动静梳齿构成驱动梳齿对4，使得驱动框架梁5带动质量块15产生X向的往复运动；固定在驱动框架梁5上的其他驱动动梳齿与固定在驱动检测电极1的驱动检测静梳齿构成驱动检测梳齿对2以完成驱动检测；
在X向侧边上，质量块15通过折叠梁Ⅰ7与平行于质量块X向侧边的杠杆12的中心连接；在杠杆12的中心和两个端点之间，对称布有两个支点，支点离杠杆中心的距离小于支点离杠杆端点的距离，两根Y向的杠杆支点梁14分别将所述的两个支点和锚点连接；同时，杠杆12的两个端点分别依次连接Y向的敏感传递梁8和X向的敏感弯曲梁9，两根敏感弯曲梁9的另一端则分别与无变形梁16的两个端点连接，且敏感弯曲梁9的宽度小于无变形梁16的宽度；固定在无变形梁16上的敏感动梳齿与固定在敏感检测电极11上的静梳齿构成敏感检测梳齿对10，以完成敏感方向的电容检测。其中，杠杆支点距中心距离为h0，杠杆距端点的距离为h1。
本发明提出的一种电容式微机械陀螺工作原理：当在驱动电极3上加上周期性电压信号时，在驱动梳齿对4的静电力作用下，质量块15沿X方向周期性往复运动。如果陀螺在绕Z轴方向有角速度ω输入时，在Y轴方向上会产生科氏力，使质量块15沿Y轴方向产生位移d0，该位移通过折叠梁Ⅱ13对杠杆12的中心产生作用力，在杠杆12的作用下，杠杆12的两端产生较大的位移d1(d1＞d0)，该位移通过敏感传递梁8和敏感弯曲梁9作用传递到无变形梁16上，使无变形梁在Y方向产生位移d1，从而在敏感检测梳齿对10上得到较大的电容变化量，获得输入角速度ω的信息。其中，在理想情况下，杠杆对质量块在Y方向的位移放大作用为h1/h0，即d1/d0＝h1/h0。
因此，本发明提出的电容式微机械陀螺能将质量块在Y方向的位移放大，增加敏感检测的电容变化量，从而增大电容式微机械陀螺的灵敏度。
四、附图说明
图1本发明提出的电容式微机械陀螺的结构示意图
图中：1-驱动检测电极，2-驱动检测梳齿对，3-驱动电极，4-驱动梳齿对，5-驱动框架梁，6-锚点，7-折叠梁Ⅰ，8-敏感传递梁，9-敏感弯曲梁，10-敏感检测梳齿对，11-敏感检测电极，12-杠杆，13-折叠梁Ⅱ，14-杠杆支点梁，15-质量块，16-无变形梁。
五、具体实施方式
本发明的具体实施方式：如图1所示，本发明所采用的技术方案是：一种电容式微机械陀螺，包括质量块15；定义质量块15中心为原点，与质量块一边平行的方向为X向，与另一边平行的方向为Y向，电容式微机械陀螺在X方向上，关于Y轴对称，在Y轴方向上关于X轴对称；
所述质量块15通过连在其Y向侧边的折叠梁Ⅱ13与驱动框架梁5连接，驱动框架梁5通过折叠梁Ⅰ7连接在锚点上；固定在驱动框架梁5上的部分驱动动梳齿与固定在驱动电极3上的驱动静梳齿构成驱动梳齿对4，使得驱动框架梁5带动质量块15产生X向的往复运动；固定在驱动框架梁5上的其他驱动动梳齿与固定在驱动检测电极1的驱动检测静梳齿构成驱动检测梳齿对2以完成驱动检测。
在X向侧边上，质量块15通过折叠梁Ⅰ7与平行于质量块X向侧边的杠杆12的中心连接；在杠杆12的中心和两个端点之间，对称布有两个支点，支点离杠杆中心的距离小于支点离杠杆端点的距离，两根Y向的杠杆支点梁14分别将所述的两个支点和锚点连接；同时，杠杆12的两个端点分别依次连接Y向的敏感传递梁8和X向的敏感弯曲梁9，两根敏感弯曲梁9的另一端则分别与无变形梁16的两个端点连接，且敏感弯曲梁9的宽度小于无变形梁16的宽度；固定在无变形梁16上的敏感动梳齿与固定在敏感检测电极11的静梳齿构成敏感检测梳齿对10，以完成敏感方向的电容检测。
在该实施例中，杠杆12的宽度为10微米，杠杆支点离杠杆中心的距离h0为50微米，支点离杠杆端点的距离h1为450微米，杠杆支点梁14的宽度为2微米，长度为20微米，敏感传递梁8的长度为50微米，宽度为10微米，敏感弯曲梁9的长宽为20微米，宽度为2微米，无变形梁16的宽度为30微米，长度为960微米；组成折叠梁Ⅰ7的单根梁长度为100微米，宽度为2微米；所有结构的厚度均为30微米。
该实施例中的电容式微机械陀螺工作原理：当在驱动电极3上加上周期性电压信号时，在驱动梳齿对4的静电力作用下，质量块15沿X方向周期性往复运动。如果陀螺在绕Z轴方向有角速度ω输入时，在Y轴方向上会产生科氏力，使质量块15沿Y轴方向产生位移d0，，该位移通过折叠梁Ⅱ13对杠杆12的中心产生作用力，在杠杆12的作用下，杠杆12的两端产生较大的位移d1(d1＞d0)，该位移通过敏感传递梁8和敏感弯曲梁9作用传递到无变形梁16上，使无变形梁16在Y方向产生位移d1，从而在敏感检测梳齿对10上得到较大的电容变化量，获得输入角速度ω的信息。理论上杠杆对位移的放大倍数d1/d0应该为h1/h0，即放大倍数为9。例如，当质量块15沿Y轴方向产生的位移d0为1微米时，无变形梁16的理论位移d1为9微米。由于结构中存在传递损耗，无变形梁16的实际位移为4微米。杠杆机构对质量块的实际位移放大了4倍，从而对检测电容的变化量放大了4倍。

Claims (1)

1.一种电容式微机械陀螺，包括质量块(15)；定义质量块(15)中心为原点，与质量块(15)一边平行的方向为X向，与另一边平行的方向为Y向，电容式微机械陀螺在X方向上，关于Y轴对称，在Y轴方向上关于X轴对称；其特征在于：所述质量块(15)通过连在其Y向侧边的折叠梁II(13)与驱动框架梁(5)连接，驱动框架梁(5)通过折叠梁I(7)连接在锚点上；固定在驱动框架梁(5)上的部分驱动动梳齿与固定在驱动电极(3)上的驱动静梳齿构成驱动梳齿对(4)，使得驱动框架梁(5)带动质量块(15)产生X向的往复运动；固定在驱动框架梁(5)上的其他驱动动梳齿与固定在驱动检测电极(1)的驱动检测静梳齿构成驱动检测梳齿对(2)以完成驱动检测；在X向侧边上，质量块(15)通过折叠梁I(7)与平行于质量块X向侧边的杠杆(12)的中心连接；在杠杆(12)的中心和两个端点之间，对称布有两个支点，支点离杠杆中心的距离小于支点离杠杆端点的距离，两根Y向的杠杆支点梁(14)分别将所述的两个支点和锚点连接；同时，杠杆(12)的两个端点分别依次连接Y向的敏感传递梁(8)和X向的敏感弯曲梁(9)，两根敏感弯曲梁(9)的另一端则分别与无变形梁(16)的两个端点连接，且敏感弯曲梁(9)的宽度小于无变形梁(16)的宽度；固定在无变形梁(16)上的敏感动梳齿与固定在敏感检测电极(11)上的静梳齿构成敏感检测梳齿对(10)，以完成敏感方向的电容检测；
所述电容式微机械陀螺工作原理：当在驱动电极3上加上周期性电压信号时，在驱动梳齿对4的静电力作用下，质量块15沿X方向周期性往复运动；如果陀螺在绕Z轴方向有角速度ω输入时，在Y轴方向上会产生科氏力，使质量块15沿Y轴方向产生位移d0，该位移通过折叠梁II13对杠杆12的中心产生作用力，在杠杆12的作用下，杠杆12的两端产生较大的位移d1(d1＞d0)，该位移通过敏感传递梁8和敏感弯曲梁9作用传递到无变形梁16上，使无变形梁在Y方向产生位移d1，从而在敏感检测梳齿对10上得到较大的电容变化量，获得输入角速度ω的信息；其中，在理想情况下，杠杆对质量块在Y方向的位移放大作用为h1/h0，即d1/d0＝h1/h0。
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