CN102305626A - 一种新型mems离心式陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的MEMS离心式陀螺技术,属于惯性测量领域。该陀螺的四个质量块环形均布在中心锚点7四周,且各质量块和中心锚点7均通过弹性梁6连接;相邻的各质量块之间通过两根平行的弧形解耦梁7相连;各质量块4各布有一组活动梳齿8,并与相应的固定梳齿9形成梳齿电容。当外界有角速度输入时,MEMS离心式陀螺由于离心力而发生位移,通过检测这个位移就可推算出外界输入的角速度的大小。与其它的MEMS陀螺相比,本陀螺无需驱动,利用自身的惯性运动即可实现对角速度的检测,因此降低了能量的消耗;因此没有驱动,布朗噪声会大大降低,零偏稳定性会大大提高;同时可以消除MEMS振动式陀螺的正交耦合误差,提高了精度。
Description
所属领域
本发明提出一种新型的MEMS离心式陀螺技术,属于惯性测量领域。
背景技术
随着微机电***MEMS技术的发展,作为测量物体相对惯性空间转动角速度或角度的微机械陀螺仪,由于具有体积小,质量轻,成本低,功耗微,可靠性高等优点,在汽车安全、惯性导航、机器人控制等军民用领域,具有广阔的应用前景,特别是微卫星、微飞行器等武器装备更是对微陀螺提出了轻小化、高精度的要求。低成本、高精度及多输入轴微机械陀螺仪成为目前微陀螺研究的主攻方向。
现有的MEMS陀螺主要分为MEMS振动式陀螺和MEMS转子陀螺。
MEMS振动式陀螺是当前陀螺研究及应用的主流,它是基于一个高频线振动或角振动的振子,利用科氏效应所产生的运动耦合来检测输入角速率。文献“N.Yazdi,F.Ayazi,and K.Najafi,Micromachined inertial sensors,Proc.IEEE,Vol.86,No.8,pp.1640-1659,Aug.1998”,提到这种振动式陀螺的抗冲击能力较差,结构容易疲劳,且存在正交耦合误差等问题,使得MEMS振动式陀螺仅定位于中低精度的应用。
MEMS转子陀螺则是一种能实现高精度、多轴惯性测量的新型MEMS陀螺。文献“ShigeruNAKAMURA,MEMS inertial sensor toward higher accuracy & multi-axis sensing,IEEE Sensors,2005,pp.939-942”提到,它包含一个悬浮的转子,这种悬浮可以通过静电悬浮或者磁悬浮来实现,其也是利用科氏效应实现对X、Y两个方向角速率的检测,并从原理上消除了MEMS振动式陀螺所固有的正交耦合误差,同时这种转子陀螺还可以敏感三个正交方向的线加速度,有利于降低微惯性测量单元的器件尺寸和成本。这种转子陀螺的精度极限主要由其转子的转速决定,根据目前已有的静电悬浮技术,其精度极限可以相对于振动式陀螺提高1-2个数量级。但这种转子陀螺,以目前的微细加工工艺水平,仍极难实现,并且其运动控制极其复杂,因而使得该项技术目前在实际中还很难得到应用。
发明内容
本发明的目的是:为了克服现有MEMS振动式陀螺噪声高,零偏稳定性差和存在正交耦合误差,和MEMS转子陀螺成本高,控制复杂的缺点,本发明公开了一种新型的MEMS离心式陀螺。
本发明的技术方案是:
一种MEMS离心式陀螺,包括第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4、解耦梁5、弹性梁6、中心锚点7、活动梳齿8和固定梳齿9;所述第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4环形均布在中心锚点7四周,第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4和中心锚点7均通过弹性梁6连接;相邻的各质量块之间通过两根平行的弧形解耦梁7相连;第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3和第四质量块4上各布有一组活动梳齿8,并与相应的固定梳齿9形成梳齿电容。中心锚点7中心到各质量块中心的距离为r,每个质量块的质量均为m。
属于本发明同一构思的另一种MEMS离心式陀螺,包括第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4、解耦梁5、弹性梁6、中心锚点7、活动梳齿8、固定梳齿9和对角锚点10;所述的第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4环形均布在中心锚点7四周,第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4和中心锚点7均通过弹性梁6连接;相邻的两个质量块之间为对角锚点10,且各质量块通过解耦梁5支撑悬置在其相邻的两个对角锚点10上;第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3和第四质量块4上各布有一组活动梳齿8,并与相应的固定梳齿9形成梳齿电容。中心锚点7中心到各质量块中心的距离为r,每个质量块的质量均为m。
本发明的有益效果是:本发明提出的MEMS离心式陀螺利用的是转动物体在转动过程中产生的离心力的作用。当外界有角速度输入时,MEMS离心式陀螺由于离心力而发生位移,通过检测这个位移就可推算出外界输入的角速度的大小。与其它的MEMS陀螺相比,本发明的有益效果是:无需驱动,利用自身的惯性运动即可实现对角速度的检测,因此降低了能量的消耗;MEMS陀螺的零偏主要来源于驱动引起的布朗噪声,因此没有驱动,布朗噪声会大大降低,零偏稳定性会大大提高;同时可以消除MEMS振动式陀螺的正交耦合误差,提高了精度。
下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。
附图说明
图1:实施例1中的MEMS离心式陀螺结构示意图
图2:实施例2中的MEMS离心式陀螺结构示意图
图3:本发明提出的MEMS离心式陀螺原理示意图
图中,1-第一质量块,2-第二质量块,3-第三质量块,4-第四质量块,5-解耦梁、6-弹性梁、7-中心锚点、8-活动梳齿,9-固定梳齿,10-对角锚点
具体实施方式:
实施例1
参阅图1,一种MEMS离心式陀螺,包括第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4、解耦梁5、弹性梁6、中心锚点7、活动梳齿8和固定梳齿9;所述第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4环形均布在中心锚点7四周,第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4和中心锚点7均通过弹性梁6连接;相邻的各质量块之间通过两根平行的弧形解耦梁7相连;第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3和第四质量块4上各布有一组活动梳齿8,并与相应的固定梳齿9形成梳齿电容。
本实施例中MEMS离心式陀螺的理论分析如图3所示,OZ轴为外界角速度的输入轴,O’Z为陀螺器件的中心,图1中的中心锚点7简化为图3中的器件中心质点O’,四个质量块分别简化为图3中的围绕O’点的四个质点。中心锚点7的中心到各质量块中心的距离为r,每个质量块的质量均为m。转动轴OZ与器件中心轴O’Z的距离为R,一般情况下,R>>r,当外界有角速度ω输入时,则这个绕OZ轴的转动可以等效为沿O’O的平动和绕器件中心轴O’Z的转动。器件所受的力也就可以等效为平动的力FC=4mRω2,方向沿O’O和各个质量块所受的指向O’Z轴的离心力。由于R>>r,各个质量块所受的平动的力FRU、FRD、FRL和FRR可以近乎相等,且FRU=FRD=FRL=FRR=FC/4=mRω2。各个质量块所受的指向O’Z轴的离心力Fru、Frd、Frl和Frr大小相等,且为Fru=Frd=Frl=Frr=mrω2。将各个质量块所受的平动的力FRU、FRD、FRL和FRR沿X、Y轴分解,FRU分解为FRUX=FRU·cosα和FRUY=FRU·sinα,FRD分解为FRDX=FRD·cosα和FRDY=FRD·sinα,FRL分解为FRLX=FRL·cosα和FRLY=FRL·sinα,FRR分解为FRRX=FRR·cosα和FRRY=FRR·sinα,因此FRUX=FRDX=FRLX=FRRX,FRUY=FRDY=FRLY=FRRY。四个质量块所受的沿着切向方向的力,将通过解耦梁5抵消掉,因此质量块不会产生切向的位移,质量块只会受到沿着径向的力并沿着径向移动。第一质量块1所受的力FU=FRUY+Fru,第二质量块2所受的力FD=FRDY-Frd,第三质量块3所受的力FL=FRLX+Frl,第四质量块4所受的力FR=FRRX-Frr,则将第一质量块1和第二质量块2所受的力相减得,FU-FD=(FRUY+Fru)-(FRDY-Frd)=Fru+Frd=2mrω2,将第四质量块4和第三质量块3所受的力相减得,FR-FL=(FRRX+Frr)-(FRLX-Frl)=Frr+Frl=2mrω2。可以看到得出的是两个关于ω的关系式,而m和r都是常量。质量块所受的力可以通过检测质量块运动的位移获得,因此就可反推出外界输入的角速度ω。
当外界有角速度ω输入时,解耦梁5使各个质量块在离心力的作用下只在径向有位移,在周向没有位移,弹性梁6保证了质量块的径向移动,各质量块上的活动梳齿8和固定梳齿9会产生一个位移,进而活动梳齿8和固定梳齿9之间的电容发生变化,通过电路检测第一质量块1和第二质量块2上变化的梳齿电容推得第一质量块1、第二质量块2的位移分别为du=1.0×10-13m和dd=1.1×10-13m,沿着径向各个质量块的运动刚度均为k=5N/m,因此第一质量块1和第二质量块2所受的沿着径向的力分别为:
FU=kdu=5×1.0×10-13=5×10-13N,FD=kdd=5×1.1×10-13=5.5×10-13N。
质量块1和质量块2的质量m=2×10-7kg,器件中心距质量块中心的距离r=2×10-3m,由上面推得的公式FU-FD=2mrω2,计算出输入的角速度为:
实施例2
参阅图2,本实施例的MEMS离心式陀螺,包括第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4、解耦梁5、弹性梁6、中心锚点7、活动梳齿8、固定梳齿9和对角锚点10;所述的第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4环形均布在中心锚点7四周,第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4和中心锚点7均通过弹性梁6连接;相邻的两个质量块之间为对角锚点10,且各质量块通过解耦梁5支撑悬置在其相邻的两个对角锚点10上;第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3和第四质量块4上各布有一组活动梳齿8,并与相应的固定梳齿9形成梳齿电容。中心锚点7中心到各质量块中心的距离为r,每个质量块的质量均为m。
其基本原理是,当外界有角速度ω输入时,解耦梁5使各个质量块在离心力的作用下只在径向有位移,在周向没有位移,弹性梁6保证了质量块的径向移动,质量块上的活动梳齿8和固定梳齿9会产生一个位移,进而活动梳齿8和固定梳齿9之间的电容发生变化,通过电路检测第三质量块3和第四质量块4上变化的梳齿电容推得第三质量块3和第四质量块4的位移分别为d1=1.2×10-11m和dr=1.3×10-11m,沿着径向各个质量块的运动刚度均为k=2N/m,因此第三质量块3和第四质量块4所受的沿着径向的力分别为:
FL=kdl=2×1.2×10-11=2.4×10-11N,FR=kdr=2×1.3×10-11=2.6×10-11N。
质量块3和质量块4的质量m=1×10-7kg,器件中心距质量块中心的距离r=2×10-3m,由上面推得的公式FR-FL=2mrω2,计算出输入的角速度为:
Claims (2)
1.一种MEMS离心式陀螺,其特征在于:包括第一质量块(1)、第二质量块(2)、第三质量块(3)、第四质量块(4)、解耦梁(5)、弹性梁(6)、中心锚点(7)、活动梳齿(8)和固定梳齿(9);所述第一质量块(1)、第二质量块(2)、第三质量块(3)、第四质量块(4)环形均布在中心锚点(7)四周,第一质量块(1)、第二质量块(2)、第三质量块(3)、第四质量块(4)和中心锚点(7)均通过弹性梁(6)连接;相邻的各质量块之间通过两根平行的弧形解耦梁(7)相连;第一质量块(1)、第二质量块(2)、第三质量块(3)和第四质量块(4)上各布有一组活动梳齿(8),并与相应的固定梳齿(9)形成梳齿电容。
2.一种MEMS离心式陀螺,其特征在于:包括第一质量块(1)、第二质量块(2)、第三质量块(3)、第四质量块(4)、解耦梁(5)、弹性梁(6)、中心锚点(7)、活动梳齿(8)、固定梳齿(9)和对角锚点(10);所述的第一质量块(1)、第二质量块(2)、第三质量块(3)、第四质量块(4)环形均布在中心锚点(7)四周,第一质量块(1)、第二质量块(2)、第三质量块(3)、第四质量块(4)和中心锚点(7)均通过弹性梁(6)连接;相邻的两个质量块之间为对角锚点(10),且各质量块通过解耦梁(5)支撑悬置在其相邻的两个对角锚点(10)上;第一质量块(1)、第二质量块(2)、第三质量块(3)和第四质量块(4)上各布有一组活动梳齿(8),并与相应的固定梳齿(9)形成梳齿电容。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20130417 Termination date: 20200707 |