CN102435185B

CN102435185B - 一种内外桁架式三框架微机械陀螺结构

Info

Publication number: CN102435185B
Application number: CN201110266837.7A
Authority: CN
Inventors: 余才佳; 王刚; 熊恒
Original assignee: No 618 Research Institute of China Aviation Industry
Current assignee: No 618 Research Institute of China Aviation Industry
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2031-09-01
Also published as: CN102435185A

Abstract

本发明属于微机械陀螺结构技术领域，涉及一种内外桁架式三框架微机械陀螺结构。结构包括外框、内框及中间框，外框包括两根分离块和两组桁架梁，其中每组桁架梁包括两根折叠梁及一根桁架，每个分离块的外部设有梳齿电极，每根桁架梁的两端分别连接一个折叠梁，两组桁架梁通过分离块连接，形成外框，外框通过四根折叠梁固定在结构外端锚点上，外框左右两部分通过桁架连接成完整框架；中间框的两端为分离式双折叠梁，外框与中间框之间用分离式双折叠梁连接；中间框同内框之间通过桁架式双折叠梁连接，内框的内部设有梳齿电极，内框通过四根分离式双折叠梁连接于陀螺结构内部的锚点上。本发明降低了无用质量块质量，提高了陀螺敏感度；特殊的六边形孔结构，使结构强度损失最小化；台阶形梳齿电极形状，提高陀螺性能稳定性。

Description

一种内外桁架式三框架微机械陀螺结构

技术领域

本发明属于微机械陀螺结构技术领域，涉及一种内外桁架式三框架微机械陀螺结构。

技术背景

中高精度微机械陀螺在国际上，已在惯性导航及制导领域广泛应用。其中，制导用微机械陀螺要求具有大量程、高抗冲击性等特点。这一类微机械陀螺包括梳齿线振动式、梳齿振动环式等，其中，梳齿线振动电容式正在成为一种主流结构。

梳齿线振动电容式陀螺结构核心为一个平面内振动的质量块，核心原理都是通过静电驱动力，使质量块在平面内X方向振动，当感受到Z轴方向输入的角速度时，在哥氏效应的作用下，质量块受到Y方向哥氏力，从而推动质量块在Y方向振动。通过检测Y方向的振动幅值来对应计算输入角速度。

根据驱动、检测方向施加力的直接或间接方式，可分为多种结构。驱动方向有将驱动梳齿直接设计在质量块上直接驱动方式；通过驱动***两个分立质量块，该***质量块再驱动哥氏质量块的间接驱动方式；以及***两个质量块整合成一个框架的整体式框架驱动方式。检测方向也同样分为类似的三种形式。直接驱动的方式的缺点包括质量块在两个方向振动，驱动方向容易耦合到检测方向；由于质量块两个方向振动，使弹性梁受到非平行位移区间的力，增加弹性梁内应力，从而导致弹性不稳定等。

在三框架陀螺结构中，由于外框驱动框及内框驱动框均为无用质量块，即内框及外框的质量越大，陀螺的性能就越低。因此，需要平衡内外框质量同中间框质量的比例。

即使使用了三框架的全解耦结构，由于加工工艺的非对称性，仍然可能导致正交耦合误差掩膜哥氏力检测输入信号的情况。因此，还需要设计减小正交耦合误差的结构，比如台阶式电极、对称差动电极结构等等。

发明内容

本发明的目的是提供一种耦合误差小、灵敏度高、稳定性高的一种内外桁架式三框架微机械陀螺结构。

本发明的技术解决方案是：结构包括外框、内框及中间框，外框包括两根分离块和两组桁架梁，其中每组桁架梁包括两根弹性梁及一根桁架梁，每个分离块的外部设有梳齿电极，每根桁架梁的两端分别连接一个弹性梁，两组桁架梁通过分离块连接，形成外框，外框通过四根弹性梁固定在结构外端锚点上，外框左右两部分通过桁架梁连接成完整框架；中间框的两端为分离式双弹性梁，外框与中间框之间用分离式双弹性梁连接；内框通过弹性梁同中间框相连，内框的内部设有梳齿电极，内框通过四根分离式双弹性梁连接于陀螺结构内部的锚点上。

所述的外框、内框及桁架梁上均匀开有工艺孔。

所述的外框、内框及桁架梁上均匀开有工艺孔，工艺孔采用六边形，并呈蜂窝状排列。

所述的内框的内部设有台阶式梳齿电极，其台阶式梳齿电极采用梯形结构。

本发明的优点是：采用三框架的结构，形成全解耦模式，可以最小化驱动模态对检测信号的耦合误差；采用桁架结构将外部两个分离质量块连接为一个整体框架，可最小化外框质量，提高陀螺敏感度；采用六边形工艺孔呈蜂窝状排列，降低外框、内框及桁架的质量，并使其结构强度损失最小化；敏感电极形状采用梯形，并设计台阶结构以减小耦合误差。本发明可真空键合，并便于干法等离子深刻蚀（ICP）工艺等实现的微陀螺结构。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明可动结构示意图；

图3是本发明六边形工艺孔及排布示意图，其中，a是内桁架上单排工艺孔,b是外桁架上双排工艺孔,c是外框两侧驱动单元上的多排工艺孔；

图4是本发明检测电极台阶结构示意图。

具体实施方式：

如图1,2所示，本发明包括：外框为本陀螺结构的驱动部分，外框由分立在结构两侧的驱动单元1通过外框桁架梁9连接为一个完整的整体。外框上驱动力是由5a及5b电极及其对应在驱动单元1上的梳齿形成的变面积梳齿电极施加的。电极5a、5b及对应梳齿为驱动电极。电极6a、6b、6c、6d为驱动反馈电极，其中6a、6b并联，6c、6d并联已增大反馈电容值，左右两队电极形成差动电容。外框通过弹性梁8a、8b、8c、8d连接在固定锚点上，固定锚点是7a、7b、7c和7d。

中间框2为哥氏质量框，中间框2通过弹性梁10a、10b、10c、10d同外框连接，从而外框在X方向的驱动力可以驱动中间框在X方向做同样幅值的振动。中间框2通过弹性梁11a、11b、11c、11d同内框3连接在一起。其中10a、10b、10c、10d水平(X方向)设计，11a、11b、11c、11d竖直(Y方向)方向设计。

内框3为敏感质量框，内框通过弹性梁11a、11b、11c、11d同中间框2相连，且11a、11d之间使用桁架连接，11b、11c之间使用桁架连接。内框3通过弹性梁14a、14b、14c、14d固定在锚点13a、13b、13c、13d上。其中弹性梁14a、14b、14c、14d成水平(X方向)设置。

检测电极为16a、16b所示，设置在结构中间横梁的上下两侧。15a、15b为检测方向的反馈电极，通过15a、15b给结构施加力反馈，以达到检测方向的闭环。

工艺孔结构如图3所示，20为工艺孔，图a所示结构为内框桁架19上采用结构，图b所示为外框桁架9上采用结构，图c所示为内框分离块1a、1b及内框3上采用结构。

台阶式梳齿电极如图4所示，其中，21、22为静齿，23、24为动齿。21为固定电极15、16上的支撑梁结构，22为固定梳齿电极板，23为可动结构，即同内框3相连的结构上的支撑梁，24为可动梳齿电极板。其中，可动梳齿电极板24采用了台阶式设计。

本发明的工作原理：通过给5a、5b两个电极上施加幅值相同、相位相差180度的正弦信号，与施加在中间可动结构上的直流偏置电压形成差动电容，由此产生X方向的静电力驱动外框1在X方向振动。设置交流信号的频率与整个结构的X方向振动谐振频率相等，使结构工作的谐振状态，以产生最大的振幅。外框1通过弹性梁8驱动中间框2在X方向以同等振幅和相位振动。当结构受到Z方向输入的角速度时，中间框2由于哥氏力原理产生Y方向的振动。中间框2在Y方向的振动驱动内框3在Y方向振动，同时由于内框3受弹性梁14的作用，限制了X方向运动，因此仅产生Y方向的受迫振动，从而起到全解耦的作用。内框3受输入角速度影响而产生的Y方向振动，使电极16a、16b同内框上对应梳齿之间的间隙变化，从而使电容值变化。通过检测16a、16b上的电容值变化，就可等效计算出结构所受到的Z轴方向角速度输入。

Claims

1.一种内外桁架式三框架微机械陀螺结构，其特征是，结构包括外框（1）、内框（3）及中间框（2），外框（1）包括两根分离块（1a、1b）和两组桁架梁（9），其中每组桁架梁包括两根弹性梁（8）及一根桁架梁（9），每个分离块（1a、1b）的外部设有梳齿电极，每根桁架梁的两端分别连接一个弹性梁（8），两组桁架梁（9）通过分离块（1a、1b）连接，形成外框（1），外框（1）通过四根弹性梁固定在结构外端锚点（7）上；中间框（2）的两端为弹性梁（10），外框（1）与中间框（2）之间用弹性梁（10）连接；内框通过弹性梁（11a、11b、11c、11d）同中间框（2）相连，内框（3）的内部设有梳齿电极，内框（3）通过四根弹性梁（14）连接于陀螺结构内部的锚点（13）上。

2.根据权利要求1所述的一种内外桁架式三框架微机械陀螺结构，其特征是，所述的外框、内框及桁架梁上均匀开有工艺孔。

3.根据权利要求2所述的一种内外桁架式三框架微机械陀螺结构，其特征是，所述的外框、内框及桁架梁上均匀开有工艺孔，工艺孔采用六边形，并呈蜂窝状排列。

4.根据权利要求1所述的一种内外桁架式三框架微机械陀螺结构，其特征是，所述的内框（3）的内部设有台阶式梳齿电极，其台阶式梳齿电极采用梯形结构。