CN102435185B - 一种内外桁架式三框架微机械陀螺结构 - Google Patents
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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
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 (4)
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。
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