CN112629515A - 一种微机电轮式双水平轴陀螺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微机电轮式双水平轴陀螺，用于检测围绕水平面内X、Y轴的旋转，其特征在于：它包括外框、外环、内框、内环、敏感质量块、驱动梳齿、驱动检测梳齿、驱动连接梁、连接梁、扭转梁、检测电极、锚点和衬底，整个陀螺结构同时关于器件平面的X轴和Y轴对称。驱动梳齿连接在外框上，驱动检测梳齿连接在内框上，外框一方面通过驱动连接梁和锚点连接，另一方面通过连接梁和外环连接，内框一方面通过中间连接梁和中间锚点连接，另一方面通过连接梁和内环连接，敏感质量块一方面通过扭转梁和外环连接，另一方面通过扭转梁和内环连接，检测电极位于敏感质量块下方并固定在衬底上，结构层通过锚点和衬底固定连接。

Description

一种微机电轮式双水平轴陀螺
技术领域：
本发明属于微机电***技术领域，涉及了一种微机电轮式双水平轴陀螺，应用了微惯性传感器技术，它作为微惯性器件广泛应用于汽车工业、航空航天、地震监测、消费类电子等领域。
背景技术：
陀螺仪是一种检测物体运动角速度的器件。微机电陀螺具有体积小、重量轻、成本低、功耗小及易集成等优点，在航空、航天、兵器、汽车和消费类电子产品等领域都得到了广泛的应用。
惯性测量单元(IMU)是由单轴、双轴或者三轴陀螺仪及加速度计组合而成的单元，可以同时测量物体三个正交轴向的加速度和角速度，经过一系列数据处理可以得到物体的速度、位移、方向、姿态等信息，已广泛运用在无人机、无人车、机器人、虚拟现实(VR)和增强现实 (AR)中。
目前用于检测垂直于器件表面方向角速度的Z轴微机电音叉陀螺的性能已达到较高水平。因此，多轴惯性传感器一种思路是分立元件的组装，将多个单轴(Z轴)陀螺仪和加速度计组装成IMU。但是由于多个元件组装在一起，体积较大，且会产生安装误差，不同器件难以严格正交组装，使得不同器件之间的耦合会使器件性能受到影响，同时，多个元件的组装对工艺兼容性要求很高。目前，单检测质量块陀螺是研究最广泛也是较成熟的微机电振动陀螺形式，这种结构形式在原理上容易存在对线加速度敏感的问题，而谐振轮式陀螺仪由于其完全对称的特点，可以很好的解决这一问题。轮式水平轴陀螺仪其驱动状态为绕垂直于器件平面的轴进行角振动，当外界有水平方向的角速度输入时，敏感质量块受到科尔奥利力作用会产生离面运动，检测敏感质量块与底部电极间电容的变化便可以得到输入水平轴角速度的值。因此，水平轴陀螺与Z轴陀螺单片集成在同一个平面上，可以减小IMU器件的体积。但是水平轴陀螺因其受到的诸多设计限制的存在，成为IMU研究中亟待解决的重要研究突破点。北京大学陀螺组已对微机电轮式水平轴陀螺有一定研究，轮式双水平轴陀螺因其结构对称性能够同时检测沿器件平面的X轴输入角速度和Y轴输入角速度，其结构设计实现及性能的提高将有益于多轴惯性器件的单片集成。
发明内容：
本发明的目的是提供一种高性能的微机电轮式双水平轴陀螺。
本发明适用的轮式双水平轴陀螺，主要结构包括外框101、外环102、内框103、内环104、中心敏感质量块105、连接梁[108，110，113，114]、扭转梁[111，112]、驱动梳齿106、驱动检测梳齿107和检测电极[401，402，403，404]，其特征为：整个陀螺结构同时关于沿器件平面的X轴和 Y轴对称，即关于器件结构中心中心对称。
本发明的有益效果为：驱动梳齿106连接在外框101上，驱动力作用在外框101上，使外框101做绕垂直于器件平面的轴向(Z轴)做来回角振动，通过连接梁[110，113]和扭转梁[111，112]，外框101带动外环102、中心敏感质量块105、内环104和内框103同时做等角速率的来回角振动。为抑制驱动状态由于加工误差存在形成的离面位移，本发明一方面通过将驱动梳齿106安置在最外端，另一方面中心设计了过结构几何中心并关于几何中心中心对称分布的中间连接梁114与中心对称分布的中心锚点115固定相连，以尽量减小无角速度输入时中心敏感质量块105的离面位移。当有沿水平方向X轴向的角速度输入时，中心敏感质量块105受到科尔奥利力将绕Y轴旋转，通过X方向的差分检测电极[403，403]将可以得到输入角速度值；当有沿水平方向Y轴向的角速度输入时，中心敏感质量块105受到科尔奥利力将绕X轴旋转，通过Y方向的差分检测电极[401，402]将可以得到输入角速度值，外环102、内环103和相关连接梁[110，113]、扭转梁[111，112]的设计使得本发明适用的双水平轴陀螺的驱动模态和检测模态解耦，同时两个检测模态间也互相解耦。
附图说明
图1本发明适用的微机电轮式双水平轴陀螺结构示意图。
图2图1结构右上部分放大图。
图3图1结构中间部分放大图。
图4本发明适用的轮式双水平轴陀螺检测电极分布示意图。
图5本发明所适用的轮式双水平轴陀螺沿某个方向的截面示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所适用的微机电轮式双水平轴陀螺结构由外框101、外环102、内框103、内环104、中心敏感质量块105、驱动梳齿106、驱动检测梳齿107及连接梁 [108，110，113，114]、扭转梁[111，112]、锚点[109，115]、底部检测电极[401，402，403，403]和衬底 500组成。整个结构同时关于X轴和Y轴轴对称，即关于几何中心中心对称。
如图1、图2、图3所示的轮式双水平轴陀螺，外框101通过驱动连接梁108与锚点109相连，驱动连接梁108和锚点109中心对称分布，驱动连接梁108一般为折叠梁；驱动梳齿106包括连接在外框101上的可动驱动梳齿1061和固定驱动梳齿1062，驱动梳齿106中心对称分布；外框101和外环102通过连接梁110相连，连接梁110中心对称分布；外环102和中心敏感质量块105通过扭转梁111相连，扭转梁111中心对称分布；中心敏感质量块105 和内环104通过扭转梁112相连，扭转梁112中心对称分布；内环104和内框103通过连接梁113相连，连接梁113中心对称分布；驱动检测梳齿107由连接在内框103上的可动驱动检测梳齿1071和固定驱动检测梳齿1072组成，驱动检测梳齿107中心对称分布。内框103 通过中心连接梁114和中心锚点115相连，中心连接梁114过结构几何中心并以几何结构中心中心对称分布，锚点115中心对称分布。
图4为本发明适用的轮式双水平轴陀螺检测电极分布示意图，电极401和电极402差分检测，用于检测Y轴向输出；电极403和电极404差分检测，用以检测X轴向输出。
图5为本发明所适用的轮式双水平轴陀螺沿某个方向的截面示意图，检测电极固定在底部衬底500上，陀螺结构层通过锚点结构与底部衬底500固定在一起。通常衬底材料为玻璃。
驱动梳齿106产生的驱动力作用在外框101上，使外框101做绕垂直于器件平面的轴向 (Z轴)做来回角振动，通过连接梁[110，113]和扭转梁[111，112]，外框101带动外环102、中心敏感质量块105、内环104和内框103同时做等角速率的来回角振动。本发明一方面通过将驱动梳齿106安置在最外端，另一方面中心设计了一个过结构几何中心并中心对称分布的中心连接梁114与锚点115固定连接，以尽量减小由于加工误差导致的陀螺驱动状态下无角速度输入时中心敏感质量块105的离面位移。当有沿水平方向X轴向的角速度输入时，中心敏感质量块105受到科尔奥利力将通过扭转梁111绕Y轴旋转，通过X方向的差分检测电极 403和404将可以得到输入角速度值；当有沿水平方向Y轴向的角速度输入时，中心敏感质量块105受到科尔奥利力将通过扭转梁112绕X轴旋转，通过Y方向的差分检测电极401和 402将可以得到输入角速度值。外环102、内环103和相关连接梁[108，110，113，114]、扭转梁 [111，112]的设计使得本发明适用的双水平轴陀螺的驱动模态和检测模态解耦，同时两个检测模态间也互相解耦。

Claims (7)

1.一种微机电轮式双水平轴陀螺，用于检测围绕水平面内X、Y轴的旋转，其特征在于：它包括外框101、外环102、内框103、内环104、中心敏感质量块105、驱动梳齿106、驱动检测梳齿107、驱动连接梁108、连接梁[110，113，114]、扭转梁[111，112]、检测电极[401，402，403，404]、锚点[109，115]和衬底500，整个陀螺结构同时关于器件平面的X轴和Y轴对称，即关于器件结构中心中心对称。
所述驱动梳齿106包括可动驱动梳齿1061和固定驱动梳齿1062；所述驱动检测梳齿107包括可动驱动检测梳齿1071和固定驱动检测梳齿1072；所述可动驱动梳齿1061连接在所述外框101上；所述可动驱动检测梳齿1071连接在所述内框103上；所述外框101一方面通过所述驱动连接梁108和所述锚点109连接，另一方面通过所述连接梁110和所述外环102连接；所述内框103一方面通过所述中间连接梁114和所述中间锚点115连接，另一方面通过所述连接梁113和所述内环104连接；所述中心敏感质量块105一方面通过所述扭转梁111和所述外环102连接，另一方面通过所述扭转梁112和所述内环104连接。所述检测电极[401，402，403，404]位于所述中心敏感质量块105下方并固定在所述衬底500上，结构层通过所述锚点[109，115]和所述衬底500固定连接。
2.如权利要求1所述的一种微机电轮式双水平轴陀螺，其特征在于：静电力驱动所述驱动梳齿106，所述驱动方式可以采用单边驱动和双边驱动的一种。
3.如权利要求1所述的一种微机电轮式双水平轴陀螺，其特征在于：所述驱动梳齿106位于陀螺结构最外端，所述驱动连接梁108分布在所述外框101外端，所述中心连接梁114和所述中心锚点115固定相连，这一有效效果为能够减少驱动模态到检测模态的耦合。
4.如权利要求1和权利要求3所述的中心连接梁114和中心锚点115，其特征在于：所述中心连接梁114过几何结构中心并关于结构几何中心呈中心对称分布，所述中心锚点115关于结构几何中心呈中心对称分布。
5.如权利要求1所述的一种微机电轮式双水平轴陀螺，其特征在于：所述外环102和所述内环104以及与它们相连的所述连接梁[110，113]和扭转梁[111，112]，其有效效果为使得两个检测模态间解耦并减少检测模态到驱动模态的耦合。
6.如权利要求1所述的一种微机电轮式双水平轴陀螺，其特征在于：所述外框101、外环102、内框103、内环104和中心敏感质量块105为圆环形结构不仅限于圆环形结构。
7.如权利要求1所述的一种微机电轮式双水平轴陀螺，其特征在于：陀螺的驱动状态为驱动梳齿105驱动所述外框101带动整个结构绕垂直于器件平面的轴向(Z轴)做角振动；当有水平方向X方向的角速度输入时，所述中心敏感质量块105受到科尔奥利力将通过所述扭转梁111绕Y轴旋转，通过所述X方向的检测电极[403，404]差分检测可以得到输入X方向角速度；当有水平方向Y方向的角速度输入时，所述中心敏感质量块105受到科尔奥利力将通过所述扭转梁112绕X轴旋转，通过所述Y方向的检测电极[401，402]差分检测可以得到输入X方向角速度。
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