CN100338470C

CN100338470C - 单片双惯性参数加速度计陀螺仪

Info

Publication number: CN100338470C
Application number: CNB2005100567516A
Authority: CN
Inventors: 刘俊; 张文栋; 熊继军; 任勇峰; 李锦明; 石云波; 唐军; 祁晓瑾
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2025-03-25
Also published as: CN1648673A

Abstract

本发明涉及加速度计陀螺仪，具体为单片双惯性参数加速度计陀螺仪。本发明解决现有的加速度计陀螺仪制作工艺精度要求高、信息的后续处理程序复杂、繁琐、结构相对复杂、体积和重量相对大以及只适用于加速度和角速度方向相互垂直的状态等问题。该单片双惯性参数加速度计陀螺仪包含壳体，在壳体底板上通过弹性梁锚固有质量块，质量块两侧固定有梳齿电容，质量块由外框架和固定于外框架内的质量芯块构成，敏感梳齿固定于质量块的外框架的两侧外壁，质量块的外框架的两侧内壁固定有梳齿驱动器；在质量芯块的上、下端面和壳体顶板、底板上对应地固定有电极。其对两类惯性参量单片集成检测，可敏感同方向上的加速度和角速度值，具有较高的实用价值。

Description

单片双惯性参数加速度计陀螺仪

技术领域

本发明涉及加速度计陀螺仪，属于微机械电子技术领域，具体为单片双惯性参数加速度计陀螺仪。

背景技术

微机械加速度计和微机械陀螺仪是两种非常重要的微型惯性传感器，也是微型惯性导航或制导系统的重要组成部分。由于它们体积小、重量轻、成本低和可靠性高等突出优点，其在军民两个领域都得到广泛的应用。

人们已认识到，沿垂直于敏感轴向作振动的加速度计能敏感垂直于敏感轴和振动轴的第三轴向的旋转角速率。利用该原理研制的惯性元件，能同时敏感线加速度和角速率。于是这样就提出了微机械加速度计陀螺仪的概念。目前有采用半导体微细加工技术研制的微机械加速度计陀螺仪(MAG)和利用差分电容加速度计制成的微机械加速度计陀螺仪。

差分电容加速度计包含一个壳体，在壳体底板上通过弹性梁锚固有质量块，质量块上固定有敏感梳齿，壳体底板上固定有固定梳齿，敏感梳齿和固定梳齿构成检测梳齿电容。有的在质量块的上、下端面和壳体的顶板、底板上对应地固定有电极，以形成平板电容，平板电容用于测量垂直于质量块方向的加速度。差分电容加速度计的工作基本原理是质量块在弹性梁的支撑下，受到各轴方向的惯性力的作用下发生形变，通过检测梳齿电容或极板电容(的变化)来测量各轴方向的形变量的大小，从而测得各轴方向加速度的大小。

现有的加速度计陀螺仪包含两个独立的差分电容加速度计，这两个加速度计只设有质量块上、下的平板电容，在两加速度计之间设有驱动元件，使两加速度计的质量块作反相振动，当结构受到检测方向上的角速度和线加速度输入时，由于哥氏效应，该输入角速度被调制成交变的哥氏加速度作用在质量块上。此时，质量块同时受到两种惯性力作用：一是线加速度引起的惯性力；另一是哥氏加速度引起的哥氏力，这两种惯性力在同一轴向上。两加速度计的上、下平板电容的电压差输出信号表示为：

u₁＝k(a+2Ωvsinω₁t)；

u₂＝k(a-2Ωvsinω₁t)，

式中，k是加速度计的标度因数，ω₁是振动的角频率，Ω为输入的角速度。对两式进行相加和相减处理，可把两种参量分量分离出来，从而获得加速度和角速度信息。

上述的差分电容加速度计陀螺仪存在如下问题：1、要求两加速度计在结构上保持严格对称，如两质量块的质量需完全相同，两质量块位置要保证精确的同轴度等，因此制作工艺精度要求高。2、由于加速度和角速度所产生的惯性力在同一轴向上，两惯性力所引起的电容变化都反映在平板电容上，因此需对输出信息进行后续分离、处理才能得到所需的加速度和角速度值，因此，其信息的后续处理程序复杂、烦琐，后续信号处理电路结构复杂。3、由于包含两个加速度计，其结构相对复杂、体积和重量相对大。4、适用于检测加速度和角速度方向相互垂直的状态；

发明内容

本发明解决现有的加速度计陀螺仪存在的上述问题，即由于包含两个加速度计所带来的制作工艺精度要求高、信息的后续处理程序复杂、烦琐、结构相对复杂、体积和重量相对大以及只适用于加速度和角速度方向相互垂直的状态等问题，提供一种单片双惯性参数加速度计陀螺仪，并只以提供该加速度计陀螺仪的感知硬件结构为目的，不涉及(公知的)输出信息的后续处理及相应的处理电路。

本发明是采用如下技术方案实现的：单片双惯性参数加速度计陀螺仪，包含壳体，在壳体底板上通过弹性梁锚固有质量块，质量块两侧固定有敏感梳齿，壳体底板上固定有固定梳齿，质量块由外框架和固定于外框架内的质量芯块构成，敏感梳齿固定于质量块的外框架的两侧外壁，质量块的外框架的两侧内壁固定有梳状活动驱动电极，与梳状活动驱动电极配合的梳状固定驱动电极固定在壳体底板；在质量芯块的上、下端面和壳体顶板、底板上对应地固定有电极。

该加速度计陀螺仪对z轴方向输入的线加速度具有敏感作用。其测量原理与传统的梳状电容式加速度传感器相似，根据牛顿第二定律F＝ma，z方向的加速度使得质量块产生一个z方向上的位移，从而使得由敏感梳齿与固定梳齿构成的梳齿电容的电容值发生变化。此加速度计陀螺仪还可以敏感绕z轴输入的角速度ω_z。在梳状固定驱动电极上施加交变的驱动电压U_D，由梳状固定驱动电极和梳状活动驱动电极构成的梳齿驱动器产生振动，对质量块在横向形成一个静电驱动力。在此静电驱动力的作用下，质量块将沿着驱动方向作简谐振动，使得质量块产生线速度v_x(沿x方向即水平方向)。当陀螺仪绕z轴相对惯性空间以角速度Ω转动时，质量块将受到沿y轴方向交变的哥氏惯性力的作用，使得质量块产生一个y方向上的位移，从而使得质量芯块的上、下端面和壳体顶板、底板上的对应电极所形成的平板电容的电容值发生变化。通过梳齿电容和平板电容的电容值的变化，通过后续信号处理得出加速度和角速度值。在信号检测方面，本发明采用差分电容信号检测方式。差分电容检测方式是目前较为成熟的一种信号检测方式；通过采用差分电容检测可以很好抑制住共模噪声干扰，大大的提高检测到的信号的信噪比；本发明角速度信号与加速度信号分开输出、检测，避免了两种信号之间的干扰，减小了后续信号处理电路的难度。

本发明锚固质量块的弹性梁采用折叠的弹簧梁，其端部固定有锚固块，质量块四个角部的折叠的弹簧梁的锚固块与底板锚固。此结构的弹性梁使得各个方向的机械交叉耦合相对较小，并具有一定的应力释放作用，有很高的综合性能。从另外一个角度考虑，此种梁结构在很大的变形范围内，位移与作用力都保持线性关系，从提高量程和线性度方面考虑，采用这种结构更加的理想。所述的折叠的弹簧梁结构在微机械惯性器件上已有应用。

本发明采用的是静电梳状驱动，结构简单。其主要优点是驱动力与位移无关，结合折叠梁结构，驱动振幅大，有利于提高陀螺仪的灵敏度。本发明与现有技术相比较：(1)两类惯性参量的单片(单质量块)集成检测。通过同一个质量块实时敏感同方向的加速度和角速度，这种高度数据融合保证了高的对准精度。同时，制作工艺容易实现；结构简单，体积和重量相对减小。(2)加速度和角速度两种信号单独输出、检测，减小了两种信号的分离的难度，简化了后续信号处理电路的设计。(3)可敏感同方向上的加速度和角速度值，具有较高的实用价值。

附图说明

图1为本发明所述的单片双惯性参数加速度计陀螺仪的内部结构示意图；

图2为图1的A-A剖面图；

图3为其上固定有梳齿电容和梳齿驱动器的质量块的结构立体示意图；

具体实施方式

单片双惯性参数加速度计陀螺仪，包含壳体1，在壳体底板上通过弹性梁2锚固有质量块，质量块两侧固定有敏感梳齿3，壳体底板上固定有固定梳齿4，质量块由外框架5和固定于外框架内的质量芯块6构成，敏感梳齿3固定于质量块的外框架5的两侧外壁，质量块的外框架5的两侧内壁固定有梳状活动驱动电极7，与梳状活动驱动电极配合的梳状固定驱动电极8固定在壳体底板；在质量芯块的上、下端面和壳体顶板、底板上对应地固定有电极9、10。

弹性梁2为折叠的弹簧梁，其端部固定有锚固块11。折叠的弹簧梁固定在质量块外框架的四个角部，通过锚固块与壳体底板锚固。

质量芯块6通过联接柱12与外框架固定。这样，电极可以与质量芯块上下端面的形状、尺寸相同，便于电极形状、尺寸的确定。为保证质量块的结构对称，质量芯块固定在外框架的中心。

质量块两侧分别固定两个静态下相同的梳齿电容，固定位置保证质量块产生位移时，一个梳齿电容的电容值增加，另一个减小，通过两梳齿电容的差得出梳齿电容的变化量。这些结构都是传统微机械惯性器件中所采用的公知结构。

对于该加速度计陀螺仪的结构来说，主要敏感的是Z方向的加速度和角速度。所以其它非敏感方向的输入对输出的影响是所不希望的。但是由于结构的交叉耦合，一些非敏感方向的输入还是存在的，主要表现在：

(1)质量块的转动(相对壳体)

质量块在三个方向的转动主要是由于三个方向的角加速度引起的，由于质量块以及驱动梳齿和固定梳齿在结构上是完全对称的，所以对于这三种转动的情形，每对检测梳齿的电容增加量与其对称部分的电容减小量相同，质量块上部的平板电容增加量与质量块下部平板电容减小量也相同，所以，质量块绕三个轴向的转动不会改变输出差动电容量的值。

(2)质量块的平动

由于线加速度而造成的质量块沿固定梳齿和活动梳齿的平行面的横向或纵向发生移动。这两种运动会使得活动极板和固定极板的正对面积减小，但是由于结构的对称性，上下两差动输出的极板的电容变化量为0，即输出电容变化量不受影响。

可以看出，交叉耦合的存在主要是由于过高的交叉灵敏度的存在。交叉灵敏度产生的主要原因有：①弹性梁(如弹簧梁等)的横向刚度不够；②质量块和弹簧梁质心不在同一个平面上；③质量块位移过大。要想通过结构设计来减小横向灵敏度，抑制交叉耦合给测量结果带来的误差，在实际设计和制作时可以采用：①提高加工工艺的精度，尽量使得质量块和弹性梁的质心处于同一平面内；②采用静电力平衡式工作方式，防止敏感质量块的过大位移；③采用横向刚度较大的微结构；④在固定电极上施加较高的直流电压，提高微结构的电刚度。这些是在实际设计制作时除结构特征以外所要考虑的主要因素。

Claims

1、一种单片双惯性参数加速度计陀螺仪，包含壳体(1)，在壳体底板上通过弹性梁(2)锚固有质量块，质量块两侧固定有敏感梳齿(3)，壳体底板上固定有固定梳齿(4)，质量块由外框架(5)和固定于外框架内的质量芯块(6)构成，敏感梳齿(3)固定于质量块的外框架(5)的两侧外壁，质量块的外框架(5)的两侧内壁固定有梳状活动驱动电极(7)，与梳状活动驱动电极配合的梳状固定驱动电极(8)固定在壳体底板；在质量芯块的上、下端面和壳体顶板、底板上对应地固定有电极(9)、(10)，其特征为：质量芯块(6)通过联接柱(12)与外框架固定。

2、如权利要求1所述的单片双惯性参数加速度计陀螺仪，其特征为：弹性梁(2)为折叠的弹簧梁，其端部固定有锚固块(11)。