CN101324434A

CN101324434A - 一种高性能谐振硅微机械陀螺

Info

Publication number: CN101324434A
Application number: CNA2008101175629A
Authority: CN
Inventors: 樊尚春; 王路达; 郭占社
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2008-08-01
Filing date: 2008-08-01
Publication date: 2008-12-17

Abstract

一种高性能谐振硅微机械陀螺主要包括：质量块、蛇型支撑梁、两级杠杆放大机构、悬臂解耦机构、DETF(double－ended tuning fork)、驱动电极、检测电极几部分。结构为轴对称图形，质量块都显“回”字型。质量块里是两级杠杆放大机构、悬臂解耦机构、音叉、驱动电极和检测电极。本发明中的“回”字型设计能够使元件在有限体积下实现较大的质量块；悬臂解耦机构有效降低了耦合；谐振梁采用DETF形式；以对称布置的两个音叉实现谐振频率的差动输出，有效减少了共模干扰。本发明的结构形式提高了陀螺的灵敏度、分辨率，并且运用悬臂解耦机构减小了驱动方向振动对检测方向的耦合。

Description

一种高性能谐振硅微机械陀螺

技术领域

本发明属微机电系统技术领域，为一种新型的微机械陀螺。

背景技术

微机电系统(Microelectromechanical System，简称MEMS)的独特优势使得它可广泛运用于各种惯性器件中。对于陀螺，传统陀螺存在体积大、重量大等缺点，尤其是在航空航天等领域需要小体积和重量的陀螺是一个趋势。微机电系统的出现使陀螺向体积小、重量轻方向的发展成为可能。微机械陀螺的种类很多，按驱动方式可将微机械陀螺划分为静电驱动陀螺、电磁驱动陀螺和压电驱动陀螺等。按检测方式可将微机械陀螺划分成电容式陀螺、谐振式陀螺、压阻式陀螺、压电式陀螺、光学陀螺和隧道陀螺等。当今很多陀螺是通过测量与驱动方向和角速度输入方向都垂直的敏感方向的位移来得到科氏力，此种陀螺要求驱动模态与检测模态高度匹配，从而限制了带宽。且其为两自由度系统，设计难度较大。而且此类陀螺电路较为复杂，也限制了陀螺整体性能的进一步提高。我们现在的工作是利用谐振原理直接测量科式力，相比与其他类型的微机械陀螺，谐振式微机械陀螺具有直接准数字输出、高灵敏度、大动态范围，参数设计灵活等特点。目前，国外已有许多科研机构在进行相关研究，最典型的样件就是美国的加州大学伯克利分校Seshia A A，Howe R T，Montague S.AnIntegrated Microelectromechanical Resonant Output Gyroscope[J].15th IEEE MicroElectro Mechanical Systems Conference，2002.(1)：20-24.研制的利用静电激励、电容拾振的DETF在质量块外面的硅谐振式陀螺。虽然上述该种传感器目前已经实现了信号检测，但是其存在的问题就是精度较低，且工艺要求高，依我国目前的MEMS加工工艺水平，很难加工出类似的传感器。另外，检索到相关专利申请名称为“一种谐振式微机械陀螺”、申请号200610012216.5，但申请的结构也为集中质量，激励和拾振都在质量块外部，选用一级杠杆放大机构，对提高灵敏度不利。此外，此陀螺无专门结构来提高自解耦性能。本发明的结构采用了“回型”质量块结构、两级杠杆放大机构、细长折型梁连接质量块与杠杆机构，此有利于从结构上提高传感器的测试精度。杠杆结构中一级放大杠杆中支点轴向与杠杆臂轴向平行、质量块内的悬臂解耦机构可有效地提高结构自解耦能力。

发明内容

本发明的目的：克服现有技术的不足，提供一种灵敏度高、解耦、抗干扰性强和低成本的谐振式微机械陀螺。

本发明的技术解决方案：一种自解耦高灵敏度谐振硅微机械陀螺主要包括：其特征在于：主要包括：质量块、蛇型支撑梁、两个对称的杠杆放大机构、四个悬臂梁组成的悬臂解耦机构、两个对称的音叉DETF(double-ended tuning fork)、驱动电极、检测电极；质量块呈“回”字型，通过蛇型梁支撑；两个对称的两级杠杆放大机构、两个对称的音叉DETF、驱动电极和检测电极位于内质量块里，四个悬臂梁中每两个对称的悬臂梁分别作用于两级级杠杆放大机构的第二级杠杆放大机构端处，利用梁难于被拉伸的特点，减小驱动方向对两个对称的音叉DETF的影响，从而提高自解耦特性；两个音叉的一端之间通过中间锚点连接，两个音叉的另一端通过杠杆放大机构与质量块连接，且在每个音叉两侧有梳齿，构成驱动电极和检测电极。

所述的两级杠杆放大机构中第一级放大杠杆中支点在力输入和输出轴的一侧，且支点轴向与杠杆臂轴向平行；第二级放大杠杆中支点在力输入和输出轴的一侧，且支点轴向与杠杆臂轴向垂直。

所述连接两级杠杆放大机构中，细长折型梁连接质量块与杠杆机构，有利于提高陀螺相对运动速度，从而有利于提高灵敏度。

所述支撑质量块的蛇型支撑梁采用具有两折型的蛇型支撑梁结构，有效地减小了支撑梁对检测方向上刚度的影响，提高了陀螺灵敏度。

所述两个对称的音叉结构参数相同。

本发明的原理和工作过程是：质量块通过梳齿驱动，在驱动方向(沿y轴方向)作往复运动。由于科式效应，当陀螺受到外加角速度时，质量块会产生科氏力。科氏力被杠杆机构放大后作用于DETF一端，从而改变DETF的固有频率。因此，通过解调正弦输出频率，可以得到外界输入的角速度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)利用悬臂解耦机构，实现了结构解耦。

(2)两级杠杆放大机构中，细长折型梁连接质量块与杠杆机构，有利于提高灵敏度。

(3)质量块支撑梁采用具有两次折型的蛇型支撑梁结构，有效地减小了支撑梁对检测方向上刚度的影响，提高了陀螺灵敏度。

(4)利用双DETF实现了差动测量，有效地降低了共模干扰，且有效地实现谐振频率的差动输出。

(5)本发明由于输出的是频率信号毋须经过A/D转换便可方便地与计算机接口，因此其测试精度也得到了大大提高。

总之，本发明具有灵敏度高、结构解耦、抗干扰性能好、成本低等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为蛇型支撑梁结构示意图；

图3为一对细长折型梁示意图；

图4为一对悬臂梁解耦机构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明硅微机械陀螺包括：质量块18；对称支撑质量块的蛇型支撑梁2、11、20、28；蛇型支撑梁的锚点1、12、19、29；质量块驱动梳齿(包括可动梳齿和固定梳齿)6、24；两个对称的两级杠杆放大结构17、30；两级杠杆放大机构17一级放大的支点15、16；两级杠杆放大机构17二级放大的支点9、22；两级杠杆放大机构30一级放大的支点31、32；两级杠杆放大机构30二级放大的支点4、26；四个对称的悬臂梁解耦机构5、8、23、25；质量块18为“回字型”通过蛇型梁支撑2、11、20、28支撑；两个对称的两级杠杆放大机构17、30、两个对称的音叉DETF 14、33、驱动电极13和检测电极34位于内质量块18里，四个悬臂梁5、8、23、25中每两个对称的悬臂梁分别作用于每级杠杆放大机构的第二级杠杆放大机构两端处，利用梁难于被拉伸的特点，减小驱动方向对两个对称的音叉DETF的影响，从而提高自解耦特性；为了提高灵敏度，两级杠杆放大机构30通过细长折型梁3、27与质量块18连接，同时两级杠杆放大机构17通过细长折型梁10、21与质量块18连接；DETF33与锚点7和两级杠杆机构30连接，与DETF 33对称的DETF14与锚点7和两级杠杆机构17连接，此种形式可以实现谐振频率的差动输出；且在DETF33、14两侧有驱动和检测梳齿34、13(包括可动梳齿和固定梳齿)，实现了静电驱动、电容检测频率量。

本发明的工作过程：质量块18在梳齿24、6的驱动下，作y方向的往复运动。当有z轴方向角速度的输入时，质量块18产生沿x方向的科氏力。通过细长折型梁3、27、10、21科氏力被传递到了两级杠杆放大机构30、17两端，科氏力经过两级杠杆放大机构30和17的放大，施加在音叉33和14的轴向，使音叉33和14分别承受拉力和压力。受拉的音叉谐振频率增大，受压的音叉谐振频率减小，检测两个谐振频率之差作为输出，利用音叉33和14两侧的驱动和检测梳齿34、13实现静电激振和电容拾振，由测得的谐振频率变化可解算出被测角速度。

综上所述，本发明提出了一种高性能谐振硅微机械陀螺，它可实现结构解耦、高灵敏度的角速度测量，开拓了这类角速度传感器在高精度领域的应用。

尽管为说明目的公开了本发明的最佳实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容。

Claims

1、一种高性能谐振硅微机械陀螺，其特征在于：主要包括：质量块、蛇型支撑梁、两个对称的两级杠杆放大机构、四个悬臂梁组成的悬臂解耦机构、两个对称的音叉DETF、驱动电极、检测电极；质量块呈“回”字型，通过蛇型梁支撑；两个对称的两级杠杆放大机构、两个对称的音叉DETF、驱动电极和检测电极位于内质量块里；四个悬臂梁中每两个对称的悬臂梁分别作用于两级杠杆放大机构的第二级杠杆放大机构端处，利用梁难于被拉伸的特点，减小驱动方向对两个对称的音叉DETF的影响，从而提高自解耦特性；两个音叉的一端之间通过中间锚点连接，两个音叉的另一端通过杠杆放大机构与质量块连接，且在每个音叉两侧有梳齿，构成驱动电极和检测电极。

2、根据权利要求1所述的一种高性能谐振硅微机械陀螺，其特征在于：所述的两级杠杆放大机构中第一级放大杠杆中支点在力输入和输出轴的一侧，且支点轴向与杠杆臂轴向平行；第二级放大杠杆中支点在力输入和输出轴的一侧，且支点轴向与杠杆臂轴向垂直。

3、根据权利要求1所述的一种自解耦高灵敏度谐振硅微机械陀螺，其特征在于：所述连接两级杠杆放大机构中，细长折型梁连接质量块与杠杆机构，有利于提高陀螺相对运动速度，从而有利于提高灵敏度。

4、根据权利要求1所述的一种自解耦高灵敏度谐振硅微机械陀螺，其特征在于：所述支撑质量块的蛇型支撑梁采用具有两折型的蛇型支撑梁结构，有效地减小了支撑梁对检测方向上刚度的影响，提高了陀螺灵敏度。

5、根据权利要求1所述的一种自解耦高灵敏度谐振硅微机械陀螺，其特征在于：所述两个对称的音叉结构参数相同。