CN102288172A - 一种放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺，属于微机电系统技术领域。在Y方向侧边上，该陀螺的质量块11通过折叠梁Ⅱ13与杠杆3连接，所述叠梁Ⅱ13与杠杆3的连接点称为第二驱动传递点；两根杠杆支点梁2将所述杠杆3连接在锚点上，杠杆支点梁2和杠杆3的连接点称为支点；同时杠杆3还分别通过两根驱动传递梁1与驱动梳齿梁6连接，所述杠杆3与驱动传递梁1的连接点称为第一驱动传递点；支点离第一驱动传递点的距离d1小于支点离第二驱动传递点的距离d2。由于利用杠杆原理对X向位移放大，该陀螺相比现有陀螺，在输入角速度不变的情况上，因科氏力引起陀螺敏感方向的电容变化量也增加了d2/d1倍，有利于检测，提高灵敏度。

Description

一种放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺
所属领域：
本发明涉及一种放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺，属于微机电系统技术领域。
背景技术：
微机械陀螺以其体积小、功耗低、成本低等特性，在惯性导航、姿态参照等军事领域有广泛的应用前景。振动式微机械陀螺的基本工作原理都是基于一种物理现象，即转动坐标系中的运动物体会受到与速度方向垂直的惯性力的作用，即科氏力F＝2mv×ω。其中，m为质量块的质量，v为质量块运动速度，ω为质量块转动角速度，×表示两个向量的外积符号。科氏力的方向与转动角速度的方向和物体运动速度相垂直，科氏力的大小与转动角速度和物体的运动速度成正比。
对于微机械陀螺，用来产生质量块振动的驱动方式有静电驱动、压电驱动和电磁驱动等。梳齿静电驱动方式具有结构简单的优点而被广泛采用。微机械陀螺质量块运动的最大位移总是受限于驱动梳齿间的距离，在质量块运动频率保持一定的情况下，驱动梳齿间距限制了质量块的运动速度，限制了微机械陀螺的灵敏度，限制了微机械陀螺的精度。
申请号为“200610012216.5”的专利提出了“一种谐振式微机械陀螺”，它包括梳状叉指驱动器、平板质量块、杠杆放大机构和双端音叉谐振器。在梳状叉指驱动器上加驱动电压时，平板质量块作沿X轴方向的振荡运动，并在外部绕Z轴的旋转作用下产生沿Y方向的科氏力，通过杠杆放大后传递到对称分布的两个双端音叉谐振器上，使其谐振运动受到周期性的调制，测量两个双端音叉谐振器的差动输出可实现对输入角频率的测量。该专利是通过杠杆将敏感方向的科氏力放大，从而放大谐振器的谐振频率变化量。但是在实际应用中，微机械陀螺产生的科氏力极小，由其引起的谐振器的谐振频率变化量也极小，很难达到较高的灵敏度。
发明内容：
本发明提出一种放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺，将背景技术中所提的杠杆放大技术和传统微机械陀螺的驱动方式相结合，利用杠杆机构对微机械陀螺质量块在驱动方向的运动位移进行放大，在陀螺驱动方向谐振频率一定的情况下同时放大了质量块的运动速度，从而增大了科氏力，提高了微机械陀螺的灵敏度，进而提高了微机械陀螺的检测精度。
如图1所示，本发明所采用的技术方案是：一种放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺，包括质量块11；以质量块11中心为原点，与质量块一边平行的方向为X方向，与另一方向平行的方向为Y方向，本发明提出的放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺在X方向上关于Y轴对称，在Y轴方向上关于X轴对称；
所述质量块11通过连在其X方向侧边的折叠梁Ⅱ13与敏感梳齿梁12连接，敏感梳齿梁12通过两端的折叠梁Ⅰ10连接在锚点上；固定在敏感梳齿梁12上的动梳齿与固定在敏感检测电极15上的静梳齿构成敏感检测梳齿对14，以完成敏感方向的电容检测；
在Y方向侧边上，质量块11通过折叠梁Ⅱ13与平行于质量块Y向侧边的杠杆3连接，所述叠梁Ⅱ13与杠杆3的连接点称为第二驱动传递点；两根杠杆支点梁2将所述杠杆3连接在锚点上，杠杆支点梁2和杠杆3的连接点称为支点；同时杠杆3还分别通过两根驱动传递梁1与驱动梳齿梁6连接，所述杠杆3与驱动传递梁1的连接点称为第一驱动传递点；必须满足：支点离第一驱动传递点的距离d1小于支点离第二驱动传递点的距离d2；同时驱动梳齿梁6的两个端点通过折叠梁Ⅰ10连接在锚点上；固定在驱动梳齿梁6的驱动梳齿与固定在驱动电极7上的驱动静梳齿构成驱动梳齿对8，以完成驱动；固定在驱动梳齿梁6的驱动检测梳齿与固定在驱动检测电极4上的驱动检测静梳齿构成驱动检测梳齿对8，以完成驱动方向的电容检测。
本发明提出的放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺的工作原理：质量块11上接一固定电压信号，当在驱动电极7上加上周期性的电压信号时，在驱动梳齿对8的静电力作用下，驱动梳齿梁6沿X方向周期性往复运动，设其运动的速度v0。同时，通过驱动检测梳齿对5完成对驱动方向电容的检测。驱动梳齿梁6在X向的运动通过驱动传递梁1传递到杠杆3的两端，在杠杆3的作用下，杠杆3的中心产生较大的运动速度v1(v1＞v0)，该运动通过折叠梁Ⅱ13传递到质量块11上，从而使质量块产生X向的运动速度v1。如果陀螺在绕Z轴方向有角速度ω输入时，在Y轴方向上会产生科氏力，引起质量块在Y轴方向上的位移，通过检测敏感检测梳齿对14上的电容变化量，获得输入角速度ω的信息。其中，在理想情况下，杠杆3对质量块在X方向上的速度放大作用为d2/d1，即v1/v0＝d2/d1。在输入角速度不变的情况上，因科氏力引起陀螺敏感方向的电容变化量也增加了d2/d1倍。
因此，本发明的有益效果是：质量块在驱动方向的最大位移和运动速度被放大，检测电容变化量增大，有利于检测，提高灵敏度。
附图说明：
图1是实施例1的放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺的结构示意图
图2是实施例2的放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺的结构示意图
图3是实施例3的放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺的结构示意图
图中：1-驱动传递梁，2-杠杆支点梁，3-杠杆，4-驱动检测电极，5-驱动检测梳齿对，6-驱动梳齿梁，7-驱动电极，8-驱动梳齿对，9-锚点，10-折叠梁Ⅰ，11-质量块，12-敏感梳齿梁，13-折叠梁Ⅱ，14-敏感检测梳齿对，15-敏感检测电极。
具体实施方式：
实施例1：
本实施例中的放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺，包括质量块11；以质量块11中心为原点，与质量块一边平行的方向为X方向，与另一方向平行的方向为Y方向，本发明提出的放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺在X方向上关于Y轴对称，在Y轴方向上关于X轴对称；
所述质量块11通过连在其X方向侧边的折叠梁Ⅱ13与敏感梳齿梁12连接，敏感梳齿梁12通过两端的折叠梁Ⅰ10连接在锚点上；固定在敏感梳齿梁12上的动梳齿与固定在敏感检测电极15上的静梳齿构成敏感检测梳齿对14，以完成敏感方向的电容检测；
在Y方向侧边上，质量块11通过折叠梁Ⅱ13与平行于质量块Y向侧边的杠杆3的中心连接；在杠杆3的中心和两个端点之间，对称布有两个支点，支点离杠杆中心的距离d2为900微米，支点离杠杆端点的距离d1为90微米，两根X向的杠杆支点梁2分别将所述的两个支点和锚点连接；同时杠杆3的两个端点分别和两根呈直角弯曲的驱动传递梁1连接，两根驱动传递梁1的另一端则分别与驱动梳齿梁6的两个端点连接，且驱动传递梁1的宽度小于驱动梳齿梁6的宽度；同时驱动梳齿梁6的两个端点通过折叠梁Ⅰ10连接在锚点上；固定在驱动梳齿梁6的驱动梳齿与固定在驱动电极7上的驱动静梳齿构成驱动梳齿对8，以完成驱动；固定在驱动梳齿梁6的驱动检测梳齿与固定在驱动检测电极4上的驱动检测静梳齿构成驱动检测梳齿对8，以完成驱动方向的电容检测。
本发明提出的放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺的工作原理：质量块11上接一固定电压信号，当在驱动电极7上加上周期性的电压信号时，在驱动梳齿对8的静电力作用下，驱动梳齿梁6沿X方向周期性往复运动，设其运动的速度v0。同时，通过驱动检测梳齿对5完成对驱动方向电容的检测。驱动梳齿梁6在X向的运动通过驱动传递梁1传递到杠杆3的两端，在杠杆3的作用下，杠杆3的中心产生较大的运动速度v1(v1＞v0)，该运动通过折叠梁Ⅱ13传递到质量块11上，从而使质量块产生X向的运动速度v1。如果陀螺在绕Z轴方向有角速度ω输入时，在Y轴方向上会产生科氏力，引起质量块在Y轴方向上的位移，通过检测敏感检测梳齿对14上的电容变化量，获得输入角速度ω的信息。其中，在理想情况下，杠杆3对质量块在X方向上的速度放大作用为d2/d1，即v1/v0＝10。由科氏力计算公式F＝2mv×ω得，在输入角速度不变的情况上，科氏力也增加到了原来的10倍，因科氏力引起陀螺敏感方向的电容变化量也增加到原来的10倍。即陀螺系统的机械灵敏度也提高到原来的10倍。
实施例2：
本实施例中的放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺，包括质量块11；以质量块11中心为原点，与质量块一边平行的方向为X方向，与另一方向平行的方向为Y方向，本发明提出的放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺在X方向上关于Y轴对称，在Y轴方向上关于X轴对称；
所述质量块11通过连在其X方向侧边的折叠梁Ⅱ13与敏感梳齿梁12连接，敏感梳齿梁12通过两端的折叠梁Ⅰ10连接在锚点上；固定在敏感梳齿梁12上的动梳齿与固定在敏感检测电极15上的静梳齿构成敏感检测梳齿对14，以完成敏感方向的电容检测；
在Y方向侧边上，质量块11Y向侧边的中点通过折叠梁Ⅱ13与平行于质量块Y向侧边的杠杆3的一个端点连接，根据定义，该连接点为第二驱动传递点；杠杆3的另一个端点通过支点梁2固定在锚点上，根据定义，该连接点为支点；所述支点与第二驱动传递点之间有一根驱动传递梁1与驱动梳齿梁6连接，根据定义，该连接点为第一驱动连接点。所述支点离第一驱动传递点的距离d1为90微米，所述支点离第二驱动传递点的距离d2为990微米；同时，驱动梳齿梁6的两个端点通过折叠梁Ⅰ10连接在锚点上；固定在驱动梳齿梁6的驱动梳齿与固定在驱动电极7上的驱动静梳齿构成驱动梳齿对8，以完成驱动；固定在驱动梳齿梁6的驱动检测梳齿与固定在驱动检测电极4上的驱动检测静梳齿构成驱动检测梳齿对8，以完成驱动方向的电容检测。
本发明提出的放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺的工作原理：质量块11上接一固定电压信号，当在驱动电极7上加上周期性的电压信号时，在驱动梳齿对8的静电力作用下，驱动梳齿梁6沿X方向周期性往复运动，设其运动的速度v0。同时，通过驱动检测梳齿对5完成对驱动方向电容的检测。驱动梳齿梁6在X向的运动通过驱动传递梁1传递到杠杆3的两端，在杠杆3的作用下，杠杆3的中心产生较大的运动速度v1(v1＞v0)，该运动通过折叠梁Ⅱ13传递到质量块11上，从而使质量块产生X向的运动速度v1。如果陀螺在绕Z轴方向有角速度ω输入时，在Y轴方向上会产生科氏力，引起质量块在Y轴方向上的位移，通过检测敏感检测梳齿对14上的电容变化量，获得输入角速度ω的信息。其中，在理想情况下，杠杆3对质量块在X方向上的速度放大作用为d2/d1，即v1/v0＝11。由科氏力计算公式F＝2mv×ω得，在输入角速度不变的情况上，科氏力也增加到了原来的11倍，因科氏力引起陀螺敏感方向的电容变化量也增加到原来的11倍。即陀螺系统的机械灵敏度也提高到原来的11倍。
实施例3：
本实施例中的放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺，包括质量块11；以质量块11中心为原点，与质量块一边平行的方向为X方向，与另一方向平行的方向为Y方向，本发明提出的放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺在X方向上关于Y轴对称，在Y轴方向上关于X轴对称；
所述质量块11通过连在其X方向侧边的折叠梁Ⅱ13与敏感梳齿梁12连接，敏感梳齿梁12通过两端的折叠梁Ⅰ10连接在锚点上；固定在敏感梳齿梁12上的动梳齿与固定在敏感检测电极15上的静梳齿构成敏感检测梳齿对14，以完成敏感方向的电容检测；
在Y方向侧边上，质量块11Y向侧边的两端通过折叠梁Ⅱ13与平行于质量块Y向侧边的杠杆3的一个端点连接，根据定义，该连接点为第二驱动传递点；杠杆3的另一个端点通过支点梁2固定在锚点上，根据定义，该连接点为支点；所述支点与第二驱动传递点之间有一根驱动传递梁1与驱动梳齿梁6连接，根据定义，该连接点为第一驱动连接点。所述支点离第一驱动传递点的距离d1为100微米，所述支点离第二驱动传递点的距离d2为900微米；同时，驱动梳齿梁6的两个端点通过折叠梁Ⅰ10连接在锚点上；固定在驱动梳齿梁6的驱动梳齿与固定在驱动电极7上的驱动静梳齿构成驱动梳齿对8，以完成驱动；固定在驱动梳齿梁6的驱动检测梳齿与固定在驱动检测电极4上的驱动检测静梳齿构成驱动检测梳齿对8，以完成驱动方向的电容检测。
本发明提出的放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺的工作原理：质量块11上接一固定电压信号，当在驱动电极7上加上周期性的电压信号时，在驱动梳齿对8的静电力作用下，驱动梳齿梁6沿X方向周期性往复运动，设其运动的速度v0。同时，通过驱动检测梳齿对5完成对驱动方向电容的检测。驱动梳齿梁6在X向的运动通过驱动传递梁1传递到杠杆3的两端，在杠杆3的作用下，杠杆3的中心产生较大的运动速度v1(v1＞v0)，该运动通过折叠梁Ⅱ13传递到质量块11上，从而使质量块产生X向的运动速度v1。如果陀螺在绕Z轴方向有角速度ω输入时，在Y轴方向上会产生科氏力，引起质量块在Y轴方向上的位移，通过检测敏感检测梳齿对14上的电容变化量，获得输入角速度ω的信息。其中，在理想情况下，杠杆3对质量块在X方向上的速度放大作用为d2/d1，即v1/v0＝9。由科氏力计算公式F＝2mv×ω得，在输入角速度不变的情况上，科氏力也增加到了原来的9倍，因科氏力引起陀螺敏感方向的电容变化量也增加到原来的9倍。即陀螺系统的机械灵敏度也提高到原来的9倍。

Claims (1)

1.一种放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺，包括质量块(11)；以质量块(11)中心为原点，与质量块一边平行的方向为X方向，与另一方向平行的方向为Y方向，本发明提出的放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺在X方向上关于Y轴对称，在Y轴方向上关于X轴对称；
所述质量块(11)通过连在其X方向侧边的折叠梁Ⅱ(13)与敏感梳齿梁(12)连接，敏感梳齿梁(12)通过两端的折叠梁Ⅰ(10)连接在锚点上；固定在敏感梳齿梁(12)上的动梳齿与固定在敏感检测电极(15)上的静梳齿构成敏感检测梳齿对(14)，以完成敏感方向的电容检测；
在Y方向侧边上，质量块(11)通过折叠梁Ⅱ(13)与平行于质量块Y向侧边的杠杆(3)连接，所述叠梁Ⅱ(13)与杠杆(3)的连接点称为第二驱动传递点；两根杠杆支点梁(2)将所述杠杆(3)连接在锚点上，杠杆支点梁(2)和杠杆(3)的连接点称为支点；同时杠杆(3)还分别通过两根驱动传递梁(1)与驱动梳齿梁(6)连接，所述杠杆(3)与驱动传递梁(1)的连接点称为第一驱动传递点；必须满足：支点离第一驱动传递点的距离d1小于支点离第二驱动传递点的距离d2；同时驱动梳齿梁(6)的两个端点通过折叠梁Ⅰ(10)连接在锚点上；固定在驱动梳齿梁(6)的驱动梳齿与固定在驱动电极(7)上的驱动静梳齿构成驱动梳齿对(8)，以完成驱动；固定在驱动梳齿梁(6)的驱动检测梳齿与固定在驱动检测电极(4)上的驱动检测静梳齿构成驱动检测梳齿对(8)，以完成驱动方向的电容检测。
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