CN102305626A - 一种新型mems离心式陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的MEMS离心式陀螺技术，属于惯性测量领域。该陀螺的四个质量块环形均布在中心锚点7四周，且各质量块和中心锚点7均通过弹性梁6连接；相邻的各质量块之间通过两根平行的弧形解耦梁7相连；各质量块4各布有一组活动梳齿8，并与相应的固定梳齿9形成梳齿电容。当外界有角速度输入时，MEMS离心式陀螺由于离心力而发生位移，通过检测这个位移就可推算出外界输入的角速度的大小。与其它的MEMS陀螺相比，本陀螺无需驱动，利用自身的惯性运动即可实现对角速度的检测，因此降低了能量的消耗；因此没有驱动，布朗噪声会大大降低，零偏稳定性会大大提高；同时可以消除MEMS振动式陀螺的正交耦合误差，提高了精度。

Description

一种新型MEMS离心式陀螺

所属领域

本发明提出一种新型的MEMS离心式陀螺技术，属于惯性测量领域。

背景技术

随着微机电系统MEMS技术的发展，作为测量物体相对惯性空间转动角速度或角度的微机械陀螺仪，由于具有体积小，质量轻，成本低，功耗微，可靠性高等优点，在汽车安全、惯性导航、机器人控制等军民用领域，具有广阔的应用前景，特别是微卫星、微飞行器等武器装备更是对微陀螺提出了轻小化、高精度的要求。低成本、高精度及多输入轴微机械陀螺仪成为目前微陀螺研究的主攻方向。

现有的MEMS陀螺主要分为MEMS振动式陀螺和MEMS转子陀螺。

MEMS振动式陀螺是当前陀螺研究及应用的主流，它是基于一个高频线振动或角振动的振子，利用科氏效应所产生的运动耦合来检测输入角速率。文献“N.Yazdi，F.Ayazi，and K.Najafi，Micromachined inertial sensors，Proc.IEEE，Vol.86，No.8，pp.1640-1659，Aug.1998”，提到这种振动式陀螺的抗冲击能力较差，结构容易疲劳，且存在正交耦合误差等问题，使得MEMS振动式陀螺仅定位于中低精度的应用。

MEMS转子陀螺则是一种能实现高精度、多轴惯性测量的新型MEMS陀螺。文献“ShigeruNAKAMURA，MEMS inertial sensor toward higher accuracy & multi-axis sensing，IEEE Sensors，2005，pp.939-942”提到，它包含一个悬浮的转子，这种悬浮可以通过静电悬浮或者磁悬浮来实现，其也是利用科氏效应实现对X、Y两个方向角速率的检测，并从原理上消除了MEMS振动式陀螺所固有的正交耦合误差，同时这种转子陀螺还可以敏感三个正交方向的线加速度，有利于降低微惯性测量单元的器件尺寸和成本。这种转子陀螺的精度极限主要由其转子的转速决定，根据目前已有的静电悬浮技术，其精度极限可以相对于振动式陀螺提高1-2个数量级。但这种转子陀螺，以目前的微细加工工艺水平，仍极难实现，并且其运动控制极其复杂，因而使得该项技术目前在实际中还很难得到应用。

发明内容

本发明的目的是：为了克服现有MEMS振动式陀螺噪声高，零偏稳定性差和存在正交耦合误差，和MEMS转子陀螺成本高，控制复杂的缺点，本发明公开了一种新型的MEMS离心式陀螺。

本发明的技术方案是：

一种MEMS离心式陀螺，包括第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4、解耦梁5、弹性梁6、中心锚点7、活动梳齿8和固定梳齿9；所述第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4环形均布在中心锚点7四周，第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4和中心锚点7均通过弹性梁6连接；相邻的各质量块之间通过两根平行的弧形解耦梁7相连；第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3和第四质量块4上各布有一组活动梳齿8，并与相应的固定梳齿9形成梳齿电容。中心锚点7中心到各质量块中心的距离为r，每个质量块的质量均为m。

属于本发明同一构思的另一种MEMS离心式陀螺，包括第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4、解耦梁5、弹性梁6、中心锚点7、活动梳齿8、固定梳齿9和对角锚点10；所述的第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4环形均布在中心锚点7四周，第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4和中心锚点7均通过弹性梁6连接；相邻的两个质量块之间为对角锚点10，且各质量块通过解耦梁5支撑悬置在其相邻的两个对角锚点10上；第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3和第四质量块4上各布有一组活动梳齿8，并与相应的固定梳齿9形成梳齿电容。中心锚点7中心到各质量块中心的距离为r，每个质量块的质量均为m。

本发明的有益效果是：本发明提出的MEMS离心式陀螺利用的是转动物体在转动过程中产生的离心力的作用。当外界有角速度输入时，MEMS离心式陀螺由于离心力而发生位移，通过检测这个位移就可推算出外界输入的角速度的大小。与其它的MEMS陀螺相比，本发明的有益效果是：无需驱动，利用自身的惯性运动即可实现对角速度的检测，因此降低了能量的消耗；MEMS陀螺的零偏主要来源于驱动引起的布朗噪声，因此没有驱动，布朗噪声会大大降低，零偏稳定性会大大提高；同时可以消除MEMS振动式陀螺的正交耦合误差，提高了精度。

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

附图说明

图1：实施例1中的MEMS离心式陀螺结构示意图

图2：实施例2中的MEMS离心式陀螺结构示意图

图3：本发明提出的MEMS离心式陀螺原理示意图

图中，1-第一质量块，2-第二质量块，3-第三质量块，4-第四质量块，5-解耦梁、6-弹性梁、7-中心锚点、8-活动梳齿，9-固定梳齿，10-对角锚点

具体实施方式：

实施例1

参阅图1，一种MEMS离心式陀螺，包括第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4、解耦梁5、弹性梁6、中心锚点7、活动梳齿8和固定梳齿9；所述第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4环形均布在中心锚点7四周，第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4和中心锚点7均通过弹性梁6连接；相邻的各质量块之间通过两根平行的弧形解耦梁7相连；第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3和第四质量块4上各布有一组活动梳齿8，并与相应的固定梳齿9形成梳齿电容。

本实施例中MEMS离心式陀螺的理论分析如图3所示，OZ轴为外界角速度的输入轴，O’Z为陀螺器件的中心，图1中的中心锚点7简化为图3中的器件中心质点O’，四个质量块分别简化为图3中的围绕O’点的四个质点。中心锚点7的中心到各质量块中心的距离为r，每个质量块的质量均为m。转动轴OZ与器件中心轴O’Z的距离为R，一般情况下，R＞＞r，当外界有角速度ω输入时，则这个绕OZ轴的转动可以等效为沿O’O的平动和绕器件中心轴O’Z的转动。器件所受的力也就可以等效为平动的力F_C＝4mRω²，方向沿O’O和各个质量块所受的指向O’Z轴的离心力。由于R＞＞r，各个质量块所受的平动的力F_RU、F_RD、F_RL和F_RR可以近乎相等，且F_RU＝F_RD＝F_RL＝F_RR＝F_C/4＝mRω²。各个质量块所受的指向O’Z轴的离心力F_ru、F_rd、F_rl和F_rr大小相等，且为F_ru＝F_rd＝F_rl＝F_rr＝mrω²。将各个质量块所受的平动的力F_RU、F_RD、F_RL和F_RR沿X、Y轴分解，F_RU分解为F_RUX＝F_RU·cosα和F_RUY＝F_RU·sinα，F_RD分解为F_RDX＝F_RD·cosα和F_RDY＝F_RD·sinα，F_RL分解为F_RLX＝F_RL·cosα和F_RLY＝F_RL·sinα，F_RR分解为F_RRX＝F_RR·cosα和F_RRY＝F_RR·sinα，因此F_RUX＝F_RDX＝F_RLX＝F_RRX，F_RUY＝F_RDY＝F_RLY＝F_RRY。四个质量块所受的沿着切向方向的力，将通过解耦梁5抵消掉，因此质量块不会产生切向的位移，质量块只会受到沿着径向的力并沿着径向移动。第一质量块1所受的力F_U＝F_RUY+F_ru，第二质量块2所受的力F_D＝F_RDY-F_rd，第三质量块3所受的力F_L＝F_RLX+F_rl，第四质量块4所受的力F_R＝F_RRX-F_rr，则将第一质量块1和第二质量块2所受的力相减得，F_U-F_D＝(F_RUY+F_ru)-(F_RDY-F_rd)＝F_ru+F_rd＝2mrω²，将第四质量块4和第三质量块3所受的力相减得，F_R-F_L＝(F_RRX+F_rr)-(F_RLX-F_rl)＝F_rr+F_rl＝2mrω²。可以看到得出的是两个关于ω的关系式，而m和r都是常量。质量块所受的力可以通过检测质量块运动的位移获得，因此就可反推出外界输入的角速度ω。

当外界有角速度ω输入时，解耦梁5使各个质量块在离心力的作用下只在径向有位移，在周向没有位移，弹性梁6保证了质量块的径向移动，各质量块上的活动梳齿8和固定梳齿9会产生一个位移，进而活动梳齿8和固定梳齿9之间的电容发生变化，通过电路检测第一质量块1和第二质量块2上变化的梳齿电容推得第一质量块1、第二质量块2的位移分别为d_u＝1.0×10^-13m和d_d＝1.1×10^-13m，沿着径向各个质量块的运动刚度均为k＝5N/m，因此第一质量块1和第二质量块2所受的沿着径向的力分别为：

F_U＝kd_u＝5×1.0×10^-13＝5×10^-13N，F_D＝kd_d＝5×1.1×10^-13＝5.5×10^-13N。

质量块1和质量块2的质量m＝2×10^-7kg，器件中心距质量块中心的距离r＝2×10^-3m，由上面推得的公式F_U-F_D＝2mrω²，计算出输入的角速度为：

$\mathrm{\ω}=\sqrt{\left|\frac{F_U-F_D}{2\mathrm{mr}}\right|}=\sqrt{\left|\frac{5\×{10}^{-13}-5.5\×{10}^{-13}}{2\×2\×{10}^{-7}\×2\×{10}^{-3}}\right|}=8\×{10}^{-3}\mathrm{rad}/s.$

实施例2

参阅图2，本实施例的MEMS离心式陀螺，包括第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4、解耦梁5、弹性梁6、中心锚点7、活动梳齿8、固定梳齿9和对角锚点10；所述的第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4环形均布在中心锚点7四周，第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4和中心锚点7均通过弹性梁6连接；相邻的两个质量块之间为对角锚点10，且各质量块通过解耦梁5支撑悬置在其相邻的两个对角锚点10上；第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3和第四质量块4上各布有一组活动梳齿8，并与相应的固定梳齿9形成梳齿电容。中心锚点7中心到各质量块中心的距离为r，每个质量块的质量均为m。

其基本原理是，当外界有角速度ω输入时，解耦梁5使各个质量块在离心力的作用下只在径向有位移，在周向没有位移，弹性梁6保证了质量块的径向移动，质量块上的活动梳齿8和固定梳齿9会产生一个位移，进而活动梳齿8和固定梳齿9之间的电容发生变化，通过电路检测第三质量块3和第四质量块4上变化的梳齿电容推得第三质量块3和第四质量块4的位移分别为d₁＝1.2×10^-11m和d_r＝1.3×10^-11m，沿着径向各个质量块的运动刚度均为k＝2N/m，因此第三质量块3和第四质量块4所受的沿着径向的力分别为：

F_L＝kd_l＝2×1.2×10^-11＝2.4×10^-11N，F_R＝kd_r＝2×1.3×10^-11＝2.6×10^-11N。

质量块3和质量块4的质量m＝1×10^-7kg，器件中心距质量块中心的距离r＝2×10^-3m，由上面推得的公式F_R-F_L＝2mrω²，计算出输入的角速度为：

$\mathrm{\ω}=\sqrt{\left|\frac{F_R-F_L}{2\mathrm{mr}}\right|}=\sqrt{\left|\frac{2.6\×{10}^{-11}-2.4\×{10}^{-11}}{2\×1\×{10}^{-7}\×2\×{10}^{-3}}\right|}=0.07\mathrm{rad}/s.$

Claims (2)

1.一种MEMS离心式陀螺，其特征在于：包括第一质量块(1)、第二质量块(2)、第三质量块(3)、第四质量块(4)、解耦梁(5)、弹性梁(6)、中心锚点(7)、活动梳齿(8)和固定梳齿(9)；所述第一质量块(1)、第二质量块(2)、第三质量块(3)、第四质量块(4)环形均布在中心锚点(7)四周，第一质量块(1)、第二质量块(2)、第三质量块(3)、第四质量块(4)和中心锚点(7)均通过弹性梁(6)连接；相邻的各质量块之间通过两根平行的弧形解耦梁(7)相连；第一质量块(1)、第二质量块(2)、第三质量块(3)和第四质量块(4)上各布有一组活动梳齿(8)，并与相应的固定梳齿(9)形成梳齿电容。

2.一种MEMS离心式陀螺，其特征在于：包括第一质量块(1)、第二质量块(2)、第三质量块(3)、第四质量块(4)、解耦梁(5)、弹性梁(6)、中心锚点(7)、活动梳齿(8)、固定梳齿(9)和对角锚点(10)；所述的第一质量块(1)、第二质量块(2)、第三质量块(3)、第四质量块(4)环形均布在中心锚点(7)四周，第一质量块(1)、第二质量块(2)、第三质量块(3)、第四质量块(4)和中心锚点(7)均通过弹性梁(6)连接；相邻的两个质量块之间为对角锚点(10)，且各质量块通过解耦梁(5)支撑悬置在其相邻的两个对角锚点(10)上；第一质量块(1)、第二质量块(2)、第三质量块(3)和第四质量块(4)上各布有一组活动梳齿(8)，并与相应的固定梳齿(9)形成梳齿电容。

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