CN103398708B - 一种双敏感模态的微机械陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种新型的双敏感模态的微机械陀螺结构，主要是为了提高微机械陀螺的增益来提高灵敏度。本发明设计的微机械陀螺结构把完全的二自由度振动结构应用在驱动模态和敏感模态，而且采用双敏感模态结构，即敏感模态拥有两个完全的二自由度振动结构，分别通过检测质量块与驱动模态的驱动框架和解耦框架相连，实现双敏感模态与驱动模态的解耦。完全的二自由度结构可以增加驱动模态和敏感模态的3dB带宽，提高陀螺系统的稳定性；双敏感模态可以提高陀螺系统的整体输出增益，提高系统的灵敏度。本发明具有稳定性好、抗干扰以及高灵敏度的优点，并且避免了真空封装，有利于广泛的实际应用。

Description

一种双敏感模态的微机械陀螺

技术领域

本发明涉及的是一种具有双敏感模态的微机械陀螺结构。

背景技术

微机械陀螺的发展研究开始于上世纪80年代末，在过去的20多年的时间里，许多国家的研究机构对微机械陀螺进行了深入的研究，并且取得了一定的研究成果。现在，微机械陀螺已经被应用到电子、汽车工业以及智能导航系统等领域，而且随着时间的发展，其应用范围不断扩大。目前，微机械陀螺的研究主要集中在新型器件结构的设计，如何设计良好的微机械陀螺结构来提升微机械陀螺的性能。而对微机械陀螺的结构设计主要分为二自由度结构和多自由度结构：二自由度微机械陀螺结构的驱动模态和敏感模态都采用单自由度振动结构，主要是通过两个模态的共振频率匹配来实现增益的提升，从而提高灵敏度；多自由度微机械陀螺把二自由度振动结构应用到驱动模态或敏感模态，利用二自由度振动结构提供稳定的平坦区域来提高陀螺系统的带宽，从而提高微机械陀螺的稳定性。

目前的多自由度微机械陀螺结构设计中，驱动模态和敏感模态主要采用动态吸振器结构或完全的二自由度振动结构来实现模态的解耦，并提高系统的稳定性，增强陀螺系统的抗干扰能力。例如专利申请号为201210124320.9，名称为“一种四自由度微机械陀螺”的专利文件中公开的微机械陀螺在驱动模态和敏感模态都采用完全的二自由度振动结构，驱动模态和敏感模态通过解耦框架和检测质量块连接在一起，该微机械陀螺尽管保证了驱动模态和敏感模态的稳定性，但是陀螺系统的增益较低，从而影响微机械陀螺的灵敏度或分辨率。因此，如何保证陀螺系统稳定性的带宽的同时来提高陀螺系统的增益，是现在多自由度微机械陀螺存在的一个重要问题，这也限制了多自由度微机械陀螺的应用领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有较高的系统带宽，同时具有较高的系统增益，稳定性好、灵敏度高的双敏感模态微机械陀螺。

本发明的目的是这样实现的：主要由驱动框架1、静驱动梳齿9和动驱动梳齿10、解耦框架2、第一检测质量块3和第二检测质量块4、第一检测框架5和第二检测框架6、第一敏感质量块7和第二敏感质量块8、第一静敏感梳齿11和第一动敏感梳齿12、第二静敏感梳齿13和第二动敏感梳齿14构成；静驱动梳齿9和动驱动梳齿10为电容梳齿式驱动单元，所述的驱动单元设置在驱动框架1上，驱动框架1通过弹簧梁一15与锚点一24相连，解耦框架2通过弹簧梁三17与锚点二25相连，驱动框架1和解耦框架2通过弹簧梁二16相连，构成驱动模态。第一检测质量块3通过弹簧梁四18与驱动框架1相连、通过弹簧梁一15与第一检测框架5相连，第一检测框架5通过弹簧梁四18与锚点三26相连，第一检测框架5通过弹簧梁五19与第一敏感质量块7相连，第一敏感质量块7通过弹簧六20与锚点四27相连，第一静敏感梳齿11和第一动敏感梳齿12构成的敏感单元设置在第一敏感质量块7上，形成敏感模态的单元一；第二检测质量块4通过弹簧梁七21与解耦框架2相连、通过弹簧梁三17与第二检测框架6相连，第二检测框架6通过弹簧梁七21与锚点五28相连，第二检测框架6通过弹簧梁八22与第二敏感质量块8相连，第二敏感质量块8通过弹簧梁九23与锚点六29相连，第二静敏感梳齿13和第二动敏感梳齿14构成的敏感单元设置在第二敏感质量块8上，形成敏感模态的单元二，单元一和单元二构成敏感模态；通过检测第一敏感质量块7和第二敏感质量块8上敏感单元的电容变化来计算外部的输入角速度。

本发明的主要特点在于：

1、由静驱动梳齿9和动驱动梳齿10、驱动框架1、解耦框架2、构成的驱动模态和由第一静敏感梳齿11和第一动敏感梳齿12、第二静敏感梳齿13和第二动敏感梳齿14、第一检测质量块3和第二检测质量块4、第一检测框架5和第二检测框架6、第一敏感质量块7和第二敏感质量块8构成敏感模态的单元一和单元二均为完全的二自由度振动结构，其中驱动单元和敏感单元的梳齿数量由驱动框架1、第一敏感质量块7和第二敏感质量块8的质量来确定；

2、本发明是一种具有双敏感模态的微机械陀螺结构，双敏感模态的单元一和单元二均为完全的二自由度振动结构，敏感模态的单元一和单元二分别通过第一检测质量块3和第二检测质量块4与驱动模态的驱动框架1和解耦框架2相连，从而实现驱动模态和敏感模态的振动隔离。

附图说明：

图1是本发明的陀螺结构框架简化图。

图2是本发明的陀螺结构简化模型。

图3是本发明的工作原理图。

图4是本发明的陀螺驱动模态驱动框架的动态响应。

图5是本发明的陀螺驱动模态解耦框架的动态响应。

图6是本发明的陀螺驱动模态相位调制后的总动态响应。

图7是本发明的陀螺敏感模态敏感单元一的输出。

图8是本发明的陀螺敏感模态敏感单元二的输出。

图9是本发明的陀螺敏感模态相位调制后的总输出。

图10是本发明的驱动模态的幅频响应。

图11是本发明的敏感模态的幅频响应。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作更详细的描述：

结合图1本发明的结构主要包括驱动框架1、解耦框架2、静驱动梳齿9和动驱动梳齿10、第一检测质量块3和第二检测质量块4、第一检测框架5和第二检测框架6、第一敏感质量块7和第二敏感质量块8、第一静敏感梳齿11和第一动敏感梳齿12、第二静敏感梳齿13和第二动敏感梳齿14。静驱动梳齿9和动驱动梳齿10构成的驱动单元被设置在驱动框架1上，驱动框架1和锚点一24通过弹簧梁一15相连，驱动框架1和解耦框架2通过弹簧梁二16相连，解耦框架2和锚点二25通过弹簧梁三17相连，从而构成微机械陀螺的驱动模态。第一检测质量块3和驱动框架1通过弹簧梁四18相连，并和第一检测框架5通过弹簧梁一15相连，第一检测框架5和锚点三26通过弹簧梁四18相连，第一检测框架5和第一敏感质量块7通过弹簧梁五19相连，第一敏感质量块7和锚点四27通过弹簧梁六20相连，第一静敏感梳齿11和第一动敏感梳齿12构成的敏感单元被设置在第一敏感质量块7上，从而形成双敏感模态的单元一；第二检测质量块4和解耦框架2通过弹簧梁七21相连，并和第二检测框架6通过弹簧梁三17相连，第二检测框架6和锚点五28通过弹簧梁七21相连，第二检测框架6和第二敏感质量块8通过弹簧梁八22相连，第二敏感质量块8和锚点六29通过弹簧梁九23相连，第二静敏感梳齿13和第二动敏感梳齿14构成的敏感单元被设置在第二敏感质量块8上，从而形成双敏感模态的单元二，单元一和单元二共同构成敏感模态。通过检测敏感单元的梳齿电容变化可以计算外部的输入角速度。

第一检测质量块3通过弹簧梁四18、弹簧梁一15分别和驱动框架1、第一检测框架5相连，从而将驱动模态和敏感模态的单元一连接在一起，实现驱动模态到敏感模态单元一的能量转化；第二检测质量块4通过弹簧梁七21、弹簧梁三17分别和解耦框架2、第二检测框架6相连，从而将驱动模态和敏感模态的单元二连接在一起，实现驱动模态到敏感模态单元一的能量转化；敏感模态的单元一和单元二构成了双敏感模态。

结合图2可以看出，驱动模态由驱动框架1、解耦框架2以及弹簧梁一15、弹簧梁二16、弹簧梁三17构成，使驱动模态成为完全的二自由度振动结构。从图2中的敏感模态可以看出，敏感模态包括单元一和单元二，单元一由第一检测质量块3、第一敏感质量块7以及弹簧梁四18、弹簧梁五19、弹簧梁六20构成，形成完全的二自由度振动结构；单元二由第二检测质量块4、第二敏感质量块8以及弹簧梁七21、弹簧梁八22、弹簧梁九23构成，形成完全的二自由度振动结构，从而构成双敏感模态。第一检测质量块3和第二检测质量块4起到连接驱动模态和敏感模态的作用，同时实现驱动模态和敏感模态之间的运动隔离。

工作方式：陀螺的工作原理如图3所示。通过驱动框架1上的驱动单元对驱动框架1施加的正弦驱动力，使驱动框架1、解耦框架2以及相连的第一检测质量块3和第二检测质量块4一起在驱动方向x上做简谐振动；当有沿z轴的外界角速度Ω_z输入时，由于陀螺效应中的哥氏效应，会产生沿敏感方向y的哥氏力作用在敏感模态单元一和单元二的第一检测质量块3和第二检测质量块4上，从而使第一检测质量块3和第二检测质量块4与相连的第一检测框架5和第二检测框架6以及第一敏感质量块7和第二敏感质量块8在敏感方向y上做简谐振动。第一敏感质量块7和第二敏感质量块8的运动会引起设置在其上的敏感单元的电容发生变化，通过检测电容的变化可以计算出沿z轴输入的角速度Ω_z。由于驱动框架1和解耦框架2的简谐运动有一定的相位差，因此在对两个敏感模态的输出信号采取相加运算之前，先对敏感单元二的输出信号进行相位调整。

理论依据：从双敏感模态微机械陀螺结构的简化框架图1和模型图2可以看出，驱动模态是完全的二自由度振动结构，因此驱动模态的动态方程如下：

$(m_d+m_1){\stackrel{\·\·}{x}}_1+(c_1+c_2){\stackrel{\·}{x}}_1-c_2{\stackrel{\·}{x}}_2+(k_1+k_2)x_1-k_2{x}_2=F_d---\left(1.1\right)$

$(m_f+m_1){\stackrel{\·\·}{x}}_2+(c_2+c_3){\stackrel{\·}{x}}_2-c_2{\stackrel{\·}{x}}_1+(k_2+k_3)x_2-k_2{x}_1=0---(1.2)$

其中，x₁、x₂为驱动框架1、解耦框架2在驱动方向x上的运动，分别为x_i的一阶导数和二阶导数(i=1,2)。m_d、m_f、m₁分别为驱动框架1、解耦框架2、第一检测质量块3和第二检测质量块4的质量，k₁、k₂、k₃分别为连接驱动框架1和解耦框架2的弹簧梁一15、弹簧梁二16、弹簧梁三17的刚度系数，c₁、c₂、c₃为与弹簧梁一15、弹簧梁二16、弹簧梁三17对应的阻尼系数。F_d为施加在驱动框架1上的正弦驱动力。

从设计的双敏感模态微机械陀螺的简化框架图1可以看出，敏感模态的单元一和单元二分别通过第一检测质量块3和第二检测质量块4与驱动框架1和解耦框架2相连，由于哥氏效应产生的哥氏力分别通过第一检测质量块3和第二检测质量块4作用在敏感模态的单元一和单元二上，因此第一检测质量块3和第二检测质量块4在驱动方向x上的运动x₁和x₂均需要求解。

根据振动力学中有阻尼二自由度强迫振动的知识可以求解出第一检测质量块3和第二检测质量块4在驱动方向上的运动x₁、x₂的表达式如下：

$x_1=\frac{(k_2+k_3-(m_f+m_1){\mathrm{\ω}}^2+\mathrm{j\ω}(c_2+c_3))F_d}{{\mathrm{\Δ}}_d\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(1.3\right)$

$x_2=\frac{(k_2+\mathrm{j\ω}{c}_2)F_d}{{\mathrm{\Δ}}_d\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(1.4\right)$

其中，ω为驱动频率，j为虚数的单位，

Δ_d(ω)=(k₁+k₂-(m_d+m₁)ω²+jω(c₁+c₂))(k₂+k₂-(m_f+m₁)ω²+jω(c₂+c₃))-(k₂+jωc₂)²。把驱动模态的解用一般的三角函数形式表示，如下：

其中，X₁、X₂分别为驱动框架1、解耦框架2的振动幅值，分别为驱动框架1、解耦框架2相对于驱动力的相位延迟。

敏感模态的单元一和单元二均为完全的二自由度振动结构，因此敏感模态的单元一和单元二的动态方程均可以表示如下：

$(m_1+m_2){\stackrel{\·\·}{y}}_1+(c_4+c_5){\stackrel{\·}{y}}_1-c_5{\stackrel{\·}{y}}_2+(k_4+k_5)y_1-k_5{y}_2=F_c---(1.8)$

$m_3{\stackrel{\·\·}{y}}_2+(c_6+c_5){\stackrel{\·}{y}}_2-c_5{\stackrel{\·}{y}}_1+(k_6+k_5)y_2-k_5{y}_1=0---\left(1.9\right)$

其中，y₁、y₂为第一检测质量块3和第二检测质量块4(连同第一检测框架5和第二检测框架6)、第一敏感质量块7和第二敏感质量块8在敏感方向y上的运动，分别为y_i的一阶导数和二阶导数(i=1,2)。m₂、m₃分别为第一检测框架5和第二检测框架6、第一敏感质量块7和第二敏感质量块8的质量，k₄、k₅、k₆分别为敏感模态的弹簧梁四18和弹簧梁七21、弹簧梁五19和弹簧梁八22、弹簧梁六20和弹簧梁九23的刚度系数，c₄、c₅、c₆为与弹簧梁四18和弹簧梁七21、弹簧梁五19和弹簧梁八22、弹簧梁六20和弹簧梁九23对应的阻尼系数。F_c为由于外部角速度输入时哥氏效应产生的哥氏力。因为第一敏感质量块7和第二敏感质量块8的运动会引起单元的电容变化，因此在敏感模态的求解时只需要求第一敏感质量块7和第二敏感质量块8的运动y₂。

根据振动力学的知识，可以求解第一敏感质量块7和第二敏感质量块8在敏感方向y上的运动解如下：

$y_2=\frac{(k_5+\mathrm{j\ω}{c}_5)F_c}{{\mathrm{\Δ}}_s\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(1.10\right)$

其中，

Δ_s(ω)=(k₄+k₅-(m₁+m₂)ω²+jω(c₄+c₅))(k₅+k₆-m₃ω²+jω(c₅+c₆))-(k₅+jωc₅)²。如果不考虑驱动模态的相位差，则把敏感模态的解用一般的三角函数形式表示，如下：

y₂=Y₂cos(ωt+θ)        (1.11)

Y₂为第一敏感质量块7和第二敏感质量块8的振动幅值，θ为第一敏感质量块7和第二敏感质量块8相对于哥氏力的相位延迟。

下面对双敏感模态微机械陀螺的操作原理和设计原理进行分析。

从陀螺系统的解(1.3)、(1.4)和(1.10)中可以得到驱动模态和敏感模态的特征方程如下：

$(k_1+k_2-(m_d+m_1){\mathrm{\ω}}^2)(k_2+k_3-(m_f+m_1){\mathrm{\ω}}^2)-k_2^2=0---\left(1.12\right)$

$(k_4+k_5-(m_1+m_2){\mathrm{\ω}}^2)(k_5+k_6-m_3{\mathrm{\ω}}^2)-k_5^2=0---\left(1.13\right)$

设定双敏感模态微机械陀螺驱动模态和敏感模态的结构频率如下：

${\mathrm{\ω}}_{d1}^2=\frac{k_1+k_2}{m_d+m_1},{\mathrm{\ω}}_{d2}^2=\frac{k_2+k_3}{m_f+m_1},{\mathrm{\ω}}_{s1}^2=\frac{k_4+k_5}{m_1+m_2},{\mathrm{\ω}}_{s2}^2=\frac{k_5+k_6}{m_3}---\left(1.14\right)$

则驱动模态和敏感模态的特征方程可以改写为以下形式：

$({\mathrm{\ω}}_{d1}^2-{\mathrm{\ω}}^2)({\mathrm{\ω}}_{d2}^2-{\mathrm{\ω}}^2)-\frac{k_2^2}{(m_d+m_1)(m_f+m_1)}=0---\left(1.15\right)$

$({\mathrm{\ω}}_{s1}^2-{\mathrm{\ω}}^2)({\mathrm{\ω}}_{s2}^2-{\mathrm{\ω}}^2)-\frac{k_5^2}{(m_1+m_2)m_3}=0---\left(1.16\right)$

求解特征方程(1.15)和(1.16)可以得到驱动模态和敏感模态的共振频率：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dH},L}=\sqrt{\frac{1}{2}({\mathrm{\ω}}_{d1}^2+{\mathrm{\ω}}_{d2}^2\±\sqrt{{({\mathrm{\ω}}_{d1}^2-{\mathrm{\ω}}_{d2}^2)}^2+\frac{k_2^2}{(m_d+m_1)(m_f+m_1)}})}---\left(1.17\right)$

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sH},L}=\sqrt{\frac{1}{2}({\mathrm{\ω}}_{s1}^2+{\mathrm{\ω}}_{s2}^2\±\sqrt{{({\mathrm{\ω}}_{s1}^2-{\mathrm{\ω}}_{s2}^2)}^2+\frac{k_5^2}{(m_1+m_2)m_3}})}---\left(1.18\right)$

根据振动力学可以求得驱动模态和敏感模态中驱动框架1、第一检测框架5和第二检测框架6(连同第一检测质量块3和第二检测质量块4)的反共振频率ω_d0、ω_s0：

${\mathrm{\ω}}_{d0}=\frac{k_2+k_3}{m_f+m_1},{\mathrm{\ω}}_{s0}=\frac{k_5+k_6}{m_3}---\left(1.19\right)$

设定ω_d1=ω_d2=ω_d0和ω_s1=ω_s2=ω_s0，则驱动模态和敏感模态的共振频率可以写成如下形式：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{dH},L}=\sqrt{{\mathrm{\ω}}_{d0}^2\±\sqrt{\frac{k_2^2}{(m_d+m_1)(m_f+m_1)}}}---\left(1.20\right)$

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{sH},L}=\sqrt{{\mathrm{\ω}}_{s0}^2\±\sqrt{\frac{k_5^2}{(m_1+m_2)m_3}}}---\left(1.21\right)$

从(1.20)和(1.21)可以看出，驱动模态和敏感模态的反共振频率分别处于驱动模态和敏感模态的两个共振频率之间，因此为保证驱动模态和敏感模态拥有较高的带宽以及更好地确定稳定频率的范围，将驱动力的驱动频率与驱动模态和敏感模态的反共振频率设为相等，即ω_d=ω_d0=ω_s0。令Δ_d=ω_dH-ω_dL，Δ_s=ω_sH-ω_sL，代入到(1.20)和(1.21)可以解得：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_2={\mathrm{\Δ}}_d\sqrt{(m_d+m_1)(m_f+m_1)}\sqrt{{\mathrm{\ω}}_{d0}^2-0.25{\mathrm{\Δ}}_d^2}\\ k_1=(m_d+m_1){\mathrm{\ω}}_{d0}^2-k_2\\ k_3=(m_f+m_1){\mathrm{\ω}}_{d0}^2-k_2\end{array}\right.---\left(1.22\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{k}_5={\mathrm{\Δ}}_s\sqrt{(m_1+m_2)m_3}\sqrt{{\mathrm{\ω}}_{s0}^2-0.25{\mathrm{\Δ}}_s^2}\\ k_4=(m_1+m_2){\mathrm{\ω}}_{s0}^2-k_5\\ k_6=m_3{\mathrm{\ω}}_{s0}^2-k_5\end{array}\right.---\left(1.23\right)$

上式为双敏感模态微机械陀螺刚度系数的设计方程，在确定了陀螺结构的物理参数以及频率区间的设定后，可以根据(1.22)和(1.23)来计算出设计各个弹簧梁所需要的刚度值。对于设计方程，只要在参数设定时满足条件ω_d0>0.5Δ_d和ω_s0>0.5Δ_s，则就可以达到结构的实际实现，有效地提高了陀螺结构的设计空间。

仿真结果：根据陀螺的工作原理以及陀螺系统的求解，得到仿真结果如图4-图11所示。微机械陀螺驱动模态的动态响应如图4-图6所示，图4为驱动框架1的动态响应曲线，图5为相位调制后的解耦框架2的动态响应曲线，图6为驱动模态驱动框架1和解耦框架2的总体响应曲线，可以看出，经过驱动框架1与解耦框架2的相位差调制后的解耦框架响应信号2与驱动框架1的响应信号相位基本一致，满足输出信号的加和要求。

图7-图9为敏感模态单元一和单元二在一定角速度输入时的响应以及信号的总体输出响应曲线。图7为单元一第一敏感质量块7的响应输出，图8为单元二第二敏感质量块8的响应输出，从敏感模态总体输出响应曲线图9可以看出，敏感模态的单元一和单元二也满足输出信号的加和要求，这和驱动模态的动态响应是一致的。因此本发明提出的双敏感模态的双敏感模态微机械陀螺可以有效地利用双敏感模态提高陀螺系统的灵敏度。

从驱动模态的幅频特性图10可以看出，双敏感模态的幅频特性明显优于驱动框架1、解耦框架2以及单敏感模态的幅频特性，比之前的单敏感模态微机械陀螺的增益提高了大约8dB，并且在4.9kHz和5.1kHz之间具有稳定的频率区域，以5kHz为中心频率的3dB带宽大于200Hz。本发明的敏感模态的单元一和单元二为相同的完全二自由度振动结构，因此具有相同的幅频特性如图11。从图11可以看出，敏感模态的稳定频率区域也在4.9kHz和5.1kHz之间，以中心频率5kHz的3dB带宽优于200Hz。从微机械陀螺驱动模态和敏感模态的幅频特性曲线可以看出，两个模态的稳定区域完全匹配，从4.9kHz到5.1kHz为陀螺系统提供的3dB带宽优于200Hz，保证了陀螺系统的稳定性。而双敏感模态有效地提高了系统的增益，提高了陀螺系统的灵敏度。

Claims (1)

1.一种双敏感模态的微机械陀螺，其结构特征在于：结构主要由驱动框架(1)、解耦框架(2)、静驱动梳齿(9)和动驱动梳齿(10)、第一检测质量块(3)、第二检测质量块(4)、第一检测框架(5)、第二检测框架(6)、第一敏感质量块(7)、第二敏感质量块(8)、第一静敏感梳齿(11)、第一动敏感梳齿(12)、第二静敏感梳齿(13)、第二动敏感梳齿(14)构成；动驱动梳齿(10)设置在驱动框架(1)上，驱动框架(1)和锚点一(24)通过弹簧梁一(15)相连，驱动框架(1)和解耦框架(2)通过弹簧梁二(16)相连，解耦框架(2)和锚点二(25)通过弹簧梁三(17)连接，构成完全的二自由度的驱动模态；第一动敏感梳齿(12)设置在第一敏感质量块(7)上，第一检测质量块(3)和第一检测框架(5)通过弹簧梁一(15)相连，第一检测框架(5)和锚点三(26)通过弹簧梁四(18)相连，第一检测框架(5)和第一敏感质量块(7)通过弹簧梁五(19)相连，第一敏感质量块(7)和锚点四(27)通过弹簧梁六(20)连接，构成完全二自由度的敏感模态单元一；第二动敏感梳齿(14)设置在第二敏感质量块(8)上，第二检测质量块(4)和第二检测框架(6)通过弹簧梁三(17)相连，第二检测框架(6)和锚点五(28)通过弹簧梁七(21)相连，第二检测框架(6)和第二敏感质量块(8)通过弹簧梁八(22)相连，第二敏感质量块(8)和锚点六(29)通过弹簧梁九(23)连接，构成完全二自由度的敏感模态单元二；第一检测质量块(3)和驱动框架(1)通过弹簧梁四(18)相连，把敏感模态单元一和驱动模态连接在一起，第二检测质量块(4)和解耦框架(2)通过弹簧梁七(21)相连，把敏感模态单元二和驱动模态连接在一起，敏感模态单元一和敏感模态单元二共同构成敏感模态，通过检测敏感模态的电容变化来计算外部的输入角速度。