CN104819710B - 一种具有温度补偿结构的谐振式硅微机械陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种具有温度补偿结构的谐振式硅微机械陀螺，其消除温度对谐振式硅微机械陀螺工作的影响。该陀螺系统结构主要包括两个静电梳齿驱动驱动器，平板质量块、杠杆放大装置，双端谐振音叉，补偿音叉。为了较好地补偿温度误差，补偿音叉与双端谐振音叉具有相同的结构。微机械陀螺工作时，谐振音叉的谐振频率受轴向力与温度影响，补偿音叉的谐振频率仅受温度影响；由于两音叉结构完全相同，可通过数据处理单元对两音叉频率进行解算以消除温度对谐振频率的影响，得到微机械陀螺运动产生的科式力大小，进而计算出待测角频率。本发明不仅能够实现对谐振式硅微机械陀螺温度误差的补偿，同时也依旧保持了微机械陀螺系统体积小，功耗低的特点。

Description

一种具有温度补偿结构的谐振式硅微机械陀螺

技术领域

本发明设计一种具有温度补偿结构的谐振式硅微机械陀螺，属于先进传感器技术研究中的传感器优化设计领域。

背景技术

谐振式硅微机械陀螺是基于科氏效应原理通过检测施加角速率前后谐振音叉谐振频率变化来实现对角速率的检测。由于该传感器是基于频率输出原理实现对角速率信号的测试，因此其具有很多优点，例如稳定性好、可靠性高、传输过程中不易产生失真误差、无需经A/D转换即可与数字系统接口等。目前谐振式硅微机械陀螺已经成为MEMS领域的一个重要研究方向，国内外都有大批学者致力于对谐振式硅微机械陀螺各项技术的研究。

虽然微机械陀螺已经得到了广泛的运用，其技术也愈发成熟，但微机械陀螺性能并不稳定，很容易受到干扰。温度误差是微机械陀螺的主要误差来源之一。并且随着陀螺技术的发展与应用范围的扩大，温度效应对陀螺的影响也越来越成为困扰人们的问题。目前对谐振式硅微机械陀螺的研究主要集中在其制作工艺和结构设计等问题上，而对其机理方面的研究较少。有关微机械陀螺温度误差的研究仅局限于微机械陀螺的某一方面,没有贯穿微机械陀螺从制造工艺到性能测试的全过程；对于温度误差形成机理也缺乏相应系统深入的研究,温度误差补偿方法与工程化的实际应用也有一定的距离，缺少实用的温度补偿结构。

基于以上背景，设计一种谐振式硅微机械陀螺的温度补偿结构使其不仅能较好地补偿温度误差，还能保持微机械陀螺小型化、低功耗的特点，是极为重要的。

发明内容

针对目前谐振式硅微机械陀螺温度补偿部分偏重实验进行标定、缺乏系统分析的特点，本发明提出了一种具有温度补偿结构的谐振式硅微机械陀螺，在工作中产生一路补偿信号，对微机械陀螺的输出信号进行实时补偿。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种具有温度补偿结构的谐振式硅微机械陀螺，包括谐振式硅微机械陀螺和补偿音叉，谐振式硅微机械陀螺包括两个静电梳齿驱动器、平板质量块、两个杠杆放大装置和两个谐振音叉，两个静电梳齿驱动器驱动平板质量块产生科式力；杠杆放大装置将该科式力进行放大，谐振音叉受轴向力影响谐振频率发生变化待测；补偿音叉补偿陀螺输出信号的温度误差。

进一步的，补偿音叉与谐振音叉具有完全相同的结构，补偿音叉且直接与谐振音叉相连，在谐振式硅微机械陀螺工作时，可利用谐振音叉与补偿音叉输出的两路信号消除温度对谐振音叉谐振频率的影响，并由谐振音叉的结构计算出输入科式力的大小，进而得到输入角速度的值。

本发明与现有技术相比的优点：

(1)、本发明设计了专门的补偿结构对温度进行补偿，相比于实验标定补偿的方法具有更高的精度，且满足实时的要求。

(2)、本发明补偿音叉与谐振音叉具有相同结构，降低了系统设计成本。

(3)、本发明补偿音叉直接设置于微机械陀螺上，其设计位置靠近谐振音叉，符合本发明小型化、低功耗的设计目标。

附图说明

图1为本发明的一种具有温度补偿结构的谐振式硅微机械陀螺结构框图；

图2为本发明的一种具有温度补偿结构的谐振式硅微机械陀螺机械结构示意图。

图中附图标记的含义为：1为静电梳齿驱动器；2为平板质量块；3为杠杆放大装置；4为双端音叉谐振器，也称作谐振音叉；5为补偿音叉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明谐振式硅微机械陀螺温度补偿结构进行进一步描述。

本发明一种具有温度补偿结构的谐振式硅微机械陀螺框图如图1所示，主要通过对现有谐振式硅微机械陀螺增加补偿音叉结构来实现对温度的补偿。谐振式硅微机械陀螺主要包括两个静电梳齿驱动器1、平板质量块2、两个杠杆放大装置3和两个双端音叉谐振器4(Double-Ended Tuning Fork，简称DETF，又称谐振音叉)。其中，平板质量块2在x轴方向受到静电梳齿驱动器1驱动产生振荡，如在z轴方向受到输入角速度ω，则将在y轴方向产生一个与输入角速度信号成正比的科氏力。平板质量块2两端对称放置的两个杠杆放大装置3将此科氏力放大后，传递到其核心敏感元件谐振音叉4上，谐振音叉4一端与杠杆放大装置相连，另一端连接在固支锚点上，轴向力的施加使得谐振音叉4的谐振频率发生变化。与谐振音叉4结构完全相同的补偿音叉5连接在谐振音叉4的另一端固支上，谐振音叉4和补偿音叉5为双端固支音叉结构，环境温度将影响其谐振频率。当谐振式硅微机械陀螺工作时，谐振音叉4受轴向力作用，补偿音叉5不受力；同时谐振音叉4和补偿音叉5两者谐振频率都受到温度影响。因此对于谐振音叉4，其谐振频率受轴向力和温度影响；对于补偿音叉5，其谐振频率受温度影响。可通过信号处理单元分别采集两路信号并进行解算以得到谐振音叉4与补偿音叉5的谐振频率，由于谐振音叉4与补偿音叉5的结构完全相同，通过对频率的解算即可消除温度对音叉谐振频率的影响。若已知谐振音叉4和补偿音叉5的结构参数，便可以进一步计算出轴向力的大小，由此得到输入角速度的值。由于补偿音叉5与谐振音叉4相互靠近，补偿音叉5的外部温度可认为与谐振音叉4温度相等。系统工作时，谐振音叉5谐振频率受温度和平板质量块2施加轴向力影响，补偿音叉5谐振频率受温度影响。

谐振音叉4的谐振频率可用双端固支谐振梁谐振频率的计算方法进行计算。谐振音叉受微机械陀螺质量块施加科式力，该轴向力将会对谐振梁的频率产生影响，而当谐振梁受约束时，温度导致的热膨胀现象将会在谐振梁内部产生热应力。若作用是弹性的，温度影响下的谐振音叉4频率为：

其中E为硅的弹性模量，L为谐振梁长度，A为谐振梁长宽截面积，ρ为硅的密度，h为谐振梁高度，I为谐振梁绕中心轴的转动惯量，其值为F(ω,t)为微机械陀螺输入角速度ω与温度t影响产生的施加于谐振音叉的轴向力。

对于补偿音叉5，由于补偿音叉5结构与谐振音叉4完全相同，其谐振频率只受温度影响，可表示为：

其中F(t)为温度t引起的施加于补偿音叉的轴向力。两路信号经过信号处理部分后输入数据处理单元，数据处理单元通过计算得出两路信号的频率；由于谐振音叉4与补偿音叉5结构相同，因此利用式(1)(2)即可通过两路信号的频率消除温度带来的热应力ΔF的影响，并解算出轴向力F的大小；根据微机械陀螺的工作原理即可计算出待测角速度。计算出的结果可由PC接收进行进一步的处理与分析。通过该谐振式硅微机械陀螺的补偿结构，可以有效去除温度产生的热应力对谐振音叉4谐振频率的影响，使得谐振式硅微机械陀螺能够在今后有更加广泛的运用。

Claims (1)

1.一种具有温度补偿结构的谐振式硅微机械陀螺，包括谐振式硅微机械陀螺和补偿音叉(5)，谐振式硅微机械陀螺包括两个静电梳齿驱动器(1)、平板质量块(2)、两个杠杆放大装置(3)和两个谐振音叉(4)，其特征在于：两个静电梳齿驱动器(1)驱动平板质量块(2)产生科式力；杠杆放大装置(3)将该科式力进行放大，谐振音叉(4)受轴向力影响谐振频率发生变化待测；补偿音叉(5)补偿陀螺输出信号的温度误差；

补偿音叉(5)与谐振音叉(4)具有完全相同的结构，补偿音叉(5)且直接与谐振音叉(4)相连，在谐振式硅微机械陀螺工作时，可利用谐振音叉(4)与补偿音叉(5)输出的两路信号消除温度对谐振音叉(4)谐振频率的影响，并由谐振音叉(4)的结构计算出输入科式力的大小，进而得到输入角速度的值。