CN105424020B - 一种带解耦功能的音叉型微机电陀螺敏感结构 - Google Patents

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Abstract

本发明属于敏感结构，具体涉及一种带解耦功能的音叉型微机电陀螺敏感结构。一种带解耦功能的音叉型微机电陀螺敏感结构，呈左右对称分布，左右半边主体结构均由驱动框、驱动检测转接框、检测框三框组成，其中驱动框设置在最外侧，检测框在最内侧，驱动检测转接框设置在中间，左右半边主体通过驱动框和驱动检测转接框连接为一个整体；驱动检测转接框上设有正交耦合误差抑制结构。本发明的效果是：本发明采用对称式三框设计，即驱动框、驱动检测转接框、检测框，同时采用单自由度梁连接各框，进而限定各框和质量块的运动自由度，实现了驱动与检测之间的双向解耦，能够在很大程度上抑制耦合误差。

Description

一种带解耦功能的音叉型微机电陀螺敏感结构
技术领域
本发明属于敏感结构，具体涉及一种带解耦功能的音叉型微机电陀螺敏感结构。
背景技术
陀螺是一种用于敏感载体相对于惯性空间角运动的仪表，是惯性导航和制导系统的核心器件。
微机电陀螺是以微电子和微机械工艺为基础制造的新型惯性仪表，具有体积重量功耗小、集成性高、抗恶劣环境、成本低等优点。
基于哥式振动原理的音叉型微机电陀螺是微机电陀螺重要的技术发展方向，其结构型式紧凑，工艺实现简单，可广泛应用于精确制导弹药、战术导弹等军事领域以及汽车工业、钻井探测等民用领域。
一种音叉型微机电陀螺敏感结构如图1所示，具有以下特点。
1)采用对称式三框设计，即驱动框(主要包括驱动质量块9等)、驱动检测转接框(主要包括驱动检测转接质量块22等)、检测框(主要包括检测质量块17等)，同时采用单自由度梁(包括U型外驱动梁10、驱动转接梁23、检测转接梁24等)连接各框，进而限定各框和质量块的运动自由度，实现了驱动与检测之间的双向解耦，能够在很大程度上抑制驱动和检测模态之间的运动干扰；
2)采用耦合梁(主要包括外耦合连接梁25和内耦合连接梁26等)实现左右驱动框、左右驱动检测转接框之间的连接，从而减小能量损失、获取高灵敏度，解决无耦合和低耦合引起的相差、频差难题；同时，利用差模效应来抑制外界共模干扰(包括重力、壳体加速度、振动、冲击等输入)，提高陀螺的环境适应能力。
3)采用大检测电容设计，通过简化电容型式，在一定空间内布置更多极板(主要包括检测动梳齿19，检测定梳齿20等)，获取大初始电容，提高信噪比，实现更高性能。
敏感结构中各类梁的截面一般设计为矩形。理想情况下，梁沿着其惯性主轴振动，振动方向与驱动或检测方向一致；实际中，由于存在加工误差，梁的实际截面与设计值有一定的偏移，如图2所示，其惯性主轴也不再与驱动或检测方向重合，如图3所示，造成驱动和检测的交叉耦合，导致输出误差，该误差被称之为正交耦合误差，对陀螺性能有较大影响。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供一种带解耦功能的音叉型微机电陀螺敏感结构。
本发明是这样实现的：一种带解耦功能的音叉型微机电陀螺敏感结构，呈左右对称分布，左右半边主体结构均由驱动框、驱动检测转接框、检测框三框组成，其中驱动框设置在最外侧，检测框在最内侧，驱动检测转接框设置在中间，左右半边主体通过驱动框和驱动检测转接框连接为一个整体；驱动检测转接框上设有正交耦合误差抑制结构。
如上所述的一种带解耦功能的音叉型微机电陀螺敏感结构，其中，所述的正交耦合误差抑制结构设置在左右半边主体结构相对的侧壁上，以及左右半边主体结构相背的侧壁上。
如上所述的一种带解耦功能的音叉型微机电陀螺敏感结构，其中，正交耦合误差抑制结构，包括外侧解耦定梳齿、外侧解耦动梳齿、中部解耦定梳齿、中部解耦动梳齿，其中外侧解耦定梳齿之间通过外侧解耦定梳齿锚接区与音叉型微机电陀螺敏感结构相连，外侧解耦定梳齿在外侧解耦定梳齿锚接区上呈均匀分布；外侧解耦动梳齿和中部解耦动梳齿通过驱动检测转接质量块与驱动检测转接框相连，外侧解耦动梳齿和中部解耦动梳齿在驱动检测转接质量块上呈均匀分布；中部解耦定梳齿之间通过中部解耦定梳齿锚接区与音叉型微机电陀螺敏感结构相连，中部解耦定梳齿在中部解耦定梳齿锚接区上呈均匀分布；外侧解耦定梳齿与外侧解耦动梳齿相对设置，交错布置；中部解耦定梳齿与中部解耦动梳齿相对设置，交错布置。
如上所述的一种带解耦功能的音叉型微机电陀螺敏感结构，其中，所述的外侧解耦定梳齿、外侧解耦动梳齿、中部解耦定梳齿和中部解耦动梳齿上齿的个数根据需要设置。
如上所述的一种带解耦功能的音叉型微机电陀螺敏感结构，其中，所述的外侧解耦定梳齿、外侧解耦动梳齿、中部解耦定梳齿和中部解耦动梳齿之中，任意两个相邻的定梳齿与其内部包含的动梳齿之间的间隙不相等。
如上所述的一种带解耦功能的音叉型微机电陀螺敏感结构，其中，驱动框呈框形，包括驱动质量块，U型外驱动梁，悬臂型外驱动梁，悬臂型内驱动梁，驱动动梳齿，驱动定梳齿，驱动锚接点和驱动定梳齿锚接点等，其中，U型外驱动梁、悬臂型外驱动梁、悬臂型内驱动梁均为X向自由度梁，可限制驱动部分在Y向的运动，其长宽比一般在15以上；驱动动梳齿、驱动定梳齿用于静电驱动或驱动检测，驱动力与梳齿相对交叠面积成正比、与齿间隙成反比，其梳数及单梳上的齿数根据实际需要进行设定；驱动锚点、驱动定梳齿锚点用于与底座进行固定，起支撑作用。
如上所述的一种带解耦功能的音叉型微机电陀螺敏感结构，其中，检测框呈框形，包括检测质量块，悬臂型检测梁，检测动梳齿，检测定梳齿和检测锚接点等，其中，悬臂型检测梁为Y向自由度梁，用于限制检测部分在X向的运动，其长宽比在15以上；检测动梳齿、检测定梳齿用于电容检测或检测反馈，检测定梳齿可局部或整体与底座进行固定，检测初始电容与梳齿相对交叠面积成正比、与齿间隙成反比，为提高灵敏度，应尽可能增大梳齿相对交叠面积，缩小齿间隙；检测锚点用于与底座进行固定，起支撑作用。
如上所述的一种带解耦功能的音叉型微机电陀螺敏感结构，其中，驱动检测转接框呈框形，位于驱动框与检测框之间，包括驱动检测转接质量块，驱动转接梁和检测转接梁，其中，驱动检测转接质量块用于在驱动质量块和检测质量块之间实现输入传递，驱动检测转接质量块与检测质量块的质量比越大，输入传递效率越高；驱动转接梁为Y向自由度梁，用于同步驱动质量块和驱动检测转接质量块在X向的运动，同时隔离驱动检测转接质量块在检测质量块在Y向的运动，检测转接梁为X向自由度梁，用于同步驱动质量块和驱动检测转接质量块在X向的运动，同时隔离驱动检测转接质量块在检测质量块在Y向的运动，
双质量块耦合部分，主要包括外耦合连接梁和内耦合连接梁等，其中，外侧耦合连接梁呈长条形，用于实现左右驱动质量块的能量耦合，其长宽比在30以上；内耦合连接梁呈“工”字形，用于实现左右检测质量块的能量耦合，由5段直梁构成，每段直梁的长宽比在15以上。
本发明的效果是：1)本发明采用对称式三框设计，即驱动框、驱动检测转接框、检测框，同时采用单自由度梁连接各框，进而限定各框和质量块的运动自由度，实现了驱动与检测之间的双向解耦，能够在很大程度上抑制耦合误差。
2)本发明采用耦合梁实现左右驱动框、驱动检测转接框之间的连接，从而减小能量损失、获取高灵敏度，解决无耦合和低耦合引起的相差、频差难题；同时利用差模效应来抑制外界共模干扰(包括重力、壳体加速度、振动、冲击等输入)，提高陀螺的环境适应能力。
3)本发明采用大检测电容设计，通过简化电容型式，在一定空间内布置更多极板、获取高达3-10pF的初始电容，可达现有陀螺的二倍以上，进而提高信噪比，实现更高性能。
4)本发明敏感结构具备正交耦合误差抑制功能，通过调节外侧解耦定梳齿和中部解耦定梳齿上的电压的极性和大小可实现对加工误差引起的正交耦合误差的抑制。
附图说明
图1为传统技术中音叉型微机电陀螺敏感结构的示意图；
图2a是理想截面的示意图；
图2b是非理想截面的示意图；
图3a是理想运动的示意图；
图3b是加工误差引起的非理想运动的示意图；
图4为本申请音叉型微机电陀螺敏感结构的示意图。
图中：1.驱动梁，2.驱动质量块，3.检测梁，4.检测质量块，5.左驱动(检测)梁，6.左驱动(检测)质量块,7.右驱动(检测)梁，8.右驱动(检测)质量块，9.驱动质量块，10.U型外驱动梁，11.悬臂型外驱动梁，12.悬臂型内驱动梁，13.驱动动梳齿，14.驱动定梳齿，15.驱动锚点，16.驱动定梳齿锚点，17.检测质量块，18.悬臂型检测梁，19.检测动梳齿，20.检测定梳齿，21.检测锚点，22.驱动检测转接质量块，23.驱动转接梁，24.检测转接梁，25.外耦合连接梁,26.内耦合连接梁，27.外侧解耦定梳齿，28.外侧解耦动梳齿，29.中部解耦定梳齿，30.中部解耦动梳齿，31.外侧解耦定梳齿锚接区，32.中部解耦定梳齿锚接区。
具体实施方式
如附图4所示，一种带解耦功能的音叉型微机电陀螺敏感结构，呈左右对称分布，左右半边主体结构均由驱动框、驱动检测转接框、检测框三框组成。整个敏感结构包括驱动部分、检测部分、驱动检测转接部分、双质量块耦合部分和正交耦合误差抑制部分等。
驱动部分呈框形，在最外侧，包括驱动质量块9，U型外驱动梁10，悬臂型外驱动梁11，悬臂型内驱动梁12，驱动动梳齿13，驱动定梳齿14，驱动锚接点15和驱动定梳齿锚接点16等。其中，U型外驱动梁10、悬臂型外驱动梁11、悬臂型内驱动梁12均为X向自由度梁，可限制驱动部分在Y向的运动，其长宽比一般在15以上；驱动动梳齿13、驱动定梳齿14用于静电驱动或驱动检测，驱动力与梳齿相对交叠面积成正比、与齿间隙成反比，其梳数及单梳上的齿数可根据实际需要进行设定；驱动锚点15、驱动定梳齿锚点16用于与底座进行固定，起支撑作用，一般为方形。
检测部分呈框形，在最内侧，包括检测质量块17，悬臂型检测梁18，检测动梳齿19，检测定梳齿20和检测锚接点21等。其中，悬臂型检测梁12为Y向自由度梁，可限制检测部分在X向的运动，其长宽比一般在15以上；检测动梳齿19、检测定梳齿20用于电容检测或检测反馈，检测定梳齿20可局部或整体与底座进行固定，检测初始电容与梳齿相对交叠面积成正比、与齿间隙成反比，为提高灵敏度，应尽可能增大梳齿相对交叠面积，缩小齿间隙；检测锚点21用于与底座进行固定，起支撑作用，一般为方形。
驱动检测转接部分呈框形，位于驱动框与检测框之间，包括驱动检测转接质量块22，驱动转接梁23和检测转接梁24等。其中，驱动检测转接质量块22用于在驱动质量块9和检测质量块17之间实现输入传递，驱动检测转接质量块22与检测质量块17的质量比越大，输入传递效率越高；驱动转接梁23为Y向自由度梁，用于同步驱动质量块9和驱动检测转接质量块22在X向的运动，同时隔离驱动检测转接质量块22在检测质量块17在Y向的运动。检测转接梁24为X向自由度梁，用于同步驱动质量块9和驱动检测转接质量块22在X向的运动，同时隔离驱动检测转接质量块22在检测质量块17在Y向的运动。
双质量块耦合部分，主要包括外耦合连接梁25和内耦合连接梁26等。其中，外侧耦合连接梁25呈长条形，用于实现左右驱动质量块的能量耦合，其长宽比一般在30以上；内耦合连接梁26呈“工”字形，用于实现左右检测质量块的能量耦合，由5段直梁构成，每段直梁的长宽比一般在15以上。
正交耦合误差抑制部分，主要包括外侧解耦定梳齿27、外侧解耦动梳齿28、中部解耦定梳齿29、中部解耦动梳齿30，呈左右对称分布。其中外侧解耦定梳齿27之间通过外侧解耦定梳齿锚接区31相连，呈均匀分布；外侧解耦动梳齿28和中部解耦动梳齿30通过驱动检测转接质量块22相连，呈均匀分布；中部解耦定梳齿29之间通过中部解耦定梳齿锚接区32相连，呈均匀分布。对应的外解耦定梳齿27和中部解耦定梳齿29分别分布在外侧解耦动梳齿28和中部解耦动梳齿30上下两侧。外侧解耦定梳齿27、外侧解耦动梳齿28、中部解耦定梳齿29和中部解耦动梳齿30的个数可根据实际需要进行设定，任意两个相邻的定梳齿与其内部包含的动梳齿之间的间隙不相等。
工作时，左右驱动部分为静电驱动力的作用下做X向等幅反向运动，有角速度输入时，左右检测部分在哥氏力的作用下产生Y向等幅反向运动，通过调节外侧解耦定梳齿27和中部解耦定梳齿29上的电压的极性和大小即可实现对正交耦合误差的抑制，进而通过敏感检测电容的变化即可实现输入角速度的测量。
以上详细描述了一种音叉型微机电陀螺敏感结构，在不脱离本发明的实质范围内，可以对本发明做一定的变形或修改，其结构特征也不限于实例中所公开的内容。

Claims (6)

1.一种带解耦功能的音叉型微机电陀螺敏感结构，呈左右对称分布，左右半边主体结构均由驱动框、驱动检测转接框、检测框三框组成，其中驱动框设置在最外侧，检测框在最内侧，驱动检测转接框设置在中间，左右半边主体通过驱动框和驱动检测转接框连接为一个整体；其特征在于：驱动检测转接框上设有正交耦合误差抑制结构；
所述的正交耦合误差抑制结构设置在左右半边主体结构相对的侧壁上，以及左右半边主体结构相背的侧壁上；
正交耦合误差抑制结构，包括外侧解耦定梳齿(27)、外侧解耦动梳齿(28)、中部解耦定梳齿(29)、中部解耦动梳齿(30)，其中外侧解耦定梳齿(27)之间通过外侧解耦定梳齿锚接区(31)与音叉型微机电陀螺敏感结构相连，外侧解耦定梳齿(27)在外侧解耦定梳齿锚接区(31)上呈均匀分布；外侧解耦动梳齿(28)和中部解耦动梳齿(30)通过驱动检测转接质量块(22)与驱动检测转接框相连，外侧解耦动梳齿(28)和中部解耦动梳齿(30)在驱动检测转接质量块(22)上呈均匀分布；中部解耦定梳齿(29)之间通过中部解耦定梳齿锚接区(32)与音叉型微机电陀螺敏感结构相连，中部解耦定梳齿(29)在中部解耦定梳齿锚接区(32)上呈均匀分布；外侧解耦定梳齿(27)与外侧解耦动梳齿(28)相对设置，交错布置；中部解耦定梳齿(29)与中部解耦动梳齿(30)相对设置，交错布置。
2.如权利要求1所述的一种带解耦功能的音叉型微机电陀螺敏感结构，其特征在于：所述的外侧解耦定梳齿(27)、外侧解耦动梳齿(28)、中部解耦定梳齿(29)和中部解耦动梳齿(30)上齿的个数根据需要设置。
3.如权利要求2所述的一种带解耦功能的音叉型微机电陀螺敏感结构，其特征在于：所述的外侧解耦定梳齿(27)、外侧解耦动梳齿(28)、中部解耦定梳齿(29)和中部解耦动梳齿(30)之中，任意两个相邻的定梳齿与其内部包含的动梳齿之间的间隙不相等。
4.如权利要求1～3中任意一个权利要求所述的一种带解耦功能的音叉型微机电陀螺敏感结构，其特征在于：驱动框呈框形，包括驱动质量块(9)，U型外驱动梁(10)，悬臂型外驱动梁(11)，悬臂型内驱动梁(12)，驱动动梳齿(13)，驱动定梳齿(14)，驱动锚接点(15)和驱动定梳齿锚接点(16)，其中，U型外驱动梁(10)、悬臂型外驱动梁(11)、悬臂型内驱动梁(12)均为X向自由度梁，可限制驱动部分在Y向的运动，其长宽比在15以上；驱动动梳齿(13)、驱动定梳齿(14)用于静电驱动或驱动检测，驱动力与梳齿相对交叠面积成正比、与齿间隙成反比，其梳数及单梳上的齿数根据实际需要进行设定；驱动锚点(15)、驱动定梳齿锚点(16)用于与底座进行固定，起支撑作用。
5.如权利要求1～3中任意一个权利要求所述的一种带解耦功能的音叉型微机电陀螺敏感结构，其特征在于：检测框呈框形，包括检测质量块(17)，悬臂型检测梁(18)，检测动梳齿(19)，检测定梳齿(20)和检测锚接点(21)，其中，悬臂型检测梁(12)为Y向自由度梁，用于限制检测部分在X向的运动，其长宽比在15以上；检测动梳齿(19)、检测定梳齿(20)用于电容检测或检测反馈，检测定梳齿(20)可局部或整体与底座进行固定，检测初始电容与梳齿相对交叠面积成正比、与齿间隙成反比，为提高灵敏度，应尽可能增大梳齿相对交叠面积，缩小齿间隙；检测锚点(21)用于与底座进行固定，起支撑作用。
6.如权利要求1～3中任意一个权利要求所述的一种带解耦功能的音叉型微机电陀螺敏感结构，其特征在于：驱动检测转接框呈框形，位于驱动框与检测框之间，包括驱动检测转接质量块(22)，驱动转接梁(23)和检测转接梁(24)，其中，驱动检测转接质量块(22)用于在驱动质量块(9)和检测质量块(17)之间实现输入传递，驱动检测转接质量块(22)与检测质量块(17)的质量比越大，输入传递效率越高；驱动转接梁(23)为Y向自由度梁，用于同步驱动质量块(9)和驱动检测转接质量块(22)在X向的运动，同时隔离驱动检测转接质量块(22)在检测质量块(17)在Y向的运动，检测转接梁(24)为X向自由度梁，用于同步驱动质量块(9)和驱动检测转接质量块(22)在X向的运动，同时隔离驱动检测转接质量块(22)在检测质量块(17)在Y向的运动，
双质量块耦合部分，主要包括外耦合连接梁(25)和内耦合连接梁(26)，其中，外耦合连接梁(25)呈长条形，用于实现左右驱动质量块的能量耦合，其长宽比在30以上；内耦合连接梁(26)呈“工”字形，用于实现左右检测质量块的能量耦合，由5段直梁构成，每段直梁的长宽比在15以上。
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