CN106153026A - 一种音叉型微机电陀螺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于惯性测量技术领域，具体涉及一种微机电陀螺。一种音叉型微机电陀螺，其中，包括驱动部分、检测部分、驱动检测转接部分和双质量块耦合部分，在布局上呈左右对称布置，并且左部分或右部分呈上下对称布置，左部分或右部分均包括驱动部分、检测部分、驱动检测转接部分和双质量块耦合部分。本发明的效果是：能够抑制耦合误差，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，提高陀螺的环境适应能力。

Description

一种音叉型微机电陀螺
技术领域
本发明属于惯性测量技术领域，具体涉及一种微机电陀螺。
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。
当前，在实现更高性能方面，现有的音叉型微机电陀螺存在如下问题。
1)驱动和检测运动难以完全解耦。音叉型微机电陀螺包含驱动和检测两个工作模态，现有音叉型微机电陀螺大多仅能实现驱动(或检测)单一方向的解耦，无法有效隔离驱动/检测两个不同方向的运动，引入耦合误差，陀螺性能难以提高。图1为典型的单一方向解耦敏感结构简化模型，定义X向为驱动方向，Y向为检测方向，则图1(a)模型仅能实现驱动模态解耦，图1(b)模型仅能实现检测模态解耦。图2为图1(a)模型对应的一种典型结构示意图，主体结构为两框设计，包括外驱动框和内检测框，其检测质量块4与驱动质量块2在驱动X向的运动无法实现有效隔离。
2)音叉质量块之间的能量传递效率低。音叉型微机电陀螺利用双质量块结构的差模效应来抑制外界共模干扰(壳体加速度、振动、冲击等)的影响，从而提高陀螺的环境适应能力。现有陀螺敏感结构双质量块的检测模态大多未实现耦合，不能有效实现能量传递，不能抑制外界共模干扰。如图3所示一种敏感结构简化模型，双质量块之间没有能量传递，不能形成谐振，因此其工作模态下会产生相差、频差并且能量损失大、灵敏度低。
3)检测电容相对较小。静电驱动和电容检测是音叉型微机电陀螺主流的技术方案，增大初始检测电容是获得高信噪比的必要途径。当前陀螺的检测电容大多在1-2pF，为实现更高性能，检测电容应在3-10pF量级。
发明内容
本发明的目的是提供一种双解耦、大电容音叉型微机电陀螺。
本发明是这样实现的：一种音叉型微机电陀螺，其中，包括驱动部分、检测部分、驱动检测转接部分和双质量块耦合部分，在布局上呈左右对称布置，并且左部分或右部分呈上下对称布置，左部分或右部分均包括驱动部分、检测部分、驱动检测转接部分和双质量块耦合部分。
如上所述的一种音叉型微机电陀螺，其中，在左部分或右部分中，驱动部分呈框形，在最外侧，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；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，一般为方形。
如上所述的一种音叉型微机电陀螺，其中，在左部分或右部分中，检测部分呈框形，在最内侧，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，其中，悬臂型检测梁为Y向自由度梁，可限制检测部分在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，一般为方形。
如上所述的一种音叉型微机电陀螺，其中，在左部分或右部分中，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，驱动转接梁和检测转接梁等，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。
如上所述的一种音叉型微机电陀螺，其中，在左部分或右部分中，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，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，其长宽比一般在以上；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，每段直梁的长宽比一般在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。
附图说明
图1是一种单一方向解耦微机电陀螺简化模型；
图2是图1(a)模型对应的一种典型结构示意图；
图3是一种无能量耦合的微机电陀螺简化模型；
图4是本发明对应的微机电陀螺；
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。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的一种双解耦、大电容音叉型微机电陀螺敏感结构进行介绍：
如图4所示，建立如下坐标系：以水平方向向右为X轴正向，竖直方向向上为Y轴正向，Z轴垂直于X轴和Y轴形成的平面、且符合右手定则。
一种双解耦、大电容音叉型微机电陀螺，呈左右上下对称分布，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、驱动检测转接部分和双质量块耦合部分等。
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。
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，通过敏感检测电容的变化即可实现输入加速度的测量。
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 (5)

1.一种音叉型微机电陀螺，其特征在于：包括驱动部分、检测部分、驱动检测转接部分和双质量块耦合部分，在布局上呈左右对称布置，并且左部分或右部分呈上下对称布置，左部分或右部分均包括驱动部分、检测部分、驱动检测转接部分和双质量块耦合部分。
2.如权利要求1所述的一种音叉型微机电陀螺，其特征在于：在左部分或右部分中，驱动部分呈框形，在最外侧，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；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，一般为方形。
3.如权利要求1所述的一种音叉型微机电陀螺，其特征在于：在左部分或右部分中，检测部分呈框形，在最内侧，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，其中，悬臂型检测梁为Y向自由度梁，可限制检测部分在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，一般为方形。
4.如权利要求1所述的一种音叉型微机电陀螺，其特征在于：在左部分或右部分中，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，驱动转接梁和检测转接梁等，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。
5.如权利要求1所述的一种音叉型微机电陀螺，其特征在于：在左部分或右部分中，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，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，其长宽比一般在以上；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，每段直梁的长宽比一般在15以上。。
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