CN106525017B - 抗环境振动影响的微机械陀螺仪 - Google Patents

抗环境振动影响的微机械陀螺仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗环境振动影响的微机械陀螺仪，包括第一结构、第二结构和耦合梁，第一结构和第二结构通过耦合梁连接且关于耦合梁对称，耦合梁仅允许第一结构和第二结构反向运动；第一结构包括第一框架、第一驱动质量块、第二驱动质量块、第一驱动耦合梁、第一梳齿驱动电极、第一梳齿检测电极、第一支撑梁和第二支撑梁；第二结构包括第二框架、第三驱动质量块、第四驱动质量块、第二驱动耦合梁、第二梳齿驱动电极、第二梳齿检测电极、第三支撑梁和第四支撑梁。本发明微机械陀螺仪可抑制线振动和角振动的影响。

Description

抗环境振动影响的微机械陀螺仪
技术领域
本发明涉及微机械陀螺仪技术领域，特别地，涉及一种抗环境振动影响的微机械陀螺仪。
背景技术
微机械陀螺仪是基于科氏力原理工作，如图1所示。质量块在驱动力的作用下在X方向上运动(振动)。但外界有角速度时，质量块受到Y方向的科氏力作用，使得质量块在Y方向运动(振动)。质量块在Y方向的位移与角速度成正比，通过检测质量块的位移即可得到角速度。但是，微机械陀螺仪在实际应用中，常常受到环境振动的影响，这是因为环境振动的加速度同样可以引起质量块在检测方向上运动，从而干扰正常的角速度信号。
为抑制环境振动的影响，现在比较常见的设计是采用音叉或者双音叉(四质量块)结构，然后采用差分检测电容的方法。这种方法在一定程度上可以减小环境振动的影响，但是存在以下缺点：首先，这种方法没有消除振动引起的检测位移，导致检测电容变化的非线性非常严重，会引起交调效应；其次，该方法的效果一定程度上取决于差分电容的匹配是否良好，对加工工艺提出了较高要求，不利于提高产品的良率和降低产品的成本。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种抗环境振动影响的微机械陀螺仪。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种抗环境振动影响的微机械陀螺仪，包括：
第一结构(1)、第二结构(2)和耦合梁(3)；第一结构(1)和第二结构(2)通过耦合梁(3)连接且关于耦合梁(3)对称，耦合梁(3)仅允许第一结构(1)和第二结构(2)反向运动；
第一结构(1)包括第一框架(11)、第一驱动质量块(12)、第二驱动质量块(13)、第一驱动耦合梁(14)、第一梳齿驱动电极(15)、第一梳齿检测电极(16)、第一支撑梁(17)和第二支撑梁(18)；其中，第一驱动质量块(12)、第二驱动质量块(13)、第一驱动耦合梁(14)、第一梳齿驱动电极(15)、第一支撑梁(17)和第二支撑梁(18)均设于第一框架(11)内；第一驱动质量块(12)和第二驱动质量块(13)通过第一驱动耦合梁(14)连接且关于第一驱动耦合梁(14)对称，第一驱动耦合梁(14)促使第一驱动质量块(12)和第二驱动质量块(13)等位移反向运动；第一梳齿驱动电极(15)分布于第一驱动质量块(12)和第二驱动质量块(13)四周，第一梳齿检测电极(16)分布于第一框架(11)四周；第一支撑梁(17)用来连接衬底与第一框架(11)；第二支撑梁(18)用来将第一驱动质量块(12)、第二驱动质量块(13)与第一框架(11)连接；
第二结构(2)包括第二框架(21)、第三驱动质量块(22)、第四驱动质量块(23)、第二驱动耦合梁(24)、第二梳齿驱动电极(25)、第二梳齿检测电极(26)、第三支撑梁(27)和第四支撑梁(28)；其中，第三驱动质量块(22)、第四驱动质量块(23)、第二驱动耦合梁(24)、第二梳齿驱动电极(25)、第三支撑梁(27)和第四支撑梁(28)设于第二框架(21)内；第三驱动质量块(22)和第四驱动质量块(23)通过第二驱动耦合梁(24)连接且关于第二驱动耦合梁(24)对称，第二驱动耦合梁(24)促使第三驱动质量块(22)和第四驱动质量块(23)等位移反向运动；第二梳齿驱动电极(25)分布于第三驱动质量块(22)和第四驱动质量块(23)四周，第二梳齿检测电极(26)分布于第二框架(21)四周；第三支撑梁(27)用来连接衬底与第二框架(21)；第四支撑梁(28)用来将第三驱动质量块(22)、第四驱动质量块(23)与第二框架(21)连接。
进一步的，所述的第一支撑梁(17)有4组，分别设置于第一框架(11)四侧壁，4组第一支撑梁(17)均一端连接第一框架(11)，另一端连接衬底；
且，所述的第三支撑梁(27)也有4组，分别设置于第二框架(21)四侧壁，4组第三支撑梁(27)均一端连接第二框架(21)，另一端连接衬底。
进一步的，所述的第二支撑梁(18)有8组，其中4组用来连接第一驱动质量块(12)和第一框架(11)，另外4组用来连接第二驱动质量块(13)和第一框架(11)；
且，所述的第四支撑梁(28)也有8组，其中4组用来连接第三驱动质量块(22)和第二框架(21)，另外4组用来连接第四驱动质量块(23)和第二框架(21)。
和现有技术相比，本发明微机械陀螺仪具有如下特点：
(1)有角速度输入时，左右两对称结构内部的两个驱动质量块受到反方向科氏力作用，使得框架受到力矩作用发生运动，框架的运动转换为检测电极的电容变化，实现角速度检测。
(2)受到线振动作用时，左右两对称结构内部的两个驱动质量块受到同方向惯性力作用，使得框架受到的力矩为零，框架不能发生运动，实现线振动影响的抑制。
(3)受到角振动作用时，左右两对称结构的框架受到的惯性力矩的方向相同，有同向运动的趋势，由于耦合梁作用，框架的同向运动受到抑制，实现角振动影响的抑制。
附图说明
图1是传统的微机械陀螺仪工作原理示意图；
图2是本发明微机械陀螺仪的结构示意图；
图3是本发明微机械陀螺仪正常工作下质量块的运动示意图，其中，图(a)为顺时针角速度输入时质量块的运动示意图，图(b)为逆时针角速度输入时质量块的运动示意图；
图4是本发明微机械陀螺仪在角振动下质量块的运动示意图，其中，图(a)为顺时针角速度输入时质量块的运动示意图，图(b)为逆时针角速度输入时质量块的运动示意图。
图中，1-第一结构，11-第一框架，12-第一驱动质量块，13-第二驱动质量块，14-第一驱动耦合梁，15-第一梳齿驱动电极，16-第一梳齿检测电极，17-第一支撑梁，18-第二支撑梁，2-第二结构，21-第二框架，22-第三驱动质量块，23-第四驱动质量块，24-第二驱动耦合梁，25-第二梳齿驱动电极，26-第二梳齿检测电极，27-第三支撑梁，28-第四支撑梁，3-耦合梁。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案做进一步说明。
本发明微机械陀螺仪结构见图2，由左右完全对称的第一结构1和第二结构2组成，耦合梁3连接第一结构1和第二结构，第一结构1和第二结构2关于耦合梁3对称。
第一结构1由第一框架11、第一驱动质量块12、第二驱动质量块13、第一驱动耦合梁14、第一梳齿驱动电极15、第一梳齿检测电极16、第一支撑梁17和第二支撑梁18构成。其中，第一驱动质量块12、第二驱动质量块13、第一驱动耦合梁14、第一梳齿驱动电极15、第一支撑梁17和第二支撑梁18设于第一框架11内。第一驱动质量块12和第二驱动质量块13通过第一驱动耦合梁14连接且关于第一驱动耦合梁14对称，第一驱动耦合梁14促使第一驱动质量块12和第二驱动质量块13等位移反向运动。第一梳齿驱动电极15分布于第一驱动质量块12和第二驱动质量块13四周，第一梳齿检测电极16分布于第一框架11四周。第一支撑梁17用来连接衬底与第一框架11；第二支撑梁18用来将第一驱动质量块12、第二驱动质量块13与第一框架11连接。
第一结构2由第二框架21、第三驱动质量块22、第四驱动质量块23、第二驱动耦合梁24、第二梳齿驱动电极25、第二梳齿检测电极26、第三支撑梁27和第四支撑梁28构成。其中，第三驱动质量块22、第四驱动质量块23、第二驱动耦合梁24、第二梳齿驱动电极25、第三支撑梁27和第四支撑梁28设于第二框架21内。第三驱动质量块22和第四驱动质量块23通过第二驱动耦合梁24连接且关于第二驱动耦合梁24对称，第二驱动耦合梁24促使第三驱动质量块22和第四驱动质量块23等位移反向运动。第二梳齿驱动电极25分布于第三驱动质量块22和第四驱动质量块23四周，第二梳齿检测电极26分布于第二框架21四周；第三支撑梁27用来连接衬底与第二框架21；第四支撑梁28用来将第三驱动质量块22、第四驱动质量块23与第二框架21连接。
本实施例中，第一支撑梁17有4组，分别设置于第一框架11四侧壁，4组第一支撑梁17均一端连接第一框架11，另一端连接衬底。第二支撑梁18有8组，其中4组用来连接第一驱动质量块12和第一框架11，另外4组用来连接第二驱动质量块13和第一框架11。第三支撑梁27也有4组，分别设置于第二框架21四侧壁，4组第三支撑梁27均一端连接第二框架21，另一端连接衬底。第四支撑梁28也有8组，其中4组用来连接第三驱动质量块22和第二框架21，另外4组用来连接第四驱动质量块23和第二框架21。
如图3所示，陀螺仪工作时，在第一梳齿驱动电极15上加载交变电压，产生交变的静电力，使得第一驱动质量块12和第二驱动质量块13在X方向上发生位移且位移大小相等方向相反。第一驱动耦合梁14的作用是用来保证第一驱动质量块12和第二驱动质量块13的位移大小相等方向相反。
见图3(a)，当有顺时针角速度输入，第一驱动质量块12受到Y方向向上的科氏力作用而第二驱动质量块13受到Y方向向下的科氏力作用，且二者受到的科氏力大小相等，科氏力通过第二支撑梁18传递到第一框架11上，使得第一框架11受到顺时针方向的力矩作用，从而发生顺时针方向的位移，带动第一梳齿检测电极16的动极板运动，第一梳齿检测电极16的电容由于动极板发生位移而变化。
见图3(b)，当有逆时针角速度输入，第一驱动质量块12受到Y方向向下的科氏力作用而第二驱动质量块13受到Y方向向上的科氏力作用，且二者受到的科氏力大小相等，科氏力通过第二支撑梁18传递到第一框架11上，使得第一框架11受到逆时针方向的力矩作用，从而发生逆时针方向的位移，带动第一梳齿检测电极16的动极板运动，第一梳齿检测电极16的电容由于动极板发生位移而发生变化。
同理，在第二梳齿驱动电极25上加载交变电压，产生交变的静电力，使得第三驱动质量块22和第四驱动质量块23在X方向上发生位移且二者的位移大小相等方向相反，且第三驱动质量块22和第二驱动质量块13的位移大小相等方向相同，第四驱动质量块23和第一驱动质量块12的位移大小相等方向相同，第二驱动耦合梁24的作用是保证第三驱动质量块22和第四驱动质量块23的位移大小相等方向相反。
见图3(a)，当有顺时针角速度输入时，第三驱动质量块22受到Y方向向下的科氏力作用而第四驱动质量块23受到Y方向向上的科氏力作用，且二者受到的科氏力大小相等，科氏力通过第四支撑梁28传递到第二框架21上，使得第二框架21受到逆时针方向的力矩作用，第二框架21发生逆时针方向的位移，带动第二梳齿检测电极26的动极板运动，第二梳齿检测电极26的电容由于动极板发生位移而发生变化。
见图3(b)，当有逆时针角速度输入时，第三驱动质量块22受到Y方向向上的科氏力作用而第四驱动质量块23受到Y方向向下的科氏力作用，且二者受到的科氏力大小相等，科氏力通过第四支撑梁28传递到第二框架21上，使得第二框架21受到顺时针方向的力矩作用，第二框架21发生顺时针方向的位移，带动第二梳齿检测电极26的动极板运动，第二梳齿检测电极26的电容由于动极板发生位移而发生变化。
由于耦合梁3的特殊设计，其允许第一框架11和第二框架21的反方向运动而抑制第一框架11和第二框架21的同向运动。因此，在科氏力矩作用下，第一框架11和第二框架21可以反向的运动。
环境中的振动分为线振动和角振动两种情况。当有线振动时，第一驱动质量块12、第二驱动质量块13、第三驱动质量块22和第四驱动质量块23受到方向相同大小相等的的惯性力作用，使得作用在第一框架11和第二框架21的力矩为0，第一框架11和第二框架21不发生位移，从而第一梳齿驱动电极15和第二梳齿驱动电极25的电容不会发生变化，从而抑制了线振动的影响。
见图4(a)，当有顺时针方向的角振动作用时，第一驱动质量块12和第三驱动质量块22受到向下的惯性力作用，第二驱动质量块13和第四驱动质量块23受到向上的惯性力作用，从而使得第一框架11和第二框架21都受到逆时针方向的力矩，都有逆时针方向运动的趋势。由于耦合梁3的作用，第一框架11和第二框架21的运动受到抑制，第一框架11和第二框架21不会发生位移，第一梳齿驱动电极15和第二梳齿驱动电极25的电容不会发生变化，从而抑制了角振动的影响。
同理，见图4(b)，当有逆时针方向的角振动作用时，第一驱动质量块12和第三驱动质量块22受到向上的惯性力作用，第二驱动质量块13和第四驱动质量块23受到向下的惯性力作用，从而使得第一框架11和第二框架21都受到顺时针方向的力矩，都有顺时针方向运动的趋势。由于耦合梁3的作用，第一框架11和第二框架21的运动受到抑制，第一框架11和第二框架21不会发生位移，第一梳齿驱动电极15和第二梳齿驱动电极25的电容不会发生变化，从而抑制了角振动的影响。

Claims (1)

1.一种抗环境振动影响的微机械陀螺仪，其特征是，包括：
第一结构(1)、第二结构(2)和耦合梁(3)；第一结构(1)和第二结构(2)通过耦合梁(3)连接且关于耦合梁(3)对称，耦合梁(3)仅允许第一结构(1)和第二结构(2)反向运动；
第一结构(1)包括第一框架(11)、第一驱动质量块(12)、第二驱动质量块(13)、第一驱动耦合梁(14)、第一梳齿驱动电极(15)、第一梳齿检测电极(16)、第一支撑梁(17)和第二支撑梁(18)；其中，第一驱动质量块(12)、第二驱动质量块(13)、第一驱动耦合梁(14)、第一梳齿驱动电极(15)、第一支撑梁(17)和第二支撑梁(18)均设于第一框架(11)内；第一驱动质量块(12)和第二驱动质量块(13)通过第一驱动耦合梁(14)连接且关于第一驱动耦合梁(14)对称，第一驱动耦合梁(14)促使第一驱动质量块(12)和第二驱动质量块(13)等位移反向运动；第一梳齿驱动电极(15)分布于第一驱动质量块(12)和第二驱动质量块(13)四周，第一梳齿检测电极(16)分布于第一框架(11)四周；第一支撑梁(17)用来连接衬底与第一框架(11)；第二支撑梁(18)用来将第一驱动质量块(12)、第二驱动质量块(13)与第一框架(11)连接；
第二结构(2)包括第二框架(21)、第三驱动质量块(22)、第四驱动质量块(23)、第二驱动耦合梁(24)、第二梳齿驱动电极(25)、第二梳齿检测电极(26)、第三支撑梁(27)和第四支撑梁(28)；其中，第三驱动质量块(22)、第四驱动质量块(23)、第二驱动耦合梁(24)、第二梳齿驱动电极(25)、第三支撑梁(27)和第四支撑梁(28)设于第二框架(21)内；第三驱动质量块(22)和第四驱动质量块(23)通过第二驱动耦合梁(24)连接且关于第二驱动耦合梁(24)对称，第二驱动耦合梁(24)促使第三驱动质量块(22)和第四驱动质量块(23)等位移反向运动；第二梳齿驱动电极(25)分布于第三驱动质量块(22)和第四驱动质量块(23)四周，第二梳齿检测电极(26)分布于第二框架(21)四周；第三支撑梁(27)用来连接衬底与第二框架(21)；第四支撑梁(28)用来将第三驱动质量块(22)、第四驱动质量块(23)与第二框架(21)连接；
所述的第一支撑梁(17)有4组，分别设置于第一框架(11)四侧壁，4组第一支撑梁(17)均一端连接第一框架(11)，另一端连接衬底；
且，所述的第三支撑梁(27)也有4组，分别设置于第二框架(21)四侧壁，4组第三支撑梁(27)均一端连接第二框架(21)，另一端连接衬底；
所述的第二支撑梁(18)有8组，其中4组用来连接第一驱动质量块(12)和第一框架(11)，另外4组用来连接第二驱动质量块(13)和第一框架(11)；
且，所述的第四支撑梁(28)也有8组，其中4组用来连接第三驱动质量块(22)和第二框架(21)，另外4组用来连接第四驱动质量块(23)和第二框架(21)。
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