CN106595712A - 一种新型微机械陀螺仪正交误差补偿结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型微机械陀螺仪正交误差补偿结构，补偿结构位于质量块(7)内部空腔中，所述补偿结构包括：动齿(2)、动齿(4)、动齿(5)、动齿(7)、定齿(3)、定齿(6)、连接件(10)；实现了结构设计合理，简单的实现了补偿正交误差，并且降低了力矩，避免产生不良影响的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及微机械陀螺仪研究领域，具体地，涉及一种新型微机械陀螺仪正交误差补偿结构。
背景技术
微机械陀螺仪结构基于Coriolis力原理工作，外界角速度将驱动方向的能量耦合到检测方向上引起检测质量块运动，从而实现角速度测量。但是，由于加工误差的存在，导致驱动运动直接耦合到检测方向上而不经过角速度的作用(如图1、图2所示)，因此产生的是误差信号。该误差信号的相位与驱动位移相同，与Coriolis信号相差90度，因此称为正交误差。为了提高微机械陀螺仪的精度，需要对正交误差进行补偿或抑制。
由于正交误差与Coriolis信号相差90度，因此可以通过相敏解调来抑制正交误差，但是实际中由于解调信号与正交误差之间的相位不可能刚好相差90度，导致部分正交误差残留，且从电路上实现精确的相位控制会付出非常大的代价。
电荷注入是补偿正交误差的另一种方法，该方法通过解调出正交误差信号，再将该信号反馈回检测前端运放，从而实现正交误差补偿。该方法的缺点同上，由于解调相位的偏差导致部分正交误差残留。
另一种补偿正交误差的方法是，在驱动或检测质量块上增加施力电极，在施力电极上加载与正交误差运动反相的交流电压，产生交变力，从而使正交误差运动被抵消掉。该方法从根源上消除了正交误差，但是施力电极上加载电压的相位的精确控制决定了该方法的效果，这种方法实现非常困难。
另外，现有的结构在解决陀螺仪正交误差补偿时会产生力矩，导致不良影响。
综上所述，本申请发明人在实现本申请发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
在现有技术中，现有的微机械陀螺仪正交误差补偿存在成本较高，或难于实现，或具有正交误差残留，或产生力矩，导致不良影响的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种新型微机械陀螺仪正交误差补偿结构，解决了现有的微机械陀螺仪正交误差补偿存在成本较高，或难于实现，或具有正交误差残留，或产生力矩，导致不良影响的技术问题，实现了结构设计合理，简单的实现了补偿正交误差，并且降低了力矩，避免产生不良影响的技术效果。
为解决上述技术问题，本申请提供了一种新型微机械陀螺仪正交误差补偿结构，补偿结构位于质量块(7)内部空腔中，所述补偿结构(1)包括：
动齿(2)、动齿(4)、动齿(5)、动齿(7)、定齿(3)、定齿(6)、连接件(10)；动齿(2)位于动齿(4)上方，动齿(2)的一端和动齿(4)的一端均与质量块(8)的左侧内壁连接，定齿(3)一端与连接件(10)连接，定齿(3)另一端延伸至动齿(2)与动齿(4)之间；动齿(5)位于动齿(7)上方，动齿(5)的一端和动齿(7)的一端均与质量块(8)的右侧内壁连接，定齿(6)一端与连接件(10)连接，定齿(6)另一端延伸至动齿(5)与动齿(7)之间；其中，电气上，动齿(2)、动齿(4)、动齿(5)、动齿(7)与质量块(8)具有相同电位，定齿(3)、定齿(6)与连接件(10)具有相同电位，动齿(2)、动齿(4)、动齿(5)、动齿(7)、质量块(8)与定齿(3)、定齿(6)、连接件(10)之间具有一电压VDC，该电压可通过外部电路加载并可调整其大小。
其中，本发明提出了一种补偿微机械陀螺仪正交误差的结构，该结构产生的补偿静电力与正交误差自动保持同步，没有相位控制的问题，该结构只需调整一个直流电压的大小就可以实现对不同大小正交误差的补偿，控制简单，大大降低了后续信号处理的复杂度，并且方便了器件的校准，有利于提高器件良品率，降低生产成本。
并且，补偿结构(1)位于质量块(7)内部空腔中，补偿梳齿电极分布在质量块外侧的设计会产生较大的力矩，导致不良影响，而本申请中的梳齿结构位于质量块内，产生的力矩较小，降低了力矩的影响，避免产生不良影响。
进一步的，该结构可由掺杂的单晶硅、多晶硅、金属等微机械加工材料加工而成，补偿结构(1)为导体，且连接件(10)固定在衬底上。
进一步的，动齿(2)与定齿(3)之间的间距、动齿(4)和定齿(3)之间的间距、动齿(5)与定齿(6)之间的间距、动齿(7)和定齿(6)之间的间距均相等，此设计可增加微结构的匹配性，减小工艺误差的影响。
进一步的，定齿(3)、定齿(6)、动齿(2)、动齿(7)的厚度相同，动齿(4)、动齿(5)的厚度相同，定齿(3)的厚度大于动齿(4)的厚度。从而使得在动齿(2)、动齿(4)上受到的垂直于梳齿方向的静电力大小不同，其合力方向向上；在动齿(5)、动齿(7)上受到的垂直于梳齿方向的静电力大小不同，其合力方向向下。
进一步的，质量块受到的静电力为：
其中，ε为空气介电常数，t1为动齿(2)的厚度，t2为动齿(4)的厚度，x0为梳齿静止时定齿与动齿的重叠长度，Δx为质量块的驱动位移，d0为梳齿间间隙。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明中的微机械陀螺仪正交误差补偿结构，在梳齿的动齿和定齿施加一个直流电压后就可以在动齿上产生与正交误差反相的静电力，从而补偿正交误差，避免了传统的成本较高或难于实现的方式，简单低成本的实现了补偿正交误差。
进一步的，本发明中的结构能够通过改变直流电压的大小可以改变静电力的大小，从而补偿不同大小的正交误差，方便器件的校准。
进一步的，本发明中的结构产生的力矩较小，降低了力矩的影响，避免产生不良影响。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是本申请中角速度为0，无正交误差时质量块运动情况示意图；
图2是本申请中角速度为0，有正交误差时质量块运动情况示意图；
图3是本申请中微机械陀螺仪正交误差补偿结构的结构示意图；
图4是本申请中梳齿2、梳齿3、梳齿4的剖面图；
图5是本申请中梳齿2、梳齿3、梳齿4的俯视放大图。
具体实施方式
本发明提供了一种新型微机械陀螺仪正交误差补偿结构，解决了现有的微机械陀螺仪正交误差补偿存在成本较高，或难于实现，或具有正交误差残留，或产生力矩，导致不良影响的技术问题，实现了结构设计合理，简单的实现了补偿正交误差，并且降低了力矩，避免产生不良影响的技术效果。
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
由于传统的结构分布在质量块的两侧，导致作用力的作用线不在一条直线上，会产生力矩，导致不良影响。为了降低力矩，需要将补偿结构尽量安排在质量块的中心位置。
如图3所示，结构8为质量块，动齿2、4、5、7与结构8相连，结构10与衬底相连，定齿3、6与10相连。动齿2和定齿3之间的间距、动齿4和定齿3之间的间距、动齿5和定齿6之间的间距以及动齿7和定齿6之间的间距均相等。定齿3、6、动齿2、7的厚度相同且大于动齿4、5的厚度。基本原理如前所述，在定齿3、6与动齿2、4、5、7之间施加一直流电压VDC，
动齿2受到定齿3向下的静电力：
动齿4受到定齿3向上的静电力：
动齿5受到定齿6向下的静电力：
动齿7受到定齿6向上的静电力：
由于动齿2、4、5、7与质量块8相连，质量块受到的静电力为：
从上式可知，正交误差补偿静电力F始终保持与驱动位移Δx同步变化。
综上所述，本发明提出的结构可以利用一直流电压产生与正交误差相位完全同步的补偿力，从而非常有利于MEMS陀螺仪零偏的校准，有利于提高器件性能。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明中的微机械陀螺仪正交误差补偿结构，在梳齿的动齿和定齿施加一个直流电压后就可以在动齿上产生与正交误差反相的静电力，从而补偿正交误差，避免了传统的成本较高或难于实现的方式，简单低成本的实现了补偿正交误差。
进一步的，本发明中的结构能够通过改变直流电压的大小可以改变静电力的大小，从而补偿不同大小的正交误差，方便器件的校准。
进一步的，本发明中的结构产生的力矩较小，降低了力矩的影响，避免产生不良影响。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种新型微机械陀螺仪正交误差补偿结构，其特征在于，补偿结构位于质量块(7)内部空腔中，所述补偿结构包括：
动齿(2)、动齿(4)、动齿(5)、动齿(7)、定齿(3)、定齿(6)、连接件(10)；动齿(2)位于动齿(4)上方，动齿(2)的一端和动齿(4)的一端均与质量块(8)的左侧内壁连接，定齿(3)一端与连接件(10)连接，定齿(3)另一端延伸至动齿(2)与动齿(4)之间；动齿(5)位于动齿(7)上方，动齿(5)的一端和动齿(7)的一端均与质量块(8)的右侧内壁连接，定齿(6)一端与连接件(10)连接，定齿(6)另一端延伸至动齿(5)与动齿(7)之间；其中，动齿(2)、动齿(4)、动齿(5)、动齿(7)与质量块(8)具有相同电位，定齿(3)、定齿(6)与连接件(10)具有相同电位，动齿(2)、动齿(4)、动齿(5)、动齿(7)、质量块(8)与定齿(3)、定齿(6)、连接件(10)之间具有一电压VDC。
2.根据权利要求1所述的新型微机械陀螺仪正交误差补偿结构，其特征在于，补偿结构为导体，且连接件(10)固定在衬底上。
3.根据权利要求1所述的新型微机械陀螺仪正交误差补偿结构，其特征在于，动齿(2)与定齿(3)之间的间距、动齿(4)和定齿(3)之间的间距、动齿(5)与定齿(6)之间的间距、动齿(7)和定齿(6)之间的间距均相等。
4.根据权利要求1所述的新型微机械陀螺仪正交误差补偿结构，其特征在于，定齿(3)、定齿(6)、动齿(2)、动齿(7)的厚度相同，动齿(4)、动齿(5)的厚度相同，定齿(3)的厚度大于动齿(4)的厚度。
5.根据权利要求1所述的新型微机械陀螺仪正交误差补偿结构，其特征在于，质量块受到的静电力为：
其中，ε为空气介电常数，t1为动齿(2)的厚度，t2为动齿(4)的厚度，x0为梳齿静止时定齿与动齿的重叠长度，Δx为质量块的驱动位移，d0为梳齿间间隙。
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