CN106705949A - 力平衡式谐振微机械陀螺 - Google Patents
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Abstract
力平衡式谐振微机械陀螺，包括静电梳齿驱动器、质量块、双端音叉谐振器和静电梳齿力平衡器。在静电梳齿驱动器上加驱动电压时，质量块作沿x轴方向的振荡运动，并在外部绕z轴的旋转角速度作用下产生沿y方向的科氏力。静电梳齿力平衡器用于平衡质量块在y方向上的科氏力，使质量块在y方向上处于平衡位置。本发明的结构形式提高了微机械陀螺的灵敏度、分辨率和动态范围，实现了将陀螺敏感角速度产生的科氏力的变化转换成谐振器谐振频率的变化，进而通过反馈回路调节达到新的平衡的力平衡式反馈系统，并有效地抑制了非线性的影响。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)中的微机械传感器领域，它作为微惯性器件广泛应用于汽车电子、航空航天、武器装备等领域。
背景技术
基于角动量原理的经典的框架式机械转子陀螺仪，由数百个(约300多个)零件组装而成，结构复杂，体积大，使用寿命短，不能满足技术发展和许多新应用的要求。因而相继发展了没有机械转子的固态陀螺，代表性的有激光陀螺、半球谐振陀螺以及光纤陀螺。前两种陀螺的性能可达到惯性导航级的漂移精度(0.01°/h)；但价格高，体积较大，仍不能适用于正在发展的微型惯性测量单元和低价格商用市场的需求。而MEMS正处于发展时期，它的技术和市场都尚未成熟，但其孕育的广阔发展前景和巨大的社会、经济效益是世人共知的。于是，研制新一代微机械陀螺(MMG)受到世界范围的普遍重视，并在汽车工业需求的推动下，已经成为20世纪80年代中期至今广泛研究和发展的主题。
从测试原理上讲，目前硅微机械陀螺普遍采用电容检测方式。电容检测具有温漂小，灵敏度高，可靠性号和稳定性好等优点。但随着微惯性器件结构尺寸的不断缩小，其灵敏度和分辨率大大降低，达到了检测的极限状态。检测输出信号的信噪比非常低，信号检测电路和处理电路非常复杂，不利小型化和集成化。2002年，美国Berkeley的A.A.Seshia等人提出了硅谐振式微机械陀螺的一种实现结构，该结构将以往的硅微机械陀螺与微机械谐振器有效地结合在一起，从而有效地避免电容检测中噪声干扰的影响。但其微机械谐振器的振动动态方程很复杂，在仅考虑稳态情况下的输出位移信号既是调幅信号同时也是调频信号，解调过程受非线性因素影响。目前的微机械陀螺产品大多是中低精度地，严重地制约其应用范围，较多地应用在精度要求不高的商用领域，提高现有微机械陀螺的性能就是要实现高灵敏度、高分辨率、低噪声、低漂移和大的动态范围。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种力平衡式谐振微机械陀螺，以解决现有微机械陀螺灵敏度、分辨率不够高，以及电容检测中存在的问题，抑制非线性的影响。
本发明的技术解决方案：力平衡式谐振微机械陀螺包括双端音叉谐振器、静电梳齿驱动器、质量块和静电梳齿力平衡器四个部分，整个结构为轴对称图形，质量块处于中间位置，具有x和y两个方向的自由度，其x方向上对称放置两个固定于基底上的静电梳齿驱动器，其y方向上对称设置两个固定于基底上的静电梳齿力平衡器和两个双端音叉谐振器DETF，质量块受静电梳齿驱动器的静电力驱动，沿x方向作振荡运动，若存在沿z轴方向的外界输入角速度信号，质量块将受到沿y方向的科氏力作用。静电梳齿力平衡器用于平衡此科氏力，使质量块在y方向上处于平衡位置，当输入角速度变化时，质量块在y方向上出现周期变化的科氏力，并传递到相连的两个双端音叉谐振器上，且大小相等方向相反，使其固有谐振频率发生变化，测量其差动输出可反馈调节静电梳齿力平衡器的驱动电压，从而使质量块在y方向上回到平衡位置，实现对输入角速度的动态闭环检测。
本发明工作原理：力平衡式谐振微机械陀螺属于振动陀螺(VG)，是基于受激振动在有科氏加速度时存在模态耦合效应的原理来工作的，实质上是由于科式加速度的存在引起了两种模态间的能量传递。其基本原理如图2所示，其中质量块3P固连在旋转坐标系的xoy平面，质量块P在受到静电梳齿驱动器的静电力驱动作用后将沿x轴方向以相对旋转坐标系的速度υ运动，旋转坐标系绕负z轴以角速度ω旋转。因科氏效应产生科氏力的公式为Fcor＝-2mP[ω×υ]，即质量块P在旋转坐标系中受到沿正y轴的科氏力Fcor，其中mP为平板质量块P的质量。可见科氏力Fcor直接与作用在质量块P上的输入角速度ω成正比，获得该科氏力Fcor的信息也即获得输入角速度ω的信息。
该科氏力Fcor通过静电梳齿力平衡器来平衡，使质量块在科氏力Fcor方向上处于平衡位置。其梳齿的结构图如图3所示，在静电梳齿力平衡器上施加驱动电压V(t)＝Vd+Visinωpt，x轴方向上产生的静电力为：Fe=1∂C2∂xV(t)2]]>
=1∂C2∂x(Vd2+12Vi2+2VdVisinωpt-12Vi2cos2ωPt).]]>其中，∂C∂x=2nϵrϵ0hd,]]>即只与梳齿的厚度h和梳齿间隙d有关，与梳齿宽度b无关。在Vi＜Vd的情况下，则施加在质量块上的静电力为Fx=2∂C∂xVdVisinωpt.]]>通过改变驱动电压V(t)＝Vd+Visinωpt大小来使静电力Fx平衡科氏力Fcor，即有Fx＝Fcor。
在输入角速度变化瞬间，科氏力Fcor′≠Fx，由于设计的结构为轴对称图形，该科氏力Fcor′以等幅反向的形式作用在两端对称的两个双端音叉谐振器上，使其弹性系数kl受到调制发生周期性的变化。其弹性系数kl与科氏力成正比，可表示为kl=CmodeFcor′2Lr,]]>其中Cmode为双端音叉谐振器的振型常数。如图4所示，双端音叉谐振器在轴向时变科氏力Fcor′作用下的动力学方程为：
mrx··r+brx·r+(kr+klsin(ωpt))xr=Fd,]]>其中，Fd为加在谐振器上的驱动电压产生的驱动力，kr为谐振器在未受科氏力作用时系统的弹性系数，klsin(ωpt)为谐振器在驱动频率为fp＝ωp/2π的科氏力Fcor′的调制作用下附加的弹性系数，在零点附近，此附加项可线性化为klωpt。单个双端音叉谐振器的谐振频率变化为ωr=kr+klωptmr≈ωr0+ωr02klωptkr,]]>对称的两个双端音叉谐振器的谐振频率变化量的差动输出为Δf=12π(Δω1-Δω2)=12π2Δω=ωr02πklωptkr.]]>以之为控制信号，通过力平衡控制回路调节静电梳齿力平衡器的驱动电压使质量块在科氏力Fcor′作用下达到新的平衡状态，从而实现对输入角速度ω的检测。
本发明与现有技术相比的优点：
(1)本发明所采用的双端音叉谐振器能够实现将微机械陀螺敏感角速度产生的科氏力的变化转换成谐振器谐振频率的变化，从而反馈调节静电梳齿力平衡器的驱动电压，有效避免了电容检测中噪声干扰的影响，且易于数字信号处理。
(2)本发明所采用的静电梳齿力平衡器能够平衡微机械陀螺敏感角速度产生的科氏力作用，使微机械陀螺在此方向上处于静止平衡状态，有效地抑制了非线性的影响，也解决了在单独使用微机械谐振器检测过程中存在的振动动态方程复杂，仅考虑稳态情况，且输出位移信号既是调幅信号同时也是调频信号等因素的影响。
附图说明
图1为本发明的力平衡式谐振微机械陀螺的原理图；
图2为本发明的科氏效应基本原理示意图；
图3为本发明的梳齿结构图；
图4为本发明的双端音叉谐振器的结构图；
图5为本发明的力平衡式谐振微机械陀螺的实施例1结构图；
图6为力平衡式谐振微机械陀螺的实施例2结构图。
具体实施方式
如图1所示，本发明由双端音叉谐振器1、静电梳齿驱动器2、质量块3、和静电梳齿力平衡器4四个部分组成，整个结构为轴对称图形。质量块3处于中间位置，具有x和y两个方向的自由度，其x方向上对称放置两个固定于基底上的静电梳齿驱动器2，其y方向上对称设置两个固定于基底上的静电梳齿力平衡器4和两个双端音叉谐振器DETF 1。
如图4所示，双端音叉谐振器1包括驱动静齿6、测量静齿7、梁11和动齿5，其中，两根对称的音叉梁作简谐振动，其外侧对称放置驱动静齿6和动齿5构成动、静梳齿对，通过静电力使双端音叉谐振器1工作在谐振状态，并通过测量静齿7和动齿5构成的动、静梳齿对来敏感音叉梁在轴向力作用下谐振频率的变化实现对轴向力的测量。在驱动静齿6上加频率为双端音叉谐振器1谐振频率的驱动信号后，质量块3做y方向的谐振运动，测量静齿7输出谐振频率信号。
静电梳齿驱动器2和静电梳齿力平衡器4具有相同的均布静齿，与质量块上分布的动齿构成动、静梳齿对结构，在驱动电压下产生静电力。前者用于产生质量块作简谐振动的静电力，后者用于平衡陀螺敏感角速度产生的科氏力作用，使陀螺在科氏力方向上处于平衡位置。
图1所示力平衡式谐振微机械陀螺的原理图，可以有多种结构图实现，举例说明，可以有如图5和图6所示的力平衡式谐振微机械陀螺的实现结构。如图5所示，结构为轴对称图形，质量块3包括内部动齿框架及外部框架，通过四个支撑梁9和锚点8与基底固定。在内部动齿框架内部x方向上放置四个固定于基底上的静电梳齿驱动器2，在外部框架外部y方向上对称放置两个固定于基底上的静电梳齿力平衡器4，和两个双端音叉谐振器1。如图6所示，结构为轴对称图形，质量块3为平板状，处于中间位置，通过四个支撑梁9和锚点8与基底固定。其x方向上对称放置两个固定于基底上的静电梳齿驱动器2，其y方向上对称放置两个固定于基底上的静电梳齿力平衡器4，并通过两个固定于基底上的杠杆放大机构10与外侧两个双端音叉谐振器1相连。其中，杠杆放大机构10利用典型的杠杆原理，利用锚电8为支点，通过减小力臂达到放大科氏力的作用。
本发明的结构中，基片材料为玻璃，敏感结构材料为单晶硅，采用标准的体硅工艺制作，较以往的多晶硅微机械陀螺具有更加良好的机械特性。
Claims (3)
1.力平衡式谐振微机械陀螺，其特征在于：包括双端音叉谐振器(1)、静电梳齿驱动器(2)、质量块(3)、和静电梳齿力平衡器(4)，结构为轴对称图形，中间为质量块(3)，具有x和y两个方向的自由度，其x方向上放置两个固定于基底上的静电梳齿驱动器(2)，其y方向上设置两个固定于基底上的静电梳齿力平衡器(4)和两个双端音叉谐振器(1)，质量块(3)受静电梳齿驱动器(2)的静电力驱动，沿x方向作振荡运动，若存在沿z轴方向的外界输入角速度信号，质量块将受到沿y方向的科氏力作用，静电梳齿力平衡器(4)用于平衡此科氏力，使质量块在y方向上处于平衡位置，当输入角速度变化时，质量块(3)在y方向上出现周期变化的科氏力，并传递到相连的两个双端音叉谐振器(1)上，且大小相等方向相反，使其固有谐振频率发生变化，测量其差动输出可反馈调节静电梳齿力平衡器(4)的驱动电压，从而使质量块(3)在y方向上回到平衡位置，实现对输入角速度的动态闭环检测。
2.根据权利要求1所述的力平衡式谐振微机械陀螺，其特征在于：所述的双端音叉谐振器(1)能够实现谐振式检测方式，它采用工作在简谐振动状态的两根对称的音叉梁，通过敏感音叉梁在轴向力作用下谐振频率的变化实现对轴向力的测量，两根音叉梁外侧对称放置驱动和拾振装置使其工作在谐振状态。
3.根据权利要求1所述的力平衡式谐振微机械陀螺，其特征在于所述的静电梳齿力平衡器(4)与静电梳齿驱动器(2)具有相同的均布静齿，与质量块(3)上分布的动齿构成动、静梳齿对结构，在驱动电压下产生静电力，用于平衡陀螺敏感角速度产生的科氏力作用，使陀螺在此方向上处于平衡位置，有效地抑制了非线性的影响。
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