CN108332731B - 微机械单振子三轴陀螺仪 - Google Patents

微机械单振子三轴陀螺仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微机械单振子三轴陀螺仪，包括一个在x轴和y轴对称的环形振子(1)、四根支撑梁(3)和一个万向节(2)，万向节(2)设置于振子(1)中心，通过四根支撑梁(3)连接振子(1)和万向节(2)，在振子(1)设置有多个振子电极Vdc(12)，在振子电极Vdc(12)上方排布多个固定电极(4‑11)，多个固定电极(4‑11)中部分是驱动电极(4‑7)，部分是检测电极(8‑11)，检测电极(8‑11)用于检测振子(1)，驱动电极(4‑7)驱动振子(1)作一定频率的同频振动，振动的振幅恒定，相位差恒定。本发明采用单振子三轴结构，可以实现陀螺仪的结构紧凑，使得陀螺仪体积小、检测的精度高和降低陀螺仪的制造成本。

Description

微机械单振子三轴陀螺仪
技术领域
本发明涉及一种微机械陀螺仪，尤其涉及一种微机械单振子三轴陀螺仪，属于微机电系统(MEMS)领域。
背景技术
陀螺仪是一种重要的惯性传感器，在诸多领域有着广泛应用。陀螺仪按检测轴数分为单轴、双轴、三轴三种，很多应用场合中都需要三轴陀螺仪。在消费电子等低精度场合一般采用多振子单片集成实现小体积，低功耗；而在中高精度的应用场合，一般采用三个独立单轴陀螺仪机械装配的方法来实现三轴陀螺仪，但这种方式的陀螺仪体积较大，限制了其应用场合。现有的微机械三轴陀螺仪，一般采用多振子单片集成，此类陀螺仪体积小，精度低，或者采用三个单轴陀螺进行装配，此类陀螺仪的体积大，成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种小体积、高精度和低成本的微机械单振子三轴陀螺仪。
本发明的微机械单振子三轴陀螺仪，包括一个在x轴和y轴对称的环形振子(1)、多个支撑梁(3)和一个万向节(2)，所述万向节(2)设置于所述振子(1)中心，通过所述多个支撑梁(3)连接所述振子(1)和所述万向节(2)，所述振子(1)可在所述x轴和所述y轴上进行弹性振动，在所述振子(1)表面上设置有多个振子电极Vdc(12)，在所述振子电极Vdc(12)上方排布多个固定电极(4、5、6、7、8、9、10、11)，所述振子电极Vdc(12)与其上方排布的所述多个固定电极(4、5、6、7、8、9、10、11)一一对应，所述多个固定电极(4、5、6、7、8、9、10、11)中部分是驱动电极(4、5、6、7)，部分是检测电极(8、9、10、11)，所述驱动电极(4、5、6、7)和所述检测电极(8、9、10、11)相互交替分布，所述检测电极(8、9、10、11)用于检测振子(1)在所述x轴、所述y轴和z轴的角速度，驱动模块连接所述驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)、Vy+(6)、Vy-(7)和所述振子(1)，驱动所述振子(1)在正交的所述x轴和所述y轴作一定频率的同频振动，所述振子(1)在所述x轴和所述y轴所作振动的振幅恒定，相位差恒定；当所述振子(1)发生振动时，所述检测电极(8、9、10、11)和所述振子电极Vdc(12)之间的电容产生相应的电容变化量ΔCzx+、ΔCzx-、ΔCzy+、ΔCzy-，所述驱动模块产生控制变量V、驱动谐振频率和相位；还包括检测模块，所述电容变化量ΔCzx+、ΔCzx-、ΔCzy+、ΔCzy-、所述控制变量V、所述驱动谐振频率、所述相位经检测模块处理后得到所述角速度。
进一步的，所述振子(1)为圆环形或多边环形。
进一步的，所述支撑梁(3)为四根。
进一步的，所述检测电极(8、9、10、11)为栅型电极。
进一步的，所述多个固定电极(4、5、6、7、8、9、10、11)包括四个驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)、Vy+(6)、Vy-(7)。
进一步的，所述多个固定电极(4、5、6、7、8、9、10、11)包括四个检测电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)。
进一步的，所述驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)和振子构成一个x轴角振动谐振器，用于所述振子(1)的x轴驱动，驱动所述振子(1)在所述x轴的振动。
进一步的，所述驱动电极Vy+(6)、Vy-(7)和振子构成一个y轴角振动谐振器，用于所述振子(1)的y轴驱动，驱动所述振子(1)在所述y轴的振动。
进一步的，所述振子(1)在所述x轴和所述y轴所作振动的振幅相同或不同。
进一步的，所述驱动模块包括锁相环(PLL)模块，锁相环(PLL)模块由相位探测器(PD)、低通滤波器(LPF)、压控振荡器(VCO)组成，所述x轴驱动通过所述锁相环(PLL)模块锁定频率。
进一步的，所述驱动模块包括自动增益控制模块(AGC)，自动增益控制(AGC)模块由整流器(Rectifier)、低通滤波器(LPF)，比例积分控制器(PI Controller)组成，所述x轴驱动通过所述自动增益控制(AGC)模块锁定振幅。
本发明采用单振子结构，振子在两个垂直的轴(xy轴)上驱动做角振动，可以对三轴的角速度敏感，两驱动轴(xy轴)振动振幅锁定、定频驱动且频率相同，在z轴产生的检测量经过两个频率信号同相解调可以得到xy轴角速度，z轴角速度会在两驱动轴上产生响应，对驱动轴谐振器输出信号进行解调滤波可以得出z轴角速度，最终实现单振子三轴角速度测量。
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1为单振子三轴陀螺仪动力学结构示意图。
图2为单振子三轴陀螺仪结构示意图。
图3为单振子正交驱动三轴陀螺系统结构示意图。
图4为驱动模块系统框图。
图5为检测模块系统框图。
图中：1、机械振子；2、万向节；3、支撑梁；4、x驱动轴正电极Vx+；5、x驱动轴负电极Vx-；6、y驱动轴正电极Vy+；7、y驱动轴负电极Vy-；8、z轴栅型检测电极Vzx+；9、z轴栅型检测电极Vzy+；10、z轴栅型检测电极Vzx-；11、z轴栅型检测电极Vzy-；12、振子电极Vdc。
具体实施方式
本发明的微机械单振子三轴陀螺仪，利用科里奥利效应对振动刚体的作用来检测三轴角速度。如图1所示，一个圆对称转动刚体绕xyz轴的转动惯量分别为Ix,Iy,Iz，在载体坐标系中的角速度为ωx,ωy,ωz，相对惯性坐标系的角速度为Ωx,Ωy,Ωz，而科里奥利效应产生的扭矩为Mx,My,Mz。当xy轴的角度以不同频率变化，且z轴转角为很小时，即θx＝θ0xsinω1t，θy＝θ0ysinω2t，θz≈0(θ0x、θ0y为角振动振幅，ω1、ω2为角振动频率)，在小角度线性近似情况下可以得到科里奥利效应产生的扭矩为：
Figure GDA0002356896720000031
可以通过自动增益控制方法(AGC)锁定xy轴的振幅，谐振器输出的信号包含两种频率成分，环路带通滤波器(BPF)只允许该驱动轴的频率信号通过，可以抑制其他频率干扰。而谐振器另引出一路信号经过带通滤波和同相解调，就可以求得z轴角速度Ωz。此外，z轴扭矩Mz会产生一个角度响应θz，这个角度由扭矩Mz和振子结构本身的性质决定，即
Figure GDA0002356896720000032
其中：Iz为振子对z轴的转动惯量；Dz为振子z轴的阻尼系数；Kz为振子z的轴弹性系数。
当振动频率ω1、ω2远大于待测角速度带宽时，可以求得角度θz可以近似为稳态解：
Figure GDA0002356896720000041
其中：K为响应的增益；
Figure GDA0002356896720000042
为响应的相移。
角度θz(或其导致的其它物理量，如检查电容)，经过
Figure GDA0002356896720000043
和
Figure GDA0002356896720000044
解调就可以得到xy轴的角速度Ωx,Ωy。
如图2所示的微机械单振子三轴陀螺仪，振子(1)用四根支撑梁(3)固定在万向节(2)上，振子(1)可在x轴或y轴做弹性振动，万向节(2)为锚点，振子(1)为xy轴对称的圆环形或多边环形，振子(1)上方排布着多个固定电极，其中电极Vx+(4)、Vx-(5)、Vy+(6)、Vy-(7)为驱动电极，栅型电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)为检测电极，振子电极Vdc(12)固定设置在表面绝缘的圆盘上，具有相同的直流电位。所述振子电极Vdc(12)与其上方排布的所述多个固定电极(4-11)一一对应。电极Vx+(4)、Vx-(5)和振子(1)构成一个x轴角振动谐振器，电极Vy+(6)、Vy-(7)和振子(1)构成一个y轴角振动谐振器，栅型电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)和振子电极Vdc(12)构成四个检测电容，可以检测振子(1)z轴角位移。
本发明的微机械单振子三轴陀螺仪采用静电驱动、电容检测，如图3-5所示，检测系统由驱动模块和检测模块组成，陀螺在驱动模块闭环控制下，沿xy两轴自激振荡，振幅固定，频率相同，相位正交，同时产生一个与z轴角速度相关的变量V。z轴方向上四个固定电极对应的四个检测电容分别为Czx+、Czx-、Czy+、Czy-，电容值(Czx++Czx-)-(Czx++Czx-)与z轴转角成正比。将变量V和四个电容Czx+、Czx-、Czy+、Czy-输入到检测模块，经过C-V变换后得到电压信号，再用
Figure GDA0002356896720000045
和
Figure GDA0002356896720000046
两个正交信号分别进行解调、滤波、补偿等处理后可以得到待测角速度Ωx,Ωy,Ωz，采用正交信号进行驱动和解调，检测加速度之间的耦合很小，信号处理更为简便。
驱动模块(Driving Module)连接陀螺仪驱动电极Vx+、Vx-、Vy+、Vy-和陀螺振子，驱动xy轴做作同频振动，两驱动轴振幅恒定，相位差恒定，同时产生控制变量V、驱动谐振频率和相位(Driving Frequency and Phase Reference)。当有角速度输入时，栅型检测电极Vzx+、Vzx-、Vzy+、Vzy-和振子结构之间的电容产生相应的变化量ΔCzx+、ΔCzx-、ΔCzy+、ΔCzy-。电容变化量和驱动环路产生的控制变量V、频率、相位输入到检测模块(SensingModule)，经过检测模块处理后得到三轴角速度输出量。
x轴驱动通过锁相环(Phase Locked Loop，PLL)锁定频率，通过自动增益控制(Auto Gain Control，AGC)来锁定振幅。PLL模块由相位探测器(Phase Detector，PD)、低通滤波器(Low Frequency Filter，LPF)、压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator，VCO)组成，AGC模块由整流器(Rectifier)、低通滤波器(LPF)，比例积分控制器(PIController)组成。振子在x轴相当于一个谐振器(xResonator)，驱动扭矩τx经过和外界z轴角速度(大小为Ωz)引起的科里奥利效应扭矩会使xResonator产生一个角度。x轴谐振器经过跨阻放大器(Trans Impedance Amp，TIA)、PLL模块组成闭环可以锁定谐振频率，而与AGC模块组成的闭环可以锁定振幅，振幅大小可以通过变量Vxref调节。
PLL中LPF的输出信号V与z角速度有关，可以用来测量z轴角速度。
PLL输出信号(VCO端输出)进行一定相移(例如-90°相移)输入到y轴谐振器(yResonator)作为参考驱动信号，y轴谐振器与TIA和AGC组成闭环。y轴的稳定频率与x轴相同，幅度锁定，其大小可以由变量Vyref设定。此外，y轴谐振器也会受到z轴角度的影响。
当三个环路稳定时，xy轴两个谐振器频率相等ωd、相差恒定(例如-90°)。此时，x轴角度为θ0xcos(ωdt+Δφ)，y轴角速度为θ0ysin(ωdt+Δφ)，z轴角速度科里奥利效应在x轴产生的扭矩为-Ixωdθ0ycos(ωdt+Δφ)，在y轴产生的扭矩为-Iyωdθ0xcos(ωdt+Δφ)，其中，θox,θoy分别为xy轴的角振动幅度，Ix,Iy分别为xy轴的转动惯量。
检测电容变化量ΔCzx+和ΔCzx-经过CV变换后求和，ΔCzy+和ΔCzy-经过CV变换后求和，两个量再求差，然后经过解调、低通滤波(LPF)后求得xy轴角速度Ωx和Ωy。差量解调参考信号相位相差90°，即cos(ωdt+Δφ)和sin(ωdt+Δφ)。
以上只是本发明的优选实施方式，本领域技术人员在不脱离本发明原理的前提下，对本发明的改进或变动，应当理解为仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种微机械单振子三轴陀螺仪，包括一个在x轴和y轴对称的环形振子(1)、多个支撑梁(3)和一个万向节(2)，所述万向节(2)设置于所述振子(1)中心，通过所述多个支撑梁(3)连接所述振子(1)和所述万向节(2)，所述振子(1)可在所述x轴和所述y轴上进行弹性振动，在所述振子(1)表面上设置有多个振子电极Vdc(12)，在所述振子电极Vdc(12)上方排布多个固定电极(4、5、6、7、8、9、10、11)，所述振子电极Vdc(12)与其上方排布的所述多个固定电极(4、5、6、7、8、9、10、11)一一对应，所述多个固定电极(4、5、6、7、8、9、10、11)中部分是驱动电极(4、5、6、7)，部分是检测电极(8、9、10、11)，所述驱动电极(4、5、6、7)和所述检测电极(8、9、10、11)相互交替分布，所述检测电极(8、9、10、11)用于检测振子(1)在所述x轴、所述y轴和z轴的角速度，驱动模块连接所述驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)、Vy+(6)、Vy-(7)和所述振子(1)，驱动所述振子(1)在正交的所述x轴和所述y轴作一定频率的同频振动，所述振子(1)在所述x轴和所述y轴所作振动的振幅恒定，相位差恒定；当所述振子(1)发生振动时，所述检测电极(8、9、10、11)和所述振子电极Vdc(12)之间的电容产生相应的电容变化量ΔCzx+、ΔCzx-、ΔCzy+、ΔCzy-，所述驱动模块产生控制变量V、驱动谐振频率和相位；
还包括检测模块，所述电容变化量ΔCzx+、ΔCzx-、ΔCzy+、ΔCzy-、所述控制变量V、所述驱动谐振频率、所述相位经检测模块处理后得到所述x轴角速度、所述y轴角速度和所述z轴角速度，其中，ΔCzx+、ΔCzx-、ΔCzy+、ΔCzy-用于得到所述x轴角速度和所述y轴角速度，控制变量V用于得到所述z轴角速度。
2.如权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于：所述振子(1)为圆环形或多边环形。
3.如权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于：所述支撑梁(3)为四根。
4.如权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于：所述检测电极(8、9、10、11)为栅型电极。
5.如权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于：所述多个固定电极(4、5、6、7、8、9、10、11)包括四个驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)、Vy+(6)、Vy-(7)。
6.如权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于：所述多个固定电极(4、5、6、7、8、9、10、11)包括四个检测电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)。
7.如权利要求4所述的陀螺仪，其特征在于：所述驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)和振子构成一个x轴角振动谐振器，用于所述振子(1)的x轴驱动，驱动所述振子(1)在所述x轴的振动。
8.如权利要求5所述的陀螺仪，其特征在于：所述驱动电极Vy+(6)、Vy-(7)和振子构成一个y轴角振动谐振器，用于所述振子(1)的y轴驱动，驱动所述振子(1)在所述y轴的振动。
9.如权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于：所述振子(1)在所述x轴和所述y轴所作振动的振幅相同或不同。
10.如权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于：所述驱动模块包括锁相环(PLL)模块，锁相环(PLL)模块由相位探测器(PD)、低通滤波器(LPF)、压控振荡器(VCO)组成，所述x轴驱动通过所述锁相环(PLL)模块锁定频率。
11.如权利要求10所述的陀螺仪，其特征在于：所述驱动模块包括自动增益控制模块(AGC)，自动增益控制(AGC)模块由整流器(Rectifier)、低通滤波器(LPF)，比例积分控制器(PI Controller)组成，所述x轴驱动通过所述自动增益控制(AGC)模块锁定振幅。
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