CN108955663B - 一种谐振式双轴微机械轮式陀螺 - Google Patents

一种谐振式双轴微机械轮式陀螺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种谐振式双轴微机械轮式陀螺，其特征在于：它包括衬底，锚点，中心轴，驱动折叠梁，内环框架，外环框架，检测X轴扭转梁，检测Y轴扭转梁，检测质量块，检测电容、驱动梳齿电容及驱动反馈梳齿电容。内环框架内通过驱动折叠梁与中心轴相连，内环框架外通过检测X轴扭转梁与外环框架相连，外环框架外通过检测Y轴扭转梁与检测质量块相连。内环框架的内测和外侧分别连接驱动反馈梳齿电容的可动电极和驱动梳齿电容的可动电极。各梳齿电容的固定电极连接在衬底上，检测电容的可动电极连接在检测质量块上，固定电极连接在衬底上。本发明工艺过程简单，可用于实现单质量块双轴陀螺，并可以实现大批量生产。

Description

一种谐振式双轴微机械轮式陀螺
技术领域
本发明涉及一种微机械陀螺，特别是关于一种谐振式双轴微机械轮式陀螺。
背景技术
陀螺仪是一种用来检测物体运动时角速度的器件。微机械陀螺具有体积小、重量轻、成本低、功耗小及易集成等优点，在航空、航天、兵器、汽车和消费类电子产品等领域都得到了广泛的应用。惯性测量单元(IMU)是由单轴、双轴或者三轴陀螺仪或及加速度计组合而成的单元，可以同时测量物体多个轴向的加速度和角速度，经过一系列数据处理可以得到物体的速度、位移、方向、姿态等信息。
目前，单检测质量块陀螺是研究最广泛也是较成熟的微机电振动陀螺形式，这种结构形式在原理上容易存在对线加速度敏感的问题。谐振式轮陀螺由于其完全对称的特点，可以很好的解决这一问题。
多轴惯性传感器主要是分立元件的组装，将多个单轴陀螺仪和加速度计集成在同一个芯片上。但是由于多个元件集成在一起，体积较大，不同器件之间的耦合会使器件性能受到影响，同时，多个元件的组装对工艺兼容性要求很高。
目前用于检测垂直于器件表面方向角速度的Z轴微机械音叉陀螺的偏值稳定性已达0.1°/h，水平轴陀螺因其受到的诸多设计限制的存在，成为IMU研究中亟待解决的重要研究突破点，北京大学微机械陀螺组开发了单解耦全闭合轮式水平轴陀螺、单解耦半闭合轮式水平轴陀螺等多种轮式陀螺。
发明内容
本发明的目的是提供一种高性能，可实现差分检测X轴、Y轴方向角速度信息的谐振式双轴微机械轮式陀螺。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种谐振式双轴微机械轮式陀螺，用于检测围绕水平面内X、Y轴的旋转，其特征在于：它包括衬底，锚点，中心轴，驱动折叠梁，内环框架，外环框架，检测X轴扭转梁，检测Y轴扭转梁，检测质量块，检测电容、驱动梳齿电容及驱动反馈梳齿电容；所述驱动梳齿电容和驱动反馈梳齿电容分别包括可动电极和固定电极；
所述锚点，驱动折叠梁，内环框架，外环框架，检测质量块，驱动梳齿电容及驱动反馈梳齿电容相对于陀螺X、Y轴对称分布，所述检测X轴扭转梁相对于陀螺X轴对称分布，所述检测Y轴扭转梁相对于陀螺Y轴对称分布；所述中心轴固定连接在所述衬底上，所述内环框架通过所述驱动折叠梁与所述中心轴固定连接，所述驱动梳齿电容的可动电极与所述内环框架固定连接，所述驱动反馈梳齿电容的可动电极与所述内环框架连接，所述外环框架通过所述检测X轴扭转梁与所述内环框架连接，所述检测质量块通过所述检测Y轴扭转梁与所述外环框架连接；所述驱动梳齿电容的固定电极及所述驱动反馈梳齿电容的固定电极通过各自的锚点固定连接在所述衬底上，所述检测电容的可动电极固定在所述检测质量块上，所述检测电容的固定电极固定在所述衬底上。
静电力驱动所述驱动梳齿电容，所述驱动梳齿电容采用变面积结构电容和变间隙结构电容中的一种。
所述驱动反馈梳齿电容采用变面积结构电容和变间隙结构电容中的一种。
所述驱动折叠梁，其一端连接到所述中心轴上，另一端连接到所述内环框架上，以约束所述内环框架、所述驱动梳齿、所述驱动反馈梳齿、所述外环框架、所述检测质量块、所述检测X轴扭转梁、所述检测Y轴扭转梁在平面内围绕所述中心轴的旋转，产生水平面内垂直于旋转半径的加速度。
所述驱动折叠梁为弯曲变形梁、扭转变形梁和弯扭组合梁中的一种。
所述检测X轴扭转梁包括两个相对于X轴对称的长方体扭转梁，其一端连接在所述内环框架上，另一端连接在所述外环框架上，以约束所述外环框架、所述检测Y轴扭转梁、所述检测质量块在平面外围绕Y轴的旋转。
以响应X轴的旋转产生的科里奥利力，所述外环框架、所述检测Y轴扭转梁、所述检测质量块在平面外围绕Y轴旋转，以便检测X轴旋转速率。
所述检测Y轴扭转梁，包括两个相对于Y轴对称的长方体扭转梁，其一端连接在所述外环框架上，另一端连接在所述检测质量块上，以约束所述检测质量块在平面外围绕X轴的旋转。
以响应Y轴的旋转产生的科里奥利力，所述检测质量块在平面外围绕X轴旋转，以便检测Y轴旋转速率。
所述检测电容为变间隙结构电容，采用离面检测。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用轮式完全对称结构，对线加速度不敏感，增大了陀螺量程，降低了使用要求，有利于和其它器件集成为系统如微惯性测量单元，而且减少了系统的器件数量从而降低系统成本并提高其可靠性。2、本发明驱动梁全部采用了折叠梁，有利于释放加工过程和工作过程中产生的应力从而提高陀螺的线性度和稳定性；而且，采用折叠梁降低了陀螺对加工过程如老化和温度试验的要求，有利于提高生产效率，进一步降低了成本。3、本发明检测能够同时对X轴和Y轴的角速度输入进行检测，集成微惯性测量单元时节约了空间，并降低了多个元件之间产生的交叉耦合问题。4、本发明采用常规微机电工艺及设备，工艺过程简单，且与Z轴音叉陀螺兼容，可用于实现单片三轴陀螺，并可以实现大批量生产。
附图说明
图1是本发明结构示意图
图2是图1中驱动梳齿结构示意图
图3是图1中驱动折叠梁和驱动反馈梳齿结构示意图
图4是本发明陀螺结构侧视图
图5为本发明检测电容可动电极示意图
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1所示，本发明为一种谐振式双轴微机械轮式陀螺，它包括衬底100，中心轴101，驱动折叠梁102，内环框架103，外环框架104，检测X轴扭转梁105，检测Y轴扭转梁106，检测质量块107，驱动梳齿电容108，驱动反馈梳齿电容109。
其中锚点101，驱动折叠梁102，内环框架103，外环框架104，检测质量块107，驱动梳齿电容108，驱动反馈梳齿电容109相对于陀螺X、Y轴对称分布，检测X轴扭转梁相对于X轴对称分布，检测Y轴扭转梁相对于Y轴对称分布。驱动折叠梁102中采用的折叠梁可以是弯曲变形梁、扭转变形梁或弯扭组合梁，实现陀螺的面内扭转运动。中心轴101固定连接在衬底100上，内环框架103通过驱动折叠梁102与锚点101固定连接。
图2为一组驱动梳齿的示意图，驱动梳齿电容108采用多组，每组包括与内环框架103相连的可动电极1081和通过各自锚点固定连接在衬底100上的1082。多组驱动电容108分布在内环框架103和外环框架104中间的环状空隙里，驱动梳齿的俯视图为扇环，可以实现以中心轴101为圆心的扭转运动。
如图3所示，驱动反馈梳齿电容109采用多组，每组包括连接内环框架103的可动电极1091和通过各自锚点固定连接在衬底100上的1092，可动电极1091通过与驱动折叠梁102固定连接的中心轴101固定连接在衬底100上。多组驱动反馈电容109分布在内环框架103和中心轴101中间的环状空隙里，驱动反馈梳齿的俯视图为扇环，可以实现以中心轴101为圆心的扭转运动。
图4为陀螺的侧视图，检测电容的可动电极固定在检测质量块107上，检测电容的固定电极固定在衬底100上。图1中外环框架104通过检测X轴扭转梁105与内环框架103连接，检测质量块107通过检测Y轴扭转梁106与外环框架104连接。检测质量快107在检测X轴扭转梁105或检测Y轴扭转梁106的约束下，实现陀螺的离面扭摆运动。
图5为固定在检测质量块107上的检测电容的可动电极的示意图，可动电极501与502、503与504均为差分检测。可动电极501与502用来检测X轴输入的角速度，可动电极503与504用来检测Y轴输入的角速度。
本实施例中，陀螺的衬底100可采用硅、氧化硅、玻璃等材料，驱动折叠梁102，内环框架103，外环框架104，检测质量块107，驱动梳齿电容108及驱动反馈梳齿电容109等可用硅、钛等材料。本发明的驱动折叠梁102可以是弯曲变形梁，也可以是扭转变形梁，还可以是弯扭组合梁。
本发明利用科里奥利力来测量物体角速度，如图1所示，工作时，驱动梳齿电容的固定电极1082在驱动电压作用下，对驱动梳齿的可动电极1081施加静电力，驱动梳齿电容的可动梳齿带动除衬底100外整个结构以中心轴101为中心进行面内扭转运动。当系统有X轴方向角速度输入时，检测质量块107的左侧和右侧受到与Z轴平行的科里奥利力，两侧受到的力大小相同，方向相反。由于科氏力的作用，检测X轴扭转梁105扭转变形，检测质量块107以Y轴为轴进行离面扭摆运动，从而引起电容的变化，通过左右检测电容的差分信号即可获得沿X轴方向输入的角速度信息。当系统有Y轴方向角速度输入时，检测质量块107的上侧和下侧受到与Z轴平行的科里奥利力，两侧受到的力大小相同，方向相反。由于科氏力的作用，检测Y轴扭转梁106扭转变形，检测质量块107以X轴为轴进行离面扭摆运动，从而引起电容的变化，通过左右检测电容的差分信号即可获得沿Y轴方向输入的角速度信息。
以上实施例中本发明可在常压下工作，但低气压下可进一步提高陀螺的灵敏度。

Claims (10)

1.一种谐振式双轴微机械轮式陀螺，用于检测围绕水平面内X、Y轴的旋转，其特征在于：它包括衬底，锚点，中心轴，驱动折叠梁，内环框架，外环框架，检测X轴扭转梁，检测Y轴扭转梁，检测质量块，检测电容、驱动梳齿电容及驱动反馈梳齿电容；所述驱动梳齿电容和驱动反馈梳齿电容分别包括可动电极和固定电极；
所述锚点，驱动折叠梁，内环框架，外环框架，检测质量块，驱动梳齿电容及驱动反馈梳齿电容相对于陀螺X、Y轴对称分布，所述检测X轴扭转梁相对于陀螺X轴对称分布，所述检测Y轴扭转梁相对于陀螺Y轴对称分布；所述中心轴固定连接在所述衬底上，所述内环框架通过所述驱动折叠梁与所述中心轴固定连接，所述驱动梳齿电容的可动电极与所述内环框架固定连接，所述驱动梳齿电容分布在所述内环框架和所述外环框架中间的环状空隙里，所述驱动反馈梳齿电容的可动电极与所述内环框架连接，所述驱动反馈梳齿电容分布在所述内环框架和所述中心轴中间的环状空隙里，所述外环框架通过所述检测X轴扭转梁与所述内环框架连接，所述检测质量块通过所述检测Y轴扭转梁与所述外环框架连接；所述驱动梳齿电容的固定电极及所述驱动反馈梳齿电容的固定电极通过各自的锚点固定连接在所述衬底上，所述检测电容的可动电极固定在所述检测质量块上，所述检测电容的固定电极固定在所述衬底上。
2.如权利要求1所述的一种谐振式双轴微机械轮式陀螺，其特征在于：静电力驱动所述驱动梳齿电容，所述驱动梳齿电容采用变面积结构电容和变间隙结构电容中的一种。
3.如权利要求1所述的一种谐振式双轴微机械轮式陀螺，其特征在于：所述驱动反馈梳齿电容采用变面积结构电容和变间隙结构电容中的一种。
4.如权利要求1所述的一种谐振式双轴微机械轮式陀螺，其特征在于：所述驱动折叠梁，其一端连接到所述中心轴上，另一端连接到所述内环框架上，以约束所述内环框架、所述驱动梳齿、所述驱动反馈梳齿、所述外环框架、所述检测质量块、所述检测X轴扭转梁、所述检测Y轴扭转梁在平面内围绕所述中心轴的旋转，产生水平面内垂直于旋转半径的加速度。
5.如权利要求4所述的一种谐振式双轴微机械轮式陀螺，其特征在于：所述驱动折叠梁为弯曲变形梁、扭转变形梁和弯扭组合梁中的一种。
6.如权利要求1所述的一种谐振式双轴微机械轮式陀螺，其特征在于：所述检测X轴扭转梁包括两个相对于X轴对称的长方体扭转梁，其一端连接在所述内环框架上，另一端连接在所述外环框架上，以约束所述外环框架、所述检测Y轴扭转梁、所述检测质量块在平面外围绕Y轴的旋转。
7.如权利要求4或6所述的一种谐振式双轴微机械轮式陀螺，其特征在于：以响应X轴的旋转产生的科里奥利力，所述外环框架、所述检测Y轴扭转梁、所述检测质量块在平面外围绕Y轴旋转，以便检测X轴旋转速率。
8.如权利要求1所述的一种谐振式双轴微机械轮式陀螺，其特征在于：所述检测Y轴扭转梁包括两个相对于Y轴对称的长方体扭转梁，其一端连接在所述外环框架上，另一端连接在所述检测质量块上，以约束所述检测质量块在平面外围绕X轴的旋转。
9.如权利要求4或8所述的一种谐振式双轴微机械轮式陀螺，其特征在于：以响应Y轴的旋转产生的科里奥利力，所述检测质量块在平面外围绕X轴旋转，以便检测Y轴旋转速率。
10.如权利要求6或8所述的一种谐振式双轴微机械轮式陀螺，其特征在于：所述检测电容为变间隙结构电容，采用离面检测。
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