CN110702088A - 一种轮式双轴微机械陀螺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轮式双轴微机械陀螺，其特征在于：它包括衬底，锚点，驱动折叠梁，中心连接梁，内环框架，外环框架，多组扭转梁，检测质量块，驱动梳齿和驱动反馈梳齿。固定在衬底上的中心连接梁与内环框架连接，内环框架通过一组扭转梁与检测质量块连接，外环框架通过一组扭转梁与检测质量块连接，驱动折叠梁一端与外环框架连接，另一端固定连接在衬底上。检测质量块可以分别以X轴和Y轴为扭转轴进行面外扭摆运动，实现差分检测。本发明可同时检测两个轴的角速度输入，对线加速度不敏感、机械耦合小、工艺过程简单，可以大批量生产，并且有利于和其他元器件集成惯性测量单元，应用于汽车、航空航天、军事等领域。

Description

一种轮式双轴微机械陀螺
技术领域
本发明涉及一种微机械陀螺，特别是关于一种轮式双轴微机械陀螺。
背景技术
微机械陀螺仪是用来测量物体转动速度快慢的惯性传感器，不但具有集成电路的优点，还实现了智能化控制机械系统，由于其重量轻、体积小、成本低、功耗小、环境适应性强以及易集成，在汽车产业、军事、航空航天及消费电子等众多领域中发挥着不可替代的作用。
目前，由于谐振式微机械陀螺是根据“哥氏效应”来设计的，其控制系统的实现相对容易，是研究最为广泛也较成熟的微机械陀螺形式。现在研究较多的单检测质量块音叉陀螺容易存在对线加速度敏感的问题。由于谐振式轮式陀螺完全对称，可以有效解决线加速度敏感的问题。
微惯性测量单元(MIMU)主要由微机械加速度计和陀螺的单轴、双轴、三轴组合而成，可以同时测量物体多个轴向的加速度和角速度，得到物体的速度、位移、方向、姿态等信息。实现MIMU通常有两种方法：1、通过组装多个分立元件来实现，然而这种方法保证安装精度有一定难度，并且整个测量单元体积较大。2、在单个芯片上集成多个器件，这种方法在保证性能的情况下能够避免器件在组装工艺上的误差，并且能够有效降低封装成本。针对第二种思路，目前检测垂直器件表面方向角速度输入的谐振式z轴微机械陀螺仪已经能够达到很高的性能，但是由于诸多设计限制的存在，检测水平轴角速度输入的谐振式水平轴微机械陀螺尚不能达到很高的性能，此外，对于MIMU来说，减小器件间的耦合也是十分重要的一项议题，可采用双轴或三轴的设计来有效减小器件间的耦合。
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轮式双轴微机械陀螺。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种轮式双轴微机械陀螺，用于检测物体围绕水平面内X、Y轴的旋转，其特征在于：它包括衬底，锚点，驱动折叠梁，中心连接梁，内环框架，外环框架，内环检测X轴扭转梁，内环检测Y轴扭转梁，外环检测X轴扭转梁，外环检测Y轴扭转梁，检测质量块，驱动梳齿，驱动反馈梳齿，检测电极，驱动电极及驱动反馈电极；所述驱动梳齿和所述驱动反馈梳齿分别包括动齿和静齿；
所述内环框架，外环框架，检测质量块，驱动梳齿及驱动反馈梳齿分别相对于陀螺X、Y轴对称分布；所述中心连接梁通过所述锚点固定连接在所述衬底上，所述中心连接梁与所述内环框架固定连接，所述内环框架通过所述内环检测X轴扭转梁或所述内环检测Y轴扭转梁与所述检测质量块固定连接，所述驱动反馈梳齿的动齿与所述内环框架连接，所述外环框架通过所述外环检测X轴扭转梁或所述外环检测Y轴扭转梁与所述检测质量块连接，所述驱动折叠梁一端与所述外环框架连接，另一端通过所述锚点固定连接在所述衬底上，所述驱动梳齿的动齿与所述外环框架固定连接；
所述内环框架包括两个环，所述内环框架包括的两个环具有相同的中心。
所述内环框架的所述两个环之间通过所述内环检测Y轴扭转梁或所述内环检测X轴扭转梁连接。
所述内环框架的两个环之间通过所述内环检测Y轴扭转梁连接时，所述内环框架与所述检测质量块之间通过所述内环检测X轴扭转梁连接；所述内环框架的两个环之间通过所述内环检测X轴扭转梁连接时，所述内环框架与所述检测质量块之间通过所述内环检测Y轴扭转梁连接。
所述外环框架包括两个环，所述外环框架包括的两个环具有相同的中心。
所述外环框架的所述两个环之间通过所述外环检测Y轴扭转梁或所述外环检测X轴扭转梁连接。
所述外环框架的两个环之间通过所述外环检测Y轴扭转梁连接时，所述外环框架与所述检测质量块之间通过所述外环检测X轴扭转梁连接；所述外环框架的两个环之间通过所述外环检测X轴扭转梁连接时，所述外环框架与所述检测质量块之间通过所述外环检测Y轴扭转梁连接。
静电力驱动所述驱动梳齿，所述驱动梳齿采用变面积结构梳齿和变间隙结构梳齿中的一种；所述驱动反馈梳齿采用变面积结构梳齿和变间隙结构梳齿中的一种。
所述驱动折叠梁，其一端连接到所述外环框架上，另一端通过所述锚点连接到所述衬底上，以约束所述内环框架、所述驱动梳齿的动齿、所述驱动反馈梳齿的动齿、所述外环框架、所述检测质量块、所述中心连接梁、所述内环检测X轴扭转梁、所述内环检测Y轴扭转梁、所述外环检测X轴扭转梁、所述外环检测Y轴扭转梁在平面内围绕陀螺中心的旋转，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。
所述内环检测X轴扭转梁和所述外环检测X轴扭转梁分别包括两个相对于X轴对称的长方体扭转梁，以约束所述检测质量块在平面外围绕Y轴的旋转。
以响应器件受到X轴方向的角速度输入时产生的科里奥利力，所述检测质量块在平面外围绕Y轴旋转，以便检测X轴方向的角速度输入信息。
所述内环检测Y轴扭转梁和所述外环检测Y轴扭转梁分别包括两个相对于Y轴对称的长方体扭转梁，以约束所述检测质量块在平面外围绕X轴的旋转。
以响应器件受到Y轴方向的角速度输入时产生的科里奥利力，所述检测质量块在平面外围绕X轴旋转，以便检测Y轴方向的角速度输入信息。
所述检测质量块在检测模态进行离面运动，检测电容为变间隙结构电容。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用轮式对称结构，与传统的音叉陀相比，对线加速度不敏感，有利于和其它器件集成为MIMU。2、本发明中的驱动折叠梁放置在结构外侧，并在结构中心有固定在衬底上的中心连接梁，由于加工误差会导致驱动折叠梁产生倾斜度，使得驱动时结构产生面外位移，导致检测端产生耦合信号，与驱动折叠梁放置在检测质量块内侧相比，将驱动折叠梁放置在结构外侧有利于降低机械耦合。3、本发明能够同时对X轴和Y轴的角速度输入进行检测，集成MIMU时减少了系统的器件数量从而约了空间，降低了系统成本，并且有利于降低多个元器件之间的交叉耦合问题，提高其可靠性。
附图说明
图1是本发明结构示意图
图2是图1中中心连接梁、驱动反馈梳齿和内环框架结构示意图
图3是图1中驱动梳齿结构示意图
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，本发明为一种轮式双轴微机械陀螺，它包括衬底100，中心连接梁101，驱动反馈梳齿102，内环框架103，内环检测X轴扭转梁104，内环检测Y轴扭转梁105，检测质量块106，外环框架107，外环检测X轴扭转梁108，外环检测Y轴扭转梁109，驱动折叠梁110，驱动梳齿111，锚点112。
其中内环框架103，外环框架107，检测质量块106，驱动梳齿110，驱动反馈梳齿102相对于陀螺X、Y轴对称分布。检测质量块106通过内环检测Y轴扭转梁105与内环框架103连接，外环框架107包括环1071和环1072，环1071和环1072之间通过外环检测Y轴扭转梁109连接，环1071与检测质量块106之间通过外环检测X轴扭转梁108连接，外环检测X轴扭转梁108和外环检测Y轴扭转梁109的位置可以相互调换。环1072与驱动折叠梁110固定连接，驱动折叠梁110的另一端通过锚点112固定连接在衬底100上，实现陀螺以Z轴为扭转轴的面内扭转运动。检测质量块106在内环检测X轴扭转梁104和外环检测X轴扭转梁108的约束下，实现以Y轴为扭转轴的离面扭摆运动，检测质量块106在内环检测Y轴扭转梁105和外环检测Y轴扭转梁109的约束下，实现以X轴为扭转轴的离面扭摆运动。
如图2所示，内环框架103包括环1031和环1032，环1031和环1032之间通过内环检测X轴扭转梁104连接，内环检测X轴扭转梁104和内环检测Y轴扭转梁105的位置可以相互调换，驱动反馈梳齿102采用多组，均匀分布在内环框架103和中心连接梁101之间的空隙里，每组驱动反馈梳齿102包括与内环框架103相连的可动梳齿1021和通过各自锚点112固定连接在衬底100上的1022，驱动梳齿的俯视图为扇环；中心连接梁101连接了锚点和内环框架103中的环1031。
图3为一组驱动梳齿的示意图，驱动梳齿111采用多组，每组包括与外环框架107相连的可动梳齿1111和通过各自锚点112固定连接在衬底100上的1112。驱动梳齿的俯视图为扇环。
图4为陀螺的侧视图，驱动电极、驱动反馈电极和检测电极通过锚点固定在衬底100上。
图5为检测电极的示意图，电极501与502、503与504均为差分检测。电极501与502用来检测Y轴方向输入的角速度，电极503与504用来检测X轴方向输入的角速度。
本实施例中，陀螺的衬底100可采用硅、氧化硅、玻璃等材料，中心连接梁101，驱动反馈梳齿102，内环框架103，内环检测X轴扭转梁104，内环检测Y轴扭转梁105，检测质量块106，外环框架107，外环检测X轴扭转梁108，外环检测Y轴扭转梁109，驱动折叠梁110，驱动梳齿111等可用硅、钛等材料。本发明中的驱动折叠梁110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。
本发明基于科里奥利力原理来检测物体角速度输入，器件工作时，在驱动电压作用下，驱动梳齿的固定梳齿，对驱动梳齿的可动梳齿施加静电力，驱动梳齿的可动梳齿1111带动驱动反馈梳齿的动齿1021，内环框架103，内环检测X轴扭转梁104，内环检测Y轴扭转梁105，检测质量块106，外环框架107，外环检测X轴扭转梁108及外环检测Y轴扭转梁109在中心连接梁101和驱动折叠梁110的约束下以原点为中心进行面内扭转运动。此时，当系统有水平轴方向角速度输入时，检测质量块106受到与面内扭转方向和角速度输入方向垂直的科里奥利力的作用，该科里奥利力方向与Z轴平行，当输入角速度输入方向为X轴时，检测质量块106的左侧部分和右侧部分受到大小相同，方向相反的科里奥利力。由于科氏力的作用，内环检测X轴扭转梁104和外环检测X轴扭转梁108发生扭转变形，带动检测质量块106以Y轴为轴进行离面扭摆运动，从而引起检测电容的变化，通过处理左右检测电容的差分信号就可以获得沿X轴方向角速度输入的信息。当输入角速度输入方向为Y轴时，检测质量块106的上部分和下部分受到大小相同，方向相反的科里奥利力。由于科氏力的作用，内环检测Y轴扭转梁105和外环检测Y轴扭转梁109发生扭转变形，带动检测质量块106以X轴为轴进行离面扭摆运动，从而引起检测电容的变化，通过处理上下检测电容的差分信号就可以获得沿Y轴方向角速度输入的信息。

Claims (15)

1.一种轮式双轴微机械陀螺，用于检测物体围绕水平面内X、Y轴的旋转，其特征在于：它包括衬底，锚点，驱动折叠梁，中心连接梁，内环框架，外环框架，内环检测X轴扭转梁，内环检测Y轴扭转梁，外环检测X轴扭转梁，外环检测Y轴扭转梁，检测质量块，驱动梳齿，驱动反馈梳齿，检测电极，驱动电极及驱动反馈电极；所述驱动梳齿和所述驱动反馈梳齿分别包括动齿和静齿；
所述内环框架，外环框架，检测质量块，驱动梳齿及驱动反馈梳齿分别相对于陀螺X、Y轴对称分布；所述中心连接梁通过所述锚点固定连接在所述衬底上，所述中心连接梁与所述内环框架固定连接，所述内环框架通过所述内环检测X轴扭转梁或所述内环检测Y轴扭转梁与所述检测质量块固定连接，所述驱动反馈梳齿的动齿与所述内环框架连接，所述外环框架通过所述外环检测X轴扭转梁或所述外环检测Y轴扭转梁与所述检测质量块连接，所述驱动折叠梁一端与所述外环框架连接，另一端通过所述锚点固定连接在所述衬底上，所述驱动梳齿的动齿与所述外环框架固定连接。
2.如权利要求1所述的一种轮式双轴微机械陀螺，其特征在于：所述内环框架包括两个环，所述内环框架包括的两个环具有相同的中心。
3.如权利要求2所述的一种轮式双轴微机械陀螺，其特征在于：所述内环框架的所述两个环之间通过所述内环检测Y轴扭转梁或所述内环检测X轴扭转梁连接。
4.如权利要求1或2所述的一种轮式双轴微机械陀螺，其特征在于：所述内环框架的两个环之间通过所述内环检测Y轴扭转梁连接时，所述内环框架与所述检测质量块之间通过所述内环检测X轴扭转梁连接；所述内环框架的两个环之间通过所述内环检测X轴扭转梁连接时，所述内环框架与所述检测质量块之间通过所述内环检测Y轴扭转梁连接。
5.如权利要求1所述的一种轮式双轴微机械陀螺，其特征在于：所述外环框架包括两个环，所述外环框架包括的两个环具有相同的中心。
6.如权利要求5所述的一种轮式双轴微机械陀螺，其特征在于：所述外环框架的所述两个环之间通过所述外环检测Y轴扭转梁或所述外环检测X轴扭转梁连接。
7.如权利要求1或5所述的一种轮式双轴微机械陀螺，其特征在于：所述外环框架的两个环之间通过所述外环检测Y轴扭转梁连接时，所述外环框架与所述检测质量块之间通过所述外环检测X轴扭转梁连接；所述外环框架的两个环之间通过所述外环检测X轴扭转梁连接时，所述外环框架与所述检测质量块之间通过所述外环检测Y轴扭转梁连接。
8.如权利要求1所述的一种轮式双轴微机械陀螺，其特征在于：静电力驱动所述驱动梳齿，所述驱动梳齿采用变面积结构梳齿和变间隙结构梳齿中的一种；所述驱动反馈梳齿采用变面积结构梳齿和变间隙结构梳齿中的一种。
9.如权利要求1所述的一种轮式双轴微机械陀螺，其特征在于：所述驱动折叠梁，其一端连接到所述外环框架上，另一端通过所述锚点连接到所述衬底上，以约束所述内环框架、所述驱动梳齿的动齿、所述驱动反馈梳齿的动齿、所述外环框架、所述检测质量块、所述中心连接梁、所述内环检测X轴扭转梁、所述内环检测Y轴扭转梁、所述外环检测X轴扭转梁、所述外环检测Y轴扭转梁在平面内围绕陀螺中心的旋转，产生水平面内垂直于旋转半径的加速度。
10.如权利要求9所述的一种轮式双轴微机械陀螺，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。
11.如权利要求1所述的一种轮式双轴微机械陀螺，其特征在于：所述内环检测X轴扭转梁和所述外环检测X轴扭转梁分别包括两个相对于X轴对称的长方体扭转梁，以约束所述检测质量块在平面外围绕Y轴的旋转。
12.如权利要求11所述的一种轮式双轴微机械陀螺，其特征在于：以响应器件受到X轴方向的角速度输入时产生的科里奥利力，所述检测质量块在平面外围绕Y轴旋转，以便检测X轴方向的角速度输入信息。
13.如权利要求1所述的一种轮式双轴微机械陀螺，其特征在于：所述内环检测Y轴扭转梁和所述外环检测Y轴扭转梁分别包括两个相对于Y轴对称的长方体扭转梁，以约束所述检测质量块在平面外围绕X轴的旋转。
14.如权利要求13所述的一种轮式双轴微机械陀螺，其特征在于：以响应器件受到Y轴方向的角速度输入时产生的科里奥利力，所述检测质量块在平面外围绕X轴旋转，以便检测Y轴方向的角速度输入信息。
15.如权利要求12或14所述的一种轮式双轴微机械陀螺，其特征在于：所述检测质量块在检测模态进行离面运动，检测电容为变间隙结构电容。
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