CN110926444A - 一种振动非敏感硅微机电陀螺 - Google Patents

一种振动非敏感硅微机电陀螺 Download PDF

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Abstract

一种振动非敏感硅微机电陀螺，包括四质量音叉微结构、控制电路、封装壳体和减振器组件；四质量音叉微结构是基于SOG工艺加工的双自由度运动的微结构，四个质量块在受力情况下沿平面内X和Y方向运动；控制电路由C/V变换电路、驱动轴自激回路、检测轴力平衡回路、MCU控制电路等组成；封装壳体将微结构和控制电路板封装在一起，并通过壳体四个安装孔形成外部机械接口；减振器组件是电路板与封装壳体之间的连接机构。本发明是一种高精度振动非敏感硅微机电陀螺，测量精度高、抗振动冲击，可广泛应用于制导炸弹、便携防空导弹、智能炮弹、无人机、导航设备等系统，用于测量载体绕固定轴相对惯性空间的的旋转角速率。

Description

一种振动非敏感硅微机电陀螺
技术领域
本发明涉及一种基于四质量双音叉式微敏感结构的高精度振动非敏感硅微机电陀螺，属于微机械惯性仪表领域，可应用于制导炸弹、便携防空导弹、智能炮弹、无人机、导航设备等系统，用于测量载体绕固定轴相对惯性空间的的旋转角速率。
背景技术
硅微机电陀螺是20世纪80年代发展起来的一种新型微机械惯性仪表，属于微机电系统范畴，一般由微米或纳米量级可动微结构和敏感微小信号的控制电路组成，用于测量载体绕固定轴相对惯性空间的的旋转角速率。它是利用微机电加工工艺技术制造而成的，以经典力学中的哥式效应为理论基础。随着微电子技术的发展、微机械工艺加工精度的不断提高，以单晶硅材料研制的各种硅微机电陀螺测量精度越来越高。由于其运动质量小，在冲击和过载时产生的惯性也小，与传统的机械式陀螺仪相比，具有一定的抗振动或冲击的能力，但在复杂力学环境下，为了保证陀螺的测量精度，需要考虑其振动非敏感设计，以减小在综合振动量级16g及以上的测量误差。
微机械惯性仪表的振动非敏感设计，一般有两种方式：内部减振和外部减振。内部减振通过敏感结构对称设计、隔离结构设计、闭环控制等方法在仪表内部进行抗振设计；外部减振通过仪表安装时增加减振器组件达到隔离外部振动环境的效果，减振器组件类型包括金属型减振器、金属橡胶型减振器、橡胶减振器及其它类型。
发明内容
本发明的技术解决问题是：通过全对称全差分四质量双音叉式微敏感结构和外部减振器组件相结合的方法，采用高精度的电容信号检测和控制技术，实现硅微机电陀螺在复杂振动力学环境下能保持较高的角速率测量精度。
本发明的技术方案是：
一种基于四质量双音叉式微敏感结构的高精度振动非敏感硅微机电陀螺，包括四质量双音叉微结构、控制电路、封装壳体和减振器组件。四质量双音叉微结构和控制电路焊接在一块电路板后通过减振器组件安装在金属封装壳体中，通过导线输出与输入角速率成比例的数字量信号作为输出信号。
所述控制电路包括C/V变换电路、驱动轴自激回路、检测轴力平衡回路、以及MCU控制电路；
C/V变换电路根据微弱电容信号变化检测四质量双音叉微结构的位移；
驱动回路用于控制四质量双音叉微结构的驱动轴方向质量块谐振运动；
检测回路用于控制四质量双音叉微结构的检测轴方向质量块的力矩平衡控制；
MCU控制电路用于数字信号的控制。
进一步的，所述四质量双音叉微结构为对称布局，其敏感输入角速率的轴向为Z向，四质量双音叉微结构包括互联的敏感运动质量块m1、m2、m3和m4；敏感运动质量块m1、m2、m3和m4在X和Y两个自由度振动。X方向振动产生运动速度，与角速率输入Ω相互作用，产生Y方向的哥氏加速度。Y方向受到哥氏惯性力作用产生强迫振动，Y方向的振动幅值大小就代表了哥氏加速度的大小，进一步解算得到角速率输出的测量值。
X方向定义为驱动轴运动方向，Y方向定义为检测轴运动方向，在X方向作等幅谐振运动，当有角速率输入时，每个质量块产生Y方向的哥式惯性力，引起质量块在Y方向产生位移，该位移的变化量与输入角速率成正比。
进一步的，四质量双音叉微结构振动工作频率选择在13kHz，测量垂直于XY面内方向输入角速率Ω。驱动轴的运动振型为质量块在面内的左右振动，且上方的两个质量块振动方向反相，下方的两个质量块振动反相，上下质量块的振动反相。检测轴的运动振型为质量块在面内的上下振动，且上方的两个质量块振动反相，下方两个质量块的振动反相，且上下质量块振动反相。通过双音叉全差分结构设计形成振动条件输入下的应力自抵消，相比双质量单音叉结构，其仪表精度、抗振特性较优。
进一步的，所述低噪声高精度的控制电路，包括C/V变换电路选用极低输入偏置电流放大器ADA4505，具有零输入交越失真、0.5pA输入偏置电流，轨对轨输入和输出等特点，最小电容检测精度优于100zF；MCU控制电路选用STM32F302K8U6，采用内嵌32位Cortex-M4FPU内核，最高工作72MHz，自带可选分辨率ADC、1个12bit DAC、3个模拟比较器等，驱动轴谐振回路幅值稳定性优于50ppm，频率稳定性优于0.1Hz。
进一步的，本发明振动非敏感硅微机电陀螺测量范围为±500°/s；零偏稳定性(1σ)优于5°/h；在综合16g的振动量级下零偏振动前后变化优于0.01°/s，振中噪声优于1°/s。
进一步的，封装减振安装一体化的封装壳体，包括安装壳体和盖板，安装壳体具有减振组件的限位套筒和外部螺钉安装孔。
进一步的，所述减振器组件，包含8个2种形状的橡胶减振垫，每个安装孔采用上下两个橡胶减振垫固定电路板，下减振垫采用圆柱状减振垫，上减振器采用T型圆柱状减振垫，材料选用ZN-37阻尼胶料，其减振频率范围在50Hz～300Hz之间，在互相垂直的三个方向减振传递率优于1，每个方向谐振点谐振点放大倍数不大于4.5倍。
进一步的，本发明采用振动非敏感的安装方法，可减小外部振动环境对四质量双音叉微结构的影响，提高硅微机电陀螺在振动环境下的测量精度，方式如下：
(1)清洗干净封装壳体，把4个减振器组件的下减振垫安装在封装壳体内部的4个限位套筒上，减振垫的下表面与壳体充分接触，无缝隙；
(2)把装配有微结构和控制电路的电路板安装在封装壳体内部的4个限位套筒上，电路板安装孔的边沿的下表面与减振垫的上表面完全接触；
(3)把4个减振器组件的上减振垫安装在封装壳体内部的4个限位套筒上，T型圆柱状减振垫的内部小圈完全进入电路板安装孔，其高度不大于电路板的厚度，上减振垫的上表面与限位套筒的上表面相差盖板的厚度；
(4)将输出引线从壳体引出孔导出，封上盖板，盖板上表面的四个孔与壳体的限位套筒紧配合；
(5)通过4个螺钉穿过壳体限位套筒可将陀螺固定在被测载体上。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明是一种振动非敏感硅微机电陀螺，采用全对称全差分四质量双音叉式微敏感结构和外部减振器组件相结合的方法，采用高精度的电容信号检测和控制技术，实现硅微机电陀螺在复杂振动力学环境下能保持较高的角速率测量精度；
(2)本发明采用四质量双音叉微结构，采用双音叉全差分结构设计形成振动条件输入下的应力自抵消，相比双质量单音叉结构，其仪表精度、抗振特性大幅提升；
(3)本发明采用高精度的控制电路，采用极低输入偏置电流放大器ADA4505组成C/V变换电路，最小电容检测精度优于100zF，采用内嵌32位Cortex-M4 FPU内核的STM32F302K8U6进行信号数字控制，驱动轴谐振回路幅值稳定性优于50ppm，频率稳定性优于0.1Hz，敏感最小角速率达0.005°/s；
(4)本发明采用封装减振安装一体化的封装壳体，集成了减振组件的限位套筒和外部螺钉安装孔，优化减振器组件安装流程，减小陀螺体积；
(5)本发明采用硅微机电陀螺振动非敏感的安装方法，保证陀螺在在复杂振荡力学环境下的测量精度，减小在综合振动量级16g及以上的测量误差。
附图说明
图1为本发明的振动非敏感硅微机电陀螺的原理框图；
图2为本发明的四质量双音叉微结构外形图；
图3为本发明的振动非敏感硅微机电陀螺控制电路图；
图4为本发明的振动非敏感的安装方法实施图；
图5为本发明的振动非敏感硅微机电陀螺输入振动条件；
图6为本发明的振动非敏感硅微机电陀螺输入振动条件实施效果；
图7为本发明的振动非敏感硅微机电陀螺零位稳定性实施效果。
具体实施方式
本发明提出一种基于四质量双音叉式微敏感结构的高精度振动非敏感硅微机电陀螺，敏感输入角速率的轴向为Z向，其结构包括四质量双音叉微结构、控制电路、封装壳体和减振器组件。控制电路与四质量双音叉微结构微结构焊接在一块电路板后通过减振器组件安装在金属封装壳体中，与输入角速率成比例的数字量输出信号通过导线引出。
如图1所示为本发明的高精度振动非敏感硅微机电陀螺的原理框图，包括四质量双音叉式微敏感结构和控制电路，控制电路包括C/V变换电路、驱动轴自激回路、检测轴力平衡回路、以及MCU控制电路，将其焊接在一块电路板后通过减振器组件安装在金属封装壳体中，输出信号通过导线引出与输入角速率成比例的数字量信号。
C/V变换电路根据微弱电容信号变化检测四质量双音叉微结构的位移；
驱动回路用于控制四质量双音叉微结构的驱动轴方向质量块谐振运动；
检测回路用于控制四质量双音叉微结构的检测轴方向质量块的力矩平衡控制；
MCU控制电路用于数字信号的控制。
如图2所示为本发明的高精度振动非敏感硅微机电陀螺采用的四质量双音叉式微敏感结构外形图，敏感轴向为Z向，采用全对称全差分设计，形成振动条件输入下的应力自抵消。
具体的，四质量双音叉微结构为对称布局，其敏感输入角速率的轴向为Z向，四质量双音叉微结构包括互联的敏感运动质量块m1、m2、m3和m4；所述敏感运动质量块m1、m2、m3和m4在X和Y两个自由度振动；X方向振动产生运动速度，与角速率输入Ω相互作用，产生Y方向的哥氏加速度；Y方向受到哥氏惯性力作用产生强迫振动，Y方向的振动幅值大小代表了哥氏加速度的大小，进一步解算得到角速率输出的测量值。
X方向定义为驱动轴运动方向，Y方向定义为检测轴运动方向，在X方向作等幅谐振运动，当有角速率输入时，每个质量块产生Y方向的哥式惯性力，引起质量块在Y方向产生位移，该位移的变化量与输入角速率成正比。
四质量双音叉微结构的振动工作频率为13kHz，测量垂直于XY面内方向输入的角速率Ω。驱动轴的运动振型为质量块在面内的左右振动，且上方的两个质量块振动方向反相，下方的两个质量块振动反相，上下质量块的振动反相；检测轴的运动振型为质量块在面内的上下振动，且上方的两个质量块振动反相，下方两个质量块的振动反相，且上下质量块振动反相。
如图3所示为本发明的高精度振动非敏感硅微机电陀螺控制电路图，四质量双音叉式微敏感结构受力运动产生电容变化，由极低输入偏置电流放大器ADA4505组成的C/V变换电路具有高精度的电容电压转换精度，最小电容检测精度优于100zF。经过信号调理后，由STM32F302K8U6进行模数转换后数字控制，完成驱动轴高稳定性谐振闭环控制，驱动轴谐振回路幅值稳定性优于50ppm，频率稳定性优于0.1Hz；完成检测轴力平衡反馈闭环控制，控制信号经过数模转换后施加给敏感结构，其敏感最小角速率达0.005°/s。
如图4所示为本发明的硅微机电陀螺振动非敏感的安装方式。
封装壳体包括安装壳体和盖板，所述安装壳体上设置有减振组件的限位套筒和外部螺钉安装孔。减振器组件，包含8个橡胶减振垫，每个安装孔采用上下两个橡胶减振垫固定电路板，下减振垫采用圆柱状减振垫，上减振器采用T型圆柱状减振垫，其减振频率范围在50Hz～300Hz之间，在互相垂直的三个方向减振传递率优于1，每个方向谐振点谐振点放大倍数不大于4.5倍。
本发明给出实施例：
C/V变换电路选用极低输入偏置电流放大器ADA4505；所述MCU控制电路选用STM32F302K8U6，采用内嵌32位Cortex-M4 FPU内核，最高工作72MHz，自带可选分辨率ADC、1个12bit DAC、3个模拟比较器。
电路板和减振器组件在封装壳体中具体安装方式如下：
(1)清洗干净封装壳体，把4个减振器组件的下减振垫安装在封装壳体内部的4个限位套筒上，减振垫的下表面与壳体接触且无缝隙；
(2)把装配有四质量双音叉微结构和控制电路的电路板安装在封装壳体内部的4个限位套筒上，电路板安装孔的边沿的下表面与减振垫的上表面完全接触；
(3)把4个减振器组件的上减振垫安装在封装壳体内部的4个限位套筒上，T型圆柱状减振垫的内部小圈完全进入电路板安装孔，其高度不大于电路板的厚度，上减振垫的上表面与限位套筒的上表面相差盖板的厚度；
(4)将输出引线导出，封上盖板，盖板上表面的四个孔与限位套筒紧配合；
(5)通过4个螺钉穿过壳体限位套筒将陀螺固定在被测载体上。
按图5所示16g振动条件进行试验，图6所示为本发明的振动非敏感的安装方法实施效果图，零偏振动前后变化优于0.01°/s，振中噪声优于1°/s。
本发明实施例给出的振动非敏感硅微机电陀螺测量范围为±500°/s；零偏稳定性(1σ)优于5°/h，如图7所示。在综合16g的振动量级下零偏振动前后变化优于0.01°/s，振中噪声优于1°/s。
本发明是一种高精度振动非敏感硅微机电陀螺，测量精度高、抗振动冲击，可广泛应用于制导炸弹、便携防空导弹、智能炮弹、无人机、导航设备等系统，用于测量载体绕固定轴相对惯性空间的的旋转角速率。在不脱离本发明技术原理的前提下，可以作出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种振动非敏感硅微机电陀螺，其特征在于：包括四质量双音叉微结构、控制电路、封装壳体和减振器组件；
控制电路与四质量双音叉微结构焊接在一块电路板后通过减振器组件安装在金属封装壳体中，与输入角速率成比例的数字量输出信号通过导线引出；
所述控制电路包括C/V变换电路、驱动轴自激回路、检测轴力平衡回路、以及MCU控制电路；
C/V变换电路根据微弱电容信号变化检测四质量双音叉微结构的位移；
驱动回路用于控制四质量双音叉微结构的驱动轴方向质量块谐振运动；
检测回路用于控制四质量双音叉微结构的检测轴方向质量块的力矩平衡控制；
MCU控制电路用于数字信号的控制。
2.根据权利要求1所述的一种振动非敏感硅微机电陀螺，其特征在于：所述四质量双音叉微结构为对称布局，其敏感输入角速率的轴向为Z向，四质量双音叉微结构包括互联的敏感运动质量块m1、m2、m3和m4；所述敏感运动质量块m1、m2、m3和m4在X和Y两个自由度振动；X方向振动产生运动速度，与角速率输入Ω相互作用，产生Y方向的哥氏加速度；Y方向受到哥氏惯性力作用产生强迫振动，Y方向的振动幅值大小代表了哥氏加速度的大小，进一步解算得到角速率输出的测量值。
3.根据权利要求2所述的一种振动非敏感硅微机电陀螺，其特征在于：X方向定义为驱动轴运动方向，Y方向定义为检测轴运动方向，在X方向作等幅谐振运动，当有角速率输入时，每个质量块产生Y方向的哥式惯性力，引起质量块在Y方向产生位移，该位移的变化量与输入角速率成正比。
4.根据权利要求3所述的一种振动非敏感硅微机电陀螺，其特征在于：四质量双音叉微结构的振动工作频率为13kHz，测量垂直于XY面内方向输入的角速率Ω。
5.根据权利要求3所述的一种振动非敏感硅微机电陀螺，其特征在于：驱动轴的运动振型为质量块在面内的左右振动，且上方的两个质量块振动方向反相，下方的两个质量块振动反相，上下质量块的振动反相；
检测轴的运动振型为质量块在面内的上下振动，且上方的两个质量块振动反相，下方两个质量块的振动反相，且上下质量块振动反相。
6.根据权利要求1所述的一种振动非敏感硅微机电陀螺，其特征在于：所述C/V变换电路选用极低输入偏置电流放大器ADA4505；所述MCU控制电路选用STM32F302K8U6，采用内嵌32位Cortex-M4 FPU内核，最高工作72MHz，自带可选分辨率ADC、1个12bit DAC、3个模拟比较器。
7.根据权利要求1所述的一种振动非敏感硅微机电陀螺，其特征在于：振动非敏感硅微机电陀螺测量范围为±500°/s；零偏稳定性(1σ)优于5°/h；在综合16g的振动量级下零偏振动前后变化优于0.01°/s，振中噪声优于1°/s。
8.根据权利要求1所述的一种振动非敏感硅微机电陀螺，其特征在于：封装壳体包括安装壳体和盖板，所述安装壳体上设置有减振组件的限位套筒和外部螺钉安装孔。
9.根据权利要求8所述的一种振动非敏感硅微机电陀螺，其特征在于：所述减振器组件，包含8个橡胶减振垫，每个安装孔采用上下两个橡胶减振垫固定电路板，下减振垫采用圆柱状减振垫，上减振器采用T型圆柱状减振垫，其减振频率范围在50Hz～300Hz之间，在互相垂直的三个方向减振传递率优于1，每个方向谐振点谐振点放大倍数不大于4.5倍。
10.根据权利要求8所述的一种振动非敏感硅微机电陀螺，其特征在于：电路板和减振器组件在封装壳体中具体安装方式如下：
(1)清洗干净封装壳体，把4个减振器组件的下减振垫安装在封装壳体内部的4个限位套筒上，减振垫的下表面与壳体接触且无缝隙；
(2)把装配有四质量双音叉微结构和控制电路的电路板安装在封装壳体内部的4个限位套筒上，电路板安装孔的边沿的下表面与减振垫的上表面完全接触；
(3)把4个减振器组件的上减振垫安装在封装壳体内部的4个限位套筒上，T型圆柱状减振垫的内部小圈完全进入电路板安装孔，其高度不大于电路板的厚度，上减振垫的上表面与限位套筒的上表面相差盖板的厚度；
(4)将输出引线导出，封上盖板，盖板上表面的四个孔与限位套筒紧配合；
(5)通过4个螺钉穿过壳体限位套筒将陀螺固定在被测载体上。
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