CN111076714A - 一种内驱外检式平面线圈解耦微陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内驱外检式平面线圈解耦微陀螺，包括：下基板，设置在下基板上的键合框体以及设置在键合框体上的上部支撑框，所述上部支撑框内侧的相对两端分别设置有检测质量块，所述检测质量块两侧通过检测组合梁与所述上部支撑框连接，两个所述检测质量块之间设置有驱动质量块，所述驱动质量块位于上部支撑框中心，所述驱动质量块通过驱动组合梁与所述检测质量块连接。本发明的微机械陀螺仪，其整体结构对称，采用内部驱动带动外部质量块检测，起到正交解耦效果，利用平面线圈动生电动势效应检测微弱柯式力，位移灵敏度高，结构合理、紧凑，抗电磁干扰能力强，且具有噪声小、稳幅驱动的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种内驱外检式平面线圈解耦微陀螺，属微惯性导航技术相关领域。
背景技术
陀螺仪是一种能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。对于徽陀螺仪而言，正交误差是影响其性能的重要因素。在理想情况下，当没有角速度输入时，单纯的驱动运动不会耦合到检测方向，相似地，单纯的检测运动也不会导致驱动方向的运动，但是由于加工误差的必然存在，在没有解耦的情况下，驱动运动和检测运动之间会相互影响，即使在没有角速度输入的情况下，检测方向也会存在位移，这就是正交误差产生的主要原因，在有角速度输入时，检测运动也会带动驱动机构运动，进而导致驱动运动的不稳定。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供一种内驱外检式平面线圈解耦微陀螺，驱动与检测互不影响，以平面线圈动生电动势效应检测提高微小型陀螺仪的检测精度和分辨率，使检测更加精确、稳定。
本发明的方案如下：
一种内驱外检式平面线圈解耦微陀螺，包括：下基板，设置在下基板上的键合框体以及设置在键合框体上的上部支撑框，所述上部支撑框内侧的相对两端分别设置有检测质量块，所述检测质量块两侧通过检测组合梁与所述上部支撑框连接，两个所述检测质量块之间设置有驱动质量块，所述驱动质量块位于上部支撑框中心，所述驱动质量块通过驱动组合梁与所述检测质量块连接。
可选地，所述检测质量块中心布置平面线圈，所述上部支撑框上设置有检测信号输出电极，所述平面线圈的端部分别与一引线连接，所述引线一端与所述平面线圈连接，所述引线另一端通过检测组合梁引至支上部支撑框上并与检测信号输出电极连接。
可选地，所述平面线圈上设置有用于铺设引线的绝缘层，当引线通过平面线圈时，所述引线铺设在所述绝缘层上。
可选地，所述上部支撑框上设置有驱动信号输入电极，所述驱动质量块的靠近检测质量块的两侧分别设置有驱动反馈导线和驱动导线，位于所述驱动质量块一侧的驱动反馈导线两端通过驱动组合梁和检测组合梁引至上部支撑框上并与该侧的驱动信号输入电极连接，位于所述驱动质量块另一侧的驱动导线两端通过驱动组合梁和检测组合梁引至上部支撑框上并与该侧的驱动信号输入电极连接。
可选地，所述键合框体为矩形框。
可选地，上部支撑框为矩形框。
可选地，所述下基板上设置有驱动磁体和检测磁体，所述驱动磁体对应所述驱动组合梁的位置设置，所述检测磁体对应所述检测质量块的位置设置。
可选地，所述驱动组合梁包括驱动悬臂梁和驱动梁连接块，所述驱动梁连接块一端的两侧设置有突出部，整所体呈“T”形，两个所述驱动悬臂梁分别位于驱动梁连接块两侧并且一端与突出部连接，所述驱动悬臂梁另一端与所述驱动质量块连接，所述驱动梁连接块另一端与所述检测质量块连接。
可选地，所述检测组合梁包括检测悬臂梁和检测梁连接块，所述检测梁连接块一端的两侧设置有突出部，整所体呈“T”形，两个所述检测悬臂梁分别位于检测梁连接块两侧并且一端与突出部连接，所述检测悬臂梁另一端与所述检测质量块连接，所述检测梁连接块另一端与所述上部支撑框连接。
本发明的有益效果在于：
本发明实施例的微机械陀螺仪，采用整体对称结构，驱动与检测分离，抑制驱动对检测的影响，适合器件的自解耦和微型化。相对于电容式检测，动生电动势效应可以将微机械陀螺仪的灵敏度提高1-2 个数量级。除以上特点外，该微陀螺应用电磁驱动，避免了复杂的梳齿结构，降低了工艺难度，易于实现稳幅驱动，且动生电动势检测电路较电容式的设计简单、噪声小。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构图；
图2为本发明实施例的整体结构的俯视图；
图3为本发明实施例的图2的A框中线圈与磁体示意图；
图4为本发明实施例的图2的C框中引线和绝缘层示意图；
图5为本发明实施例的图2的B框中组合梁示意图；
图6为本发明实施例的下基板与键合框体结合体的平面结构图；
图7为本发明实施例的结构敏感原理示意图。
图中所示，附图标记清单如下：
1、下基板，2、键合框体，3、上部支撑框，4、驱动组合梁，5、驱动质量块，6、检测组合梁，7、驱动磁体，8、检测磁体，9、检测质量块，10、平面线圈，11、驱动反馈导线，12、驱动导线，13、引线，14、绝缘层，15、驱动信号输入电极，16、检测信号输出电极，41、驱动悬臂梁，42、驱动梁连接块，61、检测悬臂梁，62、检测梁连接块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步说明：
如图1、2，4所示，一种内驱外检式平面线圈解耦微陀螺，整体采用对称结构，包括：下基板1，设置在下基板1上的键合框体2以及设置在键合框体2上的上部支撑框3，所述上部支撑框3内侧的相对两端分别设置有检测质量块9，所述检测质量块9两侧通过检测组合梁6与所述上部支撑框3连接，用于支撑微陀螺仪的检测质量块9，驱动组合梁4在电磁力作用下沿驱动方向振动，两个所述检测质量块 9之间设置有驱动质量块5，所述驱动质量块5位于上部支撑框3中心，所述驱动质量块5通过驱动组合梁4与所述检测质量块9连接，用于支撑驱动质量块5。
所述检测组合梁6分别设置在所述上部支撑框3内侧的四个边角处并位于所述检测质量块9的两侧，所述驱动组合梁4分别设置在所述驱动质量块5的四个边角处，使陀螺仪整体结构为对称设置。
所述检测质量块9通过检测组合梁6固定在上部支撑框3内侧的两端，可随驱动质量块5沿检测方向移动，当无角速度输入时检测质量块无运动，所述检测质量块9中心布置可动的平面线圈10，
所述上部支撑框3上设置有检测信号输出电极16，所述平面线圈10的端部分别与一引线13连接，所述引线13一端与所述平面线圈10连接，所述引线13另一端通过检测组合梁6引至支上部支撑框 3上并与检测信号输出电极16连接，所述平面线圈10上设置有用于铺设引线13的绝缘层14，当引线通过平面线圈10时，所述引线13 铺设在所述绝缘层14上，所述平面线圈10产生的电动势，通过引线 13和检测信号输出电极16从平面线圈10中心引出，引线13和检测信号输出电极16相连接。
所述上部支撑框3上设置有驱动信号输入电极15，所述驱动质量块5的靠近检测质量块9的两侧分别设置有驱动反馈导线11和驱动导线12，位于所述驱动质量块5一侧的驱动反馈导线11两端通过驱动组合梁4和检测组合梁6引至上部支撑框3上并与该侧的驱动信号输入电极15连接，位于所述驱动质量块5另一侧的驱动导线12两端通过驱动组合梁4和检测组合梁6引至上部支撑框3上并与该侧的驱动信号输入电极15连接。
所述键合框体2和上部支撑框3均为矩形框，所述键合框体2起到支撑上部支撑框3的作用。
所述下基板1上设置有驱动磁体7和检测磁体8，所述驱动磁体7对应所述驱动组合梁4的位置设置，所述检测磁体8对应所述检测质量块9的位置设置，一个所述检测质量块9可对应至少一个检测磁体8，当对应多个检测磁体8时，可以增大输出信号。
如图5所示，所述驱动组合梁4和检测组合梁6结构大致相同，整体呈“山”字形，所述驱动组合梁4包括驱动悬臂梁41和驱动梁连接块42，所述驱动梁连接块42一端的两侧设置有突出部，整所体呈“T”形，两个所述驱动悬臂梁41分别位于驱动梁连接块42两侧并且一端与突出部连接，所述驱动悬臂梁41另一端与所述驱动质量块5连接，所述驱动梁连接块42另一端与所述检测质量块9连接。
所述检测组合梁6包括检测悬臂梁61和检测梁连接块62，所述检测梁连接块62一端的两侧设置有突出部，整所体呈“T”形，两个所述检测悬臂梁61分别位于检测梁连接块62两侧并且一端与突出部连接，所述检测悬臂梁61另一端与所述检测质量块9连接，所述检测梁连接块62另一端与所述上部支撑框3连接。
所述的驱动悬臂梁41共8根，其参数相同，分别位于驱动质量块5上下两侧，检测悬臂梁61共8根，其参数相同，分别位于检测质量块的左右两侧，为隔离驱动质量块5和检测质量块9在竖直方向的位移，驱动悬臂梁41和检测悬臂梁61的厚度均大于它们的宽度。
本发明采用的平面线圈10是回折形，动生电动势检测基于洛伦兹力定律理论，其基本原理为：磁体产生磁场，当平面线圈在垂直于磁场方向运动时，线圈切割磁感线，根据洛伦兹力定律，线圈内部的电荷会受到洛伦兹力从而造成正负电荷分离至线圈两端，形成电动势。平面线圈对微位移进行检测具有高分辨率、低噪声的优点。本发明提出采用平面线圈检测原理的微陀螺，拟通过原理创新的途径来解决微陀螺中微弱柯氏力检测问题，预期将微机械陀螺的精度与电容式陀螺相比提高一到两个数量级，可以看出平面线圈检测优点突出。
如图2-3所示，所述的平面线圈10中的每根导线在图3所示的 X轴、Y轴方向均匀间隔排列；平面线圈沿X轴运动时，只有垂直于 X轴的导线切割磁感线，切割磁感线的导线一半在Y轴正半轴处于N 型磁场，一半在Y轴负半轴处于S型磁场，根据洛伦兹力定律可以得出，导线两端电势相等，对外不产生电势；平面线圈沿Y轴运动时，只有垂直于Y轴的导线切割磁感线，处于Y轴正半轴导线处于N型磁场，处于Y轴负半轴导线处于S型磁场，根据洛伦兹力定律可以得出，处于不同磁性磁场的导线在沿着同一方向切割磁感线时，产生电势方向一致，总的电势为每根导线电势相加之和。其制作工艺可在质量块上整体溅射导线材料，之后用干法刻蚀出平面线圈。
如图2-4所示，所述的绝缘层14是在平面线圈10表面制作，之后在绝缘层14上铺设引线13，这样可以将中心的电动势引到上部支撑框3并通过检测信号电极16输出检测信号。其制作工艺为在干法刻蚀出平面线圈后，在平面线圈表面沉淀S iO2作为绝缘层，随后刻蚀出所需绝缘层14的区域，最后溅射引线13材料，之后用干法刻蚀出引线13。
如图6所示，所述的驱动磁体7可以为永磁铁，产生的磁场为匀强磁场，且驱动永磁铁的区域可以覆盖驱动导线的谐振区域，这样可以提供稳定的正弦驱动力；检测磁体8可以为永磁铁，产生的磁场为匀强磁场，且检测永磁铁的区域可以覆盖平面线圈谐振区域，这样可以更好实现对位移信号的高灵敏度检测。
如图2、图7所示，通过驱动信号电极15向驱动导线12通正弦交流电，在洛伦兹力作用下，驱动质量块5沿驱动方向(Y轴方向) 做线性简谐振动，驱动反馈导线11将驱动位移量检测出来，当陀螺仪在Z轴方向上有角速度输入时，驱动质量块5根据驱动相位的不同，将分别受到沿X轴方正、负向大小相等的柯氏力的作用，产生柯氏加速度，检测质量块9将在检测方向(X轴)上产生进动同时带动可动平面线圈10在检测方向产生位移。
本发明的解耦结构是一种减少驱动和检测模态之间相互影响的有效方式，解耦的原理就是通过合理地选择和布局支承梁、驱动机构、检测机构及质量块，用以限制驱动机构只沿驱动方向运动，限制其检测方向、平面外方向等其它方向的运动，同时限制检测机构只沿检测方向运动，限制其驱动方向、平面外方向等其它方向的运动，从而有效地减少耦合误差。
本发明为解耦设计，相比半解耦，本发明驱动不影响检测，驱动稳幅可控，有利于微弱柯氏力的检测；本发明为两幅对称平面线圈检测，两个检测结构可以互相校正，提高检测精度。
本发明的有益效果在于：
本发明实施例的微机械陀螺仪，采用整体对称结构，驱动与检测分离，抑制驱动对检测的影响，适合器件的自解耦和微型化。相对于电容式检测，动生电动势效应可以将微机械陀螺仪的灵敏度提高1-2 个数量级。除以上特点外，该微陀螺应用电磁驱动，避免了复杂的梳齿结构，降低了工艺难度，易于实现稳幅驱动，且动生电动势检测电路较电容式的设计简单、噪声小。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种内驱外检式平面线圈解耦微陀螺，其特征在于，包括：下基板(1)，设置在下基板(1)上的键合框体(2)以及设置在键合框体(2)上的上部支撑框(3)，所述上部支撑框(3)内侧的相对两端分别设置有检测质量块(9)，所述检测质量块(9)两侧通过检测组合梁(6)与所述上部支撑框(3)连接，两个所述检测质量块(9)之间设置有驱动质量块(5)，所述驱动质量块(5)位于上部支撑框(3)中心，所述驱动质量块(5)通过驱动组合梁(4)与所述检测质量块(9)连接。
2.根据权利要求1所述的内驱外检式平面线圈解耦微陀螺，其特征在于，所述检测质量块(9)中心布置平面线圈(10)，所述上部支撑框(3)上设置有检测信号输出电极(16)，所述平面线圈(10)的端部分别与一引线(13)连接，所述引线(13)一端与所述平面线圈(10)连接，所述引线(13)另一端通过检测组合梁(6)引至支上部支撑框(3)上并与检测信号输出电极(16)连接。
3.根据权利要求2所述的内驱外检式平面线圈解耦微陀螺，其特征在于，所述平面线圈(10)上设置有用于铺设引线(13)的绝缘层(14)，当引线通过平面线圈(10)时，所述引线(13)铺设在所述绝缘层(14)上。
4.根据权利要求1所述的内驱外检式平面线圈解耦微陀螺，其特征在于，所述上部支撑框(3)上设置有驱动信号输入电极(15)，所述驱动质量块(5)的靠近检测质量块(9)的两侧分别设置有驱动反馈导线(11)和驱动导线(12)，位于所述驱动质量块(5)一侧的驱动反馈导线(11)两端通过驱动组合梁(4)和检测组合梁(6)引至上部支撑框(3)上并与该侧的驱动信号输入电极(15)连接，位于所述驱动质量块(5)另一侧的驱动导线(12)两端通过驱动组合梁(4)和检测组合梁(6)引至上部支撑框(3)上并与该侧的驱动信号输入电极(15)连接。
5.根据权利要求1所述的内驱外检式平面线圈解耦微陀螺，其特征在于，所述键合框体(2)为矩形框。
6.根据权利要求1所述的内驱外检式平面线圈解耦微陀螺，其特征在于，上部支撑框(3)为矩形框。
7.根据权利要求1所述的内驱外检式平面线圈解耦微陀螺，其特征在于，所述下基板(1)上设置有驱动磁体(7)和检测磁体(8)，所述驱动磁体(7)对应所述驱动组合梁(4)的位置设置，所述检测磁体(8)对应所述检测质量块(9)的位置设置。
8.根据权利要求1所述的内驱外检式平面线圈解耦微陀螺，其特征在于，所述驱动组合梁(4)包括驱动悬臂梁(41)和驱动梁连接块(42)，所述驱动梁连接块(42)一端的两侧设置有突出部，整所体呈“T”形，两个所述驱动悬臂梁(41)分别位于驱动梁连接块(42)两侧并且一端与突出部连接，所述驱动悬臂梁(41)另一端与所述驱动质量块(5)连接，所述驱动梁连接块(42)另一端与所述检测质量块(9)连接。
9.根据权利要求1所述的内驱外检式平面线圈解耦微陀螺，其特征在于，所述检测组合梁(6)包括检测悬臂梁(61)和检测梁连接块(62)，所述检测梁连接块(62)一端的两侧设置有突出部，整所体呈“T”形，两个所述检测悬臂梁(61)分别位于检测梁连接块(62)两侧并且一端与突出部连接，所述检测悬臂梁(61)另一端与所述检测质量块(9)连接，所述检测梁连接块(62)另一端与所述上部支撑框(3)连接。
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