CN111189438A - 一种光栅面内检测的解耦式全对称微陀螺 - Google Patents

Abstract

一种光栅面内检测的解耦式全对称微陀螺，包括：键合基板，支撑框架，驱动质量块，检测质量块，中心质量块，驱动组件和检测组件；支撑框架设置在键合基板上，支撑框架内侧面设有驱动座槽和检测座槽，驱动质量块分别设置在驱动座槽内；驱动质量块远离支撑框架中心一侧设置有可动梳齿，驱动座槽内对应可动梳齿的位置设置有固定梳齿，可动梳齿与固定梳齿交叉配合；检测质量块分别设置在检测座槽内，检测质量块上设置有可动光栅；中心质量块设置在支撑框架中心位置，中心质量块通过驱动组件与相邻的检测质量块连接，中心质量块通过检测组件与相邻的驱动质量块连接；键合基板上设置有凹槽，凹槽内两端对应可动光栅的位置对称设置有固定光栅。

Description

一种光栅面内检测的解耦式全对称微陀螺

技术领域

本发明属于微惯性导航仪器测量仪器仪表零部件的技术领域。

背景技术

陀螺是用于测量角速率的传感器，是惯性技术的核心器件之一，在现代工业控制、航空航天，国防军事，消费电子等领域发挥着重要作用。

对于微机械陀螺而言，正交误差是影响其性能的重要因素。未解耦结构的陀螺，质量块和固定端用一个二维弹性梁联系，单个质量块具有驱动和检测两个自由度，模态之间存在严重耦合；解耦式陀螺可分为单解耦和双解耦，单解耦结构陀螺仅解除了检测模态对驱动模态的耦合，驱动模态会影响检测模态；双级解耦结构陀螺，驱动模态不影响检测模态，检测模态不影响驱动模态，可消除两个模态之间的耦合误差，降低正交误差的影响，可提高角速度信号检测的精度。本发明以减少正交耦合误差为目的，通过合理巧妙的陀螺结构设计来减少正交耦合误差，从本质上降低了耦合误差对微陀螺的性能影响。

此外，本发明中微陀螺采用静电驱动，光栅检测，静电驱动具有稳定性好，且控制精确等诸多优点，光栅对微位移进行检测具有高分辨率、低噪声的优点，其分辨率可达飞米级，噪声可接近热噪声极限。目前，在距离测量及对位移敏感的加速度传感器中得到了成功应用。这使我们产生了将光栅效应应用于陀螺结构检测的动机，以解决角速率信号检测的难题，预期可将微机械陀螺的检测灵敏度与电容式陀螺相比提高一到两个数量级。

通过对本领域资料查新，发现东南大学申请了“双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪”(申请号为201410362573.9)，其采用的是静电驱动，电容式检测，整体结构设计复杂，电容式精度的提高是利用增大电容面积，由于器件的微小型化，有效电容面积已受到了很大限制。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术的不足，提供了一种光栅面内检测的解耦式全对称微陀螺装置，使微陀螺正交耦合误差小，检测精度高。

本发明的技术方案如下：

一种光栅面内检测的解耦式全对称微陀螺，包括：键合基板，支撑框架，驱动质量块，检测质量块，中心质量块，驱动组件和检测组件；

所述支撑框架设置在所述键合基板上，所述支撑框架内侧面上分别开设有驱动座槽和检测座槽，所述驱动质量块分别设置在驱动座槽内并通过驱动组件与支撑框架连接；

所述驱动质量块远离支撑框架中心一侧设置有可动梳齿，所述驱动座槽内对应可动梳齿的位置设置有固定梳齿，所述可动梳齿与固定梳齿交叉配合；

所述检测质量块分别设置在所述检测座槽内并通过检测组件与所述支撑框架连接，所述检测质量块上设置有可动光栅；

所述中心质量块设置在所述支撑框架中心位置，所述中心质量块通过驱动组件与相邻的检测质量块连接，所述中心质量块通过检测组件与相邻的驱动质量块连接；

所述键合基板上设置有凹槽，所述凹槽内两端对应所述可动光栅的位置对称设置有固定光栅。

可选地，所述驱动座槽设置在支撑框架内侧以Y轴为中心对称的两个内侧面上，所述检测座槽设置在支撑框架内侧以X轴为中心对称的两个内侧面上。

可选地，所述可动光栅和固定光栅均由多个单光栅组成，所述单光栅沿X轴方向设置，多个所述单光栅沿Y轴方向均匀间隔排列。

可选地，所述可动光栅与所述固定光栅上下交叉排列。

可选地，所述驱动组件包括：驱动反馈结构和驱动结构，所述驱动反馈结构和驱动结构均沿Y轴方向设置，其中一个驱动质量块两侧通过驱动结构、与所述支撑框架连接，另一个驱动质量块两侧通过驱动反馈结构与所述支撑框架连接。

可选地，所述驱动反馈结构和驱动结构均由驱动梁和驱动连接块组成，四根所述驱动梁沿Y轴平行设置且一端均与驱动连接块连接，外侧两根驱动梁另一端与所述驱动质量块或中心质量块连接，内侧两根驱动梁另一端与支撑框架或检测质量块连接。

可选地，所述检测组件包括：检测结构，所述检测结构均沿X轴方向设置。

可选地，所述检测结构由检测梁和检测连接块组成，四根所述检测梁沿X轴平行设置且一端均与检测连接块连接，外侧两根检测梁另一端与所述检测质量块或中心质量块连接，内侧两根检测梁另一端与支撑框架或驱动质量块连接。

本发明提供了一种光栅面内检测的解耦式全对称微陀螺装置，整体结构合理、紧凑、正交耦合误差小，该装置采用静电驱动，具有稳定性好，且控制精确等诸多优点，采用光栅对科氏力引起的微位移进行检测具有高分辨率、低噪声的优点。

附图说明

本发明的上述和(或)附加的方面的优点结合下面附图对实施例的描述将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明整体结构图；

图2为本发明整体结构的主视图；

图3为本发明俯视图；

图4为本发明键合基板结构示意图；

图5为本发明实施例的两层光栅结构剖视局部放大图；

图6为本发明驱动反馈结构和驱动结构结构示意图；

图7为本发明检测结构结构示意图。

图中所示，附图标记清单如下：

支撑框架-1，键合基板-2，驱动质量块-3、4，检测质量块-5、6，驱动反馈结构-7、8，驱动结构-9、10、11、12，中心质量块-13，检测结构-14、15、16、17、18、19，可动光栅-20、21，固定光栅-24、25，固定梳齿-22、30，可动梳齿-23、31，驱动连接块-26，驱动梁-27，检测连接块-28，检测梁-29。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明做进一步说明：

如图1、2、3所示，一种光栅面内检测的解耦式全对称微陀螺，包括：键合基板2，支撑框架1，驱动质量块3、4，检测质量块5、6，中心质量块13，驱动组件和检测组件。

如图1、3所示，所述支撑框架1设置在所述键合基板2上，所述支撑框架1为方框形结构，所述支撑框架1内侧面上分别开设有驱动座槽和检测座槽，所述驱动座槽和检测座槽用于设置两个检测质量块5、6和两个驱动质量块3、4，并为驱动质量块3、4和检测质量块5、6提供运动空间。所述驱动座槽设置在支撑框架1内侧以Y轴为中心对称的两个内侧面上，所述检测座槽设置在支撑框架1内侧以X轴为中心对称的两个内侧面上。

如图1、3所示，所述驱动质量块3、4数量有两个，结构尺寸一致，驱动质量块3、4与驱动组件厚度一致，所述驱动质量块3、4分别设置在所述驱动座槽内，所述驱动质量块3、4两端分别通过所述驱动组件与所述支撑框架1连接。所述驱动质量块3、4在键合基板2上方沿X轴方向移动。所述驱动质量块3、4远离支撑框架1中心一侧设置有可动梳齿23、31，所述驱动座槽内对应所述可动梳齿23、31的位置设置有固定梳齿22、30，所述可动梳齿23、31与固定梳齿22、30交叉配合，可以精确控制驱动，且容易实现，可根据所需驱动力大小适当的增加或减小梳齿数量。梳齿驱动速度快、功耗低兼容性好、所需驱动电流小、制造简单、可靠性高。驱动时由于可动梳齿23、31与固定梳齿22、30之间的静电力作用，两个驱动质量块3、4在驱动组件的作用下在键合基板2上面沿X轴方向移动。

如图1、3所示，检测质量块5、6数量有两个，结构尺寸一致，检测质量块5、6与检测组件厚度一致，所述检测质量块5、6分别设置在所述检测座槽内，所述检测质量块5、6两侧分别通过检测组件与所述支撑框架1连接，所述检测质量块5、6可在键合基板2上方沿Y轴方向移动。所述检测质量块5、6上设置有可动光栅20、21，所述可动光栅20、21下表面与所述检测质量块5、6下表面相平。

如图1、3所示，所述中心质量块13设置在所述支撑框架1中心位置，所述中心质量块13通过驱动组件与相邻的检测质量块5、6连接，所述中心质量块13通过检测组件与相邻的驱动质量块3、4连接。所述驱动组件、检测组件与中心质量块13厚度一致。所述中心质量块13可以在驱动方向即X轴方向运动也可以在检测方向即Y轴方向运动。驱动时，中心质量块13由驱动组件带动沿X轴方向移动，由于与中心质量块13连接的驱动组件在检测方向的刚度远大于在驱动方向的刚度，所以在驱动时检测方向没有位移输出从而减小驱动对检测的干扰，提高陀螺零偏性能；当有Z轴有角速度输入时，中心质量块13由检测组件带动沿Y轴方向移动，由于与中心质量块13连接的检测组件在驱动方向的刚度远大于在检测方向的刚度，所以在检测时驱动方向没有位移输出从而减小检测对驱动的干扰。

如图1-5所示，所述键合基板2设置在所述支撑框架1底部，所述键合基板2呈方形，所述键合基板2上设置有凹槽，所述凹槽内两端对应所述可动光栅20、21的位置对称设置有固定光栅24、25，两个固定光栅24、25结构尺寸一致，并位于可动光栅20、21下方。

如图1、3-5所示，所述可动光栅20、21和固定光栅24、25均由多个单光栅组成，所述单光栅沿X轴方向设置，多个所述单光栅沿Y轴方向均匀间隔排列。

如图1、3-5所示，所述可动光栅20、21与所述固定光栅24、25上下交叉排列，即可动光栅20、21的每个单光栅分别位于固定光栅24、25两单光栅组成的狭缝上方，可动光栅20、21与固定光栅24、25共同构成多个狭缝。所述固定光栅24、25和检测质量块5、6上布置的可动光栅20、21共同组成了位移敏感部件，当在Z轴有角速度输入时，两个检测质量块5、6在检测组件的作用下在键合基板2上面沿Y轴方向移动，检测质量块5、6带动可动光栅20、21发生检测方向位移，致使可动光栅20、21相对与固定光栅24、25在检测方向发生位移，即狭缝间距h发生变化，透射光强将发生剧烈变化，这样就可把一个微弱的柯氏力信号转化为一个较大的光学信号，根据光强的变化进而检测位移。

如图1、3、6所示，所述驱动组件包括：驱动反馈结构7、8和驱动结构9、10、11、12，所述驱动反馈结构7、8和驱动结构9、10、11、12均沿Y轴方向设置，所述驱动反馈结构7、8和驱动结构9、10、11、12结构尺寸大小一致，其中一个驱动质量块4两侧通过驱动结构9、10与所述支撑框架1连接，另一个驱动质量块3两侧通过驱动反馈结构7、8与所述支撑框架1连接。

如图1、3、6所示，所述驱动反馈结构7、8和驱动结构9、10、11、12均由驱动梁27和驱动连接块26组成，四根所述驱动梁27沿Y轴平行设置且一端均与驱动连接块26连接，外侧两根驱动梁27另一端与所述驱动质量块3、4或中心质量块13连接，内侧两根驱动梁27另一端与支撑框架1或检测质量块5、6连接。与所述驱动质量块3、4连接的驱动反馈结构7、8和驱动结构9、10，外侧的驱动梁27另一端与驱动质量块3、4连接，内侧的驱动梁27另一端与支撑框架1连接；与所述中心质量块13连接的驱动结构11、12，外侧的驱动梁27另一端与中心质量块13连接，内侧的驱动梁27另一端与检测质量块5、6连接。所述驱动梁27为直梁结构，形状呈细长状，即驱动梁27的长度远大于它的宽度与厚度，驱动梁27平行排布，与传统的T形梁相比，直梁结构在驱动运动方向的刚度低，在同等力的作用下可以增加移动位移。

所述固定梳齿22、30与可动梳齿23、31移动时产生的电荷变化量，为后部处理电路提供与驱动模态相关的电信号，当中心质量块13沿驱动方向即X轴方向谐振时，带动驱动反馈结构一同沿着驱动方向运动，由于驱动频率已知，不同的谐振位移量所产生的电荷变化量大小不同，由电荷量变化的大小控制驱动电压的大小可实现稳幅驱动的效果。

如图1、3、7所示，所述检测组件包括：检测结构14、15、16、17、18、19，所述检测结构14、15、16、17、18、19均沿X轴方向设置，所述检测结构14、15、16、17、18、19结构尺寸大小一致。如图1、3、7所示，

所述检测结构14、15、16、17、18、19由检测梁29和检测连接块28组成，四根所述检测梁29沿X轴平行设置且一端均与检测连接块28连接，外侧两根检测梁29另一端与所述检测质量块5、6或中心质量块13连接，内侧两根检测梁29另一端与支撑框架1或驱动质量块3、4连接。与所述检测质量块5、6连接的所述检测结构14、15、16、17，外侧的检测梁29另一端与检测质量块5、6连接，内侧的检测梁29另一端与支撑框架1连接；与所述中心质量块13连接的检测结构11、12，外侧的检测梁29另一端与中心质量块13连接，内侧的检测梁29另一端与驱动质量块3、4连接。所述检测梁29为直梁结构，形状呈细长状，即检测梁29的长度远大于它的宽度与厚度，检测梁29平行排布，与传统的T形梁相比，直梁结构在检测运动方向的刚度低，在同等力的作用下可以增加检测位移，促使检测时光强变化更为显著。

图6所示，驱动梁27与驱动连接块26形成的间隙为驱动方向的位移量，检测梁29与检测连接块28形成的间隙为检测方向的位移量，由于采用静电驱动方式可使得在同等大小力的作用下，在运动方向产生更大的位移，在感应相同角速率输入时可获得更大的检测位移。

所述中心质量块13通过驱动结构11、12与相邻的检测质量块5、6连接，所述中心质量块13通过检测结构18、19与相邻的驱动质量块3、4连接。

本发明的原理如下：

在可动梳齿和固定梳齿之间静电力的精确控制驱动下驱动质量块和中心质量块在X方向谐振。当有Z方向的角速度输入时，由于柯式力的作用，中心质量块将带动检测质量块在Y方向振动，可动光栅在检测方向产生位移，致使可动光栅相对与固定光栅在检测方向发生位移导致投射光强变化来检微弱柯氏力，这样就可以把一个微弱的柯式力信号转化为一个较大的光学信号，进而再转化为电学信号，通过接口电路拾取信号，经过解调、放大、滤波、调零输出即可获得角速度的信息。

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 (8)

1.一种光栅面内检测的解耦式全对称微陀螺，其特征在于，包括：键合基板(2)，支撑框架(1)，驱动质量块(3、4)，检测质量块(5、6)，中心质量块(13)，驱动组件和检测组件；

所述支撑框架(1)设置在所述键合基板(2)上，所述支撑框架(1)内侧面上分别开设有驱动座槽和检测座槽，所述驱动质量块(3、4)分别设置在驱动座槽内并通过驱动组件与支撑框架(1)连接；

所述驱动质量块(3、4)远离支撑框架(1)中心一侧设置有可动梳齿(23、31)，所述驱动座槽内对应可动梳齿(23、31)的位置设置有固定梳齿(22、30)，所述可动梳齿(23、31)与固定梳齿(22、30)交叉配合；

所述检测质量块(5、6)分别设置在所述检测座槽内并通过检测组件与所述支撑框架(1)连接，所述检测质量块(5、6)上设置有可动光栅(20、21)；

所述中心质量块(13)设置在所述支撑框架(1)中心位置，所述中心质量块(13)通过驱动组件与相邻的检测质量块(5、6)连接，所述中心质量块(13)通过检测组件与相邻的驱动质量块(3、4)连接；

所述键合基板(2)上设置有凹槽，所述凹槽内两端对应所述可动光栅(20、21)的位置对称设置有固定光栅(24、25)。

2.根据权利要求1所述的光栅面内检测的解耦式全对称微陀螺，其特征在于，所述驱动座槽设置在支撑框架(1)内侧以Y轴为中心对称的两个内侧面上，所述检测座槽设置在支撑框架(1)内侧以X轴为中心对称的两个内侧面上。

3.根据权利要求1所述的光栅面内检测的解耦式全对称微陀螺，其特征在于，所述可动光栅(20、21)和固定光栅(24、25)均由多个单光栅组成，所述单光栅沿X轴方向设置，多个所述单光栅沿Y轴方向均匀间隔排列。

4.根据权利要求3所述的光栅面内检测的解耦式全对称微陀螺，其特征在于，所述可动光栅(20、21)与所述固定光栅(24、25)上下交叉排列。

5.根据权利要求1所述的光栅面内检测的解耦式全对称微陀螺，其特征在于，所述驱动组件包括：驱动反馈结构(7、8)和驱动结构(9、10、11、12)，所述驱动反馈结构(7、8)和驱动结构(9、10、11、12)均沿Y轴方向设置，其中一个驱动质量块(4)两侧通过驱动结构(9)、(10)与所述支撑框架(1)连接，另一个驱动质量块(3)两侧通过驱动反馈结构(7、8)与所述支撑框架(1)连接。

6.根据权利要求5所述的光栅面内检测的解耦式全对称微陀螺，其特征在于，所述驱动反馈结构(7、8)和驱动结构(9、10、11、12)均由驱动梁(27)和驱动连接块(26)组成，四根所述驱动梁(27)沿Y轴平行设置且一端均与驱动连接块(26)连接，外侧两根驱动梁(27)另一端与所述驱动质量块(3、4)或中心质量块(13)连接，内侧两根驱动梁(27)另一端与支撑框架(1)或检测质量块(5、6)连接。

7.根据权利要求1所述的光栅面内检测的解耦式全对称微陀螺，其特征在于，所述检测组件包括：检测结构(14、15、16、17、18、19)，所述检测结构(14、15、16、17、18、19)均沿X轴方向设置。

8.根据权利要求7所述的光栅面内检测的解耦式全对称微陀螺，其特征在于，所述检测结构(14、15、16、17、18、19)由检测梁(29)和检测连接块(28)组成，四根所述检测梁(29)沿X轴平行设置且一端均与检测连接块(28)连接，外侧两根检测梁(29)另一端与所述检测质量块(5、6)或中心质量块(13)连接，内侧两根检测梁(29)另一端与支撑框架(1)或驱动质量块(3、4)连接。

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