CN113390403A - 一种单质量双解耦的双轴硅微陀螺仪 - Google Patents

一种单质量双解耦的双轴硅微陀螺仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及双轴陀螺仪，具体是一种单质量的双轴陀螺仪，两个轴陀螺仪均为双解耦结构，均为水平轴陀螺仪。本发明解决了现有双轴陀螺仪结构复杂、良率低、机械耦合大、轴间串扰大等问题。一种单质量双解耦的双轴硅微陀螺仪，包括玻璃基底、玻璃盖帽、驱动模块、X轴检测模块、Y轴检测模块、中框复合质量块；所述驱动模块包括一个内框驱动质量块、一个中心锚块、四根工字型驱动梁、四根L型解耦梁、两个驱动极板、两个驱动反馈极板；所述X(Y)轴检测模块包括两个X(Y)轴检测质量块、两组X(Y)轴检测梳齿、两根工字型解耦梁、四对X(Y)轴检测弹性支撑梁、四个锚块。本发明适用于导航制导、平台稳定、姿态控制等高端应用领域。

Description

一种单质量双解耦的双轴硅微陀螺仪
技术领域
本发明涉及双轴陀螺仪，具体是一种单质量、双解耦的双轴硅微陀螺仪
背景技术
陀螺仪是惯性导航系统、平台稳定系统等的核心敏感器件，广泛应用于军事武器、太空探测等领域，具有极其广泛的应用前景。这些应用经常需要用到同时测量x轴、y轴方向上的角速度输入的双轴陀螺仪，现有的解决方案主要有两类：一类是由两个单轴陀螺仪正交组装，一般这种方案实现的双轴陀螺仪精度较高，但成本较高，且组装带来的正交误差会影响双轴陀螺仪的精度。另一类是单片集成的双轴陀螺仪，此种双轴陀螺仪存在的问题是：一、受结构限制，很难实现双解耦结构，也很难抑制轴间串扰，导致器件精度差；二、一般结构过于复杂，加工生产良率低。因此有必要发明一种全新的双轴陀螺仪，以解决现有双轴陀螺仪测量精度低、生产良率低的问题。
发明内容
本发明为了解决双轴陀螺仪测量精度低、生产良率低的问题，提供了一种单质量双解耦的双轴硅微陀螺仪。
发明是采用如下技术方案实现的：
一种单质量双解耦的双轴硅微陀螺仪，包括玻璃基底、玻璃盖帽、驱动模块、X轴检测模块、Y轴检测模块、中框复合质量块；
驱动模块、X轴检测模块、Y轴检测模块、中框复合质量块位于玻璃基底的上方，位于玻璃盖板的下方；驱动模块、X轴检测模块、Y轴检测模块、中框复合质量块均与玻璃基底、玻璃盖板平行：驱动模块、X轴检测模块、Y轴检测模块、中框复合质量块的下表面与玻璃基底的上表面之间留有间隙；驱动模块、X轴检测模块、Y轴检测模块、中框复合质量块的上表面与玻璃盖板的下表面之间留有间隙；
所述驱动模块包括一个内框驱动质量块、一个中心锚块、四根工字型驱动梁、四根L型解耦梁、两个驱动极板(分别位于玻璃基底和玻璃盖帽上，示意图中未画出)、两个驱动反馈极板(分别位于玻璃基底和玻璃盖帽上，示意图中未画出)；所述内框驱动质量块与所述四根工字型驱动梁相连，所述四根工字型驱动梁的另一端通过中心锚块固定在玻璃基底上；所述内框驱动质量块与所述四根L型解耦梁相连；
所述中框复合质量块通过所述四根L型解耦梁与所述内框驱动质量块连接；所述中框复合质量块外部连接四根工字型解耦梁；内框驱动质量块和中框复合质量块在内部四根工字型驱动梁和外部四根工字型解耦梁的约束下可以沿离面方向(z轴方向)做线振动；
所述X轴检测模块包括两个X轴检测质量块、四对X轴检测弹性支撑梁、两根工字型解耦梁、两组X轴检测梳齿、四个锚块；所述两个X轴检测质量块的内侧与所述两根工字型解耦梁连接，所述两根工字型解耦梁为所述两个X轴检测质量块隔离所述中框复合质量块的离面方向线振动；所述两个X轴检测质量块的两侧连接所述四对X轴检测弹性支撑梁的一端，所述四对X轴检测弹性支撑梁的另一端通过四个锚块固定在玻璃基底上；所述两个X轴检测质量块的外侧连接有两组X轴检测梳齿；
所述Y轴检测模块包括两个Y轴检测质量块、四对Y轴检测弹性支撑梁、两根工字型解耦梁、两组Y轴检测梳齿、四个锚块；所述两个Y轴检测质量块的内侧与所述两根工字型解耦梁连接，所述两根工字型解耦梁为所述两个Y轴检测质量块隔离所述中框复合质量块的离面方向线振动；所述两个Y轴检测质量块的两侧连接所述四对Y轴检测弹性支撑梁的一端，所述四对Y轴检测弹性支撑梁的另一端通过四个锚块固定在玻璃基底上；所述两个Y轴检测质量块的外侧连接有两组Y轴检测梳齿。
所述玻璃基底的上表面分别溅射有两个X轴检测引线电极、两个Y轴检测引线电极、一个驱动极板、一个驱动反馈极板；玻璃盖板的下表面分别溅射一个驱动极板、一个驱动反馈极板；两个X轴引线电极与X轴检测梳齿的固定梳齿一一对应相连；两个Y轴引线电极与Y轴检测梳齿的固定梳齿一一对应相连；位于玻璃基底上表面的驱动极板和驱动反馈极板在内框驱动质量块的正下方，驱动极板、驱动反馈极板分别与内框驱动质量块形成驱动电容、驱动反馈电容；位于玻璃盖板下表面的驱动极板和驱动反馈极板在内框驱动质量块的正上方，驱动极板、驱动反馈极板分别与内框驱动质量块形成驱动电容、驱动反馈电容。
所述玻璃基底和玻璃盖板均为正方形玻璃材质；所述驱动模块、X轴检测模块、Y轴检测模块、中框复合质量块均为硅材料制备，且位于所述玻璃基底和玻璃盖板中间；所述两个X轴检测引线电极、两个Y轴检测引线电极、两个驱动极板、两个驱动反馈极板均为金属材质；所述中心锚块、四个锚块固定连接在所述玻璃基底和玻璃盖板上。
工作时，将位于玻璃基底上表面的驱动极板通过引线施加正向电压，将位于玻璃盖板下表面的驱动极板通过引线施加反向电压，使得两个驱动极板和内框驱动质量块构成一个推挽式驱动电容，内框驱动质量块由此在静电力的驱动下进行离面(沿z轴方向)振动，并通过L型解耦梁带动中框复合质量块进行离面(沿z轴方向)振动。由于内框驱动质量块在离面振动，分别位于玻璃基底上表面和玻璃盖板下表面的两个驱动反馈极板与内框驱动质量块的间距均发生变化，从而使位于玻璃基底上表面的驱动反馈极板与内框驱动质量块形成的电容、位于玻璃盖板下表面的驱动反馈电极与内容驱动质量块形成的电容均发生变化，检测这两个电容即可实现驱动检测功能，从而实现驱动环路闭环。
具体工作过程如下：
一、当x轴方向上有角速度输入时，X轴检测质量块在科里奥利力作用下沿y轴振动，由此使得与X轴检测质量块相连的X轴检测梳齿沿y轴振动，从而使得两个X轴检测梳齿的电容发生变化，通过检测X轴检测梳齿的电容变化即可求出x轴方向上输入的角速度。
二、当y轴方向上有角速度输入时，Y轴检测质量块在科里奥利力作用下沿x轴振动，由此使得与Y轴检测质量块相连的Y轴检测梳齿沿x轴振动，从而使得两个Y轴检测梳齿的电容发生变化，通过检测Y轴检测梳齿的电容变化即可求出y轴方向上输入的角速度。
由于中框复合质量块外部的四根工字型解耦梁的机械解耦作用，所述X轴检测质量块、Y轴检测质量块不受中框复合质量块离面方向线振动影响；由于X轴检测模块和Y轴检测模块均具备独立的质量块、弹性梁和梳齿，且有中框复合质量块隔离振动，因此X轴检测质量块和Y轴检测质量块的振动不会相互影响。
基于上述过程，与现有双轴陀螺仪相比，本发明所述的一种单质量双解耦的双轴硅微陀螺仪通过采用全新结构，实现了同时测量x轴、y轴方向上的角速度输入，由此具备了如下优点：一、与现有组装式双轴陀螺仪相比，本发明采用了单质量结构，因此其不再受组装工艺所限，避免了安装的正交误差。二、与现有单质量双轴陀螺仪相比，本发明具备了如下优点：其一，本发明的x轴陀螺、y轴陀螺均为双解耦结构，减小了正交耦合，提高了测量精度；其二、如上文所述，X轴检测质量块和Y轴检测质量块的振动不会相互影响，有效抑制了轴间耦合；其三、单质量结构，结构简单、体积小，有效降低了成本。
本发明设计巧妙，用单质量结构有效解决了现有双轴陀螺仪测量精度低、生产成本高等问题，适用于导航、监测等高精度领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图
图中：1-玻璃基底，2-玻璃盖板，201-中心锚块，202a、202b、202c、202d-锚块，301a、301b、301c、301d-工字型驱动梁，302a、302b、302c、302d-工字型解耦梁，303a、303b、303c、303d-L型解耦梁，304a、304b、304c、304d-X轴检测弹性支撑梁，305a、305b、305c、305d-Y轴检测弹性支撑梁，401-内框驱动质量块，402-中框复合质量块，403a、403b-X轴检测质量块，404a、404b-Y轴检测质量块，501a、501b-X轴检测梳齿，502a、502b-X轴检测梳齿。
具体实施方式
一种单质量双解耦的双轴硅微陀螺仪，包括玻璃基底1、玻璃盖帽2、驱动模块、X轴检测模块、Y轴检测模块、中框复合质量块402；
驱动模块、X轴检测模块、Y轴检测模块、中框复合质量块402位于玻璃基底1的上方，位于玻璃盖板2的下方；驱动模块、X轴检测模块、Y轴检测模块、中框复合质量块402均与玻璃基底1、玻璃盖板2平行；驱动模块、X轴检测模块、Y轴检测模块、中框复合质量块402的下表面与玻璃基底1的上表面之间留有间隙；驱动模块、X轴检测模块、Y轴检测模块、中框复合质量块402的上表面与玻璃盖板2的下表面之间留有间隙；
所述驱动模块包括内框驱动质量块401，中心锚块201，四根工字型驱动梁301a、301b、301c、301d，四根L型解耦梁303a、303b、303c、303d，两个驱动极板(分别位于玻璃基底1和玻璃盖帽上2，示意图中未画出)，两个驱动反馈极板(分别位于玻璃基底1和玻璃盖帽上2，示意图中未画出)；所述内框驱动质量块401与所述四根工字型驱动梁301a、301b、301c、301d相连，所述四根工字型驱动梁301a、301b、301c、301d的另一端通过中心锚块201固定在玻璃基底1上；所述内框驱动质量块401与所述四根L型解耦梁303a、303b、303c、303d相连；
所述中框复合质量块402通过所述四根L型解耦梁303a、303b、303c、303d与所述内框驱动质量块401连接；所述中框复合质量块402外部连接四根工字型解耦梁302a、302b、302c、302d；内框驱动质量块401和中框复合质量块402在内部四根工字型驱动梁301a、301b、301c、301d和外部四根工字型解耦梁302a、302b、302c、302d的约束下可以沿离面方向(z轴方向)做线振动；
所述X轴检测模块包括两个X轴检测质量块403a、403b，四对X轴检测弹性支撑梁304a、304b、304c、304d，两根工字型解耦梁302a、302c，两组X轴检测梳齿501a、501b，四个锚块202a、202b、202c、202d；所述两个X轴检测质量块403a、403b的内侧与所述两根工字型解耦梁302a、302c连接，所述两根工字型解耦梁302a、302c为所述两个X轴检测质量块403a、403b隔离所述中框复合质量块402的离面方向线振动；所述两个X轴检测质量块403a、403b的两侧连接所述四对X轴检测弹性支撑梁304a、304b、304c、304d的一端，所述四对X轴检测弹性支撑梁304a、304b、304c、304d的另一端通过四个锚块202a、202b、202c、202d固定在玻璃基底1上；所述两个X轴检测质量块403a、403b的外侧连接有两组X轴检测梳齿501a、501b；
所述Y轴检测模块包括两个Y轴检测质量块404a、404b，四对Y轴检测弹性支撑梁305a、305b、305c、305d，两根工字型解耦梁302b、302d，两组Y轴检测梳齿502a、502b，四个锚块202a、202b、202c、202d；所述两个Y轴检测质量块404a、404b的内侧与所述两根工字型解耦梁302b、302d连接，所述两根工字型解耦梁302b、302d为所述两个Y轴检测质量块404a、404b隔离所述中框复合质量块402的离面方向线振动；所述两个Y轴检测质量块404a、404b的两侧连接所述四对Y轴检测弹性支撑梁305a、305b、305c、305d的一端，所述四对Y轴检测弹性支撑梁305a、305b、305c、305d的另一端通过四个锚块202a、202b、202c、202d固定在玻璃基底1上；所述两个Y轴检测质量块404a、404b的外侧连接有两组Y轴检测梳齿502a、502b。
具体实施时，玻璃基底1的上表面分别溅射有两个X轴检测引线电极、两个Y轴检测引线电极、一个驱动极板、一个驱动反馈极板；玻璃盖板2的下表面分别溅射一个驱动极板、一个驱动反馈极板；两个X轴引线电极与X轴检测梳齿501a、501b的固定梳齿一一对应相连；两个Y轴引线电极与Y轴检测梳齿502a、502b的固定梳齿一一对应相连；位于玻璃基底1上表面的驱动极板和驱动反馈极板在内框驱动质量块401的正下方，驱动极板、驱动反馈极板分别与内框驱动质量块401形成驱动电容、驱动反馈电容；位于玻璃盖板2下表面的驱动极板和驱动反馈极板在内框驱动质量块401的正上方，驱动极板、驱动反馈极板分别与内框驱动质量块401形成驱动电容、驱动反馈电容。玻璃基底1和玻璃盖板2均为正方形玻璃材质；所述驱动模块、X轴检测模块、Y轴检测模块、中框复合质量块402硅材料制备，且位于所述玻璃基底1和玻璃盖板2中间；所述两个X轴检测引线电极、两个Y轴检测引线电极、两个驱动极板、两个驱动反馈极板均为金属材质；所述中心锚块201、四个锚块202a、202b、202c、202d固定连接在所述玻璃基底1和玻璃盖板2上。

Claims (3)

1.一种单质量双解耦的双轴硅微陀螺仪，其特征在于：包括玻璃基底(1)、玻璃盖帽(2)、驱动模块、X轴检测模块、Y轴检测模块、中框复合质量块(402)；驱动模块、X轴检测模块、Y轴检测模块、中框复合质量块(402)位于玻璃基底(1)的上方，位于玻璃盖板(2)的下方；驱动模块、X轴检测模块、Y轴检测模块、中框复合质量块(402)均与玻璃基底(1)、玻璃盖板(2)平行：驱动模块、X轴检测模块、Y轴检测模块、中框复合质量块(402)的下表面与玻璃基底(1)的上表面之间留有间隙；驱动模块、X轴检测模块、Y轴检测模块、中框复合质量块(402)的上表面与玻璃盖板(2)的下表面之间留有间隙；
所述驱动模块包括一个内框驱动质量块(401)、一个中心锚块(201)、四根工字型驱动梁(301a、301b、301c、301d)、四根L型解耦梁(303a、303b、303c、303d)、两个驱动极板(分别位于玻璃基底(1)和玻璃盖帽上(2)，示意图中未画出)、两个驱动反馈极板(分别位于玻璃基底(1)和玻璃盖帽上(2)，示意图中未画出)；所述内框驱动质量块(401)与所述四根工字型驱动梁(301a、301b、301c、301d)相连，所述四根工字型驱动梁(301a、301b、301c、301d)的另一端通过中心锚块(201)固定在玻璃基底(1)上；所述内框驱动质量块(401)与所述四根L型解耦梁(303a、303b、303c、303d)相连；
所述中框复合质量块(402)通过所述四根L型解耦梁(303a、303b、303c、303d)与所述内框驱动质量块(401)连接：所述中框复合质量块(402)外部连接四根工字型解耦梁(302a、302b、302c、302d)；内框驱动质量块(401)和中框复合质量块(402)在内部四根工字型驱动梁(301a、301b、301c、301d)和外部四根工字型解耦梁(302a、302b、302c、302d)的约束下可以沿离面方向(z轴方向)做线振动；
所述X轴检测模块包括两个X轴检测质量块(403a、403b)、四对X轴检测弹性支撑梁(304a、304b、304c、304d)、两根工字型解耦梁(302a、302c)、两组X轴检测梳齿(501a、501b)、四个锚块(202a、202b、202c、202d)；所述两个X轴检测质量块(403a、403b)的内侧与所述两根工字型解耦梁(302a、302c)连接，所述两根工字型解耦梁(302a、302c)为所述两个X轴检测质量块(403a、403b)隔离所述中框复合质量块(402)的离面方向线振动：所述两个X轴检测质量块(403a、403b)的两侧连接所述四对X轴检测弹性支撑梁(304a、304b、304c、304d)的一端，所述四对X轴检测弹性支撑梁(304a、304b、304c、304d)的另一端通过四个锚块(202a、202b、202c、202d)固定在玻璃基底(1)上；所述两个X轴检测质量块(403a、403b)的外侧连接有两组X轴检测梳齿(501a、501b)；
所述Y轴检测模块包括两个Y轴检测质量块(404a、404b)、四对Y轴检测弹性支撑梁(305a、305b、305c、305d)、两根工字型解耦梁(302b、302d)、两组Y轴检测梳齿(502a、502b)、四个锚块(202a、202b、202c、202d)；所述两个Y轴检测质量块(404a、404b)的内侧与所述两根工字型解耦梁(302b、302d)连接，所述两根工字型解耦梁(302b、302d)为所述两个Y轴检测质量块(404a、404b)隔离所述中框复合质量块(402)的离面方向线振动；所述两个Y轴检测质量块(404a、404b)的两侧连接所述四对Y轴检测弹性支撑梁(305a、305b、305c、305d)的一端，所述四对Y轴检测弹性支撑梁(305a、305b、305c、305d)的另一端通过四个锚块(202a、202b、202c、202d)固定在玻璃基底(1)上；所述两个Y轴检测质量块(404a、404b)的外侧连接有两组Y轴检测梳齿(502a、502b)。
2.根据权利要求1所述的一种单质量双解耦的双轴硅微陀螺仪，其特征在于：玻璃基底(1)的上表面分别溅射有两个X轴检测引线电极、两个Y轴检测引线电极、一个驱动极板、一个驱动反馈极板；玻璃盖板(2)的下表面分别溅射一个驱动极板、一个驱动反馈极板；两个X轴引线电极与X轴检测梳齿(501a、501b)的固定梳齿一一对应相连；两个Y轴引线电极与Y轴检测梳齿(502a、502b)的固定梳齿一一对应相连；位于玻璃基底(1)上表面的驱动极板和驱动反馈极板在内框驱动质量块(401)的正下方，驱动极板、驱动反馈极板分别与内框驱动质量块(401)形成驱动电容、驱动反馈电容；位于玻璃盖板(2)下表面的驱动极板和驱动反馈极板在内框驱动质量块(401)的正上方，驱动极板、驱动反馈极板分别与内框驱动质量块(401)形成驱动电容、驱动反馈电容。
3.根据权利要求1所述的一种单质量双解耦的双轴硅微陀螺仪，其特征在于：所述玻璃基底(1)和玻璃盖板(2)均为正方形玻璃材质；所述驱动模块、X轴检测模块、Y轴检测模块、中框复合质量块(402)硅材料制备，且位于所述玻璃基底(1)和玻璃盖板(2)中间；所述两个X轴检测引线电极、两个Y轴检测引线电极、两个驱动极板、两个驱动反馈极板均为金属材质：所述中心锚块(201)、四个锚块(202a、202b、202c、202d)固定连接在所述玻璃基底(1)和玻璃盖板(2)上。
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