CN114543781B

CN114543781B - 一种具有姿态校正功能且校正电极外置的微机械陀螺结构

Info

Publication number: CN114543781B
Application number: CN202210205949.XA
Authority: CN
Inventors: 曹慧亮; 刘俊; 唐军; 石云波; 申冲; 王瑾
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2022-03-04
Filing date: 2022-03-04
Publication date: 2022-11-29
Anticipated expiration: 2042-03-04
Also published as: CN114543781A

Abstract

本发明涉及微机械振动陀螺，具体是一种具有姿态校正功能且校正电极外置的微机械陀螺结构。本发明解决了现有微机械振动陀螺姿态误差较大的问题。一种具有姿态校正功能且校正电极外置的微机械陀螺结构，包括玻璃基底、电极部分、谐振子部分；所述电极部分包括键合于玻璃基底上表面的正方形电极层；所述谐振子部分包括键合于玻璃基底上表面的圆柱状中心锚点、置放于玻璃基底上表面的圆环状谐振质量、八根围绕圆柱状中心锚点的轴线等角距分布的轮辐状弹性支撑悬梁、八根围绕圆柱状中心锚点的轴线等角距分布的轮辐状弹性延伸悬梁。本发明适用于武器制导、航空航天、生物医学、消费品电子等领域。

Description

一种具有姿态校正功能且校正电极外置的微机械陀螺结构

技术领域

本发明涉及微机械振动陀螺，具体是一种具有姿态校正功能且校正电极外置的微机械陀螺结构。

背景技术

微机械振动陀螺是基于科里奥利效应的一种角速度敏感装置，具有体积小、质量轻、功耗低、寿命长、可批量生产、价格便宜等优点，广泛应用于武器制导、航空航天、生物医学、消费品电子等领域，具有极其广泛的应用前景。微机械振动陀螺的具体工作原理如下：当没有角速度输入时，微机械振动陀螺的谐振子在驱动模态下工作，微机械振动陀螺的输岀为零。当有角速度输入时，微机械振动陀螺的谐振子在检测模态下工作，微机械振动陀螺实时测岀输入角速度。然而在实际工作中，现有微机械振动陀螺由于在加工过程中会产生轴向旋转误差，导致谐振子受静电力的作用点会偏离理想位置，由此导致姿态误差较大。为此有必要发明一种具有姿态校正功能且校正电极外置的微机械陀螺结构，以解决现有微机械振动陀螺姿态误差较大的问题。

发明内容

本发明为了解决现有微机械振动陀螺姿态误差较大的问题，提供了一种具有姿态校正功能且校正电极外置的微机械陀螺结构。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种具有姿态校正功能且校正电极外置的微机械陀螺结构，包括玻璃基底、电极部分、谐振子部分；

所述电极部分包括键合于玻璃基底上表面的正方形电极层；

正方形电极层的上表面中央和下表面中央之间贯通开设有中心圆孔；正方形电极层的上表面和下表面之间贯通开设有八条围绕中心圆孔的轴线等角距分布的楔形径向隔离缝隙；每条楔形径向隔离缝隙的宽度均由内向外逐渐增大，且每条楔形径向隔离缝隙的内端均与中心圆孔连通、外端均贯通正方形电极层的侧面；八条楔形径向隔离缝隙和中心圆孔共同将正方形电极层分隔为八个楔形电极层；第一个楔形电极层的形状、第三个楔形电极层的形状、第五个楔形电极层的形状、第七个楔形电极层的形状均一致；第二个楔形电极层的形状、第四个楔形电极层的形状、第六个楔形电极层的形状、第八个楔形电极层的形状均一致；

每个楔形电极层的上表面和下表面之间均分别贯通开设有周向隔离缝隙、圆角矩形孔A、圆角矩形孔B、径向隔离缝隙A、径向隔离缝隙B、径向隔离缝隙C、径向隔离缝隙D、一对斜向隔离缝隙；周向隔离缝隙的两端分别与相邻的两条楔形径向隔离缝隙连通；圆角矩形孔A位于周向隔离缝隙的内侧；圆角矩形孔B位于周向隔离缝隙的外侧；径向隔离缝隙A的两端分别与中心圆孔和圆角矩形孔A连通；径向隔离缝隙B的两端分别与圆角矩形孔A和周向隔离缝隙连通；径向隔离缝隙C的两端分别与周向隔离缝隙和圆角矩形孔B连通；径向隔离缝隙D的内端与圆角矩形孔B连通、外端贯通楔形电极层的侧面；一对斜向隔离缝隙对称分布于径向隔离缝隙C的两侧；一对斜向隔离缝隙的首端均与径向隔离缝隙C的内端连通；一对斜向隔离缝隙的尾端分别与相邻的两条楔形径向隔离缝隙连通；周向隔离缝隙、圆角矩形孔A、圆角矩形孔B、径向隔离缝隙A、径向隔离缝隙B、径向隔离缝隙C、径向隔离缝隙D、一对斜向隔离缝隙共同将楔形电极层分隔为一对相互对称的控制电极、一对相互对称的测量电极、一对相互对称的校正电极；一对测量电极分别位于一对控制电极的外侧；一对校正电极分别位于一对测量电极的外侧；

第一个楔形电极层对应的一对测量电极、第三个楔形电极层对应的一对测量电极、第五个楔形电极层对应的一对测量电极、第七个楔形电极层对应的一对测量电极均作为驱动模态位移测量电极；第二个楔形电极层对应的一对测量电极、第四个楔形电极层对应的一对测量电极、第六个楔形电极层对应的一对测量电极、第八个楔形电极层对应的一对测量电极均作为检测模态位移测量电极；

所述谐振子部分包括键合于玻璃基底上表面的圆柱状中心锚点、置放于玻璃基底上表面的圆环状谐振质量、八根围绕圆柱状中心锚点的轴线等角距分布的轮辐状弹性支撑悬梁、八根围绕圆柱状中心锚点的轴线等角距分布的轮辐状弹性延伸悬梁；

圆柱状中心锚点同轴设置于中心圆孔内；

圆环状谐振质量同时设置于八条周向隔离缝隙内；

每根轮辐状弹性支撑悬梁均由一对U形梁段A、径向梁段A、径向梁段B构成；一对U形梁段A共同围合形成封闭的圆角矩形，且一对U形梁段A均设置于对应的圆角矩形孔A内；径向梁段A的内端与圆柱状中心锚点的侧面固定、外端分别与一对U形梁段A的首端固定，且径向梁段A设置于对应的径向隔离缝隙A内；径向梁段B的内端分别与一对U形梁段A的尾端固定、外端与圆环状谐振质量的内侧面固定，且径向梁段B设置于对应的径向隔离缝隙B内；

每根轮辐状弹性延伸悬梁均由一对U形梁段B、径向梁段C、径向梁段D构成；一对U形梁段B共同围合形成封闭的圆角矩形，且一对U形梁段B均设置于对应的圆角矩形孔B内；径向梁段C的内端与圆环状谐振质量的外侧面固定、外端分别与一对U形梁段B的首端固定，且径向梁段C设置于对应的径向隔离缝隙C内；径向梁段D的内端分别与一对U形梁段B的尾端固定，且径向梁段D设置于对应的径向隔离缝隙D内；

八对控制电极的外侧面与圆环状谐振质量的内侧面共同构成八对微电容器A；其中，与四对驱动模态位移测量电极对应的四对微电容器A作为四对驱动模态激励电容，与四对检测模态位移测量电极对应的四对微电容器A作为四对检测模态反馈电容；八对测量电极的内侧面与圆环状谐振质量的外侧面共同构成八对微电容器B；每对校正电极的相对面均与对应的轮辐状弹性延伸悬梁的两个外侧面共同构成一对微电容器C；八对微电容器C作为八对校正电容。

工作时，八对控制电极、四对驱动模态位移测量电极、四对检测模态位移测量电极、八对校正电极均通过金属导线与控制系统连接。具体工作过程如下：首先，控制系统通过检测八对校正电容的间距来确定谐振子受静电力的作用点与理想位置之间的偏离角，并根据偏离角产生一路校正电压信号，该路校正电压信号通过金属导线传输至八对校正电容，使得谐振子受静电力的作用点在静电力的作用下旋转至理想位置（旋转角等于偏离角）。然后，控制系统产生一路驱动电压信号，该路驱动电压信号通过金属导线传输至四对驱动模态激励电容，使得圆环状谐振质量在静电力的作用下维持环向波数为2的四波腹振动。在振动过程中，控制系统通过四对驱动模态位移测量电极实时测量圆环状谐振质量的位移，并根据测量结果实时控制驱动电压信号，由此一方面使得圆环状谐振质量的位移幅值保持恒定，另一方面使得圆环状谐振质量在其谐振频率点上振动。当没有角速度输入时，圆环状谐振质量在四对驱动模态激励电容的激励下，以驱动模态作面内四波腹弯曲振动，此时四对检测模态位移测量电极位于四波腹弯曲振动的波节处，四对检测模态位移测量电极均不产生检测电压信号。此时，本发明的输出为零。当有角速度输入时，圆环状谐振质量在哥氏力耦合作用下，以检测模态作面内四波腹弯曲振动，此时四对检测模态位移测量电极位于四波腹弯曲振动的波腹处，四对检测模态位移测量电极均产生检测电压信号，且检测电压信号与输入角速度相关。此时，控制系统根据检测电压信号实时解算出输入角速度。在上述过程中，四对检测模态反馈电容用于控制圆环状谐振质量。

基于上述过程，本发明所述的一种具有姿态校正功能且校正电极外置的微机械陀螺结构通过采用全新结构，实现了谐振子的姿态校正（即利用校正电压信号使得谐振子受静电力的作用点在静电力的作用下旋转至理想位置），由此有效减小了姿态误差。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有微机械振动陀螺姿态误差较大的问题，适用于武器制导、航空航天、生物医学、消费品电子等领域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的部分结构示意图。

图3是本发明的部分结构示意图。

图中：11-控制电极，12-校正电极，13-驱动模态位移测量电极，14-检测模态位移测量电极，21-圆柱状中心锚点，22-圆环状谐振质量，23-轮辐状弹性支撑悬梁，24-轮辐状弹性延伸悬梁，231-U形梁段A，232-径向梁段A，233-径向梁段B，241-U形梁段B，242-径向梁段C，243-径向梁段D。

具体实施方式

所述电极部分包括键合于玻璃基底上表面的正方形电极层；

每个楔形电极层的上表面和下表面之间均分别贯通开设有周向隔离缝隙、圆角矩形孔A、圆角矩形孔B、径向隔离缝隙A、径向隔离缝隙B、径向隔离缝隙C、径向隔离缝隙D、一对斜向隔离缝隙；周向隔离缝隙的两端分别与相邻的两条楔形径向隔离缝隙连通；圆角矩形孔A位于周向隔离缝隙的内侧；圆角矩形孔B位于周向隔离缝隙的外侧；径向隔离缝隙A的两端分别与中心圆孔和圆角矩形孔A连通；径向隔离缝隙B的两端分别与圆角矩形孔A和周向隔离缝隙连通；径向隔离缝隙C的两端分别与周向隔离缝隙和圆角矩形孔B连通；径向隔离缝隙D的内端与圆角矩形孔B连通、外端贯通楔形电极层的侧面；一对斜向隔离缝隙对称分布于径向隔离缝隙C的两侧；一对斜向隔离缝隙的首端均与径向隔离缝隙C的内端连通；一对斜向隔离缝隙的尾端分别与相邻的两条楔形径向隔离缝隙连通；周向隔离缝隙、圆角矩形孔A、圆角矩形孔B、径向隔离缝隙A、径向隔离缝隙B、径向隔离缝隙C、径向隔离缝隙D、一对斜向隔离缝隙共同将楔形电极层分隔为一对相互对称的控制电极11、一对相互对称的测量电极、一对相互对称的校正电极12；一对测量电极分别位于一对控制电极11的外侧；一对校正电极12分别位于一对测量电极的外侧；

第一个楔形电极层对应的一对测量电极、第三个楔形电极层对应的一对测量电极、第五个楔形电极层对应的一对测量电极、第七个楔形电极层对应的一对测量电极均作为驱动模态位移测量电极13；第二个楔形电极层对应的一对测量电极、第四个楔形电极层对应的一对测量电极、第六个楔形电极层对应的一对测量电极、第八个楔形电极层对应的一对测量电极均作为检测模态位移测量电极14；

所述谐振子部分包括键合于玻璃基底上表面的圆柱状中心锚点21、置放于玻璃基底上表面的圆环状谐振质量22、八根围绕圆柱状中心锚点21的轴线等角距分布的轮辐状弹性支撑悬梁23、八根围绕圆柱状中心锚点21的轴线等角距分布的轮辐状弹性延伸悬梁24；

圆柱状中心锚点21同轴设置于中心圆孔内；

圆环状谐振质量22同时设置于八条周向隔离缝隙内；

每根轮辐状弹性支撑悬梁23均由一对U形梁段A231、径向梁段A232、径向梁段B233构成；一对U形梁段A231共同围合形成封闭的圆角矩形，且一对U形梁段A231均设置于对应的圆角矩形孔A内；径向梁段A232的内端与圆柱状中心锚点21的侧面固定、外端分别与一对U形梁段A231的首端固定，且径向梁段A232设置于对应的径向隔离缝隙A内；径向梁段B233的内端分别与一对U形梁段A231的尾端固定、外端与圆环状谐振质量22的内侧面固定，且径向梁段B233设置于对应的径向隔离缝隙B内；

每根轮辐状弹性延伸悬梁24均由一对U形梁段B241、径向梁段C242、径向梁段D243构成；一对U形梁段B241共同围合形成封闭的圆角矩形，且一对U形梁段B241均设置于对应的圆角矩形孔B内；径向梁段C242的内端与圆环状谐振质量22的外侧面固定、外端分别与一对U形梁段B241的首端固定，且径向梁段C242设置于对应的径向隔离缝隙C内；径向梁段D243的内端分别与一对U形梁段B241的尾端固定，且径向梁段D243设置于对应的径向隔离缝隙D内；

八对控制电极11的外侧面与圆环状谐振质量22的内侧面共同构成八对微电容器A；其中，与四对驱动模态位移测量电极13对应的四对微电容器A作为四对驱动模态激励电容，与四对检测模态位移测量电极14对应的四对微电容器A作为四对检测模态反馈电容；八对测量电极的内侧面与圆环状谐振质量22的外侧面共同构成八对微电容器B；每对校正电极12的相对面均与对应的轮辐状弹性延伸悬梁24的两个外侧面共同构成一对微电容器C；八对微电容器C作为八对校正电容。

八对控制电极11的尺寸一致；八对校正电极12的尺寸一致；四对驱动模态位移测量电极13的尺寸一致；四对检测模态位移测量电极14的尺寸一致；圆柱状中心锚点21的高度、圆环状谐振质量22的高度、八根轮辐状弹性支撑悬梁23的高度、八根轮辐状弹性延伸悬梁24的高度均一致。

圆柱状中心锚点21、圆环状谐振质量22、八根轮辐状弹性支撑悬梁23、八根轮辐状弹性延伸悬梁24均采用单晶硅片加工而成，且圆柱状中心锚点21、圆环状谐振质量22、八根轮辐状弹性支撑悬梁23、八根轮辐状弹性延伸悬梁24采用体硅加工工艺制造为一体。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种具有姿态校正功能且校正电极外置的微机械陀螺结构，其特征在于：包括玻璃基底、电极部分、谐振子部分；

所述电极部分包括键合于玻璃基底上表面的正方形电极层；

每个楔形电极层的上表面和下表面之间均分别贯通开设有周向隔离缝隙、圆角矩形孔A、圆角矩形孔B、径向隔离缝隙A、径向隔离缝隙B、径向隔离缝隙C、径向隔离缝隙D、一对斜向隔离缝隙；周向隔离缝隙的两端分别与相邻的两条楔形径向隔离缝隙连通；圆角矩形孔A位于周向隔离缝隙的内侧；圆角矩形孔B位于周向隔离缝隙的外侧；径向隔离缝隙A的两端分别与中心圆孔和圆角矩形孔A连通；径向隔离缝隙B的两端分别与圆角矩形孔A和周向隔离缝隙连通；径向隔离缝隙C的两端分别与周向隔离缝隙和圆角矩形孔B连通；径向隔离缝隙D的内端与圆角矩形孔B连通、外端贯通楔形电极层的侧面；一对斜向隔离缝隙对称分布于径向隔离缝隙C的两侧；一对斜向隔离缝隙的首端均与径向隔离缝隙C的内端连通；一对斜向隔离缝隙的尾端分别与相邻的两条楔形径向隔离缝隙连通；周向隔离缝隙、圆角矩形孔A、圆角矩形孔B、径向隔离缝隙A、径向隔离缝隙B、径向隔离缝隙C、径向隔离缝隙D、一对斜向隔离缝隙共同将楔形电极层分隔为一对相互对称的控制电极（11）、一对相互对称的测量电极、一对相互对称的校正电极（12）；一对测量电极分别位于一对控制电极（11）的外侧；一对校正电极（12）分别位于一对测量电极的外侧；

第一个楔形电极层对应的一对测量电极、第三个楔形电极层对应的一对测量电极、第五个楔形电极层对应的一对测量电极、第七个楔形电极层对应的一对测量电极均作为驱动模态位移测量电极（13）；第二个楔形电极层对应的一对测量电极、第四个楔形电极层对应的一对测量电极、第六个楔形电极层对应的一对测量电极、第八个楔形电极层对应的一对测量电极均作为检测模态位移测量电极（14）；

所述谐振子部分包括键合于玻璃基底上表面的圆柱状中心锚点（21）、置放于玻璃基底上表面的圆环状谐振质量（22）、八根围绕圆柱状中心锚点（21）的轴线等角距分布的轮辐状弹性支撑悬梁（23）、八根围绕圆柱状中心锚点（21）的轴线等角距分布的轮辐状弹性延伸悬梁（24）；

圆柱状中心锚点（21）同轴设置于中心圆孔内；

圆环状谐振质量（22）同时设置于八条周向隔离缝隙内；

每根轮辐状弹性支撑悬梁（23）均由一对U形梁段A（231）、径向梁段A（232）、径向梁段B（233）构成；一对U形梁段A（231）共同围合形成封闭的圆角矩形，且一对U形梁段A（231）均设置于对应的圆角矩形孔A内；径向梁段A（232）的内端与圆柱状中心锚点（21）的侧面固定、外端分别与一对U形梁段A（231）的首端固定，且径向梁段A（232）设置于对应的径向隔离缝隙A内；径向梁段B（233）的内端分别与一对U形梁段A（231）的尾端固定、外端与圆环状谐振质量（22）的内侧面固定，且径向梁段B（233）设置于对应的径向隔离缝隙B内；

每根轮辐状弹性延伸悬梁（24）均由一对U形梁段B（241）、径向梁段C（242）、径向梁段D（243）构成；一对U形梁段B（241）共同围合形成封闭的圆角矩形，且一对U形梁段B（241）均设置于对应的圆角矩形孔B内；径向梁段C（242）的内端与圆环状谐振质量（22）的外侧面固定、外端分别与一对U形梁段B（241）的首端固定，且径向梁段C（242）设置于对应的径向隔离缝隙C内；径向梁段D（243）的内端分别与一对U形梁段B（241）的尾端固定，且径向梁段D（243）设置于对应的径向隔离缝隙D内；

八对控制电极（11）的外侧面与圆环状谐振质量（22）的内侧面共同构成八对微电容器A；其中，与四对驱动模态位移测量电极（13）对应的四对微电容器A作为四对驱动模态激励电容，与四对检测模态位移测量电极（14）对应的四对微电容器A作为四对检测模态反馈电容；八对测量电极的内侧面与圆环状谐振质量（22）的外侧面共同构成八对微电容器B；每对校正电极（12）的相对面均与对应的轮辐状弹性延伸悬梁（24）的两个外侧面共同构成一对微电容器C；八对微电容器C作为八对校正电容。

2.根据权利要求1所述的一种具有姿态校正功能且校正电极外置的微机械陀螺结构，其特征在于：八对控制电极（11）的尺寸一致；八对校正电极（12）的尺寸一致；四对驱动模态位移测量电极（13）的尺寸一致；四对检测模态位移测量电极（14）的尺寸一致；圆柱状中心锚点（21）的高度、圆环状谐振质量（22）的高度、八根轮辐状弹性支撑悬梁（23）的高度、八根轮辐状弹性延伸悬梁（24）的高度均一致。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有姿态校正功能且校正电极外置的微机械陀螺结构，其特征在于：圆柱状中心锚点（21）、圆环状谐振质量（22）、八根轮辐状弹性支撑悬梁（23）、八根轮辐状弹性延伸悬梁（24）均采用单晶硅片加工而成，且圆柱状中心锚点（21）、圆环状谐振质量（22）、八根轮辐状弹性支撑悬梁（23）、八根轮辐状弹性延伸悬梁（24）采用体硅加工工艺制造为一体。