CN1568420A - 隔离谐振器陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种谐振器陀螺仪，该陀螺仪包括谐振器，该谐振器具有两个主体(102、104)，每个主体具有质量中心，并且相对于其基本上相互重合的轴线呈横向惯性对称，每个主体由一个或者多个弹性件(108)来支撑，其中，这些主体一起形成了具有基本上相等的频率、与轴线成横向的、两个差动摇摆振动模式；其中当谐振器被激励时，两个主体基本上没有净动量传递到底板(106)上。该陀螺仪还包括：底板(106)，它借助一个或者多个弹性件(108)固定到谐振器上；及探测和驱动元件，它们中的每一个固定到谐振器和底板上。

Description

隔离谐振器陀螺仪
政府权利的声明
根据政府给予的合同No.F04606-95-D-0070，本发明得到了政府支持。政府在本发明中具有一定权利。
技术领域
本发明涉及一种陀螺仪，本发明尤其涉及改进的谐振器陀螺仪和它们的制造方法。
背景技术
陀螺仪用来根据探测到的运动物体的惯性作用确定方向。在各种形式中，它们常常用作飞行器如飞机和宇宙飞船的关键传感器。它们通常用来导航或者用于需要确定自由物体方向的时候。
老式传统陀螺仪是非常笨重的机构，它们采用了按目前标准来看相对较大的旋转质量。许多新近技术提出了新形式的陀螺仪，它们包括光学陀螺仪如激光陀螺仪和光纤陀螺仪及振动陀螺仪。
宇宙飞船常常依赖于惯性速度探测陀螺仪系统来增加姿态控制。典型系统采用了传统旋转质量陀螺仪或者传统加工的半球形谐振器陀螺仪，以提供宇宙飞船有效载荷在高于地面上操作时所需要的高点稳定性。但是，这两种陀螺仪较贵、较大并且较笨重。
已经生产出一些现有技术的对称振动陀螺仪，但是它们的振动动量被直接传递到它们的底板或者壳体中。这种传递或者耦合产生了与惯性速度输入不能区别开的外部干扰和能量损失，因此导致探测错误和漂移。这种振动陀螺仪的一个例子可以在Tang et al.的美国专利5,894,090中发现，该专利描述了一种对称的苜蓿叶振动陀螺仪设计，该专利在这里引入以作参考。其它的平面音叉陀螺仪可以实现使振动与底板具有一定程度的隔离，但是这些陀螺仪缺少进行调整工作所希望具有的振动对称性。此外，壳模式陀螺仪如半球形谐振器陀螺仪和振动环陀螺仪，它们可以具有理想的隔离和振动对称性，但不适合于具有灵敏静电传感器和致动器的、薄的平面硅装置，而这些传感器和致动器利用了该装置的较大平面面积。
前面硅微陀螺仪的尺寸大小(如美国专利5,894,090)没有根据导航等级性能优化，从而导致超出希望的噪声和漂移。这个问题来自于使用薄的外延生长的硅挠曲限定临界振动频率，需限制到0.1％的厚度精确度，从而把该装置尺寸大小限定到几个毫米。前者由于振动不对称或者不平衡而导致较大的漂移，后者由于质量较小和面积较小而导致较大的速度噪声，其中，较小的质量提高了热机械噪声，较小的面积提高了电容传感器电子噪声。使非隔离的硅微陀螺仪按比例增加也会产生问题，因为外部能量损失增加了，因为谐振器Q值没有增大并且壳体敏感的漂移没有减少。导航等级性能需要在3D制造精确度内具有许多大小级的、隔离的厘米大小的谐振器。传统加工出的导航等级谐振器如半球形或者壳体陀螺仪具有最佳尺寸大小如30mm和3D制造精度，因此可以得到理想的漂移和噪声性能，但是它们较贵并且制造起来较慢。传统上激光修整机械谐振器在某种程度上进一步提高了制造精确度，但是它不适合于具有较窄机械间隙的微陀螺仪，并且分辨率受到限制，在最后调整过程中需要较大静电偏压调整量。
在现有技术中需要具有大大地提高了导航和宇宙飞船有效载荷投放的性能的小型微陀螺仪。还需要这些陀螺仪更加便宜并且更加容易地以更高的3D机械精确度来制造。最后，需要这些陀螺仪具有理想的隔离和振动对称性，同时兼容平面硅制造工艺。本发明满足所有这些需要。
发明内容
本发明公开了一种谐振器陀螺仪，该陀螺仪包括谐振器，该谐振器具有两个主体，每个主体具有质量中心，并且相对于一轴线呈横向惯性对称，这两个轴线基本重合，每个主体由一个或者多个弹性件来支撑，其中，这些主体一起形成了具有基本上相等的频率、与轴线成横向的、两个差动摇摆振动模式，并且把基本上为0的净动量传递到底板中。陀螺仪还包括：底板，它借助一个或者多个弹性件固定到谐振器上；及探测和驱动元件，它们中的每一个固定到谐振器和底板上。因此，在差动摇摆模式在内部驱动时，除了通过科里奥利加速度之外，隔离谐振器微陀螺仪没有把探测或者驱动模式耦合到底板或者外壳运动中。
本发明的一个实施例包括谐振器，该谐振器包括检测质量和平衡框架，而平衡框架借助一个或者多个弹性件固定到检测质量上。谐振器借助一个或者多个弹性件固定到底板上。探测和驱动元件中的每一个固定到谐振器和底板上。当谐振器产生差动摇摆模式时，检测质量和平衡框架在底板上基本上没有产生净动量传递或者反作用。不包括中心检测质量的谐振器可以由一个厚硅片或者结合一柱形检测质量的薄硅片蚀刻出来。
本发明的所有硅的、对称的振动陀螺仪使用光刻来制造，因此不贵，并且由于它的独特的隔离设计可以被作成足够大(如20mm中等规模的谐振器)，以得到导航所需要的较小噪声和较小漂移的性能。与费用较低的闭环模拟控制系统相结合，中等规模的导航等级惯性参照单元对于相对较小的制造量而言非常便宜。此外，与更大容量的小功率数字控制电子专用集成电路(ASIC)相结合，“高尔夫球尺寸大小”的惯性导航装置是可行的。例如，在大约每年3000的单位量中，估计这样单元的费用小于$3000。
本发明借助精确的、隔离的、对称的、平面的、具有最佳尺寸大小的谐振器来提供一种具有导航等级性能的、买得起的振动陀螺仪，该谐振器可以通过硅光刻由商业双侧抛光硅片(该晶片具有较小的总厚度变化)来制造出。先前的具有隔离谐振器的导航等级振动陀螺仪依赖于传统的车床或者铣床，因此生产较慢，3D精确加工和装配较贵，例如水晶半球形谐振器陀螺仪，或者采用非隔离谐振器，该谐振器安装在低频隔离体中，以得到一定程度的隔离，但是其代价是，由于重力载荷而提高了地震悬挂质量且增加了偏转。不对称的音叉振动陀螺仪只绕着驱动轴线提供了隔离，并且绕着输出探测轴线易产生外部干扰。前述美国专利5,894,091的苜蓿叶微陀螺仪绕着它的驱动轴线和输出轴线易产生外部干扰。
附图说明
现在参照附图，在这些附图中，相同标号在所有附图中表示相应的零件：
图1描述了本发明的无反作用的谐振器陀螺仪的顶视图；
图2描述了本发明的无反作用的谐振器陀螺仪处于位移位置上的侧视图；及
图3是使用本发明的典型方法的流程图。
具体实施方式
在下面描述中，参照附图来进行，这些附图形成了它的一部分，并且以示例的形式示出了本发明的许多实施例。但是应该知道，在没有脱离本发明范围的情况下，也可以使用其它实施例和进行结构改变。
1.0概述
本发明的主要目的是提供一种谐振器，该谐振器包括两个主体，这些主体具有横向惯量，这些惯量相对于和输入轴线一致的轴线是对称的，这些主体被弹性地支撑，因此它们的对称轴线和质量中心相重合，并且一起形成了与对称轴线成横向的、两个差动摇摆振动模式。在具有惯性速度输入轴线的壳体中支撑这两个主体，这两个主体具有基本上相等的、但不同于其它振动模式的频率，它们相互垂直，并且把基本上为0的净动量传递到该壳体中。还具有：一个内部致动装置，它被对准来驱动差动摇摆模式中的第一种，以进行振动；及传感装置，它被对准来探测由科里奥利加速度所产生的第二差动摇摆模式的运动，其中这些科里奥利加速度由惯性速度输入和绕着第一模式轴线的内部驱动不同摇摆运动所产生。
在下面的这些示例性实施例中，这些主体中的第一个是检测质量，而这些主体中的第二个是平衡框架，并且该壳体可以包括底板。其它等同的结构和装置对于本领域普通技术人员来讲是显而易见的。
2.0示例性实施例
所有的振动陀螺仪采用了旋转探测机械元件，该机械元件被驱动来以第一模式即输入或者驱动模式进行振荡。处于旋转中的元件的科里奥利加速度引起从输入模式到第二模式即输出或者探测模式的能量转移。第二模式在探测元件中产生了激励，而随后被探测。当驱动和探测模式具有相同的共振频率和较高的Q值时可以得到振动陀螺仪的最佳性能。然后，借助共振的Q值来机械地放大科里奥利加速度的响应并提供改进的传感器性能。谐振器探测模式(如待审的US申请系列号09/488425，它在这里引入以作参考)的闭环控制提供了科里奥利力的再平衡、探测模式阻尼和较宽的陀螺仪带宽。
图1示出了本发明的无反作用谐振器陀螺仪100实施例的顶视图。陀螺仪100包括唯一的谐振器，该谐振器包括检测质量102和平衡框架104。平衡框架104具有摇摆惯性，该摇摆惯性基本上与检测质量102的差不多，并且这两个主体如上述那样相互作用。平衡框架104和检测质量102借助弹性件108连接到底板106上(在图1中借助四个安装点来表示)。整个说明书中所涉及的主要轴线是X轴线110、Y轴线112和Z轴线114(它从图1的页面中指向外)。平衡框架104可以设计成任何其它形状如圆环形或者其它的任意形状，只要两个主体(检测质量102和平衡框架104)如前面所描述的那样进行相互作用就行。
图2示出了处于位移位置上的、本发明的无反作用谐振器陀螺仪100的侧视图。陀螺仪被示成绕着X轴线110进行位移。机械组件包括中心惯性检测质量102元件，该元件连接到外部平衡框架104上，并且通过弹性梁挠曲元件108连接到底板106上。在一个实施例中，惯性检测质量102的平衡框架104、弹性元件108和底板106通过从同一双侧抛光晶体硅片光刻蚀刻，从而制造出精确的平面谐振器陀螺仪。
本发明的关键是，把轴对称的谐振器连接到底板106上，因此轴对称的平衡框架104可以以平衡的摇摆运动关于轴对称中心检测质量而自由地振动，从而产生了独特的差动摇摆模式，而没有动量传递到底板106上，或者在底板106上没有净反作用。
底板106可以是相对较厚的、刚性材料的硅板。这种较厚的刚性底板106以真空封装的方式直接结合到陀螺仪的其余部分上。或者，可使用更挠性的薄底板106以减少费用，并且容易与标准晶片处理设备装配在一起。谐振器弹性元件如与底板的连接件中的普通弹性提供了差动摇摆振动模式和普通摇摆模式频率的固有分离。
这些装置中的任何一个的独一无二的特性是，陀螺仪包封的任何外部运动不会产生差动谐振器摇摆运动，除非这种运动首先在内部被驱动，然后只借助科里奥利加速度来产生这种运动，而这种科里奥利加速度是由于陀螺仪绕着输入轴线或者惯性对称的轴线进行运动来产生的。
检测质量102可以构造成各种各样的形状，但是中心检测质量的惯性分布被设计成平面之外的质量大于框架，因此角度增益就更大了，或者对惯性速度输入的科里奥利反作用就更大了。为了实现这个，检测质量102的一种典型外形包括：垂直部分116(沿着Z轴线114被拉伸)；及板部分118(沿着X-Y平面)。为了如前面所描述的一样容易制造，检测质量102的垂直部分116和板部分118可以一起由厚硅片形成。或者，检测质量102可以通过下面方法来形成：把垂直部分116作为独立的中心柱结合到由硅片所形成的板部分118中。
通过设置在谐振器和底板102的较大平面表面上的探测和驱动元件来进行静电驱动和探测。探测和驱动元件可以设置在谐振器的平衡框架104或者检测质量102(典型地为检测质量102的板部分118)上。
图3是本发明的典型方法300的流程图。该方法包括提供谐振器，该谐振器包括检测质量102和平衡框架104，而平衡框架104在块体302处借助一个或者多个弹性元件108固定到检测质量102上。接下来，在块体304处借助一个或者多个弹性元件108把谐振器结合到底板106上。谐振器由导电性掺杂硅蚀刻而成，并且使用金-金热压结合或者金-硅共晶结合，把谐振器刚性地、可导电地结合到底板上。提供谐振器可以包括：从一个硅片中蚀刻出整个检测质量102和平衡框架104，或者从硅中只蚀刻出检测质量102的板部分118和平衡框架104，并且结合上独立的检测质量102的垂直部分116。根据高精确度的结合表面和由平面抛光所限定出的尺寸大小来使用硅柱的金-金热压结合或者耐热玻璃柱的阳极结合。该方法300还包括：在步骤306把探测和驱动电极元件中的每一个固定到底板106上。探测和驱动元件可以形成在检测质量102或者平衡框架104上。
本发明的工作原理在于，检测质量相对于具有相等的相反动量的平衡框架而进行摇摆。在图1的示例性实施例中，陀螺仪100由平面的550微米厚的硅片形成，检测质量102包括20mm×20mm板，而一些10mm×5mm×5mm硅柱结合到两侧上。检测质量的摇摆惯性大约为It＝0.0581kg-mm2，并且轴向惯量大约为Iz＝0.0390kg-mm2。与理想的傅科摆的1相比，科里奥利探测的角度增益大约为1-Iz/It/2＝0.664。平面框架的角度增益为～0，因此陀螺仪的有效角度增益为～0.332，这个与半球形或者贝壳形谐振器的典型值0.3差不多。对于无反作用工作而言，平衡框架104的摇摆惯量基本上与检测质量102的It相匹配。这个可以通过使平衡框架104的外侧尺寸大小大约为30mm和使内尺寸大小大约为20mm来实现。因此，检测质量102和平衡框架104的质量中心同时重合于陀螺仪的谐振器加速中心，因此不会产生差动摇摆模式的激励。
在示例性实施例中，用来把检测质量102和平衡框架104连接到刚性底板106上的弹性挠曲部108具有0.55mm正方形横截面，并且通过光刻来进行制造。平衡框架104的连接点处在离谐振器中心10mm的位置上，并且检测质量102的连接点位于离谐振器中心5mm的位置上。弹性元件108与底板106的连接通过2.5mm的梁来实现，在图1所示的例子中，这些梁选择成离谐振器中心为7.13mm处。通过初步有限元模型分析来得到这个值。
连接到厚度为3mm、直径为3英寸的硅片上的谐振器的自由振动模式的分析确认了在大约4295.77Hz下平衡框架104关于检测质量102的两个退化反摇摆模式。传递到底板106中的动量为检测质量102中的摇摆动量的1/150。就锁紧的框架而言，如美国专利5,894,090中的设计一样，所有的摇摆动量被传递到底晶片中。进一步检查有限元模型的结果显示，在以下特殊情况下绕着底板的X轴线如何实现平衡：首先，在沿着X轴线的每个底板支撑点上基本上没有净的平面扭转或者法向力；第二，在沿着Y轴线的每个梁连接中的残余平面扭转反作用通过由法向力所产生的净力矩作用在这些连接上而在底板的任何位置上得到平衡。这证明机械隔离提高了大约150倍而不必采用低频率地震隔离方法。平衡和隔离的完美性只受到平面几何设计和制造精确度的限制而与底板质量的大小和其由陀螺仪壳体的支承频率无关。
因此，本发明适合于在恶劣环境中的导航等级振动陀螺仪。使两个摇摆模式与刚性底板运动相隔离确保了典型阻尼和相关的陀螺仪速度漂移主要由精确加工的硅谐振器内部的损失决定，而不是由不精确得多的外部包封损失来确定。本发明利用在中等规模的精确双侧抛光硅片的光刻中所显示的整块晶体硅的固有高Q值和极好的对称性来以较小的费用得到极好的导航等级振动陀螺仪性能。
还应该知道，为了实现低漂移和噪声性能的所有潜能使用这种隔离谐振器原理将需要甚至比上述的精确晶片抛光、整个蚀刻硅显微机械加工和高质量硅结合所提供的更高的最终3D机械精确度。这个可以通过这样设计来优选地实施：在谐振器装配到它底板中之后，借助聚焦离子束修整谐振器的弹性梁元件或者质量元件即框架或者柱子的尺寸大小。柱组件修整可以利用在电容传感器中所形成的高灵敏度来提高初始隔离的程度并且调到亚原子精确度。在真空包封之后，进行静电偏压修整以通过内置的电容电极或者特殊目的的电极来改进总体典型硬度，并且在陀螺仪的整个使用寿命期间在温度发生改变时，可以用来保持隔离和调整。
此外，其它实施方式也是可以的，其中弹性件不必是分离的，而是可以形成到检测质量的框架和板元件中。主要要求在于，没有净反作用或者动量传递到底板中。
结论
本发明优选实施例的上面描述是用于解释和描述目的。它不是用来穷举的或者是用来把本发明限制到所公开的精确形式中。根据上面教导可以进行许多变形和改变。本发明的范围不是由详细描述来限定出，而是由附加的权利要求来限定出。上面具体描述、例子和数据提供了制造和使用本发明的充分描述。由于在没有脱离本发明范围的情况下本发明具有许多实施例，因此本发明由后文中所附的权利要求来限定出。

Claims (32)

1.一种谐振器陀螺仪，包括：
谐振器，该谐振器具有两个主体，每个主体具有质量中心，并且相对于其基本上互相重合的轴线呈横向惯性对称，每个主体由一个或者多个弹性件来支撑，其中，这些主体一起形成了具有基本上相等的频率、与轴线成横向的两个差动摇摆振动模式；及
底板，它借助一个或者多个弹性件固定到谐振器上；及
探测和驱动元件，各自固定到谐振器和底板上；
其中，当谐振器被激励时，两个主体基本上没有净动量传递到底板上。
2.如权利要求1所述的谐振器陀螺仪，其特征在于，谐振器是对称的。
3.如权利要求1所述的谐振器陀螺仪，其特征在于，底板是刚性的。
4.如权利要求1所述的谐振器陀螺仪，其特征在于，底板是可挠曲的。
5.如权利要求1所述的谐振器陀螺仪，其特征在于，这些主体中的第一个是检测质量，而这些主体中的第二体是平衡框架，其中检测质量借助一个或者多个弹性件固定到平衡框架上。
6.如权利要求5所述的谐振器陀螺仪，其特征在于，平衡框架具有摇摆惯量，该惯量基本上与检测质量的惯量相当。
7.如权利要求5所述的谐振器陀螺仪，其特征在于，一个或者多个弹性件与平衡框架成一体。
8.如权利要求5所述的谐振器陀螺仪，其特征在于，检测质量、平衡框架和底板由硅加工出来。
9.如权利要求5所述的谐振器陀螺仪，其特征在于，探测元件固定到检测质量上。
10.如权利要求5所述的谐振器陀螺仪，其特征在于，探测元件固定到平衡框架上。
11.如权利要求5所述的谐振器陀螺仪，其特征在于，驱动元件固定到检测质量上。
12.如权利要求5所述的谐振器陀螺仪，其特征在于，驱动元件固定到平衡框架上。
13.如权利要求5所述的谐振器陀螺仪，其特征在于，检测质量包括垂直部分和中央板部分。
14.如权利要求13所述的谐振器陀螺仪，其特征在于，垂直部分是结合到中央板部分上的独立元件。
15.如权利要求13所述的谐振器陀螺仪，其特征在于，一个或者多个弹性件与中央板部分成一体。
16.如权利要求13所述的谐振器陀螺仪，其特征在于，中央板部分、一个或者多个弹性件和平衡框架通过蚀刻精密硅片来制造。
17.一种制造谐振器陀螺仪的方法，包括以下步骤：
提供一种谐振器，该谐振器具有两个主体，每个主体具有质量中心，并且相对于其基本上互相重合的轴线呈横向惯性对称，每个主体由一个或者多个弹性件来支撑，其中，这些主体一起形成了具有基本上相等的频率、与轴线成横向的、两个差动摇摆振动模式；及
借助一个或者多个弹性件把谐振器固定到底板上；及
把探测和驱动元件中的每一个固定到谐振器和底板上；
其中，当谐振器被激励时，两个主体基本上没有净动量传递到底板上。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，谐振器是对称的。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，底板是刚性的。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，底板是可挠性的。
21.如权利要求17所述的方法，其特征在于，这些主体中的第一个是检测质量，而这些主体中的第二个是平衡框架，其中检测质量借助一个或者多个弹性件固定到平衡框架上。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，平衡框架具有摇摆惯量，该惯量基本上与检测质量的惯量相当。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，一个或者多个弹性件与平衡框架制成一体。
24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，制造和固定的步骤包括由硅加工出检测质量、平衡框架和底板。
25.如权利要求21所述的方法，其特征在于，探测元件固定到检测质量上。
26.如权利要求21所述的方法，其特征在于，探测元件固定到平衡框架上。
27.如权利要求21所述的方法，其特征在于，驱动元件固定到检测质量上。
28.如权利要求21所述的方法，其特征在于，驱动元件固定到平衡框架上。
29.如权利要求21所述的方法，其特征在于，检测质量包括垂直部分和中央板部分。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，垂直部分是与中央板部分分开的元件，制造检测质量的步骤包括：把垂直部分结合到中央板部分上。
31.如权利要求29所述的方法，其特征在于，一个或者多个弹性件与中央板部分成一体。
32.如权利要求29所述的方法，其特征在于，中央板部分、一个或者多个弹性件和平衡框架通过蚀刻精密硅片来制造。
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