CN1749693A - 电容式微机械陀螺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电容式微机械陀螺，用来解决现有技术中不能实现驱动模态与检测模态的解耦问题，其特征在于：两根驱动梳齿梁(28)分别与固定在内锚点(96)上的内驱动弯曲梁(72)和连接在惯性质量平板框架(22)上的内敏感弯曲梁(74)相连；驱动梳齿梁(28)的两侧分别伸出一组驱动梳齿(30)，与驱动施力电极(32)上伸出的驱动检测梳齿(34)交叠构成变面积的驱动施力电容对(36)，与驱动检测电极(40)上伸出的驱动检测梳齿(42)交叠构成变面积的驱动检测电容对(44)；驱动施力电极(32)和驱动检测电极(40)均通过锚点固定在基体上。由于本发明采用了解耦梁结构，可实现陀螺驱动模态与敏感模态之间的解耦。

Description

电容式微机械陀螺
技术领域
本发明涉及一种电容式微机械陀螺。
背景技术
电容式微机械陀螺采用硅基半导体工艺制作，具有体积小、可靠度高、可批量制造等特点，可用于飞机、导弹、汽车等运动物体的角速度测量、姿态稳定等。微机械陀螺都是基于科里奥里力检测角速度的，包含两个相互垂直的工作模态：驱动模态与敏感模态。
参照图2，文献“Micromachined z-axis vibratory gyroscope，US Patent 5992233”介绍了美国伯克利大学的William A.Clark基于上述原理的一种z轴电容式微机械陀螺，在该陀螺中，惯性质量平板框架22由两根框架梁24，两根检测梳齿梁26，一根驱动梳齿梁28共同构成。驱动梳齿梁28在各个自由度具有较大的刚度，在陀螺工作过程中不发生变形，其两侧分别伸出一组横截面为矩形的梳齿状悬臂梁即驱动梳齿30，梳齿30与框架内的驱动施力电极32上伸出的驱动电极梳齿34交叠构成变面积的梳齿驱动电容对36，且梳齿之间的间距相等，用于产生沿着驱动方向的静电力维持惯性质量平板框架22的振动。两根检测梳齿梁26同样具有较大的刚度且不发生变形，其两侧分别伸出一组梳齿，其中位于框架内部的驱动检测梳齿38和驱动检测电极40上伸出的驱动电极梳齿42交叠构成变面积的梳齿驱动检测电容对44，用于检测惯性质量平板22的运动状态；位于框架外部的检测梳齿46和左变间距梳齿48.1以及右变间距梳齿48.1构成变间距的敏感电容对50，用于敏感科里奥里力所引起的电容变化。惯性质量平板框架22由四组驱动弯曲梁52，敏感弯曲梁54以及两根无变形连接梁56共同支撑形成可动结构，敏感弯曲梁54通过锚点60固连于基体上。
此陀螺工作时，驱动施力电容对36将产生适当的静电力保持惯性质量平板框架22在x方向稳幅稳频振动即驱动模态运动，此时驱动弯曲梁52发生弯曲，其它梁不发生变形。当z轴有一角速度Ω输入时，受科里奥里力作用惯性质量平板框架22在y方向产生位移，形成敏感模态的运动，此时敏感弯曲梁54发生弯曲变形，并导致敏感电容对50的电容值发生变化，通过敏感该电容变化即可测得输入角速度Ω。
但是，此陀螺在工作中，惯性质量平板框架22在敏感模态的运动使得驱动梳齿电容对36和驱动检测梳齿电容对44中的梳齿间距不再相等，导致驱动模态的驱动力在检测方向有一个分量，干扰陀螺有效信号的检测。这种驱动模态和敏感模态的相互耦合还将导致其它误差项，是陀螺设计必须解决的一个问题。William Clark是通过在敏感模态方向上惯性质量平板框架22的两侧设置了四个挡块58来限制惯性质量平板框架22在敏感方向的位移量，同时还从信号处理的角度设计了相应的误差抑制电路，但是此方法并没有从本质上消除驱动模态与敏感模态之间的耦合，仅仅是在一定程度上减弱了此交叉耦合的影响。因此，若能从结构设计上对模态之间的耦合进行完全消除，则可以避免相应的误差抑制电路设计，降低陀螺的成本和体积。
发明内容
为克服现有技术中不能实现驱动模态与检测模态解耦的不足，本发明提出一种电容式微机械陀螺，利用其特殊的解耦梁结构，可以解决现有技术驱动模态和敏感模态之间的耦合问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电容式微机械陀螺，包括惯性质量平板框架22、检测梳齿46、左变间距梳齿48.1、右变间距梳齿48.2、驱动弯曲梁52、敏感弯曲梁54以及无变形连接梁56，惯性质量平板框架22通过四根驱动弯曲梁52分别与两根无变形连接梁56连接，再由四根敏感弯曲梁54通过锚点60固连于基体，惯性质量平板框架22的外侧分别伸出一组检测梳齿46，左变间距梳齿48.1和右变间距梳齿48.2等距离位于检测梳齿46两侧构成变间距的敏感电容对50，并通过锚点固定在基体上，其特征在于：两根驱动梳齿梁28分别连接在内驱动弯曲梁72上，内驱动弯曲梁72固定在内锚点96上，连接在驱动梳齿梁28上的内敏感弯曲梁74的另一端与惯性质量平板框架22相连；驱动梳齿梁28的两侧分别伸出一组驱动梳齿30，驱动梳齿30与驱动施力电极32上伸出的驱动检测梳齿34交叠构成变面积的驱动施力电容对36，驱动梳齿30与驱动检测电极40上伸出的驱动检测梳齿42交叠构成变面积的驱动检测电容对44；驱动施力电极32和驱动检测电极40均通过锚点固定在基体上。
所述惯性质量平板框架22由两根框架梁24，两根检测梳齿梁26首尾固连构成。
所述内驱动弯曲梁72和内敏感弯曲梁74的长度大于其宽度。
本发明的有益效果是：由于采用解耦梁结构，可实现陀螺驱动模态与敏感模态之间的解耦。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1是本发明的结构示意图
图2是现有技术的结构示意图
图中，22-惯性质量平板框架，24-框架梁，26-检测梳齿梁，28-驱动梳齿梁，30-驱动梳齿，32-驱动施力电极，34-驱动电极梳齿，36-梳齿驱动电极对，38-驱动检测梳齿，40-驱动检测电极，42-驱动电极梳齿，44-驱动检测电极对，46-检测梳齿，48.1-左变间距梳齿，48.2-右变间距梳齿，50-变间距敏感电容对，52-驱动弯曲梁，54-敏感弯曲梁，56-无变形连接梁，58-挡块，60-锚点，72-内驱动弯曲梁，74-内敏感弯曲梁，96-内锚点。
具体实施方式
参照图1，本发明所述惯性质量平板框架22由两根框架梁24，两根检测梳齿梁26首尾固连共同构成。而在惯性质量平板框架22内部，两根驱动梳齿梁28分别连接在内驱动弯曲梁72上，内驱动弯曲梁72固定在内锚点96上，连接在驱动梳齿梁28上的内敏感弯曲梁74的另一端与惯性质量平板框架22相连。驱动梳齿梁28具有较大的宽度和刚度，在陀螺工作过程中可认为不发生变形。内驱动弯曲梁72和内敏感弯曲梁74的长度远大于其宽度，一般在10倍以上，即梁在x-y平面内的弯曲刚度远小于其轴向的变形刚度，在陀螺工作过程中，内驱动弯曲梁72和内敏感弯曲梁74仅在x-y平面内发生弯曲变形而不改变其轴向长度。驱动梳齿梁28的两侧分别伸出一组驱动梳齿30，驱动梳齿30与驱动施力电极32上伸出的驱动检测梳齿34交叠构成变面积的驱动施力电容对36，驱动梳齿30与驱动检测电极40上伸出的驱动检测梳齿42交叠构成变面积的驱动检测电容对44。驱动施力电极32和驱动检测电极40均通过锚点固定在基体上；两根检测梳齿梁26上向外侧伸出的检测梳齿46与左变间距梳齿48.1以及右变间距梳齿48.2构成变间距的敏感电容对50，并通过锚点固定在基体上，用于敏感由科里奥里力所引起的电容变化。惯性质量平板框架22由四根驱动弯曲梁52、四根敏感弯曲梁54、四根内驱动弯曲梁72、四根内敏感弯曲梁74以及两根无变形连接梁56共同支撑形成可动结构。敏感弯曲梁54通过锚点60固连于基体，内驱动弯曲梁72通过内锚点96固连于基体，同时内锚点96在惯性质量平板框架22内部还起挡块作用，用来限制结构在敏感方向的位移，保护检测梳齿46结构。
解耦梁结构由驱动弯曲梁52、敏感弯曲梁54、内驱动弯曲梁72以及内敏感弯曲梁74构成，当陀螺工作时，驱动施力电容对36将产生适当的静电力保持惯性质量平板框架22在x方向稳幅稳频振动，即驱动模态运动，此时驱动弯曲梁52、内驱动弯曲梁72同时发生弯曲，其它梁不发生变形，从而消除了驱动模态对敏感模态的耦合。当绕z轴有一角速度Ω输入时，受科里奥里力作用惯性质量平板框架22在y方向产生位移，形成敏感模态的运动，此时敏感弯曲梁54、内敏感弯曲梁74同时发生弯曲变形，而内驱动弯曲梁72因为具有相对无穷大的轴向刚度，所以将驱动梳齿梁28在y方向的运动限制为零，这将保证仅有敏感电容对50的电容值发生变化，通过检测该电容变化即可测得输入角速度Ω，从而成功地消除了敏感模态对驱动模态的耦合。
敏感模态上变间距的敏感电容对50采用匀置变间距敏感电容对结构，其中定齿分为两组，即左变间距梳齿48.1和右变间距梳齿48.2，左变间距梳齿48.1和右变间距梳齿48.2在电学连接上是分离的，且一般地具有相反电位。检测梳齿46的初始位置与两侧定齿距离相等，当动齿发生位移时敏感电容形成差动输出。

Claims (3)

1、一种电容式微机械陀螺，包括惯性质量平板框架(22)、检测梳齿(46)、左变间距梳齿(48.1)、右变间距梳齿(48.2)、驱动弯曲梁(52)、敏感弯曲梁(54)以及无变形连接梁(56)，惯性质量平板框架(22)通过四根驱动弯曲梁(52)分别与两根无变形连接梁(56)连接，再由四根敏感弯曲梁(54)通过锚点(60)固连于基体，惯性质量平板框架(22)的外侧分别伸出一组检测梳齿(46)，左变间距梳齿(48.1)和右变间距梳齿(48.2)等距离位于检测梳齿(46)两侧构成变间距的敏感电容对(50)，并通过锚点固定在基体上，其特征在于：两根驱动梳齿梁(28)分别连接在内驱动弯曲梁(72)上，内驱动弯曲梁(72)固定在内锚点(96)上，连接在驱动梳齿梁(28)上的内敏感弯曲梁(74)的另一端与惯性质量平板框架(22)相连；驱动梳齿梁(28)的两侧分别伸出一组驱动梳齿(30)，驱动梳齿(30)与驱动施力电极(32)上伸出的驱动检测梳齿(34)交叠构成变面积的驱动施力电容对(36)，驱动梳齿(30)与驱动检测电极(40)上伸出的驱动检测梳齿(42)交叠构成变面积的驱动检测电容对(44)；驱动施力电极(32)和驱动检测电极(40)均通过锚点固定在基体上。
2、根据权利要求1所述的电容式微机械陀螺，其特征在于：所述惯性质量平板框架(22)由两根框架梁(24)，两根检测梳齿梁(26)首尾固连构成。
3、根据权利要求1所述的电容式微机械陀螺，其特征在于：所述内驱动弯曲梁(72)和内敏感弯曲梁(74)的长度大于其宽度。
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