一种谐振式微机械陀螺转让专利
申请号 : CN200610012216.5
文献号 : CN100590383C
文献日 : 2010-02-17
发明人 : 樊尚春 , 王莹莹
申请人 : 北京航空航天大学
摘要 :
一种谐振式微机械陀螺，包括梳状叉指驱动器、平板质量块、杠杆放大机构和双端音叉谐振器。在梳状叉指驱动器上加驱动电压时，平板质量块作沿x轴方向的振荡运动，并在外部绕z轴的旋转作用下产生沿y方向的科氏力，通过杠杆放大机构放大后传递到对称分布的两个双端音叉谐振器上，使其谐振运动受到周期性的调制，测量这两个双端音叉谐振器的差动输出可实现对输入角频率的测量。本发明的结构形式提高了微机械陀螺的灵敏度、分辨率和动态范围，实现了将陀螺敏感角速度产生的科氏力的变化转换成谐振器谐振频率的变化，有效避免了电容检测中噪声干扰的影响，且易于数字信号处理。
权利要求 :
1、一种谐振式微机械陀螺，其特征在于：包括梳状叉指驱动器(1)、平 板质量块(2)、杠杆放大机构(3)和双端音叉谐振器(4)，整个结构为轴对 称图形，中间为平板质量块(2)，其x方向上放置两个固定于基底上的梳状叉 指驱动器(1)，其y方向上设置一对杠杆放大机构(3)，并与外侧两个双端音 叉谐振器(DETF)(4)相连，平板质量块(2)受外侧梳状叉指驱动器(1) 的静电力驱动，沿x方向作振荡运动，沿z轴负方向的外界加速度将使平板质 量块(2)受到沿y方向的科氏力，并通过杠杆放大机构(3)放大后传递到对 称分布的两个双端音叉谐振器(4)上，且大小相等方向相反，使其谐振运动受 到周期性的调制，测量这两个双端音叉谐振器(4)的差动输出可实现对输入角 频率的测量。
2、根据权利要求1所述的一种谐振式微机械陀螺，其特征在于所述的平 板质量块(2)的长和宽为100～1000μm，厚度为70～80μm，与两侧的动梳 状叉指是同一质量块，能够充分利用有限体积条件，使角速度速度高效转化为 科氏力，提高微机械陀螺的灵敏度。
3、根据权利要求1所述的一种谐振式微机械陀螺，其特征在于：所述的 双端音叉谐振器(4)包括梁和动齿组成的质量块(12)、驱动静齿(10)、测 量静齿(11)，在驱动静齿(10)上加频率为双端音叉谐振器(4)谐振频率的 驱动信号后，质量块(12)做y方向的谐振运动，测量静齿(11)输出谐振频 率信号。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种谐振式微机械陀螺，属于微机电系统MEMS中的微机械传 感器领域，作为微惯性器件广泛应用于汽车电子、航空航天、武器装备等领域。
背景技术
基于角动量原理的经典的框架式机械转子陀螺仪，由数百个(约300多个) 零件组装而成，结构复杂，体积大，使用寿命短，不能满足技术发展和许多新 应用的要求。因而相继发展了没有机械转子的固态陀螺，代表性的有激光陀螺、 半球谐振陀螺以及光纤陀螺。前两种陀螺的性能可达到惯性导航级的漂移精度 (0.01°/h)；但价格高，体积较大，仍不能适用于正在发展的微型惯性测量单 元和低价格商用市场的需求。而MEMS正处于发展时期，它的技术和市场都尚 未成熟，但其孕育的广阔发展前景和巨大的社会、经济效益是世人共知的。于 是，研制新一代微机械陀螺(MMG)受到世界范围的普遍重视，并在汽车工业 需求的推动下，已经成为20世纪80年代中期至今广泛研究和发展的主题。
从测试原理上讲，目前硅微机械陀螺普遍采用电容检测方式。电容检测具 有温漂小，灵敏度高，可靠性和稳定性好等优点。但随着微惯性器件结构尺寸 的不断缩小，其灵敏度和分辨率大大降低，达到了检测的极限状态。检测输出 信号的信噪比非常低，信号检测电路和处理电路非常复杂，不利小型化和集成 化。2002年，美国Berkeley的A.A.Seshia等人提出了硅谐振式微机械陀螺 的设想，该设想将以往的硅微机械陀螺与微机械谐振器有效地结合在一起，从 而有效地避免电容检测中噪声干扰的影响，实现频率信号的输出。目前的微机 械陀螺产品大多是中低精度的，严重地制约其应用范围，较多地应用在精度要 求不高的商用领域，提高现有微机械陀螺的性能就是要实现高灵敏度、高分辨 率、低噪声、低漂移和大的动态范围。
从测试原理上讲，目前硅微机械陀螺普遍采用电容检测方式。电容检测具 有温漂小，灵敏度高，可靠性和稳定性好等优点。但随着微惯性器件结构尺寸 的不断缩小，其灵敏度和分辨率大大降低，达到了检测的极限状态。检测输出 信号的信噪比非常低，信号检测电路和处理电路非常复杂，不利小型化和集成 化。2002年，美国Berkeley的A.A.Seshia等人提出了硅谐振式微机械陀螺 的设想，该设想将以往的硅微机械陀螺与微机械谐振器有效地结合在一起，从 而有效地避免电容检测中噪声干扰的影响，实现频率信号的输出。目前的微机 械陀螺产品大多是中低精度的，严重地制约其应用范围，较多地应用在精度要 求不高的商用领域，提高现有微机械陀螺的性能就是要实现高灵敏度、高分辨 率、低噪声、低漂移和大的动态范围。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种谐振式微机械 陀螺，以解决现有微机械陀螺灵敏度、分辨率不够高，以及电容检测中存在的 问题，实现了频率信号输出，易于数字信号处理。
本发明的技术解决方案：一种谐振式微机械陀螺，包括梳状叉指驱动器、 平板质量块、杠杆放大机构和双端音叉谐振器，平板质量块处于中间位置，通 过支撑梁悬浮在基底上，具有x和y两个方向的自由度，其x方向上对称放置 两个固定于基底上的梳状叉指驱动器，其y方向上对称设置一对杠杆放大机构， 并与外侧两个双端音叉谐振器DETF相连。平板质量块在受到梳状叉指驱动器 的静电力驱动作用时，沿x方向作往复振荡运动，沿z轴负方向的外界加速度 将使质量块受到沿y方向的科氏力，并通过杠杆放大机构放大后传递到对称分 布的两个双端音叉谐振器上，且大小相等方向相反，使其谐振运动受到周期性 的调制。通过测量这两个双端音叉谐振器的差动输出可实现对输入角频率的测 量。
本发明工作原理：谐振式微机械陀螺属于振动陀螺VG，是基于受激振动 在有科氏加速度时存在模态耦合效应的原理来工作的，实质上是由于科式加速 度的存在引起了两种模态间的能量传递。其基本原理如图2所示，其中平板质 量块2固连在旋转坐标系的xoy平面，质量块2在受到梳状叉指驱动器的静电 力驱动作用后将沿x轴方向以相对旋转坐标系的速度υ运动，旋转坐标系绕负z 轴以角速度ω旋转。因科氏效应产生科氏力的公式为Fcor＝-2mP[ω×υ]，即质量块 2在旋转坐标系中受到沿正y轴的科氏力Fcor，其中mP为平板质量块2的质量。 可见科氏力Fcor直接与作用在质量块2上的输入角速度ω成正比，获得该科氏力 Fcor的信息也即获得输入角速度ω的信息。
该科氏力Fcor通过两对杠杆被放大并传递到两侧的两个双端音叉谐振器，由 于设计的结构为轴对称图形，放大后的科氏力F′cor以等幅反向的形式作用在两个 双端音叉谐振器上，使其弹性系数kl受到调制发生周期性的变化，其弹性系数kl 与科氏力成正比，可表示为其中A为杠杆因子，F′cor＝AFcor。如 图3所示，双端音叉谐振器在轴向时变科氏力F′cor作用下的动力学方程为： 其中，Fd为加在谐振器上的驱动电压产生的驱 动力，kr为谐振器在未受科氏力作用时系统的弹性系数，klsin(ωpt)为谐振器在 驱动频率为fp＝ωp/2π的科氏力F′cor的调制作用下附加的弹性系数。上述双端音 叉谐振器的动力学方程的近似解可表示为： xr＝x0(1+βsin(ωpt))sin(ωrt-βcos(ωpt)+φ)，即谐振器的幅度和频率都受到调制，β 为调频系数。当kl＜＜kr时，调频系数β可以表示为谐振器调制前后谐振频偏与科 氏力F′cor驱动频率fp之比，即：其中Δf为单个双端音叉谐振器的频偏， 对称的两个双端音叉谐振器的频偏的差动输出实现了此系统的频率量输出。最 终，此谐振式微机械陀螺从输入角速度ω到两个双端音叉谐振器差动频偏输出 (δf＝Δf1-Δf2)的传递系数S可表示为：即传递系数 S为无量纲量，且只与材料和系统的几何参数有关。且从其表达式可知，增加 平板质量块的质量mP将提高传递系数S，从而提高系统分辨率。
本发明与现有技术相比的优点：
(1)本发明所采用的平板质量块设计能够在有限体积条件下实现较大的质 量，使角速度速度高效转化为科氏力，提高了微机械陀螺的灵敏度。实际工作 时，将微机械陀螺处于真空封装的环境中，以减小谐振式微机械陀螺在驱动和 敏感模态中所受到的滑膜阻尼，提高驱动和敏感模态的品质因数，从而提高了 系统的工作特性。
(2)本发明所采用的双端音叉谐振器能够实现将陀螺敏感角速度产生的科 氏力的变化转换成谐振器谐振频率的变化，有效避免了电容检测中噪声干扰的 影响，且易于数字信号处理。
本发明的技术解决方案：一种谐振式微机械陀螺，包括梳状叉指驱动器、 平板质量块、杠杆放大机构和双端音叉谐振器，平板质量块处于中间位置，通 过支撑梁悬浮在基底上，具有x和y两个方向的自由度，其x方向上对称放置 两个固定于基底上的梳状叉指驱动器，其y方向上对称设置一对杠杆放大机构， 并与外侧两个双端音叉谐振器DETF相连。平板质量块在受到梳状叉指驱动器 的静电力驱动作用时，沿x方向作往复振荡运动，沿z轴负方向的外界加速度 将使质量块受到沿y方向的科氏力，并通过杠杆放大机构放大后传递到对称分 布的两个双端音叉谐振器上，且大小相等方向相反，使其谐振运动受到周期性 的调制。通过测量这两个双端音叉谐振器的差动输出可实现对输入角频率的测 量。
本发明工作原理：谐振式微机械陀螺属于振动陀螺VG，是基于受激振动 在有科氏加速度时存在模态耦合效应的原理来工作的，实质上是由于科式加速 度的存在引起了两种模态间的能量传递。其基本原理如图2所示，其中平板质 量块2固连在旋转坐标系的xoy平面，质量块2在受到梳状叉指驱动器的静电 力驱动作用后将沿x轴方向以相对旋转坐标系的速度υ运动，旋转坐标系绕负z 轴以角速度ω旋转。因科氏效应产生科氏力的公式为Fcor＝-2mP[ω×υ]，即质量块 2在旋转坐标系中受到沿正y轴的科氏力Fcor，其中mP为平板质量块2的质量。 可见科氏力Fcor直接与作用在质量块2上的输入角速度ω成正比，获得该科氏力 Fcor的信息也即获得输入角速度ω的信息。
该科氏力Fcor通过两对杠杆被放大并传递到两侧的两个双端音叉谐振器，由 于设计的结构为轴对称图形，放大后的科氏力F′cor以等幅反向的形式作用在两个 双端音叉谐振器上，使其弹性系数kl受到调制发生周期性的变化，其弹性系数kl 与科氏力成正比，可表示为其中A为杠杆因子，F′cor＝AFcor。如 图3所示，双端音叉谐振器在轴向时变科氏力F′cor作用下的动力学方程为： 其中，Fd为加在谐振器上的驱动电压产生的驱 动力，kr为谐振器在未受科氏力作用时系统的弹性系数，klsin(ωpt)为谐振器在 驱动频率为fp＝ωp/2π的科氏力F′cor的调制作用下附加的弹性系数。上述双端音 叉谐振器的动力学方程的近似解可表示为： xr＝x0(1+βsin(ωpt))sin(ωrt-βcos(ωpt)+φ)，即谐振器的幅度和频率都受到调制，β 为调频系数。当kl＜＜kr时，调频系数β可以表示为谐振器调制前后谐振频偏与科 氏力F′cor驱动频率fp之比，即：其中Δf为单个双端音叉谐振器的频偏， 对称的两个双端音叉谐振器的频偏的差动输出实现了此系统的频率量输出。最 终，此谐振式微机械陀螺从输入角速度ω到两个双端音叉谐振器差动频偏输出 (δf＝Δf1-Δf2)的传递系数S可表示为：即传递系数 S为无量纲量，且只与材料和系统的几何参数有关。且从其表达式可知，增加 平板质量块的质量mP将提高传递系数S，从而提高系统分辨率。
本发明与现有技术相比的优点：
(1)本发明所采用的平板质量块设计能够在有限体积条件下实现较大的质 量，使角速度速度高效转化为科氏力，提高了微机械陀螺的灵敏度。实际工作 时，将微机械陀螺处于真空封装的环境中，以减小谐振式微机械陀螺在驱动和 敏感模态中所受到的滑膜阻尼，提高驱动和敏感模态的品质因数，从而提高了 系统的工作特性。
(2)本发明所采用的双端音叉谐振器能够实现将陀螺敏感角速度产生的科 氏力的变化转换成谐振器谐振频率的变化，有效避免了电容检测中噪声干扰的 影响，且易于数字信号处理。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图；
图2为科氏效应基本原理示意图；
图3为本发明的双端音叉谐振器的结构图；
图4为本发明的双端音叉谐振器信号处理结构示意图。
图2为科氏效应基本原理示意图；
图3为本发明的双端音叉谐振器的结构图；
图4为本发明的双端音叉谐振器信号处理结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明由梳状叉指驱动器1、平板质量块2、杠杆放大机构3 和双端音叉谐振器4组成，平板质量块2处于中间位置，通过支撑梁悬浮在基 底上，其x方向上对称放置两个固定于基底上的梳状叉指驱动器1，其y方向 上对称设置两对杠杆放大机构3，并与外侧两个双端音叉谐振器(DETF)4相 连。
如图2所示，平板质量块2为薄实体立方体结构，其长和宽为100～1000 μm，厚度为70～80μm，固连在旋转坐标系的xoy平面，平板质量块2在受 到梳状叉指驱动器1的静电力驱动作用后将沿x轴方向以相对旋转坐标系的速 度υ运动，旋转坐标系绕负z轴以角速度ω旋转，因科氏效应使平板质量块2 在旋转坐标系中受到沿正y轴的科氏力Fcor。
如图3所示，双端音叉谐振器4包括梁和动齿组成的质量块12、驱动静齿 10、测量静齿11，在驱动静齿10上加频率为双端音叉谐振器4谐振频率的驱动 信号后，质量块12做y方向的谐振运动，测量静齿11输出谐振频率信号。
如图4所示，双端音叉谐振器4在轴向时变科氏力F′cor作用下其谐振回路5 谐振运动的幅度和频率都受到调制，通过缓存器6和锁相环7解调后经差动放 大器8输出这两个对称双端音叉谐振器4的谐振频偏，并经过低通滤波器9滤 波后输出所需频率信号，解算即得输入角速度值。
本发明的基片材料为玻璃，整个敏感结构材料为单晶硅，采用标准的体硅 工艺制作，引线通过磁控溅射形成，基片与硅片以键合的方式通过锚点相连。
如图2所示，平板质量块2为薄实体立方体结构，其长和宽为100～1000 μm，厚度为70～80μm，固连在旋转坐标系的xoy平面，平板质量块2在受 到梳状叉指驱动器1的静电力驱动作用后将沿x轴方向以相对旋转坐标系的速 度υ运动，旋转坐标系绕负z轴以角速度ω旋转，因科氏效应使平板质量块2 在旋转坐标系中受到沿正y轴的科氏力Fcor。
如图3所示，双端音叉谐振器4包括梁和动齿组成的质量块12、驱动静齿 10、测量静齿11，在驱动静齿10上加频率为双端音叉谐振器4谐振频率的驱动 信号后，质量块12做y方向的谐振运动，测量静齿11输出谐振频率信号。
如图4所示，双端音叉谐振器4在轴向时变科氏力F′cor作用下其谐振回路5 谐振运动的幅度和频率都受到调制，通过缓存器6和锁相环7解调后经差动放 大器8输出这两个对称双端音叉谐振器4的谐振频偏，并经过低通滤波器9滤 波后输出所需频率信号，解算即得输入角速度值。
本发明的基片材料为玻璃，整个敏感结构材料为单晶硅，采用标准的体硅 工艺制作，引线通过磁控溅射形成，基片与硅片以键合的方式通过锚点相连。