[发明专利]力平衡式谐振微机械陀螺

说明书

技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)中的微机械传感器领域，它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，可靠性号和稳定性好等优点。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一种实现结构，该结构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。但其微机械谐振器的振动动态方程很复杂，在仅考虑稳态情况下的输出位移信号既是调幅信号同时也是调频信号，解调过程受非线性因素影响。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，提供一种力平衡式谐振微机械陀螺，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，抑制非线性的影响。

本发明的技术解决方案：力平衡式谐振微机械陀螺包括双端音叉谐振器、静电梳齿驱动器、质量块和静电梳齿力平衡器四个部分，整个结构为轴对称图形，质量块处于中间位置，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静电梳齿驱动器，其y方向上对称设置两个固定于基底上的静电梳齿力平衡器和两个双端音叉谐振器DETF，质量块受静电梳齿驱动器的静电力驱动，沿x方向作振荡运动，若存在沿z轴方向的外界输入角速度信号，质量块将受到沿y方向的科氏力作用。静电梳齿力平衡器用于平衡此科氏力，使质量块在y方向上处于平衡位置，当输入角速度变化时，质量块在y方向上出现周期变化的科氏力，并传递到相连的两个双端音叉谐振器上，且大小相等方向相反，使其固有谐振频率发生变化，测量其差动输出可反馈调节静电梳齿力平衡器的驱动电压，从而使质量块在y方向上回到平衡位置，实现对输入角速度的动态闭环检测。

本发明工作原理：力平衡式谐振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，其中质量块3P固连在旋转坐标系的xoy平面，质量块P在受到静电梳齿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F_cor＝-2m_P[ω×υ]，即质量块P在旋转坐标系中受到沿正y轴的科氏力F_cor，其中m_P为平板质量块P的质量。可见科氏力F_cor直接与作用在质量块P上的输入角速度ω成正比，获得该科氏力F_cor的信息也即获得输入角速度ω的信息。