[发明专利]一种微机械音叉陀螺仪

说明书

技术领域

本发明属于惯性器件技术领域，涉及测量物体空间角度位置的微机械陀螺仪。

背景技术

自1910年人类首次生产出用于船载指北陀螺罗经以来，陀螺仪已有100多年的发展史。其发展过程大致可分为四个阶段：第一个阶段是滚珠轴承支承陀螺马达或框架陀螺仪；第二个阶段是二十世纪40年代末到50年代初发展起来的液浮或气浮陀螺仪；第三个阶段是二十世纪60年代以后发展起来的干式动力挠性支承的转子陀螺仪；目前陀螺仪的发展已进入第四个阶段，即静电陀螺仪、激光陀螺仪、光纤陀螺仪和微机械陀螺仪。微机械陀螺仪是利用固体材料特别是半导体材料硅，并利用体加工、面加工或LIGA(德文Lithographie、Galanoformung和Abformung三个词，即光刻、电铸和注塑的缩写)工艺等一种或多种微机械加工技术制作的一种新型陀螺仪。由于它具有重量轻、体积小、寿命长、功耗低和可靠性高等众多优点，自从概念被提出来，一直成为目前国内外的研究热点。

微机械陀螺仪几乎都采用振动式机械元件来感知被测物体的转动信号，其工作基理是：牵连运动引起的科氏加速度会在两个不同振动模态上进行能量传递。其工作原理可由图1所示。陀螺敏感质量块(mass)受到一个沿X方向的交变驱动力F_x作用，使得敏感质量块在X方向往复振动，当有一个Z方向的未知角速度Ω作用于陀螺时，根据科氏效应，陀螺将受到一个沿Y方向的科氏力作用，敏感质量块将在Y方向产生振动，通过检测敏感质量块在Y方向的位移或其他物理量的变化即可以解算出Z方向的角速度Ω的值。

目前，世界上精度最高的微机械陀螺仪是由佐治亚理工学院的Ajit Sharma等人设计开发的一种双质量块面内振动对称结构的音叉微陀螺仪(详见A.Sharma，M.F.Zaman，B.Amini，F.Ayazi，“A High-Q In-Plane SOI Tuning Fork Device”，Proceedings IEEE Conference on Sensors，October 2004，pp.467-470.)，它的主要结构如图2所示，包括两个质量块1、音叉折叠式悬臂梁2、支柱3、驱动梳齿4和检测电容5。在驱动梳齿上加载正弦静电力的作用，质量块在驱动梳齿静电力的作用下在X轴方向产生振动；当外界在Z轴方向作用一个未知角速度为Ω的输入信号时，质量块将受到一个沿Y轴方向上的科氏加速度的作用，科氏加速度将引起质量块在Y轴上方向的振动；通过收集直接关联在质量块上的检测电容上的信号可以测得质量块在Y轴方向上的位移；根据公式(1)，可以分析得到由旋转引起的科氏加速度a。

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其中m为质量块的质量，c为质量块受到的阻尼系数，k为悬臂梁在Y方向上的刚度系数，y为质量块在Y轴方向的振动位移，为质量块在Y轴方向的振动位移的一阶导数，为质量块在Y轴方向的振动位移的二阶导数，a为由旋转运动引起的科氏加速度。

而a由公式(2)决定

a＝2Ω×v    (2)

其中Ω为Z轴方向的角速度输入信号，v为质量块在X轴方向的速度。因此通过a可以求得Ω，经过积分运算可进一步求得微机械陀螺仪的角位移。