雙質(zhì)量硅微陀螺儀的機械耦合誤差抑制裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于MEMS (微機電系統(tǒng)）和微慣性測量技術(shù)，特別涉及一種雙質(zhì)量硅微陀 螺儀的機械耦合誤差抑制裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 20世紀(jì)80年代中期，隨著半導(dǎo)體加工技術(shù)的進步，機械結(jié)構(gòu)與電子系統(tǒng)的微型化 與集成一一微機電系統(tǒng)（MEMS)技術(shù)的出現(xiàn)，給慣性傳感器領(lǐng)域帶來一場革命。自德雷珀實 驗室于1991年首次展示其研制的硅微陀螺儀以來，基于表面加工、體硅加工或者兩者混合 加工技術(shù)的硅微陀螺儀不斷涌現(xiàn)。微機械陀螺儀以其微型化與集成化、可靠性高、功耗低、 易于數(shù)字化和智能化、響應(yīng)快等優(yōu)異性能，決定了它具有廣闊的應(yīng)用前景和軍事應(yīng)用價值。 硅微陀螺儀根據(jù)不同的性能等級可分為速率級、戰(zhàn)術(shù)級及慣導(dǎo)級。速率機的硅微陀螺儀可 用在汽車、機器人、工業(yè)控制、玩具等領(lǐng)域。戰(zhàn)術(shù)級的硅微陀螺儀主要用于空中、地面、海上 導(dǎo)航及姿態(tài)航向的基準(zhǔn)系統(tǒng)，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、智能炮彈、新概念武器等軍事領(lǐng)域。慣導(dǎo)級的硅微 陀螺儀用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈、空間飛行器、自主式潛艇導(dǎo)航等領(lǐng)域，慣性級硅微陀螺儀也成為各發(fā) 達(dá)國家研究的熱點。
[0003] 我國對于硅微陀螺儀的研究起步較晚，目前對于硅微陀螺儀的研究仍停留在實驗 室階段，且各項性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后，嚴(yán)重限制了自主研制的硅微陀螺儀的軍事應(yīng)用和商用 化進程。基于單質(zhì)量硅微陀螺儀理論基礎(chǔ)的雙質(zhì)量硅微陀螺儀，通過驅(qū)動模態(tài)的同幅同頻 反向驅(qū)動，實現(xiàn)敏感模態(tài)哥氏加速度的差分檢測，它能夠有效地消除軸向加速度等共模干 擾的影響，環(huán)境適應(yīng)性較強，是工程應(yīng)用的首選結(jié)構(gòu)。但由于加工缺陷等因素的存在，驅(qū)動 模態(tài)的振動能量也會耦合到檢測模態(tài)，產(chǎn)生較大的輸出誤差。針對這一情況，硅微陀螺儀的 結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)歷了從不解耦到半解耦，再到全解耦的發(fā)展過程。全解耦的結(jié)構(gòu)從形式上看解 耦最徹底，但由于某些結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的缺陷，使得兩者之間依然存在一定的耦合效應(yīng)，而且 還可能產(chǎn)生部分結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、隨動等效應(yīng)，這樣就使硅微陀螺儀的性能降低。因此，在設(shè)計過 程中應(yīng)注意結(jié)構(gòu)的形式及相關(guān)結(jié)構(gòu)的布局，從本質(zhì)上減小誤差，提高硅微陀螺儀的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種驅(qū)動模態(tài)和檢測模 態(tài)的全解耦、檢測靈敏度高、抗干擾能力強、溫度性能優(yōu)越、正交誤差小的雙質(zhì)量硅微陀螺 儀的機械耦合誤差抑制裝置與方法。
[0005] 技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的雙質(zhì)量硅微陀螺儀的機械耦合誤差抑制裝 置包括上下兩層，上層為振動機械結(jié)構(gòu)，下層為玻璃襯底；
[0006] 所述玻璃襯底包括若干電極引線與若干鍵合點，所述電極引線包括公共電極、驅(qū) 動電極與檢測電極三種；
[0007] 所述振動機械結(jié)構(gòu)包括兩個左右對稱放置的完全相同的單質(zhì)量角速度測量單元 子結(jié)構(gòu)；兩個單質(zhì)量角速度測量單元子結(jié)構(gòu)之間連接有驅(qū)動耦合折疊梁，且兩個單質(zhì)量角 速度測量單元子結(jié)構(gòu)的上下各有一根橫梁，且兩個單質(zhì)量角速度測量單元子結(jié)構(gòu)同一側(cè)的 橫梁相連；所述橫梁通過基座直梁與振動機械結(jié)構(gòu)四角處的四個整體固定錨點連接；
[0008] 每個單質(zhì)量角速度測量單元子結(jié)構(gòu)均包括敏感質(zhì)量、驅(qū)動機構(gòu)、檢測機構(gòu)、結(jié)構(gòu)穩(wěn) 固平衡梁、驅(qū)動折疊梁、檢測折疊梁、驅(qū)動解耦梁、檢測解耦梁與子結(jié)構(gòu)固定錨點；所述驅(qū)動 機構(gòu)對稱放置在敏感質(zhì)量的左右兩側(cè)，通過分布在敏感質(zhì)量上下兩側(cè)的檢測解耦梁與敏感 質(zhì)量相連，形成對敏感質(zhì)量推挽的驅(qū)動方式；所述檢測機構(gòu)對稱放置在敏感質(zhì)量的上下兩 偵牝通過分布在敏感質(zhì)量左右兩側(cè)的驅(qū)動解耦梁與敏感質(zhì)量相連，以推挽的方式檢測哥式 力的大??；所述驅(qū)動機構(gòu)與檢測機構(gòu)圍成一個口字型，所述子結(jié)構(gòu)固定錨點有四個，分別分 布在驅(qū)動機構(gòu)與檢測機構(gòu)圍成的口字型的內(nèi)部四角處；驅(qū)動機構(gòu)通過分布在其上下兩側(cè)的 驅(qū)動折疊梁與離各自最近的子結(jié)構(gòu)固定錨點相連，并通過分布在其兩側(cè)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固平衡梁 與整體固定錨點相連；檢測機構(gòu)通過其左右兩側(cè)的檢測折疊梁與離各自最近的子結(jié)構(gòu)固定 錨點相連，同時通過橫梁下梁與橫梁相連；
[0009] 每個整體固定錨點與子結(jié)構(gòu)固定錨點分別固接于玻璃襯底上的不同的鍵合點，使 振動機械結(jié)構(gòu)懸浮在玻璃襯底上；兩個敏感質(zhì)量各有一個公共電極與之相連。
[0010] 進一步地，所述驅(qū)動機構(gòu)包含兩組驅(qū)動梳齒，兩組驅(qū)動梳齒左右對稱布置，每組驅(qū) 動梳齒均包括活動驅(qū)動梳齒與固定驅(qū)動梳齒，活動驅(qū)動梳齒連在驅(qū)動機構(gòu)的邊框上，固定 驅(qū)動梳齒與固定驅(qū)動梳齒錨點連接，且與活動驅(qū)動梳齒鑲嵌式布置，固定驅(qū)動梳齒錨點固 連在所述玻璃襯底上的對應(yīng)位置的鍵合點上；同時所有固定驅(qū)動梳齒與玻璃襯底上的驅(qū)動 電極連接。
[0011] 進一步地，所述檢測機構(gòu)包含兩組檢測梳齒，兩組檢測梳齒上下對稱布置，每組檢 測梳齒均包括活動檢測梳齒與固定檢測梳齒，活動檢測梳齒連在檢測機構(gòu)的邊框上，固定 檢測梳齒與固連在玻璃襯底上的固定檢測梳齒錨點連接，且與活動檢測梳齒鑲嵌式布置， 固定檢測梳齒錨點固連在所述玻璃襯底上的對應(yīng)位置的鍵合點上；同時所有固定檢測梳齒 與玻璃襯底上的檢測電極連接。
[0012] 進一步地，所述驅(qū)動解耦梁采用單梁的形式。
[0013] 進一步地，所述橫梁下梁采用單梁的形式，且與橫梁單點連接。
[0014] 利用上述雙質(zhì)量硅微陀螺儀的機械耦合誤差抑制裝置的雙質(zhì)量硅微陀螺儀的機 械耦合誤差抑制方法，所述機械耦合誤差抑制方法為：調(diào)整所述橫梁下梁與檢測折疊梁的 剛度比使檢測機構(gòu)的運動的平衡點正好在驅(qū)動解耦梁與檢測機構(gòu)的連接點處；調(diào)芐基座直 梁的長度及整體固定錨點的位置，使橫梁在檢測模態(tài)下的變形極點為橫梁下梁與橫梁的連 接點；調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固平衡梁與驅(qū)動耦合梁的剛度比使敏感質(zhì)量左右兩側(cè)的驅(qū)動機構(gòu)的運動 狀態(tài)保持一致。
[0015] 有益效果：（1)驅(qū)動解耦梁采用長度較長的單梁，梁的剛度減小，減少檢測機構(gòu)在 驅(qū)動方向的隨動效應(yīng)，單梁的占用空間變小，更易放置，與橫梁下梁和檢測折疊梁的剛度配 合，可以消除檢測機構(gòu)在驅(qū)動模態(tài)下的轉(zhuǎn)動效應(yīng)。單梁的使用可以使敏感質(zhì)量的質(zhì)量增大， 敏感質(zhì)量的轉(zhuǎn)動效應(yīng)減小，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且單梁的使用，敏感質(zhì)量的轉(zhuǎn)動效應(yīng)向檢測 機構(gòu)的傳遞會大大減小；（2)橫梁下梁采用單梁的形式，且與橫梁單點連接，可以減小在檢 測模態(tài)下橫梁的非線性變形對檢測機構(gòu)的影響，減少檢測機構(gòu)的轉(zhuǎn)動效應(yīng)，與檢測折疊梁 共同限制檢測機構(gòu)，使其只在檢測方線性運動；（3)調(diào)芐基座直梁的長度及固定錨點的位 置使橫梁下梁與橫梁的連接點是橫梁非線性變形的極點，減小在檢測模態(tài)下橫梁非線性變 形向檢測機構(gòu)的傳遞；(4)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固平衡梁的采用，并通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固平衡梁與驅(qū)動耦 合梁的剛度比，驅(qū)動耦合梁的存在造成子結(jié)構(gòu)左右驅(qū)動機構(gòu)受力不均衡的現(xiàn)象，使左右驅(qū) 動機構(gòu)運動狀態(tài)保持一致，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)固平衡梁可以使檢測模態(tài)下的驅(qū)動機構(gòu)的轉(zhuǎn)動效應(yīng)減 小。
【附圖說明】
[0016] 附圖1是本發(fā)明雙質(zhì)量硅微陀螺儀的機械耦合誤差抑制裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 附圖2是本發(fā)明機械耦合誤差抑制機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 附圖3是本發(fā)明雙質(zhì)量硅微陀螺儀的驅(qū)動機構(gòu)和驅(qū)動反饋機構(gòu)示意圖；
[0019] 附圖4是本發(fā)明雙質(zhì)量硅微陀螺儀的檢測機構(gòu)示意圖；
[0020] 附圖5是本發(fā)明雙質(zhì)量硅微陀螺儀的玻璃襯底示意圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0022] 結(jié)合附圖1，本發(fā)明雙質(zhì)量硅微陀螺儀的機械耦合誤差抑制方法和裝置實現(xiàn)對垂 直于x-y水平面的輸入角速度的測量。結(jié)構(gòu)分為上下兩層，上層為硅微陀螺儀的振動機械 結(jié)構(gòu)，下層為粘附有信號引線的玻璃襯底。陀螺的機械結(jié)構(gòu)由兩個對稱放置的完全相同的 單質(zhì)量角速度測量單元子結(jié)構(gòu)la、Ib構(gòu)成；在驅(qū)動模態(tài)下，兩個單質(zhì)量角速度測量單元子 結(jié)構(gòu)之間通過驅(qū)動親合折疊梁3a、3b建立