一種帶解耦功能的音叉型微機電陀螺敏感結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于敏感結(jié)構(gòu)，具體涉及一種帶解耦功能的音叉型微機電陀螺敏感結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]陀螺是一種用于敏感載體相對于慣性空間角運動的儀表，是慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)的核心器件。
[0003]微機電陀螺是以微電子和微機械工藝為基礎(chǔ)制造的新型慣性儀表，具有體積重量功耗小、集成性尚、抗惡劣環(huán)境、成本低等優(yōu)點。
[0004]基于哥式振動原理的音叉型微機電陀螺是微機電陀螺重要的技術(shù)發(fā)展方向，其結(jié)構(gòu)型式緊湊，工藝實現(xiàn)簡單，可廣泛應(yīng)用于精確制導(dǎo)彈藥、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等軍事領(lǐng)域以及汽車工業(yè)、鉆井探測等民用領(lǐng)域。
[0005]—種音叉型微機電陀螺敏感結(jié)構(gòu)如圖1所示，具有以下特點。
[0006]1)采用對稱式三框設(shè)計，即驅(qū)動框(主要包括驅(qū)動質(zhì)量塊9等)、驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接框(主要包括驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接質(zhì)量塊22等)、檢測框(主要包括檢測質(zhì)量塊17等)，同時采用單自由度梁(包括U型外驅(qū)動梁10、驅(qū)動轉(zhuǎn)接梁23、檢測轉(zhuǎn)接梁24等)連接各框，進(jìn)而限定各框和質(zhì)量塊的運動自由度，實現(xiàn)了驅(qū)動與檢測之間的雙向解耦，能夠在很大程度上抑制驅(qū)動和檢測模態(tài)之間的運動干擾；
[0007]2)采用耦合梁(主要包括外耦合連接梁25和內(nèi)耦合連接梁26等)實現(xiàn)左右驅(qū)動框、左右驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接框之間的連接，從而減小能量損失、獲取高靈敏度，解決無耦合和低耦合引起的相差、頻差難題；同時，利用差模效應(yīng)來抑制外界共模干擾(包括重力、殼體加速度、振動、沖擊等輸入)，提高陀螺的環(huán)境適應(yīng)能力。
[0008]3)采用大檢測電容設(shè)計，通過簡化電容型式，在一定空間內(nèi)布置更多極板(主要包括檢測動梳齒19，檢測定梳齒20等)，獲取大初始電容，提高信噪比，實現(xiàn)更高性能。
[0009]敏感結(jié)構(gòu)中各類梁的截面一般設(shè)計為矩形。理想情況下，梁沿著其慣性主軸振動，振動方向與驅(qū)動或檢測方向一致；實際中，由于存在加工誤差，梁的實際截面與設(shè)計值有一定的偏移，如圖2所示，其慣性主軸也不再與驅(qū)動或檢測方向重合，如圖3所示，造成驅(qū)動和檢測的交叉耦合，導(dǎo)致輸出誤差，該誤差被稱之為正交耦合誤差，對陀螺性能有較大影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種帶解耦功能的音叉型微機電陀螺敏感結(jié)構(gòu)。
[0011]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:一種帶解耦功能的音叉型微機電陀螺敏感結(jié)構(gòu)，呈左右對稱分布，左右半邊主體結(jié)構(gòu)均由驅(qū)動框、驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接框、檢測框三框組成，其中驅(qū)動框設(shè)置在最外側(cè)，檢測框在最內(nèi)側(cè)，驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接框設(shè)置在中間，左右半邊主體通過驅(qū)動框和驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接框連接為一個整體；驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接框上設(shè)有正交耦合誤差抑制結(jié)構(gòu)。
[0012]如上所述的一種帶解耦功能的音叉型微機電陀螺敏感結(jié)構(gòu)，其中，所述的正交耦合誤差抑制結(jié)構(gòu)設(shè)置在左右半邊主體結(jié)構(gòu)相對的側(cè)壁上，以及左右半邊主體結(jié)構(gòu)相背的側(cè)壁上。
[0013]如上所述的一種帶解耦功能的音叉型微機電陀螺敏感結(jié)構(gòu)，其中，正交耦合誤差抑制結(jié)構(gòu)，包括外側(cè)解耦定梳齒、外側(cè)解耦動梳齒、中部解耦定梳齒、中部解耦動梳齒，其中外側(cè)解耦定梳齒之間通過外側(cè)解耦定梳齒錨接區(qū)與音叉型微機電陀螺敏感結(jié)構(gòu)相連，外側(cè)解耦定梳齒在外側(cè)解耦定梳齒錨接區(qū)上呈均勻分布；外側(cè)解耦動梳齒和中部解耦動梳齒通過驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接質(zhì)量塊與驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接框相連，外側(cè)解耦動梳齒和中部解耦動梳齒在驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接質(zhì)量塊上呈均勻分布；中部解耦定梳齒之間通過中部解耦定梳齒錨接區(qū)與音叉型微機電陀螺敏感結(jié)構(gòu)相連，中部解耦定梳齒在中部解耦定梳齒錨接區(qū)上呈均勻分布；外側(cè)解耦定梳齒與外側(cè)解耦動梳齒相對設(shè)置，交錯布置；中部解耦定梳齒與中部解耦動梳齒相對設(shè)置，交錯布置。
[0014]如上所述的一種帶解耦功能的音叉型微機電陀螺敏感結(jié)構(gòu)，其中，所述的外側(cè)解耦定梳齒、外側(cè)解耦動梳齒、中部解耦定梳齒和中部解耦動梳齒上齒的個數(shù)根據(jù)需要設(shè)置。
[0015]如上所述的一種帶解耦功能的音叉型微機電陀螺敏感結(jié)構(gòu)，其中，所述的外側(cè)解耦定梳齒、外側(cè)解耦動梳齒、中部解耦定梳齒和中部解耦動梳齒之中，任意兩個相鄰的定梳齒與其內(nèi)部包含的動梳齒之間的間隙不相等。
[0016]如上所述的一種帶解耦功能的音叉型微機電陀螺敏感結(jié)構(gòu)，其中，驅(qū)動框呈框形，包括驅(qū)動質(zhì)量塊，U型外驅(qū)動梁，懸臂型外驅(qū)動梁，懸臂型內(nèi)驅(qū)動梁，驅(qū)動動梳齒，驅(qū)動定梳齒，驅(qū)動錨接點和驅(qū)動定梳齒錨接點等，其中，U型外驅(qū)動梁、懸臂型外驅(qū)動梁、懸臂型內(nèi)驅(qū)動梁均為X向自由度梁，可限制驅(qū)動部分在Y向的運動，其長寬比一般在15以上；驅(qū)動動梳齒、驅(qū)動定梳齒用于靜電驅(qū)動或驅(qū)動檢測，驅(qū)動力與梳齒相對交疊面積成正比、與齒間隙成反比，其梳數(shù)及單梳上的齒數(shù)根據(jù)實際需要進(jìn)行設(shè)定；驅(qū)動錨點、驅(qū)動定梳齒錨點用于與底座進(jìn)行固定，起支撐作用。
[0017]如上所述的一種帶解耦功能的音叉型微機電陀螺敏感結(jié)構(gòu)，其中，檢測框呈框形，包括檢測質(zhì)量塊，懸臂型檢測梁，檢測動梳齒，檢測定梳齒和檢測錨接點等，其中，懸臂型檢測梁為Y向自由度梁，用于限制檢測部分在X向的運動，其長寬比在15以上；檢測動梳齒、檢測定梳齒用于電容檢測或檢測反饋，檢測定梳齒可局部或整體與底座進(jìn)行固定，檢測初始電容與梳齒相對交疊面積成正比、與齒間隙成反比，為提高靈敏度，應(yīng)盡可能增大梳齒相對交疊面積，縮小齒間隙；檢測錨點用于與底座進(jìn)行固定，起支撐作用。
[0018]如上所述的一種帶解耦功能的音叉型微機電陀螺敏感結(jié)構(gòu)，其中，驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接框呈框形，位于驅(qū)動框與檢測框之間，包括驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接質(zhì)量塊，驅(qū)動轉(zhuǎn)接梁和檢測轉(zhuǎn)接梁，其中，驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接質(zhì)量塊用于在驅(qū)動質(zhì)量塊和檢測質(zhì)量塊之間實現(xiàn)輸入傳遞，驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接質(zhì)量塊與檢測質(zhì)量塊的質(zhì)量比越大，輸入傳遞效率越高；驅(qū)動轉(zhuǎn)接梁為Y向自由度梁，用于同步驅(qū)動質(zhì)量塊和驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接質(zhì)量塊在X向的運動，同時隔離驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接質(zhì)量塊在檢測質(zhì)量塊在Y向的運動，檢測轉(zhuǎn)接梁為X向自由度梁，用于同步驅(qū)動質(zhì)量塊和驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接質(zhì)量塊在X向的運動，同時隔離驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接質(zhì)量塊在檢測質(zhì)量塊在Y向的運動，
[0019]雙質(zhì)量塊耦合部分，主要包括外耦合連接梁和內(nèi)耦合連接梁等，其中，外側(cè)耦合連接梁呈長條形，用于實現(xiàn)左右驅(qū)動質(zhì)量塊的能量耦合，其長寬比在30以上；內(nèi)耦合連接梁呈“工”字形，用于實現(xiàn)左右檢測質(zhì)量塊的能量耦合，由5段直梁構(gòu)成，每段直梁的長寬比在15以上。
[0020]本發(fā)明的效果是:1)本發(fā)明采用對稱式三框設(shè)計，即驅(qū)動框、驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接框、檢測框，同時采用單自由度梁連接各框，進(jìn)而限定各框和質(zhì)量塊的運動自由度，實現(xiàn)了驅(qū)動與檢測之間的雙向解耦，能夠在很大程度上抑制耦合誤差。
[0021]2)本發(fā)明采用耦合梁實現(xiàn)左右驅(qū)動框、驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接框之間的連接，從而減小能量損失、獲取高靈敏度，解決無耦合和低耦合引起的相差、頻差難題；同時利用差模效應(yīng)來抑制外界共模干擾(包括重力、殼體加速度、振動、沖擊等輸入)，提高陀螺的環(huán)境適應(yīng)能力。
[0022]3)本發(fā)明采用大檢測電容設(shè)計，通過簡化電容型式，在一定空間內(nèi)布置更多極板、獲取高達(dá)3-10pF的初始電容，可達(dá)現(xiàn)有陀螺的二倍以上，進(jìn)而提高信噪比，實現(xiàn)更高性能。
[0023]4)本發(fā)明敏感結(jié)構(gòu)具備正交耦合誤差抑制功能，通過調(diào)節(jié)外側(cè)解耦定梳齒和中部解耦定梳齒上的電壓的極性和大小可實現(xiàn)對加工誤差引起的正交耦合誤差的抑制。
【附圖說明】
[0024]圖1為傳統(tǒng)技術(shù)中音叉型微機電陀螺敏感結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0025]圖2a是理想截面的示意圖；
[0026]圖2b是非理想截面的示意圖；
[0027]圖3a是理想運動的示意圖；
[0028]圖3b是加工誤差引起的非理想運動的示意圖；
[0029]圖4為本申請音叉型微機電陀螺敏感結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0030]圖中:1.驅(qū)動梁，2.驅(qū)動質(zhì)量塊，3.檢測梁，4.檢測質(zhì)量塊，5.左驅(qū)動(檢測)梁，
6.左驅(qū)動(檢測)質(zhì)量塊，7.右驅(qū)動(檢測)梁，8.右驅(qū)動(檢測)質(zhì)量塊，9.驅(qū)動質(zhì)量塊，10.U型外驅(qū)動梁，11.懸臂型外驅(qū)動梁，12.懸臂型內(nèi)驅(qū)動梁，13.驅(qū)動動梳齒，14.驅(qū)動定梳齒，15.驅(qū)動錨點，16.驅(qū)動定梳齒錨點，17.檢測質(zhì)量塊，18.懸臂型檢測梁，19.檢測動梳齒，20.檢測定梳齒，21.檢測錨點，22.驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接質(zhì)量塊，23.驅(qū)動轉(zhuǎn)接梁，24.檢測轉(zhuǎn)接梁，25.外耦合連接梁，26.內(nèi)耦合連接梁，27.外側(cè)解耦定梳齒，28.外側(cè)解耦動梳齒，29.中部解耦定梳齒，30.中部解耦動梳齒，31.外側(cè)解耦定梳齒錨接區(qū)，32.中部解耦定梳齒銷接區(qū)。
【具體實施方式】
[0031]如附圖4所示，一種帶解耦功能的音叉型微機電陀螺敏感結(jié)構(gòu)，呈左右對稱分布，左右半邊主體結(jié)構(gòu)均由驅(qū)動框、驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接框、檢測框三框組成。整個敏感結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動部分、檢測部分、驅(qū)動檢測轉(zhuǎn)接部分、雙質(zhì)量塊耦合部分和正交耦合誤差抑制部分等。
[0032]驅(qū)動部分呈框形，在最外側(cè)，包括驅(qū)動質(zhì)量塊9，U型外驅(qū)動梁10，懸臂型外驅(qū)動梁11，懸臂型內(nèi)驅(qū)動梁12，驅(qū)動動梳齒13，驅(qū)動定梳齒14，驅(qū)動錨接點15和驅(qū)動定梳齒錨接