一种轮式水平轴陀螺栅条状耦合抑制结构

技术领域：

本发明涉及了一种用于轮式水平轴陀螺栅条状耦合抑制结构，属于微机电惯性传感器结构设计技术领域。

背景技术：
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陀螺仪是一种用来检测物体运动角速度的器件。微机电陀螺具有体积小、重量轻、成本低、功耗小及易集成等优点，在航空、航天、兵器、汽车和消费类电子产品等领域都得到了广泛的应用。

惯性测量单元(imu)是由单轴、双轴或者三轴陀螺仪及加速度计组合而成的单元，可以同时测量物体三个正交轴向的加速度和角速度，经过一系列数据处理可以得到物体的速度、位移、方向、姿态等信息，已广泛运用在无人机、无人车、机器人、虚拟现实(vr)和增强现实(ar)等领域中。

目前用于检测垂直于器件表面方向角速度的z轴微机电音叉陀螺的性能已达到较高水平。因此，多轴惯性传感器一种思路是分立元件的组装，将多个单轴(z轴)陀螺仪和加速度计组装成imu。但是由于多个分立元件组装在一起，体积较大，且会产生安装误差，不同器件难以严格正交组装，使得不同器件之间的耦合会影响器件性能，同时，多个元件的组装对工艺兼容性要求很高。目前，单检测质量块陀螺是研究最广泛也是较成熟的微机电振动陀螺形式，这种结构形式在原理上容易存在对线加速度敏感的问题，而谐振轮式陀螺仪由于其完全对称的特点，可以很好的解决这一问题。轮式水平轴陀螺仪其驱动状态为绕垂直于器件平面的轴进行角振动，当有水平方向的角速度输入时，敏感质量块受到科尔奥利力作用会产生离面运动，检测敏感质量块与底部电极间电容的变化便可以得到输入水平轴角速度的值。因此，水平轴陀螺与z轴陀螺单片集成在同一个平面上，可以减小imu器件的体积。但是水平轴陀螺因其受到的诸多设计限制的存在，成为imu研究中亟待解决的重要研究突破点。

理想状态下，水平轴陀螺在驱动状态无角速度输入时不产生离面位移，然而由于工艺误差的存在，比如刻蚀倾角的存在，水平轴陀螺在驱动状态无角速度输入时会产生离面位移，产生输出信号，这一信号与检测信号正交，严重影响水平轴陀螺的器件性能。水平轴陀螺正交耦合抑制成为提高其器件性能的关键。为此，提出了一种用于轮式水平轴陀螺栅条状耦合抑制结构。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种用于振动轮式水平轴陀螺耦合抑制结构。所述轮式水平轴陀螺包括单检测轴水平轴陀螺和双检测轴水平轴陀螺。所述轮式水平轴陀螺为解耦结构，主要由驱动梳齿、驱动检测梳齿、驱动框架、敏感质量块、检测框架、锚点、连接梁以及底部检测电极组成。

所发明的适用于轮式水平轴陀螺的耦合抑制结构为栅条状，其特征为：两两一组关于几何中心成中心对称分布。本发明的耦合抑制电极同样为栅条状结构，与栅条状抑制结构交叉分布。

本发明的有益效果为：由于加工误差的存在，水平轴陀螺在驱动状态无角速度输入时会产生离面位移产生耦合信号。通过对底部耦合抑制电极施加直流电压，由于栅条状结构与底部耦合电极的交叠，产生静电力作用在栅条状结构上将平衡离面位移从而抑制耦合信号。通过电路调节耦合抑制电极上的直流电压，将耦合信号降到最小，将显著提高水平轴陀螺的器件性能，为多轴陀螺的单片集成提供良好前景。

附图说明

图1本发明适用的带有栅条状轮式水平轴陀螺结构示意图，图中右侧局部放大图为栅条状抑制结构及底部耦合抑制电极分布示意图。

图2本发明适用的带有栅条状轮式水平轴陀螺底部耦合抑制电极分布示意图。

图3本发明所适用的轮式水平轴陀螺栅条状耦合抑制结构的工作原理图，图1中a-a’剖面图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所适用的轮式水平轴陀螺结构一般由关于几何中心对称分布的驱动梳齿[101(a)，101(b)，101(c)，101(d)]、驱动检测梳齿[102(a)，102(b)，102(c)，102(d)]、外框103、内框104、中心敏感质量块105、底部检测电极及与底部固定连接的锚点[1001，1002]组成。如图1所示的轮式水平轴陀螺，外框103通过驱动折叠梁[106(a)，106(b)，106(c)，106(d)]与锚点1001相连，外框103和敏感质量块105通过外框连接梁107相连，内框104和敏感质量块105通过内框连接梁108相连，内框104通过关于几何中心对称分布的中心连接梁109与位于中心处的锚点1002相连。本发明的栅条状耦合抑制结构110关于几何中心两两中心对称分布，每一组栅条状抑制结构110，对应的底部栅条状电极分为两组[201，202]，同栅条状抑制结构交叉分布，如图1右侧放大图所示。

图2为本发明适用的带有栅条状轮式水平轴陀螺底部耦合抑制电极分布示意图。对于每一组栅条状抑制结构，对应两组耦合抑制电极，分别对应于陀螺结构逆时针转动和顺时针转动。图2中有八组耦合抑制电极，其中[201(a)，202(a)]和[201(c)，202(c)]关于几何中心对称分布，[201(b)，202(b)]和[201(d)，202(d)]关于几何中心对称分布。对于图2中的八组耦合抑制电极，既可以单独施加电压产生抑制作用，也可以利用结构对称性两两一组相连减少为四组耦合抑制电极，采用差分形式抑制。

如图3所示为本发明所适用的轮式水平轴陀螺栅条状耦合抑制结构的工作原理图，图1中a-a’剖面图。由于加工误差的存在，水平轴陀螺在驱动状态无角速度输入时会产生离面位移。通过对底部衬底300上的耦合抑制电极[201(c)，202(c)]施加直流电压，陀螺驱动做来回角振动时，由于栅条状结构110与底部衬底300上的耦合电极[201(c)，202(c)]的交叠，产生静电力作用在栅条状结构110上将平衡离面位移而抑制耦合信号，通过推导静电力f与施加在栅条状结构110的电压vp及分别施加在耦合抑制电极[201(c)，202(c)]上的差分耦合抑制直流电压[vq+，vq-]满足关系：

f∝vp·vq。

技术特征：

1.一种用于轮式水平轴陀螺的耦合抑制结构，通过耦合抑制结构110与底部耦合抑制电极[201，202]间交叠产生的静电力，来平衡水平轴陀螺由于工艺误差造成的无输入角速率状态下的离面位移，其特征在于：用于耦合抑制的结构为栅条状。

2.如权利要求1所述的轮式水平轴陀螺，包括轮式单检测轴水平轴陀螺和轮式双检测轴水平轴陀螺，其特征在于：包括但不限于轴对称分布的驱动梳齿[101(a)，101(b)，101(c)，101(d)]、驱动检测梳齿[102(a)，102(b)，102(c)，102(d)]、外框103、内框104、敏感质量块105、连接梁、底部检测电极及与底部固定连接的锚点[1001，1002]等结构。

3.如权利要求1或权利要求2所述的轮式水平轴陀螺，其特征在于：陀螺的驱动状态为绕垂直于器件平面的轴进行角振动，当有水平方向的角速度输入时，敏感质量块105将发生面外运动。

4.如权利要求1所述的轮式水平轴陀螺，其特征在于：用于检测的敏感质量块105轴对称分布。所述敏感质量块105包括圆形结构但不仅限于圆形结构。

5.如权利要求1所述的轮式水平轴陀螺，其特征在于：采用差分变间隙电容进行检测。

6.如权利要求1所述的轮式水平轴陀螺的栅条状耦合抑制结构，其特征在于：栅条状抑制结构110两两一组关于几何中心呈对称分布。

7.如权利要求1所述的轮式水平轴陀螺的栅条状耦合抑制结构，其特征在于：对于每组栅条状抑制结构110，对应于两组栅条状耦合抑制电极[201，202]，且与栅条状抑制结构110交叉分布。

8.如权利要求1所述的轮式水平轴陀螺的栅条状耦合抑制结构，其特征在于：施加在耦合抑制电极[201，202]上的电压为直流电压。

技术总结
本发明公开了一种用于振动轮式水平轴陀螺耦合抑制结构。所述轮式水平轴陀螺包括单检测轴水平轴陀螺和双检测轴水平轴陀螺。所发明的适用于轮式水平轴陀螺的耦合抑制结构为栅条状，其特征为：两两一组关于几何中心成中心对称分布。本发明的耦合抑制电极同样为栅条状结构，与栅条状抑制结构交叉分布。本发明的有益效果为：由于加工误差的存在，水平轴陀螺在驱动状态无角速度输入时会产生离面位移产生耦合信号，通过对底部耦合抑制电极施加直流电压，由于栅条状结构与底部耦合电极的交叠，产生静电力作用在栅条状结构上将平衡离面位移从而抑制耦合信号。通过调节耦合抑制电极上的直流电压，将耦合信号降到最小，将显著提高水平轴陀螺的器件性能。

技术研发人员：赵前程;杨海兵;崔健
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：2019.10.09
技术公布日：2021.04.09