[发明专利]一种双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪，可应用于微小型系统的导航及控制，并可以应用于工作时间短、成本低、动态范围大的战术武器的惯性导航系统。

背景技术

陀螺仪是一种惯性转速传感器，可用来测量载体的运动角速度，利用三个陀螺仪和三个加速度计组成的IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)可以为载体提供位置、姿态信息，被广泛应用于惯性导航领域。从20世纪80年代末开始，随着MEMS(Micro-Electromechanical System，微机电系统)技术的发展，各种传感器实现了微小型化，以MEMS技术为基础的陀螺仪相对于传统的机械及光学陀螺仪而言，具有成本低、体积小、功耗低、可与电路集成等优点，具有广泛的应用前景，受到了各国的高度重视，先后投入巨资加以研究。

从检测原理上讲，目前MEMS陀螺仪普遍采用电容检测方式，通过检测哥氏力产生位移的大小来间接估计转速。当器件的结构尺寸缩小到一定程度时，电容检测的灵敏度大大降低，严重影响陀螺仪的性能，同时电容式检测必须附加复杂的闭环电路，增加了器件的设计、加工难度，并且受一定的电-机耦合的影响，仪器的信噪比相对比较小。为此，人们一直在探索新的结构及检测方式，1998年美国加利福尼亚大学伯克利分校的T.A.W.Roessig提出了调谐输出式硅MEMS加速度计，为MEMS陀螺仪的谐振式检测奠定了基础。2002年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的A.A.Seshia等人首次提出了调谐输出式硅MEMS陀螺仪，采用一个高频振动的质量块作为敏感单元，音叉谐振器作为检测单元，并成功研制了原理样机。该陀螺仪将敏感角速率产生的哥氏力转换成音叉谐振器谐振频率的变化，通过测量两端音叉谐振器谐振频率差来计算转速的大小，陀螺仪输出是准数字信号，易于数字电路集成，具有动态范围大、灵敏度较高、输出线性度好优点。然而由于单质量块的高频振动，引起了器件干扰噪声，增加了机械损耗；理想陀螺仪仅敏感输入轴向的角速度，然而单质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪不仅敏感输入轴向的角速度，同时敏感外部加速度，引入了加速度干扰误差，从而导致器件的测量误差。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有调谐输出式硅MEMS陀螺仪振动噪声大、无法消除外部加速度引起的误差等不足，提出一种双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪。

本发明的技术解决方案为：一种双质量块调谐输出式硅MEMS陀螺仪，其特征在于：主要由静齿、动齿、第一质量块、第二质量块、第一外框架、第二外框架、杠杆41、42、51、52和两个音叉谐振器81、82组成。静齿和动齿构成了电容式极板，第一质量块通过四个内折叠梁11、12、13、14连接在第一外框架上，第二质量块通过四个内折叠梁71、72、73、74连接在第二外框架上，第一外框架通过外支撑梁31、32固连在锚点21、22上，第二外框架通过外支撑梁61、62固连在锚点23、24上，第一外框架和第二外框架之间通过折叠梁361、362相连；第一外框架左右两侧分别通过杠杆41、42与音叉谐振器81、82自由端相连，第二外框架左右两侧分别通过杠杆51、52与音叉谐振器81、82自由端相连；锚点411、421分别是杠杆41、42的支撑点，锚点511、521分别是杠杆51、52的支撑点，音叉谐振器81、82固定端分别与锚点91、92相连，通过测得两端音叉谐振器的谐振频率差计算外部输入转速。

所述的第一质量块和第二质量块结构完全相同，内部嵌入梳状动齿，第一质量块和第二质量块沿Y轴做同频、等幅、反相振动；

所述的第一外框架左右两侧的杠杆41、42和第二外框架左右两侧的杠杆51、52的放大比例是通过调节杠杆支撑点位置设置的，实现哥氏力的放大功能，杠杆41、42、51、52的放大比例相同；

所述的杠杆41与杠杆42实现的力放大方向相同，杠杆51与杠杆52实现的力放大方向相同；

所述的杠杆41、42与杠杆51、52实现的力放大方向相反。