[发明专利]具有寄生模衰减功能的振动陀螺仪

说明书

技术领域

本发明涉及振动陀螺仪。

背景技术

机械陀螺仪用来根据感知到的内部运动检验质块的惯性反应来确定运 动平台的方向。常见机电陀螺仪包括悬挂的检验质块、陀螺仪壳体、敏感元 件(pickoff)、扭矩装置和读取电子件。惯性检验质块悬挂在陀螺仪壳体内 部，该壳体刚性安装在所述平台上并传递该平台的惯性运动，同时将检验质 块从外部干扰隔离。感知内部检验质块运动的敏感元件、保持或调节该运动 的扭矩装置以及必须靠近该检验质块的读取电子件安装在所述壳体内部，所 述壳体还必须向平台电子件和动力供应件提供电气馈送连接件。所述壳体还 提供标准机械接口，从而将陀螺仪与运输工具平台连接或对准。在各种形式 中，陀螺仪通常用作运输工具诸如飞行器或航天飞机的关键传感器。它们通 常用于导航，或者根据需要自主确定自由物体的取向。

老式传统机械陀螺仪依照目前的标准来说，是非常沉重的机构，采用相 对大型的旋转质块。许多近期技术已经造就了新式陀螺仪，包括光学陀螺仪， 诸如激光陀螺仪以及光纤陀螺仪，还有机械振动陀螺仪。

航天飞机通常依赖惯性速率(inertial rate)感知设备来提供位姿控制。 目前，这种功能通常由昂贵的传统旋转质块陀螺仪(例如，Kerfott惯性基准 单元)或通常机加工的振动陀螺仪(例如，Litton半球形谐振陀螺仪惯性基 准单元)来实现。但是，这两种陀螺仪都非常昂贵、巨大且沉重。

此外，虽然一些现有的对称振动式陀螺仪已经制造出来，但是它们的振 动动量通过壳体直接传递给运输工具平台。这种传递或耦合带来了无法区别 于惯性速率输入的额外干扰和能量损失，因此导致感知误差和漂移。这种振 动陀螺仪的一种示例可以参见授予Tang等人的美国专利5,894,090，该专利 说明了一种对称的三星振动陀螺仪设计。其他的平面调谐叉形陀螺仪可以对 基板实现一定程度的振动隔离，但是这些陀螺仪缺乏调谐操作所希望的振动 对称性。

此外，已经知道壳体模(shell mode)陀螺仪，诸如半球形谐振陀螺仪 以及振动细环陀螺仪，具有一些期望的隔离和振动对称属性。但是，这些设 计并不适合平面硅微制造技术。半球形谐振器采用半球体的延伸柱状侧部作 为敏感的静电传感器以及有效促动器。但是，其较大的纵横比以及三维曲线 几何形状并不适合成本低廉的薄平面硅微制造技术。细环陀螺仪(例如，美 国专利6,282,958)虽然适合平面硅微制造技术，但是缺乏利用了该设备延伸 平面区域优势的静电传感器和促动器。此外，用于该陀螺仪的壳体的材料与 谐振器检验质块并不相同，所以敏感元件和扭矩装置相对于该谐振器检验质 块的对准情况随着温度变化，导致陀螺仪漂移。

采用壳体低频地震支撑件或谐振器低频地震支撑件进行振动隔离也是 已知的(例如，美国专利6,009,751)。但是，这种隔离效果的改善所付出的 代价是成比例地加重的地震质块和/或更低的支持频率。这两种情况对于紧凑 的战术惯性测量单元(IMU)应用来说，都是不希望看到的，因为检验质块 会在加速条件下失准。

此外，以前的硅陀螺仪(例如，美国专利5,894,090)的尺度无法优化用 于导航或比预想情况产生更高噪声和漂移的指示功能。这个问题来源于依赖 外延生长的薄硅材质面外弯曲来限定临界振动频率，该频率限制于厚度的 0.1％的精度。因此，设备尺寸限制为几个毫米。这种设计因振动的非对称性 和不平衡性而引起较大的漂移，并且由于质量较小而引起高速率误差，质量 较小将增大热机械噪声并减小电容传感器面积，电容传感器面积减小会因传 感器电子件噪声而增大速率误差。

将非隔离硅陀螺仪的比例放大也会带来问题，因为外部能量损失将会增 大，而且谐振器Q不会得到改进且也不会降低针对个案的漂移。在噪声非常 小的指示和导航功能，需要三维制造精度方面的改善达到若干数量级的隔离 cm级谐振器。

传统机加工导航级谐振器，诸如石英半球形或壳形陀螺仪在较大比例 尺，例如30mm时，具有优化的噪声和漂移性能以及三维制造精度，但是这 种陀螺仪昂贵且制造耗时。微加工硅振动陀螺仪在更小的比例尺下具有更低 的损失和更好的漂移性能，但是在更小的比例尺下，敏感元件噪声增大且机 械精度降低，因此利用传统硅设计方案来说，对比例尺缩小存在极限。机械 谐振器的传统激光修整可以在某种程度上进一步改善机械精度。但是，这种 处理并不适合机械间隙狭窄、分辨率有限、最终调谐过程需要较大静电偏置 调节的微型陀螺仪。