[发明专利]一种轮式水平轴陀螺栅条状耦合抑制结构

说明书

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：

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。

发明内容：

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。