[实用新型]一种改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元及陀螺仪

说明书

本实用新型提供了一种改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元及陀螺仪，涉及陀螺仪技术领域，能够防止谐振子品质因子下降同时实现高机电耦合系数，获得具有改进偏置性能、高灵敏度和优良信噪比的微型振动陀螺仪；该敏感单元包括外壳、敏感单元基座和谐振子，所述外壳与所述敏感单元基座固接，所述谐振子设于所述外壳内部，所述谐振子的垂直壁上设有若干压电陶瓷，所述压电陶瓷与外部电子元件连接，相邻两个压电陶瓷之间设有若干用于改进比例因子的开口。该陀螺仪使用如上的敏感单元。本实用新型提供的技术方案适用于陀螺仪设计制作和使用的过程中。

【技术领域】

本实用新型涉及陀螺仪技术领域，尤其涉及一种改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元及陀螺仪。

【背景技术】

旋转角度或角速率至少可以通过三种物理现象来测量，即角动量守恒、萨格纳克效应和科里奥利力。在其最常见的形式中，陀螺仪是一种使用这些现象之一来测量或保持方向和角速度的装置。陀螺仪角旋转速率的测量可随时间积分，以确定陀螺仪角方向的变化。例如，陀螺仪可用于诸如惯性导航系统(INS)、惯性测量单元(IMU)、平台稳定、地面车辆姿态控制系统(ACS)、钻探测量仪器、飞机、船舶、航天器和/或其他应用中。

哥氏振动陀螺仪(CVG)属于机械结构(谐振子)陀螺仪的一种，该谐振子在外部哥氏力的作用下实现从一个振动模态和另外一个(或多个)模态的耦合。当只涉及两个共振模式，即主振型和次振型时，CVG成为一个单轴角速率(或者角度)传感器。

CVG是一项重要的惯性技术，具有方便陀螺仪小型化、适合批量生产的特点，特别是用作振动陀螺仪的谐振子时能够形成微电子机械系统(MEMS)，其由蚀刻硅或石英晶片制成，其制备工艺与集成电路(IC)相似。

与使用角动量守恒的陀螺仪(即速率陀螺仪、速率积分陀螺仪、浮动陀螺仪、动态调谐陀螺仪(DTG))相比，振动陀螺仪具有许多优点，更易于生产，成本更低廉，更容易组装，体积更小，工作性能(包括振动、冲击和温度)更稳定，使得振动陀螺仪具有更高的可靠性和更长的使用寿命。

振动陀螺仪可设计为在开环、力再平衡(即闭环)和/或全角工作模式下运行。力再平衡模式和开环模式都可以直接测量传感轴的转速。全角模式可以获得初始化后净旋转角度的测量值。

各种形状的谐振子都可用在振动陀螺仪中。这些谐振子可以是宏观尺寸系统，也可以是微观尺寸(MEMS)，但只有轴对称的宏观尺寸谐振子才具有导航级性能(即低于0.01度/小时的漂移误差)。

在这种轴对称科里奥利陀螺仪中，谐振子优选使用半球形，主模态时壳体边缘发生椭圆变形，四个节点彼此相距90°，位于垂直于壳体对称轴的平面XY中(表示为Z)。次模态也是椭圆形的，可以从45°旋转的主模态变形中导出。这两种模式的波数均等于2。假设谐振子是完全轴对称的，两种模式将具有相同的谐振频率。当主模态通电时，围绕Z轴的任何旋转W都会产生科里奥利力，倾向于将能量从一阶模态转移到二阶模态，在闭环配置中，平衡二阶模态所需的力将与W成正比。在全角工作模式配置中，二阶模态可自由接收从一阶模态传输给它的能量，如果控制系统将总振动能量保持在设定值，主模态和次模态的结合会产生一种新的椭圆模式，节点相对于谐振腔轴线XY旋转了一个与输入旋转角度成正比的角。

半球科里奥利陀螺仪通常由金属化的二氧化硅(Northrop Grumman,Safran)制成，在高真空下，在谐振子和电极载体(也由金属化二氧化硅制成)之间形成的电极系统用于产生控制谐振子和测量旋转角速率或净旋转角的静电力和电容检测信号。由于该系统相对复杂、体积大且难以生产，因此其价格仍然很高，对于要求较低的应用，仅要求战术级性能(1°hr到10°/hr)或更小的尺寸，可采用金属圆柱体和压电传感器替代轴对称设计。