本發(fā)明屬于微機電系統(tǒng)(MEMS)中的微機械傳感器領(lǐng)域，它作為微慣性器件廣泛應(yīng)用于汽車電子、航空航天、武器裝備等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

基于角動量原理的經(jīng)典的框架式機械轉(zhuǎn)子陀螺儀，由數(shù)百個(約300多個)零件組裝而成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，使用壽命短，不能滿足技術(shù)發(fā)展和許多新應(yīng)用的要求。因而相繼發(fā)展了沒有機械轉(zhuǎn)子的固態(tài)陀螺，代表性的有激光陀螺、半球諧振陀螺以及光纖陀螺。前兩種陀螺的性能可達到慣性導(dǎo)航級的漂移精度(0.01°/h)；但價格高，體積較大，仍不能適用于正在發(fā)展的微型慣性測量單元和低價格商用市場的需求。而MEMS正處于發(fā)展時期，它的技術(shù)和市場都尚未成熟，但其孕育的廣闊發(fā)展前景和巨大的社會、經(jīng)濟效益是世人共知的。于是，研制新一代微機械陀螺(MMG)受到世界范圍的普遍重視，并在汽車工業(yè)需求的推動下，已經(jīng)成為20世紀(jì)80年代中期至今廣泛研究和發(fā)展的主題。

從測試原理上講，目前硅微機械陀螺普遍采用電容檢測方式。電容檢測具有溫漂小，靈敏度高，可靠性號和穩(wěn)定性好等優(yōu)點。但隨著微慣性器件結(jié)構(gòu)尺寸的不斷縮小，其靈敏度和分辨率大大降低，達到了檢測的極限狀態(tài)。檢測輸出信號的信噪比非常低，信號檢測電路和處理電路非常復(fù)雜，不利小型化和集成化。2002年，美國Berkeley的A.A.Seshia等人提出了硅諧振式微機械陀螺的一種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將以往的硅微機械陀螺與微機械諧振器有效地結(jié)合在一起，從而有效地避免電容檢測中噪聲干擾的影響。但其微機械諧振器的振動動態(tài)方程很復(fù)雜，在僅考慮穩(wěn)態(tài)情況下的輸出位移信號既是調(diào)幅信號同時也是調(diào)頻信號，解調(diào)過程受非線性因素影響。目前的微機械陀螺產(chǎn)品大多是中低精度地，嚴(yán)重地制約其應(yīng)用范圍，較多地應(yīng)用在精度要求不高的商用領(lǐng)域，提高現(xiàn)有微機械陀螺的性能就是要實現(xiàn)高靈敏度、高分辨率、低噪聲、低漂移和大的動態(tài)范圍。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種力平衡式諧振微機械陀螺，以解決現(xiàn)有微機械陀螺靈敏度、分辨率不夠高，以及電容檢測中存在的問題，抑制非線性的影響。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：力平衡式諧振微機械陀螺包括雙端音叉諧振器、靜電梳齒驅(qū)動器、質(zhì)量塊和靜電梳齒力平衡器四個部分，整個結(jié)構(gòu)為軸對稱圖形，質(zhì)量塊處于中間位置，具有x和y兩個方向的自由度，其x方向上對稱放置兩個固定于基底上的靜電梳齒驅(qū)動器，其y方向上對稱設(shè)置兩個固定于基底上的靜電梳齒力平衡器和兩個雙端音叉諧振器DETF，質(zhì)量塊受靜電梳齒驅(qū)動器的靜電力驅(qū)動，沿x方向作振蕩運動，若存在沿z軸方向的外界輸入角速度信號，質(zhì)量塊將受到沿y方向的科氏力作用。靜電梳齒力平衡器用于平衡此科氏力，使質(zhì)量塊在y方向上處于平衡位置，當(dāng)輸入角速度變化時，質(zhì)量塊在y方向上出現(xiàn)周期變化的科氏力，并傳遞到相連的兩個雙端音叉諧振器上，且大小相等方向相反，使其固有諧振頻率發(fā)生變化，測量其差動輸出可反饋調(diào)節(jié)靜電梳齒力平衡器的驅(qū)動電壓，從而使質(zhì)量塊在y方向上回到平衡位置，實現(xiàn)對輸入角速度的動態(tài)閉環(huán)檢測。

本發(fā)明工作原理：力平衡式諧振微機械陀螺屬于振動陀螺(VG)，是基于受激振動在有科氏加速度時存在模態(tài)耦合效應(yīng)的原理來工作的，實質(zhì)上是由于科式加速度的存在引起了兩種模態(tài)間的能量傳遞。其基本原理如圖2所示，其中質(zhì)量塊3P固連在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的xoy平面，質(zhì)量塊P在受到靜電梳齒驅(qū)動器的靜電力驅(qū)動作用后將沿x軸方向以相對旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的速度υ運動，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系繞負z軸以角速度ω旋轉(zhuǎn)。因科氏效應(yīng)產(chǎn)生科氏力的公式為F_cor＝-2m_P[ω×υ]，即質(zhì)量塊P在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中受到沿正y軸的科氏力F_cor，其中m_P為平板質(zhì)量塊P的質(zhì)量。可見科氏力F_cor直接與作用在質(zhì)量塊P上的輸入角速度ω成正比，獲得該科氏力F_cor的信息也即獲得輸入角速度ω的信息。

該科氏力F_cor通過靜電梳齒力平衡器來平衡，使質(zhì)量塊在科氏力F_cor方向上處于平衡位置。其梳齒的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，在靜電梳齒力平衡器上施加驅(qū)動電壓V(t)＝V_d+V_isinω_pt，x軸方向上產(chǎn)生的靜電力為：Fe=1∂C2∂xV(t)2]]>

=1∂C2∂x(Vd2+12Vi2+2VdVisinωpt-12Vi2cos2ωPt).]]>其中，∂C∂x=2nϵrϵ0hd,]]>即只與梳齒的厚度h和梳齒間隙d有關(guān)，與梳齒寬度b無關(guān)。在V_i＜V_d的情況下，則施加在質(zhì)量塊上的靜電力為Fx=2∂C∂xVdVisinωpt.]]>通過改變驅(qū)動電壓V(t)＝V_d+V_isinω_pt大小來使靜電力F_x平衡科氏力F_cor，即有F_x＝F_cor。

在輸入角速度變化瞬間，科氏力F_cor′≠F_x，由于設(shè)計的結(jié)構(gòu)為軸對稱圖形，該科氏力F_cor′以等幅反向的形式作用在兩端對稱的兩個雙端音叉諧振器上，使其彈性系數(shù)k_l受到調(diào)制發(fā)生周期性的變化。其彈性系數(shù)k_l與科氏力成正比，可表示為kl=CmodeFcor′2Lr,]]>其中C_mode為雙端音叉諧振器的振型常數(shù)。如圖4所示，雙端音叉諧振器在軸向時變科氏力F_cor′作用下的動力學(xué)方程為：

mrx··r+brx·r+(kr+klsin(ωpt))xr=Fd,]]>其中，F(xiàn)_d為加在諧振器上的驅(qū)動電壓產(chǎn)生的驅(qū)動力，k_r為諧振器在未受科氏力作用時系統(tǒng)的彈性系數(shù)，k_lsin(ω_pt)為諧振器在驅(qū)動頻率為f_p＝ω_p/2π的科氏力F_cor′的調(diào)制作用下附加的彈性系數(shù)，在零點附近，此附加項可線性化為k_lω_pt。單個雙端音叉諧振器的諧振頻率變化為ωr=kr+klωptmr≈ωr0+ωr02klωptkr,]]>對稱的兩個雙端音叉諧振器的諧振頻率變化量的差動輸出為Δf=12π(Δω1-Δω2)=12π2Δω=ωr02πklωptkr.]]>以之為控制信號，通過力平衡控制回路調(diào)節(jié)靜電梳齒力平衡器的驅(qū)動電壓使質(zhì)量塊在科氏力F_cor′作用下達到新的平衡狀態(tài)，從而實現(xiàn)對輸入角速度ω的檢測。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點：

(1)本發(fā)明所采用的雙端音叉諧振器能夠?qū)崿F(xiàn)將微機械陀螺敏感角速度產(chǎn)生的科氏力的變化轉(zhuǎn)換成諧振器諧振頻率的變化，從而反饋調(diào)節(jié)靜電梳齒力平衡器的驅(qū)動電壓，有效避免了電容檢測中噪聲干擾的影響，且易于數(shù)字信號處理。

(2)本發(fā)明所采用的靜電梳齒力平衡器能夠平衡微機械陀螺敏感角速度產(chǎn)生的科氏力作用，使微機械陀螺在此方向上處于靜止平衡狀態(tài)，有效地抑制了非線性的影響，也解決了在單獨使用微機械諧振器檢測過程中存在的振動動態(tài)方程復(fù)雜，僅考慮穩(wěn)態(tài)情況，且輸出位移信號既是調(diào)幅信號同時也是調(diào)頻信號等因素的影響。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的力平衡式諧振微機械陀螺的原理圖；

圖2為本發(fā)明的科氏效應(yīng)基本原理示意圖；

圖3為本發(fā)明的梳齒結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明的雙端音叉諧振器的結(jié)構(gòu)圖；

圖5為本發(fā)明的力平衡式諧振微機械陀螺的實施例1結(jié)構(gòu)圖；

圖6為力平衡式諧振微機械陀螺的實施例2結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明由雙端音叉諧振器1、靜電梳齒驅(qū)動器2、質(zhì)量塊3、和靜電梳齒力平衡器4四個部分組成，整個結(jié)構(gòu)為軸對稱圖形。質(zhì)量塊3處于中間位置，具有x和y兩個方向的自由度，其x方向上對稱放置兩個固定于基底上的靜電梳齒驅(qū)動器2，其y方向上對稱設(shè)置兩個固定于基底上的靜電梳齒力平衡器4和兩個雙端音叉諧振器DETF 1。

如圖4所示，雙端音叉諧振器1包括驅(qū)動靜齒6、測量靜齒7、梁11和動齒5，其中，兩根對稱的音叉梁作簡諧振動，其外側(cè)對稱放置驅(qū)動靜齒6和動齒5構(gòu)成動、靜梳齒對，通過靜電力使雙端音叉諧振器1工作在諧振狀態(tài)，并通過測量靜齒7和動齒5構(gòu)成的動、靜梳齒對來敏感音叉梁在軸向力作用下諧振頻率的變化實現(xiàn)對軸向力的測量。在驅(qū)動靜齒6上加頻率為雙端音叉諧振器1諧振頻率的驅(qū)動信號后，質(zhì)量塊3做y方向的諧振運動，測量靜齒7輸出諧振頻率信號。

靜電梳齒驅(qū)動器2和靜電梳齒力平衡器4具有相同的均布靜齒，與質(zhì)量塊上分布的動齒構(gòu)成動、靜梳齒對結(jié)構(gòu)，在驅(qū)動電壓下產(chǎn)生靜電力。前者用于產(chǎn)生質(zhì)量塊作簡諧振動的靜電力，后者用于平衡陀螺敏感角速度產(chǎn)生的科氏力作用，使陀螺在科氏力方向上處于平衡位置。

圖1所示力平衡式諧振微機械陀螺的原理圖，可以有多種結(jié)構(gòu)圖實現(xiàn)，舉例說明，可以有如圖5和圖6所示的力平衡式諧振微機械陀螺的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。如圖5所示，結(jié)構(gòu)為軸對稱圖形，質(zhì)量塊3包括內(nèi)部動齒框架及外部框架，通過四個支撐梁9和錨點8與基底固定。在內(nèi)部動齒框架內(nèi)部x方向上放置四個固定于基底上的靜電梳齒驅(qū)動器2，在外部框架外部y方向上對稱放置兩個固定于基底上的靜電梳齒力平衡器4，和兩個雙端音叉諧振器1。如圖6所示，結(jié)構(gòu)為軸對稱圖形，質(zhì)量塊3為平板狀，處于中間位置，通過四個支撐梁9和錨點8與基底固定。其x方向上對稱放置兩個固定于基底上的靜電梳齒驅(qū)動器2，其y方向上對稱放置兩個固定于基底上的靜電梳齒力平衡器4，并通過兩個固定于基底上的杠桿放大機構(gòu)10與外側(cè)兩個雙端音叉諧振器1相連。其中，杠桿放大機構(gòu)10利用典型的杠桿原理，利用錨電8為支點，通過減小力臂達到放大科氏力的作用。

本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，基片材料為玻璃，敏感結(jié)構(gòu)材料為單晶硅，采用標(biāo)準(zhǔn)的體硅工藝制作，較以往的多晶硅微機械陀螺具有更加良好的機械特性。