专利名称：一种四自由度微机械陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种多自由度微机械陀螺。
背景技术：
微机械陀螺的研究开始于上世纪80年代末，是一种新型的微小型惯性导航元器件。与传统的机械陀螺和光学陀螺相比，其优点是体积小、重量轻、耗电量小、寿命长、成本低、易集成、可靠性高，能大量生产，是未来惯性导航技术领域的核心元器件之一。目前的微机械陀螺主要分为单自由度和多自由度两大类单自由度微机械陀螺采用的是1-D0F驱动结构和1-D0F敏感结构，通过驱动模态和敏感模态的自然频率匹配来实现驱动模态和敏感模态同时达到共振，从而提高陀螺的灵敏度；多自由度陀螺主要是将2-D0F结构(动态吸振器结构，DVA或完全的2-D0F振动结构)应用到微机械陀螺的驱动模态或敏感模态，通过2-D0F振动结构的频率响应中两个峰值之间的平坦区域来提高陀螺的3dB带宽，从而提高微机械陀螺的稳定性。在多自由度微机械陀螺结构中，主要是将动态吸振器结构(DVA)或完全的2-D0F振动结构应用到结构设计中，一方面可以实现驱动模态和敏感模态的解耦效果，另一方面可以实现一定的系统带宽。而在目前公开发表的多自由度微机械陀螺的结构中，多自由度主要体现在敏感模态单独采用DVA结构或完全的2-D0F振动结构，或者是驱动模态单独采用DVA结构。在这些陀螺结构中，采用DVA结构或完全的2-D0F振动结构的模态拥有较高的3dB带宽，采用单自由度结构的模态的带宽远远小于另一模态的带宽，而陀螺的系统带宽取决于驱动模态和敏感模态的匹配带宽。采用闭环驱动来控制驱动模态的稳定振动会增加电路的复杂度，同时也会引入更多的电子噪声，干扰信号的采集与处理。

发明内容
本发明的目的在于提供一种具有较高的系统带宽，稳定性好和抗干扰能力强的四自由度微机械陀螺。本发明的目的是这样实现的包括驱动质量块2、驱动静梳齿I、驱动动梳齿16、解耦框架3、检测质量块4、敏感质量块5、敏感静梳齿6和敏感动梳齿17构成；驱动静梳齿I和驱动动梳齿16构成电容梳齿式驱动单元,所述驱动单元设置在驱动质量块2上,驱动质量块2和四个锚点17通过两个工形梁IlO相连，驱动质量块2和解耦框架3通过四个折叠梁Ill相连，解耦框架3和四个锚点118通过两个工形梁II12连接，构成驱动模态；检测质量块4和解耦框架3通过四个折叠梁1113相连，检测质量块4和敏感质量块5通过四个折叠梁III14相连，敏感质量块5和四个锚点III9通过两个工形梁III15相连，敏感静梳齿6和敏感动梳齿17构成电容梳齿式敏感单元,所述敏感单元设置在敏感质量块5上，构成敏感模态；通过检测敏感单元的电容变化来计算外部输入的角速度。本发明的主要特点在于I、由驱动静梳齿I、驱动动梳齿16、驱动质量块2、解耦框架3构成的驱动模态和由敏感静梳齿6、敏感动梳齿17、检测质量块4、敏感质量块5构成的敏感单元均为完全的2-D0F振动结构，而驱动梳齿和敏感梳齿的数量根据驱动质量块2和敏感质量块5的质量来确定。2、驱动质量块2通过两个工形梁10与四个锚点7相连来限制其在驱动方向X振动，解耦框架3通过两个工形梁12与四个锚点8相连来限制其在在驱动方向X振动；3、检测质量块4通过四个折叠梁13与解耦框架3相连，连接驱动模态和敏感模 态，敏感质量块5通过两个工形梁15与四个锚点9相连来限制其在敏感方向y运动。本发明是一种四自由度微机械陀螺结构，由完全的2-D0F驱动模态和完全的
2-D0F敏感模态构成，敏感模态和驱动模态通过解耦框架3和检测质量块4连接在一起。


图I是本发明的整体结构框架图；图2是本发明的简化模型；图3是本发明的驱动模态的频率效应对比；图4是本发明的敏感模态的频率效应对比；图5是本发明的开机启动响应时间；图6是本发明对脉冲干扰信号的响应；图7四自由度的参数表；图8单自由度的参数表。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明作更详细的描述结合图I本发明的结构主要由驱动质量块2，驱动静梳齿I和动梳齿16，解耦框架3，检测质量块4，敏感质量块5，敏感静梳齿6和动梳齿17构成。驱动静梳齿I和动梳齿16构成电容梳齿式驱动单元，并被设置在驱动质量块2上，驱动质量块2和四个锚点7通过两个工形梁10相连，驱动质量块2和解耦框架3通过四个折叠梁11相连，解耦框架3和四个锚点8通过两个工形梁12连接，从而构成驱动模态；检测质量块4和解耦框架3通过四个折叠梁13相连，和敏感质量块5通过四个折叠梁14相连，敏感质量块5和四个锚点9通过两个工形梁15相连，敏感静梳齿6和动梳齿17构成电容梳齿式敏感单元，并被设置在敏感质量块5上，从而构成敏感模态。通过检测敏感单元的电容变化来计算外部输入的角速度。由驱动单元I和16、驱动质量块2、解耦框架3构成的驱动模态和由敏感单元6和
17、检测质量块4、敏感质量块5构成的敏感单元均为完全的2-D0F振动结构，而驱动梳齿和敏感梳齿的数量根据驱动质量块2和敏感质量块5的质量来确定；驱动质量块2通过两个工形梁10与四个锚点7相连来限制其在驱动方向X振动，解耦框架3通过两个工形梁12与四个锚点8相连来限制其在在驱动方向X振动；检测质量块4通过四个折叠梁13与解耦框架3相连，连接驱动模态和敏感模态，敏感质量块5通过两个工形梁15与四个锚点9相连来限制其在敏感方向y运动。从图2可以看出，驱动模态由驱动质量块2，解耦框架3，弹簧10、11、12构成，由于增加了锚点8，可以将弹簧12增加到驱动模态，从而使驱动模态构成完全的2-D0F振动结构，同时弹簧12采用工形梁结构可以限制解耦框架在驱动方向X运动。从图2中的敏感机构可以看出，敏感模态由检测质量块4，敏感质量块5，弹簧13、14、15构成，由于锚点9和敏感质量块5以及连接弹簧14、15的增加，从而使敏感模态构成完全的2-D0F振动结构，同时弹簧15采用工形梁的结构可以限制敏感质量块5在敏感方向y运动。解耦框架3和检测质量块4连接驱动模态和敏感模态，同时起到解耦驱动模态和敏感模态的作用。工作方式通过电容梳齿驱动单元I和16对驱动质量块2施加正弦驱动力，使驱动模态产生简谐振动，从而使解耦框架3和检测质量块4在驱动方向X做简谐振动；当有沿z轴的外部角速度Qz输入时，由于哥式效应，产生沿敏感方向y的哥氏力并作用在检测质量块4上，从而驱动检测质量块4和敏感质量块5沿敏感方向y做简谐运动，通过设置在敏感质量块5上的静梳齿6和动梳齿17来检测电容的变化，最终计算出沿z轴输入的外部角速度Qz。理论依据根据4-D0F微机械陀螺的简化模型，可以列出陀螺的动态方程如下
权利要求
1.一种四自由度微机械陀螺，其特征是包括驱动质量块(2)、驱动静梳齿(I)、驱动动梳齿(16)、解耦框架(3)、检测质量块(4)、敏感质量块(5)、敏感静梳齿(6)和敏感动梳齿(17)构成；驱动静梳齿(I)和驱动动梳齿(16)构成电容梳齿式驱动单元，所述驱动单元设置在驱动质量块⑵上，驱动质量块⑵和四个锚点1(7)通过两个工形梁I(IO)相连，驱动质量块(2)和解耦框架(3)通过四个折叠梁I (11)相连，解耦框架(3)和四个锚点II (8)通过两个工形梁11(12)连接，构成驱动模态；检测质量块(4)和解耦框架(3)通过四个折叠梁11(13)相连，检测质量块⑷和敏感质量块(5)通过四个折叠梁111(14)相连，敏感质量块(5)和四个锚点111(9)通过两个工形梁111(15)相连，敏感静梳齿(6)和敏感动梳齿(17)构成电容梳齿式敏感单元，所述敏感单元设置在敏感质量块(5)上，构成敏感模态；通过检测敏感单元的电容变化来计算外部输入的角速度。
全文摘要
本发明提供的是一种四自由度微机械陀螺。由驱动静梳齿、驱动动梳齿、驱动质量块、解耦框架构成的驱动模态和由敏感静梳齿、敏感动梳齿、检测质量块、敏感质量块构成的敏感单元均为完全的2-DOF振动结构。驱动质量块通过两个工形梁与四个锚点相连来限制其在驱动方向x振动，解耦框架通过两个工形梁与四个锚点相连来限制其在在驱动方向x振动。检测质量块通过四个折叠梁与解耦框架相连，连接驱动模态和敏感模态，敏感质量块通过两个工形梁与四个锚点相连来限制其在敏感方向y运动。本发明利用完全的2-DOF振动结构拥有较高的3dB带宽来同时提高驱动模态和敏感模态的3dB带宽，从而得到较高的系统带宽，提升陀螺的稳定性和抗干扰能力。
文档编号G01C19/567GK102645211SQ201210124320
公开日2012年8月22日 申请日期2012年4月25日 优先权日2012年4月25日
发明者刘晓隆, 吕晓永, 宋鸿儒, 朱玮, 李强, 李欣, 杨博, 王伟, 王咸鹏, 范岳 申请人:哈尔滨工程大学