專利名稱：單片雙慣性參數(shù)加速度計陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及加速度計陀螺儀，屬于微機(jī)械電子技術(shù)領(lǐng)域，具體為單片雙慣性參數(shù)加速度計陀螺儀。
背景技術(shù)：
微機(jī)械加速度計和微機(jī)械陀螺儀是兩種非常重要的微型慣性傳感器，也是微型慣性導(dǎo)航或制導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分。由于它們體積小、重量輕、成本低和可靠性高等突出優(yōu)點，其在軍民兩個領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。
人們已認(rèn)識到，沿垂直于敏感軸向作振動的加速度計能敏感垂直于敏感軸和振動軸的第三軸向的旋轉(zhuǎn)角速率。利用該原理研制的慣性元件，能同時敏感線加速度和角速率。于是這樣就提出了微機(jī)械加速度計陀螺儀的概念。目前有采用半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)研制的微機(jī)械加速度計陀螺儀(MAG)和利用差分電容加速度計制成的微機(jī)械加速度計陀螺儀。
差分電容加速度計包含一個殼體，在殼體底板上通過彈性梁錨固有質(zhì)量塊，質(zhì)量塊上固定有敏感梳齒，殼體底板上固定有固定梳齒，敏感梳齒和固定梳齒構(gòu)成檢測梳齒電容。有的在質(zhì)量塊的上、下端面和殼體的頂板、底板上對應(yīng)地固定有電極，以形成平板電容，平板電容用于測量垂直于質(zhì)量塊方向的加速度。差分電容加速度計的工作基本原理是質(zhì)量塊在彈性梁的支撐下，受到各軸方向的慣性力的作用下發(fā)生形變，通過檢測梳齒電容或極板電容(的變化)來測量各軸方向的形變量的大小，從而測得各軸方向加速度的大小。
現(xiàn)有的加速度計陀螺儀包含兩個獨立的差分電容加速度計，這兩個加速度計只設(shè)有質(zhì)量塊上、下的平板電容，在兩加速度計之間設(shè)有驅(qū)動元件，使兩加速度計的質(zhì)量塊作反相振動，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到檢測方向上的角速度和線加速度輸入時，由于哥氏效應(yīng)，該輸入角速度被調(diào)制成交變的哥氏加速度作用在質(zhì)量塊上。此時，質(zhì)量塊同時受到兩種慣性力作用一是線加速度引起的慣性力；另一是哥氏加速度引起的哥氏力，這兩種慣性力在同一軸向上。兩加速度計的上、下平板電容的電壓差輸出信號表示為u1＝k(a+2Ωv sinω1t)；u2＝k(a-2Ωv sinω1t)，式中，k是加速度計的標(biāo)度因數(shù)，ω1是振動的角頻率，Ω為輸入的角速度。對兩式進(jìn)行相加和相減處理，可把兩種參量分量分離出來，從而獲得加速度和角速度信息。
上述的差分電容加速度計陀螺儀存在如下問題1、要求兩加速度計在結(jié)構(gòu)上保持嚴(yán)格對稱，如兩質(zhì)量塊的質(zhì)量需完全相同，兩質(zhì)量塊位置要保證精確的同軸度等，因此制作工藝精度要求高。2、由于加速度和角速度所產(chǎn)生的慣性力在同一軸向上，兩慣性力所引起的電容變化都反映在平板電容上，因此需對輸出信息進(jìn)行后續(xù)分離、處理才能得到所需的加速度和角速度值，因此，其信息的后續(xù)處理程序復(fù)雜、煩瑣，后續(xù)信號處理電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。3、由于包含兩個加速度計，其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、體積和重量相對大。4、適用于檢測加速度和角速度方向相互垂直的狀態(tài)；發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明解決現(xiàn)有的加速度計陀螺儀存在的上述問題，即由于包含兩個加速度計所帶來的制作工藝精度要求高、信息的后續(xù)處理程序復(fù)雜、煩瑣、結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、體積和重量相對大以及只適用于加速度和角速度方向相互垂直的狀態(tài)等問題，提供一種單片雙慣性參數(shù)加速度計陀螺儀，并只以提供該加速度計陀螺儀的感知硬件結(jié)構(gòu)為目的，不涉及(公知的)輸出信息的后續(xù)處理及相應(yīng)的處理電路。
本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的單片雙慣性參數(shù)加速度計陀螺儀，包含殼體，在殼體底板上通過彈性梁錨固有質(zhì)量塊，質(zhì)量塊兩側(cè)固定有敏感梳齒，殼體底板上固定有固定梳齒，質(zhì)量塊由外框架和固定于外框架內(nèi)的質(zhì)量芯塊構(gòu)成，敏感梳齒固定于質(zhì)量塊的外框架的兩側(cè)外壁，質(zhì)量塊的外框架的兩側(cè)內(nèi)壁固定有梳狀活動驅(qū)動電極，與梳狀活動驅(qū)動電極配合的梳狀固定驅(qū)動電極固定在殼體底板；在質(zhì)量芯塊的上、下端面和殼體頂板、底板上對應(yīng)地固定有電極。
該加速度計陀螺儀對z軸方向輸入的線加速度具有敏感作用。其測量原理與傳統(tǒng)的梳狀電容式加速度傳感器相似，根據(jù)牛頓第二定律F＝ma，z方向的加速度使得質(zhì)量塊產(chǎn)生一個z方向上的位移，從而使得由敏感梳齒與固定梳齒構(gòu)成的梳齒電容的電容值發(fā)生變化。此加速度計陀螺儀還可以敏感繞z軸輸入的角速度ωz。在梳狀固定驅(qū)動電極上施加交變的驅(qū)動電壓UD，由梳狀固定驅(qū)動電極和梳狀活動驅(qū)動電極構(gòu)成的梳齒驅(qū)動器產(chǎn)生振動，對質(zhì)量塊在橫向形成一個靜電驅(qū)動力。在此靜電驅(qū)動力的作用下，質(zhì)量塊將沿著驅(qū)動方向作簡諧振動，使得質(zhì)量塊產(chǎn)生線速度vx(沿x方向即水平方向)。當(dāng)陀螺儀繞z軸相對慣性空間以角速度Ω轉(zhuǎn)動時，質(zhì)量塊將受到沿y軸方向交變的哥氏慣性力的作用，使得質(zhì)量塊產(chǎn)生一個y方向上的位移，從而使得質(zhì)量芯塊的上、下端面和殼體頂板、底板上的對應(yīng)電極所形成的平板電容的電容值發(fā)生變化。通過梳齒電容和平板電容的電容值的變化，通過后續(xù)信號處理得出加速度和角速度值。在信號檢測方面，本發(fā)明采用差分電容信號檢測方式。差分電容檢測方式是目前較為成熟的一種信號檢測方式；通過采用差分電容檢測可以很好抑制住共模噪聲干擾，大大的提高檢測到的信號的信噪比；本發(fā)明角速度信號與加速度信號分開輸出、檢測，避免了兩種信號之間的干擾，減小了后續(xù)信號處理電路的難度。
本發(fā)明錨固質(zhì)量塊的彈性梁采用折疊的彈簧梁，其端部固定有錨固塊，質(zhì)量塊四個角部的折疊的彈簧梁的錨固塊與底板錨固。此結(jié)構(gòu)的彈性梁使得各個方向的機(jī)械交叉耦合相對較小，并具有一定的應(yīng)力釋放作用，有很高的綜合性能。從另外一個角度考慮，此種梁結(jié)構(gòu)在很大的變形范圍內(nèi)，位移與作用力都保持線性關(guān)系，從提高量程和線性度方面考慮，采用這種結(jié)構(gòu)更加的理想。所述的折疊的彈簧梁結(jié)構(gòu)在微機(jī)械慣性器件上已有應(yīng)用。
本發(fā)明采用的是靜電梳狀驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單。其主要優(yōu)點是驅(qū)動力與位移無關(guān)，結(jié)合折疊梁結(jié)構(gòu)，驅(qū)動振幅大，有利于提高陀螺儀的靈敏度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較(1)兩類慣性參量的單片(單質(zhì)量塊)集成檢測。通過同一個質(zhì)量塊實時敏感同方向的加速度和角速度，這種高度數(shù)據(jù)融合保證了高的對準(zhǔn)精度。同時，制作工藝容易實現(xiàn)；結(jié)構(gòu)簡單，體積和重量相對減小。(2)加速度和角速度兩種信號單獨輸出、檢測，減小了兩種信號的分離的難度，簡化了后續(xù)信號處理電路的設(shè)計。(3)可敏感同方向上的加速度和角速度值，具有較高的實用價值。


圖1為本發(fā)明所述的單片雙慣性參數(shù)加速度計陀螺儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的A-A剖面圖；
圖3為其上固定有梳齒電容和梳齒驅(qū)動器的質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)立體示意圖；具體實施方式
單片雙慣性參數(shù)加速度計陀螺儀，包含殼體1，在殼體底板上通過彈性梁2錨固有質(zhì)量塊，質(zhì)量塊兩側(cè)固定有敏感梳齒3，殼體底板上固定有固定梳齒4，質(zhì)量塊由外框架5和固定于外框架內(nèi)的質(zhì)量芯塊6構(gòu)成，敏感梳齒3固定于質(zhì)量塊的外框架5的兩側(cè)外壁，質(zhì)量塊的外框架5的兩側(cè)內(nèi)壁固定有梳狀活動驅(qū)動電極7，與梳狀活動驅(qū)動電極配合的梳狀固定驅(qū)動電極8固定在殼體底板；在質(zhì)量芯塊的上、下端面和殼體頂板、底板上對應(yīng)地固定有電極9、10。
彈性梁2為折疊的彈簧梁，其端部固定有錨固塊11。折疊的彈簧梁固定在質(zhì)量塊外框架的四個角部，通過錨固塊與殼體底板錨固。
質(zhì)量芯塊6通過聯(lián)接柱12與外框架固定。這樣，電極可以與質(zhì)量芯塊上下端面的形狀、尺寸相同，便于電極形狀、尺寸的確定。為保證質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)對稱，質(zhì)量芯塊固定在外框架的中心。
質(zhì)量塊兩側(cè)分別固定兩個靜態(tài)下相同的梳齒電容，固定位置保證質(zhì)量塊產(chǎn)生位移時，一個梳齒電容的電容值增加，另一個減小，通過兩梳齒電容的差得出梳齒電容的變化量。這些結(jié)構(gòu)都是傳統(tǒng)微機(jī)械慣性器件中所采用的公知結(jié)構(gòu)。
對于該加速度計陀螺儀的結(jié)構(gòu)來說，主要敏感的是Z方向的加速度和角速度。所以其它非敏感方向的輸入對輸出的影響是所不希望的。但是由于結(jié)構(gòu)的交叉耦合，一些非敏感方向的輸入還是存在的，主要表現(xiàn)在(1)質(zhì)量塊的轉(zhuǎn)動(相對殼體)質(zhì)量塊在三個方向的轉(zhuǎn)動主要是由于三個方向的角加速度引起的，由于質(zhì)量塊以及驅(qū)動梳齒和固定梳齒在結(jié)構(gòu)上是完全對稱的，所以對于這三種轉(zhuǎn)動的情形，每對檢測梳齒的電容增加量與其對稱部分的電容減小量相同，質(zhì)量塊上部的平板電容增加量與質(zhì)量塊下部平板電容減小量也相同，所以，質(zhì)量塊繞三個軸向的轉(zhuǎn)動不會改變輸出差動電容量的值。
(2)質(zhì)量塊的平動由于線加速度而造成的質(zhì)量塊沿固定梳齒和活動梳齒的平行面的橫向或縱向發(fā)生移動。這兩種運動會使得活動極板和固定極板的正對面積減小，但是由于結(jié)構(gòu)的對稱性，上下兩差動輸出的極板的電容變化量為0，即輸出電容變化量不受影響。
可以看出，交叉耦合的存在主要是由于過高的交叉靈敏度的存在。交叉靈敏度產(chǎn)生的主要原因有①彈性梁(如彈簧梁等)的橫向剛度不夠；②質(zhì)量塊和彈簧梁質(zhì)心不在同一個平面上；③質(zhì)量塊位移過大。要想通過結(jié)構(gòu)設(shè)計來減小橫向靈敏度，抑制交叉耦合給測量結(jié)果帶來的誤差，在實際設(shè)計和制作時可以采用①提高加工工藝的精度，盡量使得質(zhì)量塊和彈性梁的質(zhì)心處于同一平面內(nèi)；②采用靜電力平衡式工作方式，防止敏感質(zhì)量塊的過大位移；③采用橫向剛度較大的微結(jié)構(gòu)；④在固定電極上施加較高的直流電壓，提高微結(jié)構(gòu)的電剛度。這些是在實際設(shè)計制作時除結(jié)構(gòu)特征以外所要考慮的主要因素。
權(quán)利要求
1.一種單片雙慣性參數(shù)加速度計陀螺儀，包含殼體(1)，在殼體底板上通過彈性梁(2)錨固有質(zhì)量塊，質(zhì)量塊兩側(cè)固定有敏感梳齒(3)，殼體底板上固定有固定梳齒(4)，其特征為質(zhì)量塊由外框架(5)和固定于外框架內(nèi)的質(zhì)量芯塊(6)構(gòu)成，敏感梳齒(3)固定于質(zhì)量塊的外框架(5)的兩側(cè)外壁，質(zhì)量塊的外框架(5)的兩側(cè)內(nèi)壁固定有梳狀活動驅(qū)動電極(7)，與梳狀活動驅(qū)動電極配合的梳狀固定驅(qū)動電極(8)固定在殼體底板；在質(zhì)量芯塊的上、下端面和殼體頂板、底板上對應(yīng)地固定有電極(9)、(10)。
2.如權(quán)利要求1所述的單片雙慣性參數(shù)加速度計陀螺儀，其特征為質(zhì)量芯塊(6)通過聯(lián)接柱(12)與外框架固定。
3.如權(quán)利要求1或2所述的單片雙慣性參數(shù)加速度計陀螺儀，其特征為彈性梁(2)為折疊的彈簧梁，其端部固定有錨固塊(11)。
全文摘要
本發(fā)明涉及加速度計陀螺儀，具體為單片雙慣性參數(shù)加速度計陀螺儀。本發(fā)明解決現(xiàn)有的加速度計陀螺儀制作工藝精度要求高、信息的后續(xù)處理程序復(fù)雜、煩瑣、結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、體積和重量相對大以及只適用于加速度和角速度方向相互垂直的狀態(tài)等問題。該單片雙慣性參數(shù)加速度計陀螺儀包含殼體，在殼體底板上通過彈性梁錨固有質(zhì)量塊，質(zhì)量塊兩側(cè)固定有梳齒電容，質(zhì)量塊由外框架和固定于外框架內(nèi)的質(zhì)量芯塊構(gòu)成，敏感梳齒固定于質(zhì)量塊的外框架的兩側(cè)外壁，質(zhì)量塊的外框架的兩側(cè)內(nèi)壁固定有梳齒驅(qū)動器；在質(zhì)量芯塊的上、下端面和殼體頂板、底板上對應(yīng)地固定有電極。其對兩類慣性參量單片集成檢測，可敏感同方向上的加速度和角速度值，具有較高的實用價值。
文檔編號G01C19/00GK1648673SQ20051005675
公開日2005年8月3日 申請日期2005年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月25日
發(fā)明者劉俊, 張文棟, 熊繼軍, 任勇峰, 李錦明, 石云波, 唐軍, 祁曉瑾 申請人:中北大學(xué)