微机械单振子三轴陀螺仪制造技术

本发明专利技术公开了一种微机械单振子三轴陀螺仪，包括一个环形振子(1)、四根支撑梁(3)和一个万向节(2)，万向节(2)设置于振子(1)中心，通过四根支撑梁(3)连接振子(1)和万向节(2)，振子(1)可在x轴和/或y轴上进行弹性振动，在振子(1)表面上设置有多个振子电极Vdc(12)，在振子电极Vdc(12)上方排布多个固定电极(4‑11)，多个固定电极(4‑11)中部分是驱动电极(4‑7)，部分是检测电极(8‑11)，检测电极(8‑11)用于检测振子(1)的角速度，驱动电极(4‑7)驱动振子(1)作定频振动，振动的振幅恒定。本发明专利技术采用单振子三轴结构，可以实现陀螺仪的结构紧凑，使得陀螺仪体积小、检测的精度高和降低陀螺仪的制造成本。

Micromechanical single vibrator three axis gyroscope

The invention discloses a micromechanical single oscillator three axis gyroscope, including a ring vibrator (1), four support beams (3) and a universal joint (2), the universal joint (2) sets the Yu Zhenzi (1) center, the vibrator (1) and the universal joint (2) are connected by four support beams (3), and the vibrators (1) can vibrate on the X axis and / or Y axis, in the oscillator (1) table. A plurality of vibrator electrodes Vdc (12) are arranged on the surface, and a plurality of fixed electrodes are arranged above the oscillator electrode Vdc (12), and a plurality of fixed electrodes (4 11) are part of the driving electrode (4 7), and the part is the detection electrode (8 11), and the detection electrode (8 11 11) is used to detect the angular velocity of the oscillator (1), and the driving electrode is used as the constant frequency. The amplitude of vibration is constant. By using the three axis structure of single oscillator, the structure of the gyroscope can be compact, and the gyroscope is small in volume, high in detection precision and lower in the manufacturing cost of gyroscope.

【技术实现步骤摘要】
微机械单振子三轴陀螺仪
本专利技术涉及一种微机械陀螺仪，尤其涉及一种微机械单振子三轴陀螺仪，属于微机电系统(MEMS)领域。
技术介绍
陀螺仪是一种重要的惯性传感器，在诸多领域有着广泛应用。陀螺仪按检测轴数分为单轴、双轴、三轴三种，很多应用场合中都需要三轴陀螺仪。在消费电子等低精度场合一般采用多振子单片集成实现小体积，低功耗；而在中高精度的应用场合，一般采用三个独立单轴陀螺仪机械装配的方法来实现三轴陀螺仪，但这种方式的陀螺仪体积较大，限制了其应用场合。现有的微机械三轴陀螺仪，一般采用多振子单片集成，此类陀螺仪体积小，精度低，或者采用三个单轴陀螺进行装配，此类陀螺仪的体积大，成本高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种小体积、高精度和低成本的微机械单振子三轴陀螺仪。本专利技术的微机械单振子三轴陀螺仪，包括一个在x轴和y轴对称的环形振子(1)、多个支撑梁(3)和一个万向节(2)，所述万向节(2)设置于所述振子(1)中心，通过所述多个支撑梁(3)连接所述振子(1)和所述万向节(2)，所述振子(1)可在所述x轴和所述y轴上进行弹性振动，在所述振子(1)表面上设置有多个振子电极Vdc(12)，在所述振子电极Vdc(12)上方排布多个固定电极(4-11)，所述振子电极Vdc(12)与其上方排布的所述多个固定电极(4-11)一一对应，所述多个固定电极(4-11)中部分是驱动电极(4-7)，部分是检测电极(8-11)，所述驱动电极(4-7)和所述检测电极(8-11)相互交替分布，所述检测电极(8-11)用于检测振子(1)在所述x轴、所述y轴和z轴的角速度，所述驱动电极(4-7)驱动所述振子(1)在所述x轴和所述y轴作一定频率的定频振动，所述振子(1)在所述x轴和所述y轴所作振动的振幅恒定，所述振子(1)在所述x轴和所述y轴所作振动的振动频率不同。进一步的，所述振子(1)为圆环形或多边环形。进一步的，所述支撑梁(3)为四根。进一步的，所述检测电极(8-11)为栅型电极。进一步的，所述多个固定电极(4-11)包括四个驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)、Vy+(6)、Vy-(7)。进一步的，所述多个固定电极(4-11)包括四个检测电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)。进一步的，所述驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)和振子构成一个x轴角振动谐振器，用于所述振子(1)的x轴驱动，驱动所述振子(1)在所述x轴的振动。进一步的，所述驱动电极Vy+(6)、Vy-(7)和振子构成一个y轴角振动谐振器，用于所述振子(1)的y轴驱动，驱动所述振子(1)在所述y轴的振动。进一步的，所述振子(1)在所述x轴和所述y轴所作振动的振幅相同或不同。进一步的，还包括驱动模块，驱动模块连接所述驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)、Vy+(6)、Vy-(7)和所述振子(1)。进一步的，所述驱动模块驱动所述振子(1)振动时，产生由所述振子(3)在z轴角速度变化引起的输出量Zout以及驱动谐振频率，所述检测电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)和所述振子电极Vdc(12)之间的电容产生相应的电容变化量ΔCzx+、ΔCzx-、ΔCzy+、ΔCzy-。进一步的，所述驱动模块具有驱动环路，驱动环路是包括x轴角振动谐振器(xResonator)、跨阻放大器(TIA)、带通滤波器(BPF)、自动增益控制模块(AGC)的闭环。进一步的，所述自动增益控制模块(AGC)由整流器(Rectifier)、低通滤波器(LPF)、比例积分控制器(LPF)组成。进一步的，所述振子(1)在所述x轴的所述定频振动通过所述自动增益控制模块(AGC)来锁定所述振幅。进一步的，所述y轴驱动在所述驱动环路的所述带通滤波器(BPF)前输出所述输出量Zout，用于检测所述z轴角速度。进一步的，还包括检测模块，所述电容变化量ΔCzx+、ΔCzx-、ΔCzy+、ΔCzy-、所述输出量Zout和所述频率，经过检测模块处理后得到所述角速度。本专利技术采用单振子结构，振子在两个垂直的轴(xy轴)上驱动做角振动，可以对三轴的角速度敏感，两驱动轴(xy轴)振动振幅锁定、定频驱动且频率不同，在z轴产生的检测量经过两个频率信号同相解调可以得到xy轴角速度，z轴角速度会在两驱动轴上产生响应，对驱动轴谐振器输出信号进行解调滤波可以z轴角速度，最终实现单振子三轴角速度测量。下面结合附图及具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明。附图说明图1为单振子三轴陀螺仪动力学结构示意图。图2为单振子三轴陀螺仪结构示意图。图3为单振子正交驱动三轴陀螺系统结构示意图。图4为驱动模块系统框图。图5为检测模块系统框图。图中：1、机械振子；2、万向节；3、支撑梁；4、x驱动轴正电极Vx+；5、x驱动轴负电极Vx-；6、y驱动轴正电极Vy+；7、y驱动轴负电极Vy-；8、z轴栅型检测电极Vzx+；9、z轴栅型检测电极Vzy+；10、z轴栅型检测电极Vzx-；11、z轴栅型检测电极Vzy-；12、振子电极Vdc。具体实施方式本专利技术的微机械单振子三轴陀螺仪，利用科里奥利效应对振动刚体的作用来检测三轴角速度。如图1所示，一个圆对称转动刚体绕xyz轴的转动惯量分别为Ix,Iy,Iz，在载体坐标系中的角速度为ωx,ωy,ωz，相对惯性坐标系的角速度为Ωx,Ωy,Ωz，而科里奥利效应产生的扭矩为Mx,My,Mz。当xy轴的角度以不同频率变化，且z轴转角为很小时，即θx＝θ0xsinω1t，θy＝θ0ysinω2t，θz≈0(θ0x、θ0y为角振动振幅，ω1、ω2振动为角频率)，在小角度线性近似情况下可以得到科里奥利效应产生的扭矩为：可以通过自动控制方法(AGC)锁定xy轴的振幅，谐振器输出的信号包含两种频率成分，环路带通滤波器(BPF)只允许该驱动轴的频率信号通过，可以抑制其他频率干扰。而谐振器另引出一路信号经过带通滤波和同相解调，就可以求得z轴角速度Ωz。此外，z轴扭矩Mz会产生一个角度响应θz，这个角度由扭矩Mz和振子结构本身的性质决定，即其中：Iz为振子对z轴的转动惯量；Dz为振子z轴的阻尼系数；Kz为振子z的轴弹性系数。当振动频率ω1、ω2远大于待测角速度带宽时，可以求得角度θz可以近似为稳态解：其中：K为响应的增益；为响应的相移。角度θz(或其导致的其它物理量，如检查电容)，经过和解调就可以得到xy轴的角速度Ωx,Ωy。如图2所示的微机械单振子三轴陀螺仪，振子(1)用四根支撑梁(3)固定在万向节(2)上，振子(1)在可在x轴或y轴做弹性振动，万向节(2)为锚点，振子(1)为xy轴对称的圆环形或多边环形，振子(1)上方排布着多个固定电极，其中电极Vx+(4)、Vx-(5)、Vy+(6)、Vy-(7)为驱动电极，栅型电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)为检测电极，振子电极Vdc(12)固定在表面绝缘的圆盘上，具有相同的直流电位。电极Vx+(4)、Vx-(5)和振子(1)构成一个x轴角振动谐振器，电极Vy+(6)、Vy-(7)和振子(1)构成一个y轴角振动谐振器，栅型电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)和振子电极Vdc(12本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微机械单振子三轴陀螺仪，包括一个在x轴和y轴对称的环形振子(1)、多个支撑梁(3)和一个万向节(2)，所述万向节(2)设置于所述振子(1)中心，通过所述多个支撑梁(3)连接所述振子(1)和所述万向节(2)，所述振子(1)可在所述x轴和所述y轴上进行弹性振动，在所述振子(1)表面上设置有多个振子电极Vdc(12)，在所述振子电极Vdc(12)上方排布多个固定电极(4‑11)，所述振子电极Vdc(12)与其上方排布的所述多个固定电极(4‑11)一一对应，所述多个固定电极(4‑11)中部分是驱动电极(4‑7)，部分是检测电极(8‑11)，所述驱动电极(4‑7)和所述检测电极(8‑11)相互交替分布，所述检测电极(8‑11)用于检测振子(1)在所述x轴、所述y轴和z轴的角速度，所述驱动电极(4‑7)驱动所述振子(1)在所述x轴和所述y轴作一定频率的定频振动，所述振子(1)在所述x轴和所述y轴所作振动的振幅恒定，所述振子(1)在所述x轴和所述y轴所作振动的振动频率不同。

【技术特征摘要】
1.一种微机械单振子三轴陀螺仪，包括一个在x轴和y轴对称的环形振子(1)、多个支撑梁(3)和一个万向节(2)，所述万向节(2)设置于所述振子(1)中心，通过所述多个支撑梁(3)连接所述振子(1)和所述万向节(2)，所述振子(1)可在所述x轴和所述y轴上进行弹性振动，在所述振子(1)表面上设置有多个振子电极Vdc(12)，在所述振子电极Vdc(12)上方排布多个固定电极(4-11)，所述振子电极Vdc(12)与其上方排布的所述多个固定电极(4-11)一一对应，所述多个固定电极(4-11)中部分是驱动电极(4-7)，部分是检测电极(8-11)，所述驱动电极(4-7)和所述检测电极(8-11)相互交替分布，所述检测电极(8-11)用于检测振子(1)在所述x轴、所述y轴和z轴的角速度，所述驱动电极(4-7)驱动所述振子(1)在所述x轴和所述y轴作一定频率的定频振动，所述振子(1)在所述x轴和所述y轴所作振动的振幅恒定，所述振子(1)在所述x轴和所述y轴所作振动的振动频率不同。2.如权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于：所述振子(1)为圆环形或多边环形。3.如权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于：所述支撑梁(3)为四根。4.如权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于：所述检测电极(8-11)为栅型电极。5.如权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于：所述多个固定电极(4-11)包括四个驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)、Vy+(6)、Vy-(7)。6.如权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于：所述多个固定电极(4-11)包括四个检测电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)。7.如权利要求5所述的陀螺仪，其特征在于：所述驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)和振子构成一个x轴角振动谐振器，用于所述振子(1)的x轴驱动，驱动所述振子(1)在所述x轴的振动。8.如权利要求5所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄占喜，
申请(专利权)人：珠海全志科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44