一种全对称杠杆放大电容式微机械陀螺制造技术

本发明专利技术公开了一种采用微机电系统(MEMS)技术实现的杠杆式放大电容检测的微机械陀螺，属于制导领域。该陀螺在驱动方向和检测方向均采用了杠杆放大机构，其有益效果是：1.对驱动方向，利用杠杆对驱动电压产生的驱动力进行放大，较小的驱动电压通过杠杆使质量块产生较大的位移，从而使质量块达到同样的速度、位移需要的驱动力减小，即驱动电压减小；2.对检测方向，利用杠杆对质量块在检测方向产生的位移放大，使检测电容的间距变化放大，增加了检测电容灵敏度，3.驱动方向与敏感方向完全对称，使驱动频率与检测频率完全匹配，增大了灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种全对称杠杆放大电容式微机械陀螺所属领域本专利技术涉及一种采用微机电系统(MEMQ技术实现的杠杆式放大电容检测的微机械陀螺，属于利用科氏效应的制导或控制装置领域。
技术介绍
传统的经典的框架式转子陀螺仪，由数百个零件组合而成，其结构复杂、体积大、 使用寿命短，不能满足技术的发展和许多新应用的需求。而后出现了没有机械转子的固态陀螺，如激光陀螺、光线陀螺等，其精度达到了导航级的要求，但由于其价格高、体积大等缺点，不适应用于现在蓬勃发展的微型惯性测量单元以及低价格商用市场的需求。而最近发展起来的微机械陀螺，其体积小、重量轻、价格低、寿命长等明显优点，自从其概念被提出来，就一直为国内外研究的热点。现阶段静电驱动电容检测微机械陀螺中，检测电容灵敏度非常小，如专利申请号为201110189840. 3，专利技术名称为“一种放大质量块运动速度的电容式微机械陀螺”的专利中的微机械陀螺采用的驱动方向杠杆放大，此结构存在如下缺点1.此结构不是完全对称， 使驱动频率与检测频率很难达到完全匹配；2.检测方向电容灵敏度非常低，对后续处理难度非常大。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中检测电容灵敏度小等不足，提供一种杠杆式全对称微机械陀螺，利用简单的杠杆原理增加检测电容的变化以解决现有微机械陀螺灵敏度、分辨率不够高等问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是一种电容式杠杆放大全对称微机械陀螺，包括一个惯性质量块16 ；定义质量块16中心点为原点，与质量块16 —边平行的为X 轴，与质量块16另一边平行的为Y轴，本专利技术在X方向上关于Y轴对称，在Y轴方向上关于 X轴对称，在X轴方向上与Y轴方向上结构完全一样。如图1，质量块16通过连在其Y向侧边上的折叠梁16与Y向的杠杆13相连，杠杆13中点通过锚点1115固定，杠杆13两端通过驱动传递梁7与驱动框架梁3相连，驱动框架梁3通过两端的折叠梁16连接在锚点18上；固定在驱动框架梁3上的驱动梳齿与固定在驱动电极4上的驱动梳齿构成驱动梳齿对5，使得驱动框架梁3通过杠杆13使质量块 16产生X向的往复运动；固定在驱动框架梁3上的其他驱动梳齿与固定在驱动检测电极1 的驱动静梳齿构成驱动检测梳齿对2，以完成驱动检测。质量块16通过X向侧边的折叠梁1114与X向的杠杆13相连接；杠杆13中点通过锚点1115固定，杠杆13两端通过敏感传递梁9与敏感框架梁12相连；敏感框架梁12通过两端的折叠梁16与锚点18相连；固定在敏感框架梁12上的敏感梳齿与固定在敏感检测电极10上的静梳齿构成敏感梳齿对11，以完成敏感方向的电容检测。其中，折叠梁1114与杠杆13连接点距锚点1115为m0，锚点1115距杠杆13端点的距离为ml。本专利技术提出的是一种电容检测杠杆放大的微机械全对称陀螺，其工作原理为当在驱动电极4上加上周期性电压信号时，在驱动梳齿5的静电力作用下，通过驱动框架梁3 连接的杠杆13传递驱动力，再通过折叠梁1114使驱动质量块16沿X方向周期性往复运动。 如果陀螺在绕Z轴方向有角速度ω输入时，在Y轴方向上会产生科氏力，使质量块16沿Y 轴方向产生位移d0，该位移通过折叠梁1114对杠杆13的折叠梁1114与杠杆的连接点产生作用力，在杠杆13的作用下，杠杆13的两端产生较大的位移dl (dl > d0)，该位移通过敏感传递梁9作用传递到敏感框架梁12上，使敏感框架梁12在Y方向产生位移dl，从而在敏感检测梳齿10上得到较大的电容变化量，获得输入角速度ω的信息。在理想情况下，杠杆对质量块在Y方向的位移放大作用为ml/mO，即dl/dO = ml/mO。本专利技术采用的是全对称结构，其有益效果是1.对驱动方向，利用杠杆对驱动电压产生的驱动力进行放大，较小的驱动电压通过杠杆使质量块16产生较大的位移，从而使质量块16达到同样的速度、位移需要的驱动力减小，即驱动电压减小；2.对检测方向，利用杠杆对质量块在检测方向产生的位移放大，使检测电容的间距变化放大，增加了检测电容灵敏度，3.驱动方向与敏感方向完全对称，使驱动频率与检测频率完全匹配，增大了灵敏度。附图说明图1 本专利技术提出的全对称杠杆放大电容式微机械陀螺结构示意中1-驱动检测电极，2-驱动检测梳齿，3-驱动框架梁，4-驱动电极，5-驱动梳齿，6-折叠梁I，7-驱动传递梁，8-锚点I，9-敏感传递梁，10-敏感检测电极，11-敏感检测梳齿，12-敏感框架梁，13-杠杆，14-折叠梁II，15-锚点II，16-质量块。具体实施例方式本实施例中的电容式杠杆放大全对称微机械陀螺，包括一个惯性质量块16 ；定义质量块16中心点为原点，与质量块16 —边平行的为X轴，与质量块16另一边平行的为Y 轴，本专利技术在X方向上关于Y轴对称，在Y轴方向上关于X轴对称，在X轴方向上与Y轴方向上结构完全一样。如图1，质量块16通过连在其Y向侧边上的折叠梁I 6与Y向的杠杆13相连，杠杆13的宽度为10微米，杠杆13中点通过锚点1115固定，杠杆13两端通过驱动传递梁7与驱动框架梁3相连，驱动框架梁3通过两端的折叠梁16连接在锚点18上；固定在驱动框架梁3上的驱动梳齿与固定在驱动电极4上的驱动梳齿构成驱动梳齿对5，使得驱动框架梁3 通过杠杆13使质量块16产生X向的往复运动；固定在驱动框架梁3上的其他驱动梳齿与固定在驱动检测电极1的驱动静梳齿构成驱动检测梳齿对2，以完成驱动检测。质量块16通过X向侧边的折叠梁1114与X向的杠杆13相连接；杠杆13中点通过锚点1115固定，杠杆13两端通过敏感传递梁9与敏感框架梁12相连；所属敏感传递梁 9的长度20微米，宽度10微米，所述敏感框架梁12的宽度40微米，长度880微米；敏感框架梁12通过两端的折叠梁16与锚点18相连；固定在敏感框架梁12上的敏感梳齿与固定在敏感检测电极10上的静梳齿构成敏感梳齿对11，以完成敏感方向的电容检测。其中，折叠梁1114与杠杆13连接点距锚点II15mO为60微米，锚点1115距杠杆13端点的距离ml4为420微米。 本实施例中的电容检测杠杆放大的微机械全对称陀螺，其工作原理为当在驱动电极4上加上周期性电压信号时，在驱动梳齿5的静电力作用下，通过驱动框架梁3连接的杠杆13传递驱动力，再通过折叠梁1114使驱动质量块16沿X方向周期性往复运动。如果陀螺在绕Z轴方向有角速度ω输入时，在Y轴方向上会产生科氏力，使质量块16沿Y轴方向产生位移d0，该位移通过折叠梁1114对杠杆13的杠杆13与折叠梁连接点产生作用力， 在杠杆13的作用下，杠杆13的两端产生较大的位移dl (dl > d0)，该位移通过敏感传递梁 9作用传递到敏感框架梁12上，使敏感框架梁12在Y方向产生位移dl，从而在敏感检测梳齿11上得到较大的电容变化量，获得输入角速度ω的信息。理论上杠杆对位移的放大倍数为没ml/mO = 7。当d0 = 1微米时，理论上敏感框架梁12的位移dl = 7微米。杠杆机构对质量块的位移放大了 7倍，从而对检测电容的变化量放大了 7倍。权利要求1. 一种电容式杠杆放大全对称微机械陀螺，包括一个惯性质量块(16)；定义质量块 (16)中心点为原点，与质量块(16) —边平行的为X轴，与质量块(16)另一边平行的本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种电容式杠杆放大全对称微机械陀螺，包括一个惯性质量块（１６）；定义质量块（１６）中心点为原点，与质量块（１６）一边平行的为Ｘ轴，与质量块（１６）另一边平行的为Ｙ轴，本专利技术在Ｘ方向上关于Ｙ轴对称，在Ｙ轴方向上关于Ｘ轴对称，在Ｘ轴方向上与Ｙ轴方向上结构完全一样；质量块（１６）通过连在其Ｙ向侧边上的折叠梁Ｉ（６）与Ｙ向的杠杆（１３）相连，杠杆（１３）中点通过锚点ＩＩ（１５）固定，杠杆（１３）两端通过驱动传递梁（７）与驱动框架梁（３）相连，驱动框架梁（３）通过两端的折叠梁Ｉ（６）连接在锚点Ｉ（８）上；固定在驱动框架梁（３）上的驱动梳齿与固定在驱动电极（４）上的驱动梳齿构成驱动梳齿对（５），使得驱动框架梁（３）通过杠杆（１３）使质量块（１６）产生Ｘ向的往复运动；固定在驱动框架梁（３）上的其他驱动梳齿与固定在驱动检测电极（１）的驱动静梳齿构成驱动检测梳齿对（２），以完成驱动检测；质量块（１６）通过Ｘ向侧边的折叠梁ＩＩ（１４）与Ｘ向的杠杆（１３）相连接；杠杆（１３）中点通过锚点ＩＩ（１５）固定，杠杆（１３）两端通过敏感传递梁（９）与敏感框架梁（１２）相连；敏感框架梁（１２）通过两端的折叠梁Ｉ（６）与锚点Ｉ（８）相连；固定在敏感框架梁（１２）上的敏感梳齿与固定在敏感检测电极（１０）上的静梳齿构成敏感梳齿对（１１），以完成敏感方向的电容检测；所述折叠梁ＩＩ（１４）与杠杆（１３）连接点距锚点ＩＩ（１５）为ｍ０，锚点ＩＩ（１５）距杠杆（１３）端点的距离为ｍ１。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：常洪龙，杨勇，赵海涛，谢中建，赵小利，谢建兵，袁广民，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：87