雙質量硅微陀螺儀的機械耦合誤差抑制裝置與方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于MEMS (微機電系統）和微慣性測量技術，特別涉及一種雙質量硅微陀 螺儀的機械耦合誤差抑制裝置與方法。
【背景技術】
[0002] 20世紀80年代中期，隨著半導體加工技術的進步，機械結構與電子系統的微型化 與集成一一微機電系統（MEMS)技術的出現，給慣性傳感器領域帶來一場革命。自德雷珀實 驗室于1991年首次展示其研制的硅微陀螺儀以來，基于表面加工、體硅加工或者兩者混合 加工技術的硅微陀螺儀不斷涌現。微機械陀螺儀以其微型化與集成化、可靠性高、功耗低、 易于數字化和智能化、響應快等優異性能，決定了它具有廣闊的應用前景和軍事應用價值。 硅微陀螺儀根據不同的性能等級可分為速率級、戰術級及慣導級。速率機的硅微陀螺儀可 用在汽車、機器人、工業控制、玩具等領域。戰術級的硅微陀螺儀主要用于空中、地面、海上 導航及姿態航向的基準系統，戰術導彈、智能炮彈、新概念武器等軍事領域。慣導級的硅微 陀螺儀用于戰略導彈、空間飛行器、自主式潛艇導航等領域，慣性級硅微陀螺儀也成為各發 達國家研究的熱點。
[0003] 我國對于硅微陀螺儀的研究起步較晚，目前對于硅微陀螺儀的研究仍停留在實驗 室階段，且各項性能指標遠遠滯后，嚴重限制了自主研制的硅微陀螺儀的軍事應用和商用 化進程。基于單質量硅微陀螺儀理論基礎的雙質量硅微陀螺儀，通過驅動模態的同幅同頻 反向驅動，實現敏感模態哥氏加速度的差分檢測，它能夠有效地消除軸向加速度等共模干 擾的影響，環境適應性較強，是工程應用的首選結構。但由于加工缺陷等因素的存在，驅動 模態的振動能量也會耦合到檢測模態，產生較大的輸出誤差。針對這一情況，硅微陀螺儀的 結構設計經歷了從不解耦到半解耦，再到全解耦的發展過程。全解耦的結構從形式上看解 耦最徹底，但由于某些結構設計存在的缺陷，使得兩者之間依然存在一定的耦合效應，而且 還可能產生部分結構扭轉、隨動等效應，這樣就使硅微陀螺儀的性能降低。因此，在設計過 程中應注意結構的形式及相關結構的布局，從本質上減小誤差，提高硅微陀螺儀的性能。
【發明內容】
[0004] 發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種驅動模態和檢測模 態的全解耦、檢測靈敏度高、抗干擾能力強、溫度性能優越、正交誤差小的雙質量硅微陀螺 儀的機械耦合誤差抑制裝置與方法。
[0005] 技術方案：為實現上述目的，本發明的雙質量硅微陀螺儀的機械耦合誤差抑制裝 置包括上下兩層，上層為振動機械結構，下層為玻璃襯底；
[0006] 所述玻璃襯底包括若干電極引線與若干鍵合點，所述電極引線包括公共電極、驅 動電極與檢測電極三種；
[0007] 所述振動機械結構包括兩個左右對稱放置的完全相同的單質量角速度測量單元 子結構；兩個單質量角速度測量單元子結構之間連接有驅動耦合折疊梁，且兩個單質量角 速度測量單元子結構的上下各有一根橫梁，且兩個單質量角速度測量單元子結構同一側的 橫梁相連；所述橫梁通過基座直梁與振動機械結構四角處的四個整體固定錨點連接；
[0008] 每個單質量角速度測量單元子結構均包括敏感質量、驅動機構、檢測機構、結構穩 固平衡梁、驅動折疊梁、檢測折疊梁、驅動解耦梁、檢測解耦梁與子結構固定錨點；所述驅動 機構對稱放置在敏感質量的左右兩側，通過分布在敏感質量上下兩側的檢測解耦梁與敏感 質量相連，形成對敏感質量推挽的驅動方式；所述檢測機構對稱放置在敏感質量的上下兩 偵牝通過分布在敏感質量左右兩側的驅動解耦梁與敏感質量相連，以推挽的方式檢測哥式 力的大小；所述驅動機構與檢測機構圍成一個口字型，所述子結構固定錨點有四個，分別分 布在驅動機構與檢測機構圍成的口字型的內部四角處；驅動機構通過分布在其上下兩側的 驅動折疊梁與離各自最近的子結構固定錨點相連，并通過分布在其兩側的結構穩固平衡梁 與整體固定錨點相連；檢測機構通過其左右兩側的檢測折疊梁與離各自最近的子結構固定 錨點相連，同時通過橫梁下梁與橫梁相連；
[0009] 每個整體固定錨點與子結構固定錨點分別固接于玻璃襯底上的不同的鍵合點，使 振動機械結構懸浮在玻璃襯底上；兩個敏感質量各有一個公共電極與之相連。
[0010] 進一步地，所述驅動機構包含兩組驅動梳齒，兩組驅動梳齒左右對稱布置，每組驅 動梳齒均包括活動驅動梳齒與固定驅動梳齒，活動驅動梳齒連在驅動機構的邊框上，固定 驅動梳齒與固定驅動梳齒錨點連接，且與活動驅動梳齒鑲嵌式布置，固定驅動梳齒錨點固 連在所述玻璃襯底上的對應位置的鍵合點上；同時所有固定驅動梳齒與玻璃襯底上的驅動 電極連接。
[0011] 進一步地，所述檢測機構包含兩組檢測梳齒，兩組檢測梳齒上下對稱布置，每組檢 測梳齒均包括活動檢測梳齒與固定檢測梳齒，活動檢測梳齒連在檢測機構的邊框上，固定 檢測梳齒與固連在玻璃襯底上的固定檢測梳齒錨點連接，且與活動檢測梳齒鑲嵌式布置， 固定檢測梳齒錨點固連在所述玻璃襯底上的對應位置的鍵合點上；同時所有固定檢測梳齒 與玻璃襯底上的檢測電極連接。
[0012] 進一步地，所述驅動解耦梁采用單梁的形式。
[0013] 進一步地，所述橫梁下梁采用單梁的形式，且與橫梁單點連接。
[0014] 利用上述雙質量硅微陀螺儀的機械耦合誤差抑制裝置的雙質量硅微陀螺儀的機 械耦合誤差抑制方法，所述機械耦合誤差抑制方法為：調整所述橫梁下梁與檢測折疊梁的 剛度比使檢測機構的運動的平衡點正好在驅動解耦梁與檢測機構的連接點處；調芐基座直 梁的長度及整體固定錨點的位置，使橫梁在檢測模態下的變形極點為橫梁下梁與橫梁的連 接點；調節結構穩固平衡梁與驅動耦合梁的剛度比使敏感質量左右兩側的驅動機構的運動 狀態保持一致。
[0015] 有益效果：（1)驅動解耦梁采用長度較長的單梁，梁的剛度減小，減少檢測機構在 驅動方向的隨動效應，單梁的占用空間變小，更易放置，與橫梁下梁和檢測折疊梁的剛度配 合，可以消除檢測機構在驅動模態下的轉動效應。單梁的使用可以使敏感質量的質量增大， 敏感質量的轉動效應減小，增加系統的穩定性，且單梁的使用，敏感質量的轉動效應向檢測 機構的傳遞會大大減小；（2)橫梁下梁采用單梁的形式，且與橫梁單點連接，可以減小在檢 測模態下橫梁的非線性變形對檢測機構的影響，減少檢測機構的轉動效應，與檢測折疊梁 共同限制檢測機構，使其只在檢測方線性運動；（3)調芐基座直梁的長度及固定錨點的位 置使橫梁下梁與橫梁的連接點是橫梁非線性變形的極點，減小在檢測模態下橫梁非線性變 形向檢測機構的傳遞；(4)結構穩固平衡梁的采用，并通過調節結構穩固平衡梁與驅動耦 合梁的剛度比，驅動耦合梁的存在造成子結構左右驅動機構受力不均衡的現象，使左右驅 動機構運動狀態保持一致，且結構穩固平衡梁可以使檢測模態下的驅動機構的轉動效應減 小。
【附圖說明】
[0016] 附圖1是本發明雙質量硅微陀螺儀的機械耦合誤差抑制裝置結構示意圖；
[0017] 附圖2是本發明機械耦合誤差抑制機構結構示意圖；
[0018] 附圖3是本發明雙質量硅微陀螺儀的驅動機構和驅動反饋機構示意圖；
[0019] 附圖4是本發明雙質量硅微陀螺儀的檢測機構示意圖；
[0020] 附圖5是本發明雙質量硅微陀螺儀的玻璃襯底示意圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0022] 結合附圖1，本發明雙質量硅微陀螺儀的機械耦合誤差抑制方法和裝置實現對垂 直于x-y水平面的輸入角速度的測量。結構分為上下兩層，上層為硅微陀螺儀的振動機械 結構，下層為粘附有信號引線的玻璃襯底。陀螺的機械結構由兩個對稱放置的完全相同的 單質量角速度測量單元子結構la、Ib構成；在驅動模態下，兩個單質量角速度測量單元子 結構之間通過驅動親合折疊梁3a、3b建立