[發明專利]容性體聲波盤狀陀螺儀

有效

• 申請號: 200680054450.2
• 申請日: 2006-12-01
• 公開（公告）號: CN101553734A
• 公開（公告）日: 2009-10-07
• 發明（設計）人: 法羅哈·阿亞澤;胡爾·喬哈里
• 申請（專利權）人: 佐治亞科技研究公司
• 主分類號: G01P3/00
• 分類號: G01P3/00
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司
• 代理人: 李春暉;楊紅梅

技術領域

陀螺儀是用于測量旋轉速度或角度的傳感器。微機械陀螺儀構成微型 傳感器市場中增長最快的部分之一。這些裝置的應用領域從汽車很快擴展 到航天、消費者應用以及個人導航系統。在汽車領域中具有許多應用，其 中包括短距離導航、防滑系統和安全系統、側滑檢測、下一代安全氣囊和 防鎖死制動系統。消費者電子設備應用包括在數字照相機中的圖像穩定 性、手持裝置的靈巧的用戶界面、游戲裝置以及慣性點擊裝置。一些應用 需要單軸陀螺儀(Z軸)，而一些應用需要多軸旋轉檢測(關于X以及Y 和/或Z軸)。

微型陀螺儀可用于導航。慣性導航是借助于由安裝在物體上的加速度 計和陀螺儀提供的測量來確定該物體的空間位置的過程。用于短距離導航 的慣性測量單元(IMU)是飛機、無人駕駛飛行器、GPS增強導航和個人航 向參考中的重要部件。IMU一般使用3個加速度計和沿著其相應的正交檢 測軸放置的3個陀螺儀，用于收集關于物體的方向和航向的信息。由此， 加速度和轉速可被解釋用于產生物體的精確的空間位置。IMU是獨立的， 在沒有全球定位系統(GPS)輔助的慣性導航的情況下可進行對航空器/物 體的精確的短期導航。

現有技術中的微機械振動陀螺儀以低頻工作(ω₀＝3-30kHz)，并依賴 于增加的質量(M)和激勵幅值(q_drive)，以減少底噪以及改善偏置穩定性。 如果在1-10mTorr的真空下工作，這種裝置可以達到約50000的品質因數 (Q)值，該值主要受到它們撓曲部分中的熱彈性阻尼的限制。已知振動陀 螺儀的基本機械布朗(Brownian)噪聲由下式給出：

Ωz(Brownian)∝1qdrive4kBTω0MQEffect-Sense]]>

其中q_drive是驅動幅值，ω₀，M，和Q_effect-sense分別是自然頻率、質量和檢測 模下的有效品質因數；k_B是波爾茲曼常數，T是絕對溫度。

現有技術中的微機械陀螺儀在其擾曲模下以相當低的頻率工作 (5-30kHz)，且在高度真空下具有小于50000的Q值，這造成在質量受限 的情況下具有高的噪聲級。期望減少振動陀螺儀的噪聲級而不必增加質量 和驅動幅值，這在低功率和小尺寸下是難于實現的。如這里將要說明的， 通過(1)使諧振頻率增加2到3個數量級(到2-8MHz)，以及(2)通過 利用體聲波模大大增加Q，容性體聲波陀螺儀可以完成這個任務，其中， 所述體聲波模與擾曲模相比經受小得多的熱彈性阻尼。在這些陀螺儀中， 體聲波模的非常高的Q將轉變成優良的偏置穩定性。以高頻工作可以使陀 螺儀的頻率帶寬增加幾個數量級，這使傳感器的響應時間減少并放松了模 匹配要求。增加陀螺儀的諧振頻率的另一個優點是使得裝置的剛度增加若 干數量級，這轉變成裝置的高得多的抗沖擊性(100kG的容許量)。此外， 裝置的大的剛性使其較少受空氣阻尼的影響，這可以通過不再需要高真空 的封裝而簡化封裝以及降低制造成本。