[發(fā)明專利]一種單錨定點(diǎn)四質(zhì)量塊MEMS諧振式陀螺儀

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510362795.5
• 申請日: 2015-06-26
• 公開（公告）號: CN104931032B
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周斌;張嶸;張?zhí)?/a>;陳志勇
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: G01C19/574
• 分類號: G01C19/574
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11245
• 代理人: 徐寧,關(guān)暢

1.一種單錨定點(diǎn)四質(zhì)量塊MEMS諧振式陀螺儀，其特征在于，該陀螺儀包括基板層和位于所述基板層上方的結(jié)構(gòu)層，所述結(jié)構(gòu)層包括：

中心對稱結(jié)構(gòu)的支撐架，

一端鍵合到所述基板層上、另一端固定連接于所述支撐架的對稱中心的錨定支撐柱，和

以所述錨定支撐柱為中心對稱均勻分布在所述支撐架四周，并分別通過懸臂梁連接到所述支撐架上的四個(gè)質(zhì)量塊，所述質(zhì)量塊能夠在所述支撐架平面內(nèi)產(chǎn)生“主模態(tài)”振動(dòng)，或者產(chǎn)生“次模態(tài)”振動(dòng)，或者同時(shí)產(chǎn)生“主模態(tài)”和“次模態(tài)”振動(dòng)；

所述基板層上還設(shè)置有固定電容極板，所述質(zhì)量塊內(nèi)部設(shè)置有可動(dòng)電容極板，所述固定電容極板與所述可動(dòng)電容極板相對應(yīng)組合，形成與所述質(zhì)量塊相對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電容、驅(qū)動(dòng)檢測電容、檢測電容和/或力平衡電容；

所述質(zhì)量塊為中心對稱結(jié)構(gòu)，存在兩個(gè)互相垂直的對稱軸；所述陀螺儀的工作模式包括“對稱模式”和“解耦模式”，通過調(diào)整所述懸臂梁的剛度配置，能改變所述陀螺儀的工作模式；所述“對稱模式”既可工作在“速率模式”下，也可工作在“速率積分模式”下；其中，

所述“對稱模式”的“主模態(tài)”振動(dòng)為四個(gè)所述質(zhì)量塊沿以所述錨定支撐柱為中心的圓的徑向振動(dòng)，并且相鄰兩個(gè)所述質(zhì)量塊同一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)方向相反；其“次模態(tài)”振動(dòng)為四個(gè)所述質(zhì)量塊沿以所述錨定支撐柱為中心的圓的切向振動(dòng)，并且相鄰兩個(gè)所述質(zhì)量塊在同一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)方向相反；

所述“解耦模式”的“主模態(tài)”振動(dòng)為兩個(gè)相對稱的所述質(zhì)量塊沿所述錨定支撐柱為中心的圓的徑向振動(dòng)，且同一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)方向相反，而另兩個(gè)所述質(zhì)量塊靜止不動(dòng)；其“次模態(tài)”振動(dòng)為四個(gè)所述質(zhì)量塊沿以所述錨定支撐柱為中心的圓的切向振動(dòng)，并且相鄰兩個(gè)所述質(zhì)量塊在同一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)方向相反；

所述“速率模式”是通過所述驅(qū)動(dòng)電容施加激勵(lì)力，使所述質(zhì)量塊在“主模態(tài)”下振動(dòng)，當(dāng)有外界角速度輸入時(shí)，通過檢測所述質(zhì)量塊的“次模態(tài)”運(yùn)動(dòng)位移大小來反映外界輸入角速度大小；

所述“速率積分模式”是將所述陀螺儀的“主模態(tài)”和“次模態(tài)”諧振頻率配置為相同，所述質(zhì)量塊自由振動(dòng)，振動(dòng)頻率為諧振頻率，當(dāng)有外界角度輸入時(shí)，通過測量所述質(zhì)量塊自由振動(dòng)振型與所述基板層基準(zhǔn)方向的夾角來反映外界輸入的角度。

2.如權(quán)利要求1所述的一種單錨定點(diǎn)四質(zhì)量塊MEMS諧振式陀螺儀，其特征在于，

所述“主模態(tài)”振動(dòng)是指：通過所述驅(qū)動(dòng)電容主動(dòng)使所述質(zhì)量塊產(chǎn)生的振動(dòng)；

所述“次模態(tài)”振動(dòng)是指：當(dāng)垂直于所述支撐架平面方向有角速度輸入時(shí)，所述質(zhì)量塊受到科式力的作用，在所述支撐架平面內(nèi)產(chǎn)生垂直于所述“主模態(tài)”振動(dòng)方向的振動(dòng)。

3.如權(quán)利要求1或2所述的一種單錨定點(diǎn)四質(zhì)量塊MEMS諧振式陀螺儀，其特征在于，所述基板層上、靠近所述質(zhì)量塊兩端分別設(shè)置有兩個(gè)止擋機(jī)構(gòu)，所述止擋機(jī)構(gòu)或者所述質(zhì)量塊上設(shè)置有分別與所述質(zhì)量塊的“主模態(tài)”和“次模態(tài)”振動(dòng)方向相對應(yīng)的第一限位凸起和第二限位凸起。

4.如權(quán)利要求1或2所述的一種單錨定點(diǎn)四質(zhì)量塊MEMS諧振式陀螺儀，其特征在于，所述懸臂梁為“幾”字形結(jié)構(gòu)，兩個(gè)所述“幾”字形懸臂梁的一端分別與所述質(zhì)量塊的兩端固定連接，與相鄰兩質(zhì)量塊端部固定連接的兩所述懸臂梁的另一端先連接，再通過一段小短梁與所述支撐架的一角固定連接，形成“Y”字形連接部分。

5.如權(quán)利要求3所述的一種單錨定點(diǎn)四質(zhì)量塊MEMS諧振式陀螺儀，其特征在于，所述懸臂梁為“幾”字形結(jié)構(gòu)，兩個(gè)所述“幾”字形懸臂梁的一端分別與所述質(zhì)量塊的兩端固定連接，與相鄰兩質(zhì)量塊端部固定連接的兩所述懸臂梁的另一端先連接，再通過一段小短梁與所述支撐架的一角固定連接，形成“Y”字形連接部分。

6.如權(quán)利要求1或2或5所述的一種單錨定點(diǎn)四質(zhì)量塊MEMS諧振式陀螺儀，其特征在于，所述支撐架中部開設(shè)有中心對稱于所述錨定支撐柱的“田”字形減重孔。

7.如權(quán)利要求3所述的一種單錨定點(diǎn)四質(zhì)量塊MEMS諧振式陀螺儀，其特征在于，所述支撐架中部開設(shè)有中心對稱于所述錨定支撐柱的“田”字形減重孔。

8.如權(quán)利要求4所述的一種單錨定點(diǎn)四質(zhì)量塊MEMS諧振式陀螺儀，其特征在于，所述支撐架中部開設(shè)有中心對稱于所述錨定支撐柱的“田”字形減重孔。