[發明專利]一種多單元耦合的酒杯模態陀螺儀及其操作方法

在審

• 申請號: 201811303390.4
• 申請日: 2018-11-02
• 公開（公告）號: CN109269490A
• 公開（公告）日: 2019-01-25
• 發明（設計）人: 張劍鋒
• 申請（專利權）人: 楊榮彬
• 主分類號: G01C19/56
• 分類號: G01C19/56
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

本發明公開了一種多單元耦合的酒杯模態陀螺儀及其操作方法，包括內環、外環以及相互之間連接的四個支撐桿構成的陀螺儀主體部分和位于四個方向的四個耦合結構；四個支撐桿位于內環與外環的驅動模態節點之上，四個支撐桿用于連接內環和外環，并且增加驅動和檢測的電極數量和尺寸。本發明還公開了一種多單元耦合的酒杯模態陀螺儀的操作方法。本發明通過可動電極結構在相同工藝條件下實現更小的檢測電容間隙，從而提高檢測電容的變化量。本發明較傳統的陀螺儀結構可以通過多酒杯模態單元耦合進一步提高線加速度和角加速度的抑制能力。由于多環和多單元的存在，增加了可用的電極數量和尺寸，提高了器件的性能。

技術領域

本發明屬于電學技術領域，具體地說，涉及一種具有多單元耦合的酒杯模態陀螺儀及其操作方法。

背景技術

近年來MEMS技術以其小體積、低功耗和低價格的優勢得到越來越多的應用。其中，MEMS陀螺儀主要應用于慣性導航、平臺穩定、姿態控制和制導彈藥等場合。

為了避免上述應用場合中的線性加速度和角加速度對陀螺儀輸出信號的影響，常規方法采用環形(或圓盤)結構或多個質量塊耦合的線性振動結構。

現有技術存在的缺點：

環形(或圓盤)結構抗線性加速度干擾能力強，但是抗角加速度能力稍弱，而線性振動結構相反。因此單一結構無法實現對兩種加速度的同時抑制。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中存在的缺陷，提供一種多單元耦合的酒杯模態陀螺儀及其操作方法，可以結合環形結構和多質量塊線性結構的優點，從而同時實現對兩種加速度的抑制。通過耦合彈簧同時將相鄰兩個單元的驅動和檢測模態耦合在一起，從而平衡兩個單元的形變，進一步加強了對線性加速度的抑制能力。同時由于耦合彈簧固定于錨點，并且與相鄰兩個單元構成了較長的距離，提高了結構的轉動慣量和抗扭強度，也就提高了角加速度的抑制能力。

其技術方案如下：

一種多單元耦合的酒杯模態陀螺儀，包括內環、外環以及相互之間連接的四個支撐桿構成的陀螺儀主體部分和位于四個方向的四個耦合結構；四個支撐桿位于內環與外環的驅動模態節點之上，四個支撐桿用于連接內環和外環，并且增加驅動和檢測的電極數量和尺寸。

進一步，所述支撐桿和耦合結構與環的連接位置可以互換，支撐桿設置于檢測模態節點上，耦合結構設置于驅動模態節點上。

進一步，每一個耦合結構包含一個T字型的平衡桿和兩組組合梁，所述組合梁包括兩段連桿、連接于連桿的第一折疊梁、第二折疊梁以及將第二折疊梁固定的錨點。

進一步，所述電極排布關于環的圓心中心對稱。

本發明所述多單元耦合的酒杯模態陀螺儀的操作方法，包括以下步驟：

由外部電路向驅動電極a、b施加差分驅動電壓激發陀螺的驅動模態，通過驅動檢測電極a、b差分檢測驅動模態的運動狀態并形成閉環驅動。當存在垂直于紙面的輸入角速度的時，陀螺儀在科氏力的作用下激發出檢測模態，通過檢測電極a、b差分檢測檢測模態的運動狀態，并可以通過力反饋電極a、b抵消科氏力的作用以形成閉環檢測。閉環檢測的輸出信號為與力反饋電極上信號相關的電信號。

進一步，所述的驅動檢測電極和力反饋電極可以變為檢測電極以提高器件的靈敏度，或者變為驅動電極以降低所需的驅動電壓。

進一步，所述驅動方式為壓電驅動、電磁驅動或靜電驅動，檢測方式為壓阻檢測、壓電檢測或電容檢測等。

本發明的有益效果：

本發明較傳統的陀螺儀結構可以通過多酒杯模態單元耦合進一步提高線加速度和角加速度的抑制能力。由于多環和多單元的存在，增加了可用的電極數量和尺寸，提高了器件的性能。

附圖說明