[發明專利]具有高MTBF的微型振動陀螺儀敏感單元及陀螺儀

在審

• 申請號: 202010891969.8
• 申請日: 2020-08-28
• 公開（公告）號: CN112212848A
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發明（設計）人: 薛玉
• 申請（專利權）人: 華歐星通（北京）科技有限公司
• 主分類號: G01C19/5691
• 分類號: G01C19/5691;G01C19/5783
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

本發明提供了一種具有高MTBF的微型振動陀螺儀敏感單元及陀螺儀，涉及陀螺儀技術領域，能夠有效增加陀螺的MTBF，降低成本并便于實現更小體積的集成敏感單元；該敏感單元包括外殼、敏感單元基座和諧振子，所述外殼與所述敏感單元基座固接，所述諧振子設于所述外殼內部，所述敏感單元基座為絕緣材質，所述敏感單元基座內設有若干用于傳輸壓電信號的導電結構；所述導電結構與所述敏感單元基座為密封連接；所述諧振子的垂直外壁上設有若干壓電陶瓷；所述壓電陶瓷通過導線與對應的導電結構連接。本發明提供的技術方案適用于陀螺儀設計制作的過程中。

【技術領域】

本發明涉及陀螺儀技術領域，尤其涉及一種具有高MTBF的微型振動陀螺儀敏感單元及陀螺儀。

【背景技術】

旋轉角速率或角度至少可以通過三種物理現象來測量，即角動量守恒、薩格納克效應和科里奧利力。在其最常見的形式中，陀螺儀是一種使用這些現象之一來測量或保持方向和角速度的裝置。陀螺儀角旋轉速率的測量可隨時間積分，以確定陀螺儀角方向的變化。例如，陀螺儀可用于諸如慣性導航系統(INS)、慣性測量單元(IMU)、平臺穩定、地面車輛姿態控制系統(ACS)、鉆探測量儀器、飛機、船舶、航天器和/或其他應用中。

哥氏振動陀螺儀(CVG)屬于機械結構(諧振子)陀螺儀的一種，該諧振子在外部哥氏力的作用下實現從一個振動模態和另外一個(或多個)模態的耦合。當只涉及兩個共振模式，即主振型和次振型時，CVG成為一個單軸角速率(或者角度)傳感器。

CVG代表了一種重要的慣性技術，因為它們適合微型化，適合批量生產，特別是當用于形成振動陀螺儀的諧振子是由蝕刻硅或石英晶片制成的微電子機械系統(MEMS)時，其方式與集成電路(IC)類似。

振動陀螺儀比使用角動量守恒的陀螺儀(即速率陀螺儀、速率積分陀螺儀、浮動陀螺儀、動態調諧陀螺儀(DTG))和使用Sagnac效應的陀螺儀(即光纖陀螺儀、環形激光陀螺儀)具有許多優勢，因為它們可能更容易生產，更容易以更低的成本組裝，體積更小，對工作環境(包括振動、沖擊和溫度)更穩定，最終使得它們能夠提供更高的可靠性和更長的使用壽命。

CVG可以設計為開環或者深度閉環負反饋模式，在這兩種模式下，陀螺儀是一種速率陀螺儀，直接測量外部的輸入角速率；也可以設計為全角模式，此時陀螺儀可以測量以初始位置為基準的角度信息。

多種形式或者形狀的諧振子可以用來組成CVG，其中包含諧振子的外殼和振動質量。從尺度上來劃分，這些諧振子可以是大尺度的(如毫米級別)也可以是微尺度的(如微米級的MEMS)，但是，基于加工精度以及由此帶來的誤差機理分析來看，只有采用全對稱設計的大尺度下全對稱諧振子才能達到導航級的測量精度。

諧振子被設計為半球殼形狀，主模態下，諧振子的唇沿發生橢圓變形，四個波節互呈90°，二階模態也是橢圓形，一階模態旋轉45°即為二階模態的振形，兩個模態的波數是2，假設諧振子是完全對稱的，兩個模態的諧振頻率相等，當一階模態被完美激發后，任何在Z軸方向的輸入角速率都會產生哥氏力，該哥氏力將使得諧振子激發的能量從一階模態躍遷到二階模態，在全閉環反饋模式下，反饋力被用來平衡或者抵消該二階模態，從而實現反饋力等于輸入哥氏力，實現輸入角速率的測量；在全角模式下，二階模態可以自由無約束接收來自一階模態的能量轉移，通過控制策略，得到維持諧振子位置自由振蕩的能量，一階模態和二階模態組成了一個新的振型，通過測量新的振型的波節，可以計算得到輸入角度的大小。

半球殼科里奧利陀螺儀通常由金屬化二氧化硅(Northrop Grumman,Safran)制成，在高真空下，在諧振子和電極載體(也由金屬化二氧化硅制成)之間形成的電極系統用于產生控制諧振子和測量轉速或凈旋轉角的靜電力和電容檢測信號。由于該系統相對復雜、體積龐大且難以生產，因此其價格仍然很高，而且對于要求較低的應用，僅要求戰術級性能(1h到10/hr)和更小的尺寸，提出了一種利用金屬柱和壓電換能器驅動和測量振動的軸對稱設計方案。