专利名称：一种新型mems离心式陀螺的制作方法
一种新型MEMS离心式陀螺所属领域本发明提出一种新型的MEMS离心式陀螺技术，属于惯性测量领域。
背景技术：
随着微机电系统MEMS技术的发展，作为测量物体相对惯性空间转动角速度或角度的微机械陀螺仪，由于具有体积小，质量轻，成本低，功耗微，可靠性高等优点，在汽车安全、惯性导航、机器人控制等军民用领域，具有广阔的应用前景，特别是微卫星、微飞行器等武器装备更是对微陀螺提出了轻小化、高精度的要求。低成本、高精度及多输入轴微机械陀螺仪成为目前微陀螺研究的主攻方向。现有的MEMS陀螺主要分为MEMS振动式陀螺和MEMS转子陀螺。MEMS振动式陀螺是当前陀螺研究及应用的主流，它是基于一个高频线振动或角振动的振子，利用科氏效应所产生的运动耦合来检测输入角速率。文献“N.Yazdi， F.Ayazi, and K. Najafi, Micromachined inertial sensors, Proc. IEEE, Vol. 86, No. 8, pp. 1640-1659，Aug. 1998”，提到这种振动式陀螺的抗冲击能力较差，结构容易疲劳，且存在正交耦合误差等问题，使得MEMS振动式陀螺仅定位于中低精度的应用。MEMS转子陀螺则是一种能实现高精度、多轴惯性测量的新型MEMS陀螺。文献 “Shigeru NAKAMURA, MEMS inertial sensor toward higher accuracy & multi-axis sensing, IEEE Sensors, 2005,pp. 939-942”提到，它包含一个悬浮的转子，这种悬浮可以通过静电悬浮或者磁悬浮来实现，其也是利用科氏效应实现对X、Y两个方向角速率的检测， 并从原理上消除了 MEMS振动式陀螺所固有的正交耦合误差，同时这种转子陀螺还可以敏感三个正交方向的线加速度，有利于降低微惯性测量单元的器件尺寸和成本。这种转子陀螺的精度极限主要由其转子的转速决定，根据目前已有的静电悬浮技术，其精度极限可以相对于振动式陀螺提高1-2个数量级。但这种转子陀螺，以目前的微细加工工艺水平，仍极难实现，并且其运动控制极其复杂，因而使得该项技术目前在实际中还很难得到应用。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有MEMS振动式陀螺噪声高，零偏稳定性差和存在正交耦合误差，和MEMS转子陀螺成本高，控制复杂的缺点，本发明公开了一种新型的MEMS离心式陀螺。本发明的技术方案是一种MEMS离心式陀螺，包括第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4、解耦梁5、弹性梁6、中心锚点7、活动梳齿8和固定梳齿9 ；所述第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4环形均布在中心锚点7四周，第一质量块1、第二质量块 2、第三质量块3、第四质量块4和中心锚点7均通过弹性梁6连接；相邻的各质量块之间通过两根平行的弧形解耦梁7相连；第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3和第四质量块 4上各布有一组活动梳齿8，并与相应的固定梳齿9形成梳齿电容。中心锚点7中心到各质量块中心的距离为r，每个质量块的质量均为m。属于本发明同一构思的另一种MEMS离心式陀螺，包括第一质量块1、第二质量块 2、第三质量块3、第四质量块4、解耦梁5、弹性梁6、中心锚点7、活动梳齿8、固定梳齿9和对角锚点10 ；所述的第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4环形均布在中心锚点7四周，第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4和中心锚点7均通过弹性梁6连接；相邻的两个质量块之间为对角锚点10，且各质量块通过解耦梁5支撑悬置在其相邻的两个对角锚点10上；第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3和第四质量块4上各布有一组活动梳齿8，并与相应的固定梳齿9形成梳齿电容。中心锚点7中心到各质量块中心的距离为r，每个质量块的质量均为m。本发明的有益效果是本发明提出的MEMS离心式陀螺利用的是转动物体在转动过程中产生的离心力的作用。当外界有角速度输入时，MEMS离心式陀螺由于离心力而发生位移，通过检测这个位移就可推算出外界输入的角速度的大小。与其它的MEMS陀螺相比， 本发明的有益效果是无需驱动，利用自身的惯性运动即可实现对角速度的检测，因此降低了能量的消耗；MEMS陀螺的零偏主要来源于驱动引起的布朗噪声，因此没有驱动，布朗噪声会大大降低，零偏稳定性会大大提高；同时可以消除MEMS振动式陀螺的正交耦合误差， 提高了精度。下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。
图1 实施例1中的MEMS离心式陀螺结构示意2 实施例2中的MEMS离心式陀螺结构示意3 本发明提出的MEMS离心式陀螺原理示意中，1-第一质量块，2-第二质量块，3-第三质量块，4-第四质量块，5-解耦梁、 6-弹性梁、7-中心锚点、8-活动梳齿，9-固定梳齿，10-对角锚点
具体实施例方式实施例1参阅图1，一种MEMS离心式陀螺，包括第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、 第四质量块4、解耦梁5、弹性梁6、中心锚点7、活动梳齿8和固定梳齿9 ；所述第一质量块 1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4环形均布在中心锚点7四周，第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3、第四质量块4和中心锚点7均通过弹性梁6连接；相邻的各质量块之间通过两根平行的弧形解耦梁7相连；第一质量块1、第二质量块2、第三质量块3和第四质量块4上各布有一组活动梳齿8，并与相应的固定梳齿9形成梳齿电容。本实施例中MEMS离心式陀螺的理论分析如图3所示，OZ轴为外界角速度的输入轴，0’ Z为陀螺器件的中心，图1中的中心锚点7简化为图3中的器件中心质点0’，四个质量块分别简化为图3中的围绕0’点的四个质点。中心锚点7的中心到各质量块中心的距离为r，每个质量块的质量均为m。转动轴OZ与器件中心轴0’Z的距离为R，一般情况下，R > >r，当外界有角速度ω输入时，则这个绕OZ轴的转动可以等效为沿0’0的平动和绕器件中心轴0’Ζ的转动。器件所受的力也就可以等效为平动的力Fc = 4mR 2，方向沿0’0和各个质量块所受的指向0’ Z轴的离心力。由于R >> r，各个质量块所受的平动的力Fku、Fkd、 Fel和Fkk可以近乎相等，且Feu = Fed = Fel = Fee = Fc/4 = mRco2。各个质量块所受的指向 0，Z轴的离心力Fru、Frd、Frl和Frr大小相等，且为Fru = Frd = Frl = Frr = mrco2。将各个质量块所受的平动的力Feu^Fed,Fel和Fee沿X、Y轴分解，Fku分解为Feux = Feu-COS α和Feot = Fku · sin α，Fed 分解为 Fkdx = Fed · cos α 和 Fkdy = Fed · sin α，Fel 分解为 Fklx = Fel · cos α 和 Fkly = Fel · sin α，Fee 分解为 Fkkx = Fee · cos α 和 F· = Fee · sin α，因此 Fkux = Fedx = Felx = FeexjFeot = Fedy = Fely = FKKY。四个质量块所受的沿着切向方向的力，将通过解耦梁5 抵消掉，因此质量块不会产生切向的位移，质量块只会受到沿着径向的力并沿着径向移动。 第一质量块1所受的力Fu = FEUY+Fru,第二质量块2所受的力= Fkdy-F…第三质量块3所受的力& = FKLX+Fri，第四质量块4所受的力！^ = FKKX-F ，则将第一质量块1和第二质量块 2所受的力相减得，Fu-Fd = (FEUY+Fru)-(FEDY-Frd) = Fru+Frd = 2mr ω2，将第四质量块4和第三质量块3所受的力相减得，!^k-Fl= (FEEX+Frr)-(FELX-Frl) = Frr+Frl = 2mr ω20可以看到得出的是两个关于ω的关系式，而m和r都是常量。质量块所受的力可以通过检测质量块运动的位移获得，因此就可反推出外界输入的角速度ω。当外界有角速度ω输入时，解耦梁5使各个质量块在离心力的作用下只在径向有位移，在周向没有位移，弹性梁6保证了质量块的径向移动，各质量块上的活动梳齿8和固定梳齿9会产生一个位移，进而活动梳齿8和固定梳齿9之间的电容发生变化，通过电路检测第一质量块1和第二质量块2上变化的梳齿电容推得第一质量块1、第二质量块2的位移分别为《=1.0X10、和dd= 1. lX10_13m，沿着径向各个质量块的运动刚度均为k = 5N/m,因此第一质量块1和第二质量块2所受的沿着径向的力分别为Fu = kdu = 5X1. 0Χ1(Γ13 = 5X IO^13N, Fd = kdd = 5X1. 1Χ1(Γ13 = 5. 5X IO-13N0质量块1和质量块2的质量m = 2X10_7kg，器件中心距质量块中心的距离r = 2 X 10 ,由上面推得的公式Fu-Fd = 2mr ω2，计算出输入的角速度为
权利要求
1.一种MEMS离心式陀螺，其特征在于包括第一质量块(1)、第二质量块O)、第三质量块(3)、第四质量块(4)、解耦梁(5)、弹性梁(6)、中心锚点(7)、活动梳齿(8)和固定梳齿 (9)；所述第一质量块(1)、第二质量块O)、第三质量块(3)、第四质量块(4)环形均布在中心锚点(7)四周，第一质量块(1)、第二质量块( 、第三质量块C3)、第四质量块(4)和中心锚点(7)均通过弹性梁(6)连接；相邻的各质量块之间通过两根平行的弧形解耦梁(7)相连；第一质量块(1)、第二质量块( 、第三质量块C3)和第四质量块(4)上各布有一组活动梳齿(8)，并与相应的固定梳齿(9)形成梳齿电容。
2.—种MEMS离心式陀螺，其特征在于包括第一质量块(1)、第二质量块O)、第三质量块(3)、第四质量块(4)、解耦梁(5)、弹性梁(6)、中心锚点(7)、活动梳齿(8)、固定梳齿(9)和对角锚点(10)；所述的第一质量块(1)、第二质量块O)、第三质量块(3)、第四质量块(4)环形均布在中心锚点(7)四周，第一质量块(1)、第二质量块( 、第三质量块(3)、第四质量块⑷和中心锚点(7)均通过弹性梁(6)连接；相邻的两个质量块之间为对角锚点(10)，且各质量块通过解耦梁( 支撑悬置在其相邻的两个对角锚点(10)上；第一质量块 (1)、第二质量块O)、第三质量块C3)和第四质量块(4)上各布有一组活动梳齿(8)，并与相应的固定梳齿(9)形成梳齿电容。
全文摘要
本发明公开了一种新型的MEMS离心式陀螺技术，属于惯性测量领域。该陀螺的四个质量块环形均布在中心锚点7四周，且各质量块和中心锚点7均通过弹性梁6连接；相邻的各质量块之间通过两根平行的弧形解耦梁7相连；各质量块4各布有一组活动梳齿8，并与相应的固定梳齿9形成梳齿电容。当外界有角速度输入时，MEMS离心式陀螺由于离心力而发生位移，通过检测这个位移就可推算出外界输入的角速度的大小。与其它的MEMS陀螺相比，本陀螺无需驱动，利用自身的惯性运动即可实现对角速度的检测，因此降低了能量的消耗；因此没有驱动，布朗噪声会大大降低，零偏稳定性会大大提高；同时可以消除MEMS振动式陀螺的正交耦合误差，提高了精度。
文档编号G01C19/02GK102305626SQ20111019001
公开日2012年1月4日 申请日期2011年7月7日 优先权日2011年7月7日
发明者�：榱�, 李小卿, 苑伟政, 谢中建, 谢建兵 申请人:西北工业大学
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