专利名称：一种四自由度微机械陀螺阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于四自由度微机械陀螺的阵列结构。
背景技术：
微机械陀螺的研究开始于上世纪80年代末，是一种新型的微小型惯性导航元器件。与传统的机械陀螺和光学陀螺相比，其优点是体积小、重量轻、耗电量小、寿命长、成本低、易集成、可靠性高，能大量生产，是未来新型惯性导航技术领域的核心元器件之一。目前，微机械陀螺的研究主要分为单自由度和多自由度两大类:单自由度微机械陀螺采用的是1-D0F驱动结构和1-D0F敏感结构，通过驱动模态和敏感模态的自然频率匹配来实现驱动模态和敏感模态同时达到共振，从而提高陀螺的灵敏度；多自由度陀螺主要是将2-D0F结构(动态吸振器结构，DVA或完全的2-D0F振动结构)应用到微机械陀螺的驱动模态或敏感模态，通过2-D0F振动结构的频率响应中两个峰值之间的平坦区域来提高陀螺的3dB带宽，从而提高微机械陀螺的稳定性。在多自由度微机械陀螺结构中，动态吸振器结构(DVA)或完全的2-D0F振动结构在实现驱动模态和敏感模态解耦的同时，可以提高系统的带宽，从而提升系统的稳定性，增强抗干扰能力。然而在目前公开发表的多自由度微机械陀螺的结构中，2-D0F振动结构模态的增益相对比较低，这样会导致系统整体的灵敏度降低，影响实际应用中陀螺的测量精度。尤其是驱动模态和敏感模态都采用2-D0F振动结构时，两个模态的增益同时降低，严重影响陀螺的整体灵敏度，限制了陀螺的实际应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提升系统稳定性和灵敏度的四自由度微机械陀螺阵列。本发明的目的是这样实现的:本发明由四自由度微机械陀螺排列组成，四自由度微机械陀螺包括驱动质量块、驱动静梳齿、驱动动梳齿、解耦框架、监测质量块、敏感质量块、敏感静梳齿和敏感动梳齿，驱动静梳齿和驱动动梳齿构成电容梳齿式驱动单元，所述驱动单元设置在驱动质量块上，驱动质量块和四个锚点I通过两个工形梁相连，驱动质量块和解耦框架通过四个折叠梁I相连，解耦框架和四个锚点II通过两个工形梁II连接，构成驱动模态；检测质量块和解耦框架通过四个折叠梁II相连，检测质量块和敏感质量块通过四个折叠梁III相连，敏感质量块和四个锚点III通过两个工形梁III相连，敏感静梳齿和敏感动梳齿构成电容梳齿式敏感单元，所述敏感单元设置在敏感质量块上，构成敏感模态；通过检测敏感单元的电容变化来计算外部输入的角速度，所述的驱动模态设置在四自由度微机械陀螺的结构内部，敏感模态设置在四自由度微机械陀螺的外围，敏感质量块设置在所有陀螺单元的外部。四自由度微机械陀螺共用一个敏感质量块，各个陀螺单元的驱动单元和检测质量块相互独立。
本发明的有益效果在于:通过这种新型的陀螺阵列的形式，将若干4-D0F陀螺单元有效地组合在一起，使得陀螺阵列不仅拥有良好的系统稳定性，而且可以有效地提高陀螺阵列的灵敏度。
图1是本发明的陀螺单元的结构框架图；图2是本发明的陀螺单元的简化模型；图3是本发明的阵列结构框架图；图4是本发明的阵列结构简化模型；图5是本发明的驱动模态的幅频响应；图6是本发明的敏感模态的幅频响应。
具体实施例方式该微机械陀螺阵列结构将若干个新型4-D0F微机械陀螺单元以一定的方式组合在一起。新型的4-D0F微机械陀螺单元拥有较好的系统带宽，而陀螺阵列利用组合的方式，既可以通过4-D0F陀螺单元来提升系统的稳定性，又可以通过组合来提高系统的灵敏度。一种新的四自由度微机械陀螺结构，由完全的2-D0F驱动模态和完全的2-D0F敏感模态构成，基于该四自由度微机械陀螺结构设计了一种多自由度的微机械陀螺阵列结构。本发明采用的为基于四自由度微机械陀螺单元的阵列结构，结构简化模型如图2所示，结构框图如图4所示。从图2可以看出，陀螺阵列由n个四自由度陀螺单元并列的组合在一起构成的，其中每个陀螺单元拥有独立的2-D0F驱动模态，由驱动质量块(1)，解耦框架(2)，弹簧(5)、(6)、(7)构成；在敏感模态，每个陀螺单元拥有独立的检测质量块(3)以及弹簧(8)、(9)，而所有的陀螺单元同时共用一个敏感质量块和弹簧(4)，各个陀螺单元的检测质量块(3)通过弹簧(9)与敏感质量块(4)连接在一起，从而使各个陀螺单元以及陀螺阵列的敏感模态构成完全的2-D0F振动结构。完全的2-D0F振动结构可以提高陀螺阵列的系统带宽，同时起到解耦的作用，而陀螺单元的组合可以提高陀螺阵列的灵敏度。工作方式:首先通过设置在陀螺阵列中陀螺单元上的电容驱动梳齿(11)和(12)对陀螺单元的驱动质量块(I)施加具有相同振幅、频率和相位的正弦驱动力，使各个陀螺单元的驱动模态产生简谐振动，从而使解耦框架(2)和检测质量块(3)在驱动方向(X)做简谐振动；当有z轴的外部角速度Qz输入时，由于哥式效应，产生沿敏感方向(y)的哥氏力分别并作用在各个陀螺单元的检测质量块(3)上，使各个陀螺单元的检测质量块(3)沿敏感方向(y)做同步的简谐运动，各个检测质量块(3)的简谐振动通过弹簧(9)产生一个合力作用在敏感质量块(4)上，从而使敏感质量块(4)沿敏感方向(y)做简谐运动，通过设置在敏感质量块(4)上的电容检测梳齿(13)和(14)来检测电容的变化，最终计算出沿z轴输入的外部角速度Qz。理论依据:从四自由度微机械陀螺单元的简化模型(图2)和阵列结构的简化模型(图4)可以看出，陀螺单元和陀螺阵列具有完全相同的驱动模态，所以它们在驱动方向的动态方程是相同的，如下:
权利要求
1.一种四自由度微机械陀螺阵列，由四自由度微机械陀螺排列组成，四自由度微机械陀螺包括驱动质量块、驱动静梳齿、驱动动梳齿、解耦框架、监测质量块、敏感质量块、敏感静梳齿和敏感动梳齿，驱动静梳齿和驱动动梳齿构成电容梳齿式驱动单元，所述驱动单元设置在驱动质量块上，驱动质量块和四个锚点I通过两个工形梁相连，驱动质量块和解耦框架通过四个折叠梁I相连，解耦框架和四个锚点II通过两个工形梁II连接，构成驱动模态；检测质量块和解耦框架通过四个折叠梁II相连，检测质量块和敏感质量块通过四个折叠梁III相连，敏感质量块和四个锚点III通过两个工形梁III相连，敏感静梳齿和敏感动梳齿构成电容梳齿式敏感单元，所述敏感单元设置在敏感质量块上，构成敏感模态；通过检测敏感单元的电容变化来计算外部输入的角速度，其特征在于:所述的驱动模态设置在四自由度微机械陀螺的结构内部，敏感模态设置在四自由度微机械陀螺的外围，敏感质量块设置在所有陀螺单元的外部。
2.根据权利要求1所述的一种四自由度微机械陀螺阵列，其特征在于:所述的四自由度微机械陀螺共用一个敏感质量块，各个陀螺单元的驱动单元和检测质量块相互独立。
全文摘要
本发明涉及一种基于四自由度微机械陀螺的阵列结构。本发明由四自由度微机械陀螺排列组成，驱动模态设置在四自由度微机械陀螺的结构内部，敏感模态设置在四自由度微机械陀螺的外围，敏感质量块设置在所有陀螺单元的外部。四自由度微机械陀螺共用一个敏感质量块。通过这种新型的陀螺阵列的形式，将若干4-DOF陀螺单元有效地组合在一起，使得陀螺阵列不仅拥有良好的系统稳定性，而且可以有效地提高陀螺阵列的灵敏度。
文档编号G01C19/5733GK103115620SQ20131002488
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月20日 优先权日2013年1月20日
发明者王伟, 吕晓永, 李欣, 韩莉莉, 宋鸿儒, 杨博, 赵清, 李强, 范岳, 朱玮 申请人:哈尔滨工程大学
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