一种多单元耦合的酒杯模态陀螺仪及其操作方法与流程

本发明属于电学技术领域，具体地说，涉及一种具有多单元耦合的酒杯模态陀螺仪及其操作方法。

背景技术：

近年来mems技术以其小体积、低功耗和低价格的优势得到越来越多的应用。其中，mems陀螺仪主要应用于惯性导航、平台稳定、姿态控制和制导弹药等场合。

为了避免上述应用场合中的线性加速度和角加速度对陀螺仪输出信号的影响，常规方法采用环形(或圆盘)结构或多个质量块耦合的线性振动结构。

现有技术存在的缺点：

环形(或圆盘)结构抗线性加速度干扰能力强，但是抗角加速度能力稍弱，而线性振动结构相反。因此单一结构无法实现对两种加速度的同时抑制。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种多单元耦合的酒杯模态陀螺仪及其操作方法，可以结合环形结构和多质量块线性结构的优点，从而同时实现对两种加速度的抑制。通过耦合弹簧同时将相邻两个单元的驱动和检测模态耦合在一起，从而平衡两个单元的形变，进一步加强了对线性加速度的抑制能力。同时由于耦合弹簧固定于锚点，并且与相邻两个单元构成了较长的距离，提高了结构的转动惯量和抗扭强度，也就提高了角加速度的抑制能力。

其技术方案如下：

一种多单元耦合的酒杯模态陀螺仪，包括内环、外环以及相互之间连接的四个支撑杆构成的陀螺仪主体部分和位于四个方向的四个耦合结构；四个支撑杆位于内环与外环的驱动模态节点之上，四个支撑杆用于连接内环和外环，并且增加驱动和检测的电极数量和尺寸。

进一步，所述支撑杆和耦合结构与环的连接位置可以互换，支撑杆设置于检测模态节点上，耦合结构设置于驱动模态节点上。

进一步，每一个耦合结构包含一个t字型的平衡杆和两组组合梁，所述组合梁包括两段连杆、连接于连杆的第一折叠梁、第二折叠梁以及将第二折叠梁固定的锚点。

进一步，所述电极排布关于环的圆心中心对称。

本发明所述多单元耦合的酒杯模态陀螺仪的操作方法，包括以下步骤：

由外部电路向驱动电极a、b施加差分驱动电压激发陀螺的驱动模态，通过驱动检测电极a、b差分检测驱动模态的运动状态并形成闭环驱动。当存在垂直于纸面的输入角速度的时，陀螺仪在科氏力的作用下激发出检测模态，通过检测电极a、b差分检测检测模态的运动状态，并可以通过力反馈电极a、b抵消科氏力的作用以形成闭环检测。闭环检测的输出信号为与力反馈电极上信号相关的电信号。

进一步，所述的驱动检测电极和力反馈电极可以变为检测电极以提高器件的灵敏度，或者变为驱动电极以降低所需的驱动电压。

进一步，所述驱动方式为压电驱动、电磁驱动或静电驱动，检测方式为压阻检测、压电检测或电容检测等。

本发明的有益效果：

本发明较传统的陀螺仪结构可以通过多酒杯模态单元耦合进一步提高线加速度和角加速度的抑制能力。由于多环和多单元的存在，增加了可用的电极数量和尺寸，提高了器件的性能。

附图说明

图1酒杯模态-驱动模态；

图2酒杯模态-检测模态；

图3单个单元结构；

图4耦合结构局部；

图5单个单元电极排布；

图6四单元耦合-驱动模态；

图7四单元耦合-检测模态。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

参照图1，图1为酒杯模态陀螺仪的驱动模态，包括驱动状态a、b、c三个状态。驱动模态从初始状态c开始，进行顺序为c-a-c-b-…。驱动模态的包括四个相互之间差90°的节点，这四个节点在驱动状态a、b、c时都保持0位移。

当存在外加角速度的时候，器件受到科氏力的作用激发出图2所示的检测模态。检测模态同样包括a、b、c三个状态，初始状态和进行顺序与驱动模态相似。其也包含四个相互之间差90°的节点，这四个节点在检测状态a、b、c时都保持0位移。四个检测模态节点与四个驱动模态节点之间相差45°。

酒杯模态陀螺仪的锚点通常布置于上述八个节点的位置上，以提高器件的品质因数。

图3所示为本发明的一个实例，其包括由内环1、外环2以及相互之间连接的四个支撑杆3构成的陀螺仪主体部分和位于四个方向的四个耦合结构4。

四个支撑杆位于内环与外环的驱动模态节点之上。它可以增加用于驱动和检测的电极数量和尺寸，并且可以在一定程度上提高环的强度，从而避免在环的尺寸过大时产生不想要的形变。

应当注意的是，虽然本实例给出了两个环，其他数量的方案也在本发明的范围之内。

四个耦合结构连接在外环的四个检测模态节点上。

上述支撑杆和耦合结构与环的连接位置可以互换，即支撑杆设置于检测模态节点上，耦合结构设置于驱动模态节点上。

每一个耦合结构4包含一个t字型的平衡杆5和两组组合梁6。虚线框内耦合结构的局部如图4所示，其中组合梁包括两段连杆7、连接于连杆的第一折叠梁8、第二折叠梁9以及将第二折叠梁9固定的锚点10。整个耦合结构关于图4中的点划线轴对称。

图5给出了本发明的电极排布方案，电极排布关于环的圆心中心对称。

电极分为驱动电极、驱动检测电极、检测电极和力反馈电极四类，其中每类电极又包含a、b两个差分端以及圆环上相互之间差90°的两组。

器件在工作时，由外部电路向驱动电极a、b施加差分驱动电压激发陀螺的驱动模态，通过驱动检测电极a、b差分检测驱动模态的运动状态并形成闭环驱动。当存在垂直于纸面的输入角速度的时，陀螺仪在科氏力的作用下激发出检测模态，通过检测电极a、b差分检测检测模态的运动状态，并可以通过力反馈电极a、b抵消科氏力的作用以形成闭环检测。闭环检测的输出信号为与力反馈电极上信号相关的电信号。

有些陀螺仪方案可以不使用上述的驱动检测电极和力反馈电极，从而变为开环驱动或开环检测方案。此时可以将上述两种电极变为检测电极以提高器件的灵敏度，或者变为驱动电极以降低所需的驱动电压。

上述驱动方式可以为压电驱动、电磁驱动或静电驱动，检测方式可以为压阻检测、压电检测或电容检测等。

本发明可以进行任意单元数量的耦合，扩展方式为对图3中的单个结构关于横竖两条点划线进行轴对称，而电极排布方案需要根据相应的运动相位进行调整。相应的排列方式可以为单列线性排列，也可以形成网格结构。

图6、7给出了本发明四个单元耦合的一个实例的驱动和检测模态。其中包括单元a、b、c、d四个单元结构。相邻两个单元的驱动和检测模态分别相差180°相位。

环形结构的共模谐振频率通常显著大于工作模态的频率，因此其本身对线性加速度就有较好的抑制能力。本发明通过多单元耦合可以进一步提高这种抑制能力。

由于环形结构为中心对称并且尺寸跨度较小，因此其关于过圆形并垂直于纸面的转动惯量相对较小，造成了其对角加速度比较敏感。本发明通过耦合结构将多个单元耦合在一起，使得对称中心位于锚点附近，并且增加了尺寸跨度，因此极大提高了器件的转动惯量。另外，由于耦合结构中连杆和平衡杆的存在，也在一定程度上提高了抗扭强度。在上述两点的作用下本发明可以提高器件对角加速度的抑制能力。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。