CN112710292B - 一种基于隧道磁阻检测的频率可调谐微机械陀螺结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微机械陀螺技术领域，具体涉及一种基于隧道磁阻检测的频率可调谐微机械陀螺结构，包括玻璃基板、支撑结构、驱动质量块、检测质量块、第一支撑梁、第二支撑梁、驱动导线、驱动反馈导线、第一调节电极、第二调节电极、第三调节电极、第四调节电极、导线圈，所述支撑结构通过阳极键合固定在玻璃基板上，所述第一支撑梁、第二支撑梁均有四个，所述支撑结构通过四个第一支撑梁连接有驱动质量块，所述驱动质量块通过四个第二支撑梁连接有检测质量块，所述驱动质量块的两侧分别设置有驱动导线、驱动反馈导线。本发明微机械陀螺结构设计合理、接口电路简单、检测精度高，可解决角速率信号检测的难题。
Description
技术领域
本发明属于微机械陀螺技术领域，具体涉及一种基于隧道磁阻检测的频率可调谐微机械陀螺结构。
背景技术
惯性技术是以完全自主方式工作的，不与外界发生联系，具有自主、实时、不受干扰的优势。陀螺是惯性导航技术的核心器件，在现代航空航天，国防军事等领域发挥着至关重要的作用。
微惯性系统的核心是陀螺，MEMS陀螺仪是基于微机电工艺制造的惯性器件，用于测量物体的角速度，具有体积小、可靠性高、成本低、适合大批生产的特点，这就使得MEMS陀螺在微惯性系统中得到广泛使用。
微机械陀螺仪主要利用科里奥利力即旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。MEMS陀螺仪在工作时，驱动质量块在驱动力作用下不停的径向来回运动，当有角速度输入时，对应的科里奥利力就不停的在横向来回变化，使检测质量块在横向做微小振荡。MEMS陀螺仪就是通过不同的检测方式来检测这个微小位移，从而解算出所输入的角速度大小。
微机械陀螺加工设计过程中，存在加工误差、阻尼影响等因素，造成实际结构测试出的谐振频率与设计仿真存在差异，且驱动与检测谐振频率之间存在频率差。
发明内容
针对上述微机械陀螺加工设计过程中存在加工误差、阻尼影响、驱动与检测谐振频率之间存在频率差的技术问题，本发明提供了一种灵敏度高、成本低、检测精度高的基于隧道磁阻检测的频率可调谐微机械陀螺结构。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于隧道磁阻检测的频率可调谐微机械陀螺结构，包括玻璃基板、支撑结构、驱动质量块、检测质量块、第一支撑梁、第二支撑梁、驱动导线、驱动反馈导线、第一调节电极、第二调节电极、第三调节电极、第四调节电极、导线圈，所述支撑结构通过阳极键合固定在玻璃基板上，所述第一支撑梁、第二支撑梁均有四个，所述支撑结构通过四个第一支撑梁连接有驱动质量块，所述驱动质量块通过四个第二支撑梁连接有检测质量块，所述驱动质量块的两侧分别设置有驱动导线、驱动反馈导线，所述驱动质量块分别连接有第一调节电极、第二调节电极、第三调节电极、第四调节电极，所述检测质量块上设置有导线圈。
还包括第一驱动电极、第二驱动电极、第一驱动反馈电极、第二驱动反馈电极、第一检测电极、第二检测电极、第三检测电极、第四检测电极，所述第一驱动电极、第二驱动电极、第一驱动反馈电极、第二驱动反馈电极、第一检测电极、第二检测电极、第三检测电极、第四检测电极均设置在支撑结构表面边缘位置。
所述驱动导线的两端分别连接有第一驱动电极、第二驱动电极，所述驱动反馈导线的两端分别连接有第一驱动反馈电极、第二驱动反馈电极，所述检测质量块上的导线圈分别连接有第一检测电极、第二检测电极、第三检测电极、第四检测电极。
所述第一调节电极包括第一固定电极、第一移动电极，所述第二调节电极包括第二固定电极、第二移动电极，所述第三调节电极包括第三固定电极、第三移动电极，所述第四调节电极包括第四固定电极、第四移动电极，所述第一固定电极、第二固定电极、第三固定电极、第四固定电极均固定连接在支撑结构上，所述第一移动电极、第二移动电极、第三移动电极、第四移动电极均固定连接在驱动质量块上。
所述第一移动电极、第二移动电极、第三移动电极、第四移动电极均由至少两个长条状梳齿组成，所述第一移动电极的梳齿设置在与第二固定电极对应梳齿的右边，所述第三移动电极的梳齿设置在与第三固定电极对应梳齿的右边，所述第四移动电极的梳齿设置在与第四固定电极对应梳齿的右边。
所述第一移动电极、第二移动电极、第三移动电极、第四移动电极的梳齿与第一固定电极、第二固定电极、第三固定电极、第四固定电极对应梳齿的距离大于与下一梳齿的间距。
所述第一移动电极、第二移动电极采用T型结构。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明采用在结构上加入梳齿引入静电力调频的方式，解决了工艺加工过程中带来的结构误差以及应用环境等不利因素影响导致驱动与检测谐振频率不匹配的问题，同时结合电磁驱动、磁阻检测方式，解决了现有微机械陀螺对微弱柯氏力难以检测的难题；本发明所设计的频率可调微陀螺装置通过专用的电路系统能实现驱动方向谐振频率的自动调节，通过检测驱动反馈导线产生的感生电动势解算出对应驱动谐振频率，通过改变调节电极上施加的调节电压就可实现驱动与检测两方向的谐振频率匹配。同时采用具有高灵敏特性的隧道磁阻效应进行检测，提高微陀螺检测精度。本发明微机械陀螺结构设计合理、接口电路简单、检测精度高，可解决角速率信号检测的难题。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明支撑结构示意图；
图3为本发明移动电极的结构示意图；
图4为本发明固定电极的结构示意图；
图5为本发明的简化模型示意图。
其中：1为玻璃基板，2为支撑结构，3为驱动质量块，4为检测质量块，5为第一支撑梁，6为第二支撑梁，7为驱动导线，8为驱动反馈导线，9为第一调节电极，10为第二调节电极，11为第三调节电极，12为第四调节电极，13为导线圈，14为第一驱动电极，15为第二驱动电极，16为第一驱动反馈电极，17为第二驱动反馈电极，18为第一检测电极，19为第二检测电极，20为第三检测电极，21为第四检测电极，9a为第一固定电极，9b为第一移动电极，10a为第二固定电极，10b为第二移动电极，11a为第三固定电极，11b为第三移动电极，12a为第四固定电极，12b为第四移动电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种基于隧道磁阻检测的频率可调谐微机械陀螺结构，如图1、图2所示，包括玻璃基板1、支撑结构2、驱动质量块3、检测质量块4、第一支撑梁5、第二支撑梁6、驱动导线7、驱动反馈导线8、第一调节电极9、第二调节电极10、第三调节电极11、第四调节电极12、导线圈13，支撑结构2通过阳极键合固定在玻璃基板1上，第一支撑梁5、第二支撑梁6均有四个，支撑结构2通过四个第一支撑梁5连接有驱动质量块3，驱动质量块3通过四个第二支撑梁6连接有检测质量块4，驱动质量块3的两侧分别设置有驱动导线7、驱动反馈导线8，驱动质量块3分别连接有第一调节电极9、第二调节电极10、第三调节电极11、第四调节电极12，检测质量块4上设置有导线圈13。
进一步，还包括第一驱动电极14、第二驱动电极15、第一驱动反馈电极16、第二驱动反馈电极17、第一检测电极18、第二检测电极19、第三检测电极20、第四检测电极21，第一驱动电极14、第二驱动电极15、第一驱动反馈电极16、第二驱动反馈电极17、第一检测电极18、第二检测电极19、第三检测电极20、第四检测电极21均设置在支撑结构2表面边缘位置。
进一步，驱动导线7的两端分别连接有第一驱动电极14、第二驱动电极15，驱动反馈导线8的两端分别连接有第一驱动反馈电极16、第二驱动反馈电极17，检测质量块4上的导线圈13分别连接有第一检测电极18、第二检测电极19、第三检测电极20、第四检测电极21。
进一步，如图3、图4所示，第一调节电极9包括第一固定电极9a、第一移动电极9b，第二调节电极10包括第二固定电极10a、第二移动电极10b，第三调节电极11包括第三固定电极11a、第三移动电极11b，第四调节电极12包括第四固定电极12a、第四移动电极12b，第一固定电极9a、第二固定电极10a、第三固定电极11a、第四固定电极12a均固定连接在支撑结构2上，第一移动电极9b、第二移动电极10b、第三移动电极11b、第四移动电极12b均固定连接在驱动质量块3上。
进一步，第一移动电极9b、第二移动电极10b、第三移动电极11b、第四移动电极12b均由至少两个长条状梳齿组成，第一移动电极9b的梳齿设置在与第二固定电极10a对应梳齿的右边，第三移动电极11b的梳齿设置在与第三固定电极11a对应梳齿的右边，第四移动电极12b的梳齿设置在与第四固定电极12a对应梳齿的右边。
进一步，第一移动电极9b、第二移动电极10b、第三移动电极11b、第四移动电极12b的梳齿与第一固定电极9a、第二固定电极10a、第三固定电极11a、第四固定电极12a对应梳齿的距离大于与下一梳齿的间距。
进一步，优选的，为保证静电力方向与驱动方向一致同时增加更多梳齿以增加静电力，第一移动电极9b、第二移动电极10b采用T型结构，为保证静电力方向与驱动方向一致同时增加更多梳齿以增加静电力。
如图5所示，横坐标为所施加调节电压，纵坐标为谐振频率数值。使用COMSOL建立简化模型，给支撑结构2、第一固定电极9a、第二固定电极10a、第三固定电极11a、第四固定电极12a施加固定约束。第一移动电极9b、第二移动电极10b、第三移动电极11b、第四移动电极12b施加正电势，第一固定电极9a、第二固定电极10a、第三固定电极11a、第四固定电极12a施加零电势，参数化扫描所施加电压，观察所需特征频率的变化。“o”为驱动方向谐振频率数值，“﹡”为检测方向谐振频率数值。当施加调节电压合适时，两频率可实现匹配。
本发明的工作原理为：本发明的微陀螺装置由电磁驱动，通过在驱动导线10上施加交流驱动电流，在磁铁提供的磁场作用下带动驱动质量块3、检测质量块4产生往复运动，设置在另一侧的驱动反馈导线8做切割磁感线运动产生动生电动势，通过检测此动生电动势来跟踪驱动方向的谐振频率，通过专用电路系统最终将调节信号输出至调节电极，表现为调节电极的电压发生变化，所产生的静电力也发生变化，最终实现驱动方向谐振频率的调节，使其与检测方向谐振频率匹配。
从理论推导方面理解为加入静电调谐力后运动学方程变为：
m是共振质量，c是阻尼系数，k是悬架梁的刚度系数，Fd(t)是驱动力，Fe(t)是静电耦合梳齿产生的静电力。
顶部和底部的静电耦合电容分别为：
利用电势能原理和虚位移理论，并将电容公式带入得：
将Fe(t)计算式带入运动学方程中可得固有频率为：
上述结果可理解为静电调频方法能产生静电刚度，从而影响结构谐振频率。ke即为所产生的静电刚度系数。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于隧道磁阻检测的频率可调谐微机械陀螺结构，其特征在于：包括玻璃基板(1)、支撑结构(2)、驱动质量块(3)、检测质量块(4)、第一支撑梁(5)、第二支撑梁(6)、驱动导线(7)、驱动反馈导线(8)、第一调节电极(9)、第二调节电极(10)、第三调节电极(11)、第四调节电极(12)、导线圈(13)，所述支撑结构(2)通过阳极键合固定在玻璃基板(1)上，所述第一支撑梁(5)、第二支撑梁(6)均有四个，所述支撑结构(2)通过四个第一支撑梁(5)连接有驱动质量块(3)，所述驱动质量块(3)通过四个第二支撑梁(6)连接有检测质量块(4)，所述驱动质量块(3)的两侧分别设置有驱动导线(7)、驱动反馈导线(8)，所述驱动质量块(3)分别连接有第一调节电极(9)、第二调节电极(10)、第三调节电极(11)、第四调节电极(12)，所述检测质量块(4)上设置有导线圈(13)。
2.根据权利要求1所述的一种基于隧道磁阻检测的频率可调谐微机械陀螺结构，其特征在于：还包括第一驱动电极(14)、第二驱动电极(15)、第一驱动反馈电极(16)、第二驱动反馈电极(17)、第一检测电极(18)、第二检测电极(19)、第三检测电极(20)、第四检测电极(21)，所述第一驱动电极(14)、第二驱动电极(15)、第一驱动反馈电极(16)、第二驱动反馈电极(17)、第一检测电极(18)、第二检测电极(19)、第三检测电极(20)、第四检测电极(21)均设置在支撑结构(2)表面边缘位置。
3.根据权利要求1所述的一种基于隧道磁阻检测的频率可调谐微机械陀螺结构，其特征在于：所述驱动导线(7)的两端分别连接有第一驱动电极(14)、第二驱动电极(15)，所述驱动反馈导线(8)的两端分别连接有第一驱动反馈电极(16)、第二驱动反馈电极(17)，所述检测质量块(4)上的导线圈(13)分别连接有第一检测电极(18)、第二检测电极(19)、第三检测电极(20)、第四检测电极(21)。
4.根据权利要求1所述的一种基于隧道磁阻检测的频率可调谐微机械陀螺结构，其特征在于：所述第一调节电极(9)包括第一固定电极(9a)、第一移动电极(9b)，所述第二调节电极(10)包括第二固定电极(10a)、第二移动电极(10b)，所述第三调节电极(11)包括第三固定电极(11a)、第三移动电极(11b)，所述第四调节电极(12)包括第四固定电极(12a)、第四移动电极(12b)，所述第一固定电极(9a)、第二固定电极(10a)、第三固定电极(11a)、第四固定电极(12a)均固定连接在支撑结构(2)上，所述第一移动电极(9b)、第二移动电极(10b)、第三移动电极(11b)、第四移动电极(12b)均固定连接在驱动质量块(3)上。
5.根据权利要求4所述的一种基于隧道磁阻检测的频率可调谐微机械陀螺结构，其特征在于：所述第一移动电极(9b)、第二移动电极(10b)、第三移动电极(11b)、第四移动电极(12b)均由至少两个长条状梳齿组成，所述第一移动电极(9b)的梳齿设置在与第二固定电极(10a)对应梳齿的右边，所述第三移动电极(11b)的梳齿设置在与第三固定电极(11a)对应梳齿的右边，所述第四移动电极(12b)的梳齿设置在与第四固定电极(12a)对应梳齿的右边。
6.根据权利要求5所述的一种基于隧道磁阻检测的频率可调谐微机械陀螺结构，其特征在于：所述第一移动电极(9b)、第二移动电极(10b)、第三移动电极(11b)、第四移动电极(12b)的梳齿与第一固定电极(9a)、第二固定电极(10a)、第三固定电极(11a)、第四固定电极(12a)对应梳齿的距离大于与下一梳齿的间距。
7.根据权利要求4所述的一种基于隧道磁阻检测的频率可调谐微机械陀螺结构，其特征在于：所述第一移动电极(9b)、第二移动电极(10b)采用T型结构。
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