一种改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元及陀螺仪制造技术

本实用新型专利技术提供了一种改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元及陀螺仪，涉及陀螺仪技术领域，能够防止谐振子品质因子下降同时实现高机电耦合系数，获得具有改进偏置性能、高灵敏度和优良信噪比的微型振动陀螺仪；该敏感单元包括外壳、敏感单元基座和谐振子，所述外壳与所述敏感单元基座固接，所述谐振子设于所述外壳内部，所述谐振子的垂直壁上设有若干压电陶瓷，所述压电陶瓷与外部电子元件连接，相邻两个压电陶瓷之间设有若干用于改进比例因子的开口。该陀螺仪使用如上的敏感单元。本实用新型专利技术提供的技术方案适用于陀螺仪设计制作和使用的过程中。用的过程中。用的过程中。

【技术实现步骤摘要】
一种改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元及陀螺仪


[0001]本技术涉及陀螺仪
，尤其涉及一种改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元及陀螺仪。

技术介绍

[0002]旋转角度或角速率至少可以通过三种物理现象来测量，即角动量守恒、萨格纳克效应和科里奥利力。在其最常见的形式中，陀螺仪是一种使用这些现象之一来测量或保持方向和角速度的装置。陀螺仪角旋转速率的测量可随时间积分，以确定陀螺仪角方向的变化。例如，陀螺仪可用于诸如惯性导航系统(INS)、惯性测量单元(IMU)、平台稳定、地面车辆姿态控制系统(ACS)、钻探测量仪器、飞机、船舶、航天器和/或其他应用中。
[0003]哥氏振动陀螺仪(CVG)属于机械结构(谐振子)陀螺仪的一种，该谐振子在外部哥氏力的作用下实现从一个振动模态和另外一个(或多个)模态的耦合。当只涉及两个共振模式，即主振型和次振型时，CVG成为一个单轴角速率(或者角度)传感器。
[0004]CVG是一项重要的惯性技术，具有方便陀螺仪小型化、适合批量生产的特点，特别是用作振动陀螺仪的谐振子时能够形成微电子机械系统(MEMS)，其由蚀刻硅或石英晶片制成，其制备工艺与集成电路(IC)相似。
[0005]与使用角动量守恒的陀螺仪(即速率陀螺仪、速率积分陀螺仪、浮动陀螺仪、动态调谐陀螺仪(DTG))相比，振动陀螺仪具有许多优点，更易于生产，成本更低廉，更容易组装，体积更小，工作性能(包括振动、冲击和温度)更稳定，使得振动陀螺仪具有更高的可靠性和更长的使用寿命。
[0006]振动陀螺仪可设计为在开环、力再平衡(即闭环)和/或全角工作模式下运行。力再平衡模式和开环模式都可以直接测量传感轴的转速。全角模式可以获得初始化后净旋转角度的测量值。
[0007]各种形状的谐振子都可用在振动陀螺仪中。这些谐振子可以是宏观尺寸系统，也可以是微观尺寸(MEMS)，但只有轴对称的宏观尺寸谐振子才具有导航级性能(即低于0.01度/小时的漂移误差)。
[0008]在这种轴对称科里奥利陀螺仪中，谐振子优选使用半球形，主模态时壳体边缘发生椭圆变形，四个节点彼此相距90
°
，位于垂直于壳体对称轴的平面XY中(表示为Z)。次模态也是椭圆形的，可以从45
°
旋转的主模态变形中导出。这两种模式的波数均等于2。假设谐振子是完全轴对称的，两种模式将具有相同的谐振频率。当主模态通电时，围绕Z轴的任何旋转W都会产生科里奥利力，倾向于将能量从一阶模态转移到二阶模态，在闭环配置中，平衡二阶模态所需的力将与W成正比。在全角工作模式配置中，二阶模态可自由接收从一阶模态传输给它的能量，如果控制系统将总振动能量保持在设定值，主模态和次模态的结合会产生一种新的椭圆模式，节点相对于谐振腔轴线XY旋转了一个与输入旋转角度成正比的角。
[0009]半球科里奥利陀螺仪通常由金属化的二氧化硅(Northrop Grumman,Safran)制成，在高真空下，在谐振子和电极载体(也由金属化二氧化硅制成)之间形成的电极系统用
于产生控制谐振子和测量旋转角速率或净旋转角的静电力和电容检测信号。由于该系统相对复杂、体积大且难以生产，因此其价格仍然很高，对于要求较低的应用，仅要求战术级性能(1
°
hr到10
°
/hr)或更小的尺寸，可采用金属圆柱体和压电传感器替代轴对称设计。
[0010]圆筒结构谐振子的第一次使用是在80年代，使用一个金属圆柱体，在圆筒壁上粘贴PZT压电结构，靠近圆筒结构顶部的边缘。一个支撑圆筒的杆放在外面，在圆筒结构平底的中心。2005年提出了一种体积更小、更易于组装的替代设计，这次将支撑杆放置在谐振子内，所有压电陶瓷结构都粘结在谐振子平底外侧，而不是谐振子的外曲面上。一旦谐振子连接到一个安装基座上，并在中等真空下封装，这种结构就形成了所谓的CVG敏感单元(SE)。尽管在这种特定情况下，圆柱谐振子相对较小，外径约为25mm，但最终SE外形尺寸大致为25mm高和39mm安装底座直径。总质量略低于80克。
[0011]不幸的是，这些尺寸和质量仍然太大，这妨碍了这些宏观尺寸的高精度轴对称圆柱科里奥利陀螺仪在许多IMU和平台稳定应用中的使用。
[0012]为了克服这一问题，提出了一种改进的CVG敏感单元(SE)轴对称设计，如图1所示，仍然使用圆柱形谐振子，但在外部，在其平底的中心位置放置一个支撑杆，采用酒杯式配置。
[0013]这种布置在谐振子内部留下了一个很大的自由空间，以便于加工操作，尤其是其内径的加工。由于谐振子的外形尺寸要缩小并微型化，在谐振子内放置支撑杆将使其内径无法加工。此外，多个压电结构连接到圆柱体垂直壁上(仍然在其端部，但在对曲面进行切割后的平面上)以避免将其连接到曲面上，同时也可以非常精确地和等角地进行定位。压电结构的数量是2的倍数，优选为8。仍然出于尺寸减小的原因，谐振子连接到圆形的安装底座上，安装底座外径上有凹槽，容纳圆形安装阻尼器。该阻尼器的横截面为I形，夹在SE中间，允许将整个结构夹在用户安装板(图1中未显示)上。
[0014]就工作模式而言，假设使用适当的控制电子元件，改进的CVG敏感单元(SE)设计可以在开环、力再平衡(即闭环)或全角工作模式下运行。为了实现高陀螺仪灵敏度，从而提高信噪比，开环和力再平衡模式都需要优良的机电-压电(electromechanical piezoelectric)增益，以驱动和维持一阶模态至设定振幅，以及用于感测二阶模态(开环)或施加平衡二阶模态(闭环)的力。
[0015]机电压电增益主要基于压电特性，包含了压电效应(direct piezoelectric effect)和压电逆效应(reversed piezoelectric effect)，这取决于连接到圆柱形谐振子上的压电结构是否用于感测或驱动一阶模态和二阶模态的振动。例如，图2是一个闭环配置的示例。在测量侧(直接压电效应)，在压电结构的金属表面上积累的电荷响应机械应力(在圆筒结构中由一阶和二阶模态产生)通常被转换成可由控制电子设备处理的电压。在驱动侧，压电逆效应(reverse effect)与控制电子元件一起使用，在驱动压电结构上产生电压，以产生电场，进而产生机械应变。由于压电结构是刚性连接在圆筒壁上，局部的机械应变导致机械应力，当所有这些都在一阶模态和二阶模态共振频率下进行时，就会产生控制以上模式的力。
[0016]为了获得高的压电-机电增益(piezoelectric electromechanical gains)，通常考虑高效压电材料，并设想具有高压电电荷系数(d
ij
)的PZT材料。
[0017]每个压电结构沿谐振子壁的位置也很重要，如一阶模态或二阶模态通电时，如图3
所示，机械应变在谐振子顶部(即在其边缘，椭圆振动发生的位置)达到最大值，在谐振子底部，机械应变趋向于零，甚至在支撑杆所在的位置变为零(支撑杆放在振动节点上)。因此，从陀螺仪灵敏度(即标度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元，其特征在于，所述敏感单元包括外壳、敏感单元基座和谐振子，所述外壳与所述敏感单元基座固接，所述谐振子设于所述外壳内部，所述谐振子的垂直壁上设有若干压电陶瓷，所述压电陶瓷与外部电子元件连接，相邻两个压电陶瓷之间设有若干开口。2.根据权利要求1所述的改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元，其特征在于，相邻两个压电陶瓷之间的开口均匀排列。3.根据权利要求1所述的改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元，其特征在于，每相邻两个压电结构之间的开口的数量均相等，且都均匀排列。4.根据权利要求1-3任一所述的改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元，其特征在于，所述开口具体为通孔。5.根据权利要求4所述的改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元，其特征在于，所述开口的形状为矩形、椭圆形或圆形。6.根据权利要求1所述的改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元，其特征在于，所述谐振子...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛玉，
申请(专利权)人：华欧星通北京科技有限公司，
类型：新型
国别省市：