【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于陀螺仪，具体涉及一种电极外置的双差分多质量块耦合环形mems陀螺仪。
技术介绍
1、mems陀螺仪是一种基于科氏力效应，在存在角速率输入的情况下，转换成感应器电容板位移的输出，使能量在驱动模态和敏感模态之间转移的惯性测量元件。基于微机电系统mems(micro electro mechanical systems)技术的惯性传感器具重量轻、成本低、体积小等优点，广泛应用在民用、航天以及军事等领域，有着广阔的发展前景。
2、mems多环陀螺是振动环形陀螺中一种，相比较其他 mems 陀螺，多环陀螺的优势在于其偏平化、紧凑的轴对称机械结构，无需像半球陀螺那样繁杂的工艺，从而便于低价、批量生产，也不同于实心盘陀螺，多环陀螺可以达到较大的驱动位移，多环陀螺具有低锚点阻尼、大检测质量、大结构刚度、低机械噪声、电极摆放自由等优点。但由于环形陀螺仪受限于结构形式和空间布局，导致谐振结构的寄生干扰模态靠近陀螺仪的工作模态，谐振器电极设计采用的变间隙式平板电极可容纳的电容量小，大电容容易增大电容非线性和静电非线性，限制了陀螺仪分辨率和信噪比的提升。
3、为了解决环形mems陀螺仪电极电容量小，避免产生大的电容非线性、静电非线性问题，cn117782046a提出了外置电极的大电容mems环形陀螺仪结构，该结构将驱动/检测电极外置于环结构一侧，外置电极不受环结构空间布局限制，可设置变面积式梳齿电极，从而解决了平板电极电容量小，非线性难以抑制的问题。但由于该结构的限制只能采用90°方向一次差分的检测设计，不能将任意
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种电极外置的双差分多质量块耦合环形mems陀螺仪。
2、实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种电极外置的双差分多质量块耦合环形mems陀螺仪，陀螺仪为平面z轴陀螺，整体结构为旋转对称布置，包括中间的多环结构，设置在多环结构外侧的8或12个外侧质量块，设置在多环结构内侧的8或12个内侧质量块，中间的多环结构不与任何锚点直接连接，每一组相对的内、外质量块只能沿同一径向往复运动，不能产生周向位移；
3、多环结构的振型是差分的2θ模态或者3θ模态，两侧质量块反向运动、且运动方向与多环结构差分的2θ模态或3θ模态振型波腹方向一致。
4、进一步的，多环结构由多个单环通过径向的数根辐条连接为一体。
5、进一步的，每一个外侧质量块通过外侧第一组径向解耦梁和外侧第二组径向解耦梁与外侧锚点连接，多环结构通过外侧周向解耦梁和每一个外侧质量块连接；
6、每一个内侧质量块通过内侧第一组径向解耦梁和内侧第二组径向解耦梁与内侧锚点连接，多环结构通过内侧周向解耦梁和每一个内侧质量块连接；
7、外侧周向解耦梁和内侧周向解耦梁分别用于在外侧质量块与多环结构之间、内侧质量块与多环结构之间传递径向力；
8、相邻外侧质量块之间设置用于陀螺仪正交输出抑制的正交平板电极。
9、进一步的，每一个外侧质量块内设变面积梳齿电极；
10、2θ模态下，沿广义空间上相互垂直的第一方向和第二方向的四个变面积梳齿电极工作时作为驱动电极，其他外侧质量块内的变面积梳齿电极用于闭环检测的力反馈电极；
11、3θ模态下，广义空间上相隔60°的六个变面积梳齿电极工作时作为驱动电极，其它外侧质量块内的变面积梳齿电极用于闭环检测的力反馈电极。
12、进一步的，每一个内侧质量块内设变面积梳齿电极和调谐电极；
13、2θ模态和3θ模态下，与驱动电极位置相对的内侧质量块内的变面积梳齿电极工作时作为驱动检测电极，其它内侧质量块内的变面积梳齿电极作为用于检测在科氏效应下产生的敏感位移的敏感检测电极。
14、进一步的，外侧周向解耦梁和内侧周向解耦梁均由数根径向布置的细长条形梁末端连接组成；
15、内侧第一组径向解耦梁、内侧第二组径向解耦梁，外侧第一组径向解耦梁和外侧第二组径向解耦梁均由数根周向布置的细长条形梁末端连接组成。
16、进一步的，变面积梳齿电极包括可动梳齿和通过锚点固定在衬底上的固定梳齿组成；
17、调谐电极由连接在质量块上的调谐电极可动梳齿和通过锚点固定在衬底上的调谐电极固定梳齿组成。
18、进一步的，外侧质量块和内侧质量块上设有减重孔。
19、进一步的，通过调整质量块的等效质量、内外四组径向解耦梁的径向刚度以及多环结构的等效质量和等效刚度来调整工作模态与其他干扰模态的频差，使得陀螺仪工作在2θ模态或者3θ模态，避免干扰模态的耦合。
20、进一步的，谐振频率w与结构参数满足：
21、
22、上式中，m和k分别表示陀螺结构沿驱动/检测方向的等效质量和等效刚度，并满足下式的关系；
23、
24、式中，，，分别为外侧质量块，内侧质量块，多环结构沿驱动方向上的位移，，，分别为外侧质量块，内侧质量块，多环结构沿检测方向上的位移，表示惯性空间的角速率大小，ag表示多环结构的科氏耦合系数，表示外侧质量块的等效质量，表示外侧第一组径向解耦梁和外侧第二组径向解耦梁沿径向的等效刚度，表示外侧质量块的阻尼系数，表示内侧质量块的等效质量，表示内侧第一组径向解耦梁和内侧第二组径向解耦梁沿径向的等效刚度，表示内侧质量块的阻尼系数，、和分别表示多环结构的等效质量、等效刚度和等效阻尼。
25、本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：
26、本专利技术通过中间的多环结构将两侧质量块耦合连接在一起，通过质量块来驱动/检测陀螺仪的运动，既实现了谐振器的电极外置，将驱动/检测电极实现了变面积式梳齿结构，相较于传统的平板电极，增大了电极电容量，降低的静电非线性和电容非线性；同时质量块随多环结构的差分2θ振型（3θ振型）往复振动，实现陀螺仪的双差分结构设计，为检测信号的二次差分处理提供了结构上的基础，陀螺仪的二次差分能抑制非线性和共模误差，提高陀螺仪的稳定性和抗震动性能。
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1.一种电极外置的双差分多质量块耦合环形MEMS陀螺仪，其特征在于，陀螺仪为平面Z轴陀螺，整体结构为旋转对称布置，包括中间的多环结构（1），设置在多环结构（1）外侧的8或12个外侧质量块（6），设置在多环结构（1）内侧的8或12个内侧质量块（7），中间的多环结构（1）不与任何锚点直接连接，每一组相对的内、外质量块只能沿同一径向往复运动，不能产生周向位移；
2.根据权利要求1所述的电极外置的双差分多质量块耦合环形MEMS陀螺仪，其特征在于，多环结构（1）由多个单环（102）通过径向的数根辐条（101）连接为一体。
3.根据权利要求2所述的电极外置的双差分多质量块耦合环形MEMS陀螺仪，其特征在于，每一个外侧质量块（6）通过外侧第一组径向解耦梁（12）和外侧第二组径向解耦梁（13）与外侧锚点（4）连接，多环结构（1）通过外侧周向解耦梁（2）和每一个外侧质量块（6）连接；
4.根据权利要求3所述的电极外置的双差分多质量块耦合环形MEMS陀螺仪，其特征在于，每一个外侧质量块（6）内设变面积梳齿电极；
5.根据权利要求4所述的电极外置的双差分
6.根据权利要求5所述的电极外置的双差分多质量块耦合环形MEMS陀螺仪，其特征在于，外侧周向解耦梁（2）和内侧周向解耦梁（3）均由数根径向布置的细长条形梁末端连接组成；
7.根据权利要求6所述的电极外置的双差分多质量块耦合环形MEMS陀螺仪，其特征在于，变面积梳齿电极包括可动梳齿和通过锚点固定在衬底上的固定梳齿组成；
8.根据权利要求7所述的电极外置的双差分多质量块耦合环形MEMS陀螺仪，其特征在于，外侧质量块（6）和内侧质量块（7）上设有减重孔。
9.根据权利要求8所述的电极外置的双差分多质量块耦合环形MEMS陀螺仪，其特征在于，通过调整质量块的等效质量、内外四组径向解耦梁的径向刚度以及多环结构的等效质量和等效刚度来调整工作模态与其他干扰模态的频差，使得陀螺仪能工作在2θ模态或者3θ模态，避免干扰模态的耦合。
10.根据权利要求9所述的电极外置的双差分多质量块耦合环形MEMS陀螺仪，其特征在于，谐振频率w与结构参数满足：
...【技术特征摘要】
1.一种电极外置的双差分多质量块耦合环形mems陀螺仪，其特征在于，陀螺仪为平面z轴陀螺，整体结构为旋转对称布置，包括中间的多环结构（1），设置在多环结构（1）外侧的8或12个外侧质量块（6），设置在多环结构（1）内侧的8或12个内侧质量块（7），中间的多环结构（1）不与任何锚点直接连接，每一组相对的内、外质量块只能沿同一径向往复运动，不能产生周向位移；
2.根据权利要求1所述的电极外置的双差分多质量块耦合环形mems陀螺仪，其特征在于，多环结构（1）由多个单环（102）通过径向的数根辐条（101）连接为一体。
3.根据权利要求2所述的电极外置的双差分多质量块耦合环形mems陀螺仪，其特征在于，每一个外侧质量块（6）通过外侧第一组径向解耦梁（12）和外侧第二组径向解耦梁（13）与外侧锚点（4）连接，多环结构（1）通过外侧周向解耦梁（2）和每一个外侧质量块（6）连接；
4.根据权利要求3所述的电极外置的双差分多质量块耦合环形mems陀螺仪，其特征在于，每一个外侧质量块（6）内设变面积梳齿电极；
5.根据权利要求4所述的电极外置的双差分多质...
【专利技术属性】
技术研发人员：姜波，李姣龙，苏岩，周同，张晶，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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