惯性元件校准结构及微机械陀螺仪的制作方法

1.本发明涉及陀螺仪安装结构技术领域，尤其涉及一种惯性元件校准结构及微机械陀螺仪。


背景技术：

2.微机械陀螺仪，凭借其体积小、质量轻、功耗低、可批量化生产及成本低等优势，已广泛应用于消费电子、航空航天等技术领域。随着性能的不断提升，微机械陀螺仪成为微型惯性系统的核心和推动导航系统微小型化发展的关键器件。其中零位偏移是影响微陀螺精度的关键因素，它是影响微机械陀螺仪与惯性系统精度、限制微机械陀螺仪应用范围的重要因素。随着应用需求的不断提升，减小微机械陀螺仪零偏误差，是微机械陀螺在高精度领域广泛应用的关键。
3.微机械陀螺仪的性能受工艺误差和环境等多种因素的影响，导致其输出存在零偏、零偏易发生偏移等问题，难以通过信号处理的方式将零偏信号从有用的角速度信号中提取出来。其中温度对微机械陀螺仪的性能影响很大，主要体现在陀螺仪的零偏随着温度变化有较大的漂移。国内外对微机械陀螺仪的零偏主要集中于建立零偏温度补偿模型，而温度补偿模型的建立是基于高精度的温度传感器以及高重复性可靠性的陀螺仪，模型的准确度取决于器件本身的高可靠性。此外陀螺仪的零偏温补模型需要定期校正，防止发生改变，增加了工作量。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种惯性元件校准结构及微机械陀螺仪，用以解决现有技术中微机械陀螺仪零位校准困难的问题。
5.本发明实施例提供一种惯性元件校准结构，包括：
6.基部，所述基部上设置有限位结构；
7.抖动部，所述抖动部同轴设置在所述基部内，所述抖动部适于连接惯性元件；
8.抖动驱动结构，所述抖动驱动结构连接所述抖动部和所述基部，并用于驱动所述抖动部产生抖动；以及
9.旋转控制结构，所述旋转控制结构用于控制所述抖动部轴向旋转的旋转方向；
10.所述限位结构用于使所述抖动部正向旋转角度和反向旋转角度相同。
11.根据本发明一个实施例的惯性元件校准结构，所述抖动部包括位于中心的质量区和两个及以上的抖动臂，所述抖动臂与所述质量区连接，各所述抖动臂绕所述质量区的轴线等角度均布。
12.根据本发明一个实施例的惯性元件校准结构，所述限位结构包括限位槽和止动块，所述限位槽设置在所述基部上，所述限位槽与所述抖动臂一一对应设置，所述抖动臂的端部位于所述限位槽内，沟槽所述止动块设置在所述限位槽的侧壁上，且分别在同一所述抖动臂旋转方向的两侧设置有至少一个，所述抖动臂由初始位置正向旋转至与其中一个止
动块抵接的旋转角度和反向旋转至与另一个止动块抵接的旋转角度相同。
13.根据本发明一个实施例的惯性元件校准结构，所述旋转控制结构包括分别设置在所述限位槽两侧和所述抖动臂两侧的静电吸附电极。
14.根据本发明一个实施例的惯性元件校准结构，所述抖动驱动结构包括驱动电极和多个挠性梁，所述挠性梁一端连接所述质量区，另一端连接所述基部，各所述挠性梁绕所述质量区的轴线等角度排布，所述驱动电极设置在至少一个所述挠性梁上。
15.根据本发明一个实施例的惯性元件校准结构，其中一个所述挠性梁上设置有惯性元件的驱动信号引出电极，其中另一个所述挠性梁上设置有惯性元件的检测信号引出电极。
16.根据本发明一个实施例的惯性元件校准结构，所述挠性梁上设置有沟槽，所述驱动电极布置在所述沟槽的底部和侧壁上。
17.根据本发明一个实施例的惯性元件校准结构，所述挠性梁为回折型梁或直梁。
18.根据本发明一个实施例的惯性元件校准结构，所述基部为正六边形结构，所述抖动臂和所述限位槽对应设置有六组，所述限位槽位于所述基部的角部。
19.本发明实施例还提供一种微机械陀螺仪，包括惯性元件和以上任一项所述的惯性元件校准结构，所述抖动部上设置有对准标记，所述惯性元件上设置有垫片，所述垫片适于在所述对准标记位置与所述抖动部连接。
20.本发明实施例提供的惯性元件校准结构及微机械陀螺仪，将惯性元件与抖动部连接后，通过抖动部带动惯性元件振动来调制惯性元件的敏感方向，从而实现惯性元件的零位自校准，以抑制或消除惯性元件的零偏，提高惯性元件的精度。
21.本发明实施例提供的惯性元件校准结构及微机械陀螺仪，具有校准效果好，结构稳定，易于安装和使用以及适用性强的优点。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明一个实施例提供的惯性元件校准结构的正视图；
24.图2是表现本发明一个实施例提供的惯性元件校准结构中静电吸附电极和止动块结构的示意图；
25.图3是表现本发明一个实施例提供的惯性元件校准结构中沟槽结构的示意图；
26.图4是是本发明一个实施例提供的微机械陀螺仪中石英音叉陀螺的结构示意图；
27.图5是本发明另一个实施例提供的惯性元件校准结构的正视图。
28.附图标记：
29.1、基部；11、外接环；12、镂空区；121、安装槽；122、限位槽；123、止动块；124、静电吸附电极；2、抖动部；21、质量区；22、抖动臂；23、对准标记；3、挠性梁；31、直梁部；311、沟槽；32、回折部；4、石英音叉陀螺；41、驱动叉；42、垫片。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
31.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.在本发明实施例的描述中，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。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实施例中的具体含义。
33.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
34.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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实施例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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
35.下面结合图1-图3描述本发明实施例的惯性元件校准结构，惯性元件校准结构包括：基部1、抖动部2、抖动驱动结构和旋转控制结构。
36.其中，基部1呈板状，可以是石英基板、陶瓷基板、pcb板中任意一种基板；基部1上设置有垂直贯穿基部1的安装槽121。抖动部2设置在安装槽121内，抖动部2与基部1共轴线，且抖动部2与基部1之间形成间隔，使抖动部2能够在基部1内绕其轴线旋转摆动。抖动部2适于连接惯性元件，在抖动部2产生抖动和旋转时，能够同时带动惯性元件抖动和旋转。
37.抖动驱动结构连接抖动部2和基部1，并用于驱动抖动部2产生绕其轴线的抖动，使抖动部2打破原有的平衡，为抖动部2的旋转创造条件。
38.旋转驱动结构用于控制抖动部2轴向旋转的旋转方向，旋转控制结构能够控制抖动部2由初始位置产生正向和反向的双向旋转。
39.基部1上设置有限位结构，限位结构用于使抖动部2正向旋转角度和反向旋转角度相同。
40.图1中所示的状态为基部1未发生抖动或旋转的初始状态。以下以石英音叉陀螺4
作为本发明实施例中的惯性元件对惯性元件校准结构的运行原理进行描述：
41.将石英音叉陀螺4固定在抖动部2上，使石英音叉陀螺4与抖动部2共轴线，且使石英音叉陀螺4的驱动叉41指沿图1中的竖向。对石英音叉陀螺4通电，使石英音叉陀螺4的驱动叉41指沿x轴方向往复运动。抖动驱动结构驱动抖动部2和石英音叉陀螺4产生抖动，当抖动部2到抖动臂22可以转动的设计角度时，旋转控制结构作用于抖动臂22，使抖动臂22绕其轴线转动。在限位结构的作用下，抖动臂22旋转至固定角度后停止旋转，此时，石英音叉陀螺4的输出信号在y方向上具有一个分量，设为y。当旋转控制结构作用于抖动臂22，使抖动臂22绕其轴线朝向相反方向转动时，在限位结构的再次作用下，抖动臂22旋转至相反方向的相同角度后停止旋转，此时，石英音叉陀螺4的输出信号在y方向上具有一个分量，设为-y。由于输出信号变化了方向，但噪声方向不会随输出信号相位产生变化，通过差分电路即可将y方向的噪声消除，在不需要增加额外硬件设施的前提下可以起到消除零偏的作用。
42.可选的，抖动部2包括位于中心的质量区21和两个及以上的抖动臂22。抖动臂22为直线型延伸的杆体结构，抖动臂22的一端连接抖动部2的边缘，另一端沿抖动部2的径向延伸，抖动臂22能够增加质量区21的旋转力臂，使中心区旋转更顺利。各抖动臂22绕质量区21的轴线等角度均布，使抖动部2受力均衡，旋转稳定。优选的，各抖动臂22的中心线位于质量部的同一径向平面内，从而进一步增加稳定性、减小抖动部2的轴向厚度。
43.在本发明一个实施例中，限位结构包括限位槽122和止动块123。限位槽122为设置在基部1内侧的凹槽，限位槽122的槽口朝向基部1中心一侧。抖动臂22背离质量区21一端插入限位槽122内，并且在初始状态不与限位槽122的内壁接触，使抖动臂22可以在限位槽122内摆动。限位槽122的数量与抖动臂22的数量相同，并且与抖动臂22一一对应。止动块123固定在限位槽122的侧壁上，且分别在同一抖动臂22旋转方向的两侧设置有至少一个。在抖动臂22未发生旋转的初始状态下，止动块123同样未与抖动臂22接触。抖动臂22的中心线与限位槽122的中心线重合，抖动臂22由初始位置正向旋转至与其中一个止动块123抵接的旋转角度和反向旋转至与另一个止动块123抵接的旋转角度相同。止动块123起到保证在校准过程中，保证抖动臂22正向和反向旋转相同角度的作用。
44.可选的，抖动臂22由与质量区21连接一端至背离质量区21一端杆径逐渐增大，相应的，限位槽122也设置为由开口至底端宽度逐渐增大的燕尾槽结构。
45.进一步可选的，基部1包括外接环11和镂空区12，外接环11与镂空区12共轴心且通过共晶焊、绝缘胶等方式固定。限位槽122和止动块123均设置在镂空区12上。
46.在本发明一个实施例中，旋转控制结构包括分别设置在限位槽122两侧和抖动臂22两侧的静电吸附电极124，通过更改限位槽122两侧静电吸附电机124的静电电压方向能够控制抖动臂22的绕z轴的旋转方向。止动块123在限位槽122侧壁上的延伸长度应当高于静电吸附电极124的厚度，从而避免限位槽122侧壁上的静电吸附电极124与抖动臂22上的静电吸附电极124直接接触。、
47.在本发明一个实施例中，抖动驱动结构包括驱动电极和多个挠性梁3。挠性梁3一端连接质量区21，另一端连接基部1，各挠性梁3绕质量区21的轴线等角度排布，在各挠性梁3的牵引作用下能够使抖动部2在自然状态下维持在初始位置。
48.结合图5，在一种可实现方式中，挠性梁3为直梁结构，挠性梁3的一端连接质量区21，另一端连接基部1。
49.回见图1，在另一种可实现方式中，挠性梁3包括直梁部31和回折部32，其中直梁部31一端连接质量区21，另一端连接回折部32，回折部32连接基部1。回折部32的设置能够在有限的空间内增大挠性梁3的总长度，更有利于抖动部2的抖动和旋转。
50.驱动电极设置在挠性梁3上，驱动电极能够使挠性梁3发生抖动，进而带动抖动部2进行抖动。
51.可选的，在各挠性梁3中多个挠性梁3同时设置有驱动电极，通过多个挠性梁3共同带动抖动部2抖动。
52.进一步可选的，挠性梁3上设置有沟槽311，驱动电极布置在沟槽311的底部和侧壁上。
53.在本发明一个实施例中，其中一个挠性梁3上设置有惯性元件的驱动信号引出电极，其中另一个挠性梁3上设置有惯性元件的检测信号引出电极。将惯性元件与质量区21连接后，可通过挠性梁3将驱动信号传递至惯性元件，也可以通过挠性梁3将惯性元件的检测信号引出。
54.在本发明一个实施例中，基部1为正六边形结构，抖动臂22和限位槽122对应设置有六组，相邻两组之间的夹角为60
°
，能够实现抖动部2稳定旋转。限位槽122位于基部1的角部，能够使抖动臂22在有限的空间内具有更大的延伸长度。
55.结合图1和图4，在本发明一个实施例中，提供了一种微机械陀螺仪，其包括惯性元件和以上任一项实施例的惯性元件校准结构，抖动部2上设置有对准标记23，惯性元件上设置有垫片42，垫片42适于在对准标记23位置与抖动部2连接。
56.当惯性元件采用石英音叉陀螺4时，垫片42设置在石英音叉陀螺4的一侧中部，将垫片42固定至抖动部2的对准标记23位置，实现石英音叉陀螺4与抖动部2的连接。
57.对准标记23可以为抖动部2上设置的凸起或凹槽，并且，将垫片42和对准标记23设置为相同的形状和尺寸，能够在将石英音叉陀螺4安装至抖动部2时保证石英音叉陀螺4的安装位置及朝向准确。
58.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。