[实用新型]具有高MTBF的微型振动陀螺仪敏感单元及陀螺仪

说明书

本实用新型提供了一种具有高MTBF的微型振动陀螺仪敏感单元及陀螺仪，涉及陀螺仪技术领域，能够有效增加陀螺的MTBF，降低成本并便于实现更小体积的集成敏感单元；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，所述敏感单元基座为绝缘材质，所述敏感单元基座内设有若干用于传输压电信号的导电结构；所述导电结构与所述敏感单元基座为密封连接；所述谐振子的垂直外壁上设有若干压电陶瓷；所述压电陶瓷通过导线与对应的导电结构连接。本实用新型提供的技术方案适用于陀螺仪设计制作的过程中。

【技术领域】

本实用新型涉及陀螺仪技术领域，尤其涉及一种具有高MTBF的微型振动陀螺仪敏感单元及陀螺仪。

【背景技术】

旋转角速率或角度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。

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。

CVG代表了一种重要的惯性技术，因为它们适合微型化，适合批量生产，特别是当用于形成振动陀螺仪的谐振子是由蚀刻硅或石英晶片制成的微电子机械系统(MEMS)时，其方式与集成电路(IC)类似。

振动陀螺仪比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))和使用Sagnac效应的陀螺仪(即光纤陀螺仪、环形激光陀螺仪)具有许多优势，因为它们可能更容易生产，更容易以更低的成本组装，体积更小，对工作环境(包括振动、冲击和温度)更稳定，最终使得它们能够提供更高的可靠性和更长的使用寿命。

CVG可以设计为开环或者深度闭环负反馈模式，在这两种模式下，陀螺仪是一种速率陀螺仪，直接测量外部的输入角速率；也可以设计为全角模式，此时陀螺仪可以测量以初始位置为基准的角度信息。

多种形式或者形状的谐振子可以用来组成CVG，其中包含谐振子的外壳和振动质量。从尺度上来划分，这些谐振子可以是大尺度的(如毫米级别)也可以是微尺度的(如微米级的MEMS)，但是，基于加工精度以及由此带来的误差机理分析来看，只有采用全对称设计的大尺度下全对称谐振子才能达到导航级的测量精度。

谐振子被设计为半球壳形状，主模态下，谐振子的唇沿发生椭圆变形，四个波节互呈90°，二阶模态也是椭圆形，一阶模态旋转45°即为二阶模态的振形，两个模态的波数是2，假设谐振子是完全对称的，两个模态的谐振频率相等，当一阶模态被完美激发后，任何在Z轴方向的输入角速率都会产生哥氏力，该哥氏力将使得谐振子激发的能量从一阶模态跃迁到二阶模态，在全闭环反馈模式下，反馈力被用来平衡或者抵消该二阶模态，从而实现反馈力等于输入哥氏力，实现输入角速率的测量；在全角模式下，二阶模态可以自由无约束接收来自一阶模态的能量转移，通过控制策略，得到维持谐振子位置自由振荡的能量，一阶模态和二阶模态组成了一个新的振型，通过测量新的振型的波节，可以计算得到输入角度的大小。

半球壳科里奥利陀螺仪通常由金属化二氧化硅(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转速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、体积庞大且难以生产，因此其价格仍然很高，而且对于要求较低的应用，仅要求战术级性能(1h到10/hr)和更小的尺寸，提出了一种利用金属柱和压电换能器驱动和测量振动的轴对称设计方案。