CN102661744A - 硅基双平衡环动调陀螺转子体结构与加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅基双平衡环动调陀螺转子体结构，包括一个内环、一个转子和两个独立的平衡环，所述内环、转子和平衡环均为空心圆柱体结构，所述内环与电机转子体固定连接，且设置在转子内，所述平衡环设置在内环和转子之间，并且通过内扭杆、外扭杆分别与内环、转子连接。本发明还公开了一种硅基双平衡环动调陀螺转子体结构的加工方法。本发明硅基双平衡环动调陀螺转子体结构能有效的消去单平衡环2倍频角振动带来的影响，可以提高陀螺精度。

Description

硅基双平衡环动调陀螺转子体结构与加工方法

技术领域

本发明涉及微机电陀螺的设计领域，特别是硅基双平衡环动调陀螺转子体结构与加工方法。

背景技术

利用微机电技术制造而成的硅微陀螺具有体积小，重量轻，成本低，可靠性高，功耗小，可批量生产等优点，可广泛用于航空、汽车、医疗、摄影、电子消费等领域，具有广阔的应用前景。目前已经成为惯性导航仪发展的重要方向，国内外许多院校和科研单位都在进行微机电陀螺仪的研究。

传统动力谐陀螺仪式上20世纪60年代发展起来的一种机电陀螺仪。是一种用挠性支承悬挂陀螺转子，并将陀螺转子与驱动电机隔开，其挠性支承的弹性刚度由支承本身产生的动力效应来补偿的二自由度陀螺仪。动力调谐陀螺仪与谐振式陀螺仪相比具有稳定性好，线路简单，线性度好等优点。国外从事动力调谐陀螺仪研制的国家有美国、英国、俄罗斯、法国、德国等，研制这种陀螺的公司主要有美国的Northrop Grumman公司、Teledyne公司、Kernot公司，俄罗斯的Ramenskoye Design公司以及BAE系统公司等。美国的特里达因公司从60年代末期开始研制捷联式惯性系统用的动力调谐陀螺仪，先后研制成功的有SDG-1、SDG-2、SDG-5等型号。九十年代以来，国外的动力调谐陀螺仪有了进一步的发展。诺思普罗公司生产的G2000小型动力调谐陀螺仪，平均无故障时间大于100000小时。美国在2002年将动力调谐陀螺仪作为一项关键技术列出，并提出为保护美国优势的此关键技术参数的最低水平为：抗击小于10g，漂移稳定性小于0.01^o/h；冲击在10~100g时，漂移稳定性小于0.5^o/h；在任何作战平台上，线加速度大于100g时有效。另外，俄罗斯Ramenskoye Design公司生产的GVK-16动力调谐陀螺仪尺寸为                                               32

31.05mm，冲击能力为100g，输入角速率在连续和短期时分别宽达200^o/s和700^o/s。我国上世纪70年代开始主攻动力调谐陀螺仪技术，于80年代中期攻克。相对于其他新型惯性仪表，我国的动力调谐陀螺仪已经建立了成熟的加工工艺，形成一定的生产基础。中国航天科技集团33研究所、航天时代公司、四川国营453厂、航空618所、东南大学、北京航空航天大学等单位进行了多年的动力调谐陀螺仪研制和批量生产。但是，传统的动力调谐陀螺仪不是硅微加工，其转子体设计和加工复杂，体积较大。为了解决传统的动力调谐陀螺仪的不足，东南大学王寿荣，苏岩等发明了的调谐式微机电陀螺仪，初步测试有一定的精度，但由于采用的是单平衡环结构，无法消除2倍频角振动理论上的误差。要想进一步提高微机电调谐式陀螺仪精度，必须采用多平衡环结构。由于多环加工更加困难，且随着环数的增加，又会带来新的误差，采用双环理论上能完全消除2倍频角振动带来的影响。

动力调谐陀螺仪驱动电机通过驱动轴，挠性接头带动陀螺转子高速旋转。挠性接头的机构能保证陀螺仪在垂直于驱动轴有速度时，陀螺转子相对壳体产生较偏转信号，一方面通过检测偏转信号，来确定转子的偏角。另一方面，该信号通过静电力反馈产生力矩，作用陀螺转子，使陀螺转子回到平衡位置。挠性接头是一种连接装置，各环通过挠性杆连接。通过调节，使平衡环产生的负弹性力矩与挠性杆产生的正弹性力矩相平衡，就是动力调谐。目前，动力调谐陀螺仪在精度、寿命和成本等方面拥有综合优势，在各种惯性系统中得到了广泛的应用，但其传统的结构、材料和加工特性直接造成了它在抗冲击性能、启动时间等方面存在问题。

发明内容

本发明的目是针对现有动调陀螺2倍频角振动误差的不足，提供了一种精度高和稳定性好，且具有体积小、重量轻、成本低，功耗小，可靠性好的硅基双平衡环动调陀螺转子体结构。

本发明的另一个目的在于提供一种硅基双平衡环动调陀螺转子体结构的加工方法。

本发明采用的技术方案是：一种硅基双平衡环动调陀螺转子体结构，包括一个内环、一个转子和两个独立的平衡环，所述内环、转子和平衡环均为空心圆柱体结构，所述内环与电机转子体固定连接，且设置在转子内，所述平衡环设置在内环和转子之间，并且通过内扭杆、外扭杆分别与内环、转子连接。

作为优选，所述平衡环包括平衡环一和平衡环二，平衡环一和平衡环二自上而下依次排列；

所述平衡环一通过一对内扭杆一与内环连接，平衡环一通过一对外扭杆一与转子连接，内扭杆一与外扭杆一方向垂直；

所述平衡环二通过一对内扭杆二与内环连接，平衡环二通过一对外扭杆二与转子连接，内扭杆二与外扭杆二方向垂直，内扭杆二与所述内扭杆一方向垂直，外扭杆二与所述外扭杆一方向垂直；

作为优选，各平衡环所对应的扭杆相互独立，其运动与单平衡环一致，且各平衡环之间留有一定的间隙，使各平衡环之间的运动互不干扰。

作为优选，为了消去动调陀螺2倍频角振动带来的误差，所述平衡环一和平衡环二内外半径大小一致，厚度大小相等。在满足消去2倍频角振动的情况下，动力调谐平衡可通过电刚度调节。

作为优选，所述内扭杆和外扭杆的截面为长方形。

作为优选，所述硅基双平衡环动调陀螺转子体采用单晶硅为结构材料，由于硅具有很好的电学性能和机械性能，其在作为主要运动载体的同时，又可以使转子体上下侧作为电容极板。

上述硅基双平衡环动调陀螺转子体结构的加工方法，包括以下步骤：

（1）为了加工简单，加工精度更高，需将待加工的转子体自上而下分成厚度相同的组件一和组件二两部分，每部分的加工工艺一样，通过硅热键合技术，形成转子体整体；

（2）先加工组件一，在一块单晶硅上，通过光刻胶部分遮光，单晶硅下面设有玻璃，采用ICP（感应耦合等离子体）刻蚀技术，刻出深槽，每次光刻都要进行掩模、基片前处理、上胶、前烘、曝光、显影、后烘、刻蚀和去胶步骤；

（3）去胶之后，重新按照光刻步骤，对内扭杆和外扭杆进行刻蚀，刻蚀深度根据扭杆的厚度和二分之一转子体厚度共同决定；

（4）为了使两个平衡环自由运动而不相互碰撞，平衡环之间留有间隙，所以，各平衡环的厚度要比转子体二分之一薄，同时对平衡环厚度进行遮光刻蚀，各平衡环刻蚀深度由平衡环厚度和转子体厚度共同决定；

（5）将单晶硅片翻转过来，重复步骤（2）、（3）、（4），采用同样的方法，刻蚀同样的尺寸，形成组件一；

（6）使用与加工组件一相同的方法加工组件二；

（7）采用硅热键合技术，将组件二键合在组件一的下面，具体做法是：将两硅片抛光进行清洁处理，将硅片在含

的溶液或HF中浸泡，经过去离子水漂洗和干燥；然后将硅片面对面地粘合在一起或抽真空，在大气压力下挤在一起，接触式由于

根与

键合以及范德瓦耳斯力的作用，两硅片会粘在一起；将粘好的硅片在

和

环境中高温处理，由于高温，硅片产生塑性变形，会使界面间空洞消除，这时相临原子形成共价键，达到良好键合，形成所需的双平衡环动调陀螺转子体。

作为优选，所述步骤（7）中硅片高温处理的温度为1000度。

作为优选，所述步骤（7）中硅片高温处理的时间为1小时。

单平衡环驱动轴具有2倍旋转频率的角振动引起的漂移误差，双平衡环理论上可以消除2倍频角振动的影响。因此，采用双平衡环，通过调整两平衡环的转动惯量，能完全消除2倍频角振动的影响。采用多环的转子体结构和加工更加复杂，组合环节的增多，又会带来新的误差，因此，具有双平衡环的动调陀螺转子体较为理想。

本发明的有益效果：一、采用硅材料作为转子和平衡环结构，硅具有很好的实现电学性能和机械性能的优点，通过MEMS(微机电系统)工艺加工，成本低，制造工艺简单，能大批量生产。

二、平衡环结构能有效的消去单平衡环2倍频角振动带来的影响，可以提高陀螺精度。

三、所述硅基双平衡环动调陀螺转子体轴向总刚度等效弹性支承系统如图4所示，在轴向负载下，平衡环一和平衡环二的内外扭杆均受到剪切作用和弯曲作用，轴向总刚度为：

    （1）

式中：K _s1 和K _b1 分别为平衡环一扭杆的剪切刚度和抗弯刚度；K _s2 和K _b2 分别为平衡环二扭杆的剪切刚度和抗弯刚度。在设计中K _s1 =K _s2 =K _s ，K _b1 =K _b2 =K _b 则有：

                            （2）

从公式（2）中可以看出，同样的扭杆结构中，双平衡环轴向总刚度是单平衡环的2倍，即轴向负载能力明显增强。

所述硅基双平衡环动调陀螺转子体径向总刚度等效弹性支承系统如图5所示，在径向负载作用下，若单个平衡环上的一对内扭杆受拉或压作用，此平衡环的另一对外扭杆则受剪切和弯曲作用；若单个平衡环上的一对外扭杆受拉或压作用，此平衡环的另一对内扭杆则受到剪切和弯曲作用。此时，在各平衡环扭杆结构一致时，其径向总刚度为：

             （3）

式中：K _t 为单个平衡环扭杆的拉（压）刚度；K _s 和K _b 如公式（2）。从公式（3）知道，在同样的扭杆结构中，双平衡环的径向总刚度明显提高，是单平衡环的两倍，即径向载荷能力明显增强。

附图说明

图1为硅基双平衡环动调陀螺转子体的俯视图；

图2为硅基双平衡环动调陀螺转子体

的剖视图；

图3为硅基双平衡环动调陀螺转子体

的剖视图；

图4为硅基双平衡环动调陀螺转子体轴向总刚度等效弹性支承系统图；

图5为硅基双平衡环动调陀螺转子体径向总刚度等效弹性支承系统图。

图6为硅基双平衡环动调陀螺转子体加工工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

如图1、2和3所示：一种硅基双平衡环动调陀螺转子体结构，包括一个内环1、一个转子3和两个独立的平衡环2，所述内环1、转子3和平衡环2均为空心圆柱体结构，所述内环1与电机转子体固定连接，且设置在转子3内，所述平衡环2设置在内环1和转子3之间，并且通过内扭杆4、外扭杆5分别与内环1、转子3连接。

所述平衡环2包括平衡环一2A和平衡环二2B，平衡环一2A和平衡环二2B自上而下依次排列；

所述平衡环一2A通过一对内扭杆一4A与内环1连接，平衡环一2A通过一对外扭杆一5A与转子3连接，内扭杆一4A与外扭杆一5A方向垂直；

所述平衡环二2B通过一对内扭杆二4B与内环1连接，平衡环二2B通过一对外扭杆二5B与转子3连接，内扭杆二4B与外扭杆二5B方向垂直，内扭杆二4B与所述内扭杆一4A方向垂直，外扭杆二5B与所述外扭杆一5A方向垂直；

所述各平衡环2之间留有间隙，所述平衡环一2A和平衡环二2B内外半径大小一致，厚度大小相等，所述内扭杆4和外扭杆5的截面为长方形，所述硅基双平衡环动调陀螺转子体采用单晶硅为结构材料。

本发明驱动电机轴带动内环1高速旋转，由于扭杆具有很高的抗弯刚度和较低的扭转刚度，内环通过内扭杆和外扭杆带动两个独立平衡环和转子高速旋转。当x和y方向具有敏感角速度时，便产生哥式惯性力矩，由此产生的陀螺力矩作用于扭杆，使转子和平衡环相对扭杆发生偏转。如果在转子体上下方均安装电容极板，就可以通过检测电容板和转子体之间的电容变化，该电容变化反应的是陀螺输入的敏感角速度大小，通过一定的电路和反馈结构就可以很好地得到我们所需的外界输入角速度大小。平衡环一和平衡环二结构一致，这种结构能更好的消除驱动轴具有2倍旋转频率的角振动引起的漂移误差。

本发明平衡环采用空心圆柱体结构，双平衡环内外半径大小一致，这样，单个平衡环内外扭杆的正弹性系数比较容易相等。为了消除动调陀螺2倍频角振动带来的误差，就必须调节各平衡环绕x，轴和绕y轴的正弹性系数

、和

、

，设计

=，

=

。根据双平衡环动力调谐力矩条件可知：

           （4）

为了消去二倍频角振动引起的误差项，只需公式（4）等式右边为零即可，平衡各平衡环的转动惯量就可以完全消除二倍频角振动引起的误差项。由于发明设计的转子体是空心圆柱体形状，且各个平衡环的内径和外径相等，绕各x，y轴的转动惯量相等，即：

                                （5）

                                （6）

                             （7）

                    

                                   （8）

将（5）、（6）、（7）、（8）带入（4）可知，消去2倍频角速度条件是：

                     

                                        （9）

由（9）可知，设计的双平衡环厚度只要满足的此条件，就能很好的消除二倍频角振动带来的误差。

本发明的一个实施例的部件尺寸取值为，转子体总半径为10mm，厚度为500um，转子体内径为6mm；扭杆长度为1mm，厚度为80um；内环的内孔直径为1.5mm，外孔直径为3.5mm；平衡环内孔半径为3.5mm，外孔半径为5mm；平衡环一厚度为220um，与转子体上面差15um，与平衡环二间距为30um；平衡环二厚度为220um，与转子下底面间距为15um。

上述硅基双平衡环动调陀螺转子体结构的加工方法，包括以下步骤：

（1）为了加工简单，加工精度更高，需将待加工的转子体自上而下分成厚度相同的组件一9和组件二10，每部分的加工工艺一样，通过硅热键合技术，形成转子体整体；

（2）先加工组件一9，在一块单晶硅7上，通过光刻胶6部分遮光，单晶硅7下面设有玻璃8，采用ICP（感应耦合等离子体）刻蚀技术，刻出深槽，每次光刻都要进行掩模、基片前处理、上胶、前烘、曝光、显影、后烘、刻蚀和去胶步骤；

（3）去胶之后，重新按照光刻步骤，对内扭杆和外扭杆进行刻蚀，刻蚀深度根据扭杆的厚度和二分之一转子体厚度共同决定；

（4）为了使两个平衡环自由运动而不相互碰撞，平衡环之间留有间隙，所以，各平衡环的厚度要比转子体二分之一薄，同时对平衡环厚度进行遮光刻蚀，各平衡环刻蚀深度由平衡环厚度和转子体厚度共同决定；

（5）将单晶硅片翻转过来，重复步骤（2）、（3）、（4），采用同样的方法，刻蚀同样的尺寸，形成组件一9；

（6）使用与加工组件一9相同的方法加工组件二10；

（7）采用硅热键合技术，将组件二10键合在组件一9的下面，具体做法是：将两硅片抛光进行清洁处理，将硅片在含

的溶液或HF中浸泡，经过去离子水漂洗和干燥；然后将硅片面对面地粘合在一起或抽真空，在大气压力下挤在一起，接触式由于根与

键合以及范德瓦耳斯力的作用，两硅片会粘在一起；将粘好的硅片在

和

环境中高温处理，温度为1000度，处理时间为1小时，由于高温，硅片产生塑性变形，会使界面间空洞消除，这时相临原子形成共价键，达到良好键合。形成所需的双平衡环动调陀螺转子体。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种硅基双平衡环动调陀螺转子体结构，其特征在于：包括一个内环、一个转子和两个独立的平衡环，所述内环、转子和平衡环均为空心圆柱体结构，所述内环与电机转子体固定连接，且设置在转子内，所述平衡环设置在内环和转子之间，并且通过内扭杆、外扭杆分别与内环、转子连接。

2.根据权利要求1所述的硅基双平衡环动调陀螺转子体结构，其特征在于：所述平衡环包括平衡环一和平衡环二，平衡环一和平衡环二自上而下依次排列；

所述平衡环一通过一对内扭杆一与内环连接，平衡环一通过一对外扭杆一与转子连接，内扭杆一与外扭杆一方向垂直；

所述平衡环二通过一对内扭杆二与内环连接，平衡环二通过一对外扭杆二与转子连接，内扭杆二与外扭杆二方向垂直，内扭杆二与所述内扭杆一方向垂直，外扭杆二与所述外扭杆一方向垂直。

3.根据权利要求1所述的硅基双平衡环动调陀螺转子体结构，其特征在于：所述各平衡环之间留有间隙。

4.根据权利要求2所述的硅基双平衡环动调陀螺转子体结构，其特征在于：所述平衡环一和平衡环二内外半径大小一致，厚度大小相等。

5.根据权利要求1所述的硅基双平衡环动调陀螺转子体结构，其特征在于：所述内扭杆和外扭杆的截面为长方形。

6.根据权利要求1所述的硅基双平衡环动调陀螺转子体结构，其特征在于：所述硅基双平衡环动调陀螺转子体采用单晶硅为结构材料。

7.一种权利要求1所述的硅基双平衡环动调陀螺转子体结构的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）将待加工的转子体自上而下分成厚度相同的组件一和组件二两部分，每部分的加工工艺一样，通过硅热键合技术，形成转子体整体；

（2）先加工组件一，在一块单晶硅上，通过光刻胶部分遮光，单晶硅下面设有玻璃，采用ICP刻蚀技术，刻出深槽，每次光刻都要进行掩模、基片前处理、上胶、前烘、曝光、显影、后烘、刻蚀和去胶步骤；

（3）去胶之后，重新按照光刻步骤，对内扭杆和外扭杆进行刻蚀，刻蚀深度根据扭杆的厚度和二分之一转子体厚度共同决定；

（4）为了使两个平衡环自由运动而不相互碰撞，平衡环之间留有间隙，所 以，各平衡环的厚度要比转子体二分之一薄，同时对平衡环厚度进行遮光刻蚀，各平衡环刻蚀深度由平衡环厚度和转子体厚度共同决定；

（5）将单晶硅片翻转过来，重复步骤（2）、（3）、（4），采用同样的方法，刻蚀同样的尺寸，形成组件一；

（6）使用与加工组件一相同的方法加工组件二；

（7）采用硅热键合技术，将组件二键合在组件一的下面，具体做法是：将两硅片抛光进行清洁处理，将硅片在含OH^-的溶液或HF中浸泡，经过去离子水漂洗和干燥；然后将硅片面对面地粘合在一起或抽真空，在大气压力下挤在一起，接触式由于OH^-根与H⁺键合以及范德瓦耳斯力的作用，两硅片会粘在一起；将粘好的硅片在O₂和N₂环境中高温处理，由于高温，硅片产生塑性变形，会使界面间空洞消除，这时相临原子形成共价键，达到良好键合，形成所需的双平衡环动调陀螺转子体。

8.根据权利要求7所述的硅基双平衡环动调陀螺转子体结构的加工方法，其特征在于：所述步骤（7）中硅片高温处理的温度为1000度。

9.根据权利要求7所述的硅基双平衡环动调陀螺转子体结构的加工方法，其特征在于：所述步骤（7）中硅片高温处理的时间为1小时。 

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