CN104931031A - 一种外缘固定式静电驱动多环陀螺及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种外缘固定式静电驱动多环陀螺及其制备方法，所述陀螺包括一个含有五到八环的多环谐振器；一个支撑多环谐振器的固定滑槽；位于所述多环谐振器的两相邻环之间的多组辐条，用于连接所述多环谐振器的环与环，相邻两组辐条的位置有一角度差；一个圆柱形支撑杆，位于所述多环谐振器中央，所述圆柱形支撑杆的中心轴与所述多环谐振器的中心轴重合；位于圆柱形支撑杆上的离散电极；其中：所述多环谐振器最外一圈环固定，仅保留径向振动自由。本发明由于多环谐振器外缘固定，离散电极内置于环中央，具有体积小、结构稳定，响应灵敏等优点，具有良好的对称性，因而可以达到较高的性能。

Description

一种外缘固定式静电驱动多环陀螺及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种微机电技术领域的固体波动模态匹配陀螺，具体地，涉及一种外缘固定式静电驱动多环陀螺及其制备方法。

背景技术

陀螺仪是一种能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。随着国防科技和航空、航天工业的发展，惯性导航系统对于陀螺仪的要求也向低成本、小体积、高精度、多轴检测、高可靠性、能适应各种恶劣环境的方向发展。基于MEMS技术的微陀螺仪采用微纳批量制造技术加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而且环境适应性、工作寿命、可靠性、集成度与传统技术相比有极大的提高，因而MEMS微陀螺已经成为近些年来MEMS技术广泛研究和应用开发的一个重要方向。

固体波是固体中的一种机械波动，把固体中某一点或部分受力或其他原因的扰动引起的形变，如体积形变或剪切形变，以波动的形式传播到固体的其他部分。在波动传播过程中，固体中的质点除在它原来的位置上有微小的振动外，并不产生永久性的位移。因为固体有弹性，弹性力有使扰动引起的形变恢复到无形变的状态的能力，于是形成波动。弹性是固体中能形成波动的主要原因。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利“微型半球谐振陀螺及其制备方法”(专利申请号：CN201310022146.1)通过刻蚀得到半球谐振子空腔，背面ICP刻蚀得到支撑体空腔，在空腔表面沉积二氧化硅绝缘层，在二氧化硅表面沉积多晶硅，得到半球谐振子和支撑体，去除多余多晶硅并刻蚀二氧化硅，得到可动的半球谐振子。

此技术存在如下不足：半球形谐振陀螺由于涉及球面加工，加工难度大，工艺误差难以控制；半球谐振子空腔通过刻蚀得到，球形度不够高，半球谐振子球形度很大程度依赖于半球谐振子空腔，这对陀螺工作的性能有很大影响；该陀螺半球谐振子和支撑体接触面积小，在高频振动下存在断裂的可能，可靠性不高；陀螺的加工工艺比较复杂，加工成本较高，不适合大批量生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种外缘固定式静电驱动多环陀螺的结构，具有体积小、结构稳定，响应灵敏等优点，具有良好的对称性，因而可以达到较高的性能。

根据本发明的一个方面，提供一种外缘固定式静电驱动多环陀螺，包括：

一个含有五到八环的多环谐振器；

一个支撑多环谐振器的固定滑槽；

位于所述多环谐振器的两相邻环之间的多组辐条，用于连接所述多环谐振器的环与环，相邻两组辐条的位置有一角度差；

一个圆柱形支撑杆，位于所述多环谐振器中央，所述圆柱形支撑杆的中心轴与所述多环谐振器的中心轴重合；

位于圆柱形支撑杆上的离散电极；

其中：所述多环谐振器最外一圈环固定(即外缘具有固定特征)，仅保留径向振动自由，在一些例子中，多环谐振器最外一圈环可安置在固定滑槽中。

本发明中，所述固定滑槽由两个半圆形滑槽拼接组成一个圆形，半圆形滑槽截面是半个工字型，中间形成空腔容纳多环谐振器，半圆形滑槽在端部引出一小长方形块，用于拧紧固定。

本发明中，每组沿所述多环谐振器的环的圆周均匀排列，每组辐条的个数为n，则每组辐条的间隔角度为360°/n。相邻两组辐条的位置有一角度差θ，其中θ＝360°/2n。

本发明中，所述圆柱形支撑杆可由石英制成。在具体实施例中，所述圆柱形支撑杆底面可固定在封装外壳的基座上。

本发明中，所述离散电极设置在所述圆柱形支撑杆的圆周一圈，所述离散电极下表面与所述多环谐振器下表面在同一水平面，使得所述离散电极与所述多环谐振器的内环的对齐。

本发明中，所述离散电极上表面(即所述离散电极远离所述多环谐振器的一端表面)有凸出部分，作为电气接触点，连接导线，以供电气接触。

本发明中，除电气接触点外，所述离散电极的宽度等于所述多环谐振器高度，并且所述离散电极的中心轴与所述多环谐振器中心轴重合。

本发明利用多环谐振器的平面四波腹振动模态(即多环谐振器在平面内振动，其中有四个方向达到最大振动幅度)作为参考振动，在该模态下多环谐振器径向振动。通过在固定滑槽和离散电极上施加激励，驱动多环谐振器振动。当有多环谐振器中心轴方向的角速度输入时，在科氏力的作用下，多环谐振器的谐振方式会从驱动模态向检测模态变化，检测模态谐振振幅与输入角速度的大小成正比。通过检测多环谐振器与检测电极构成的电容变化，从而得到多环谐振器在检测模态的振幅，进而可以得到输入角速度的大小。

根据本发明的另一个方面，提供一种上述陀螺的制备方法，该方法具体如下：

采用MEMS微细加工工艺，对圆盘形石英块进行蚀刻，得到多环谐振器；

采用精密机械加工的方法得到固定滑槽和圆柱形支撑杆；

通过电镀的方式将离散电极制作在圆柱形支撑杆上，所述离散电极包括驱动电极和检测电极；

陀螺装配时，将多环谐振器安装在固定滑槽上，拧紧固定滑槽，从而将多环谐振器固定，圆柱形支撑杆、离散电极位于所述多环谐振器中央，圆柱形支撑杆的中心轴与多环谐振器的中心轴重合，离散电极下表面与多环谐振器下表面在同一水平面，使得离散电极与所述多环谐振器的内环对齐。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、加工工艺步骤简洁，采用成熟的微机械加工方法，利于批量生产；

2、多环谐振器外缘固定，支撑杆直径约为多环谐振器直径1/2，在整个结构中起到良好的支撑作用，可使封装后的陀螺结构稳定，抗冲击，减少外界干扰对陀螺正常工作的影响；

3、多环谐振器具有高度对称性，可以使多环陀螺达到优良的性能，工作时通过电极检测多环谐振器内环振动，振动幅度大，响应灵敏。

4、圆柱形支撑杆和主要电路设置在多环谐振器内环中央，不占据多环谐振器外围空间，利于陀螺小型化，方便安装和携带。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1A为本发明一实施例的外缘固定式静电驱动多环陀螺的俯视图；

图1B为本发明一实施例的外缘固定式静电驱动多环陀螺的三维视图；

图2A为本发明一实施例的多环谐振器的俯视图；

图2B为本发明一实施例的多环谐振器的三维视图；

图2C为本发明一实施例的多环谐振器的主视图；

图3A为本发明一实施例的固定滑槽的俯视图；

图3B为本发明一实施例的固定滑槽的三维视图；

图3C为本发明一实施例的固定滑槽的剖视图；

图4A为本发明一实施例的带离散电极支撑杆的俯视图；

图4B为本发明一实施例的带离散电极支撑杆的三维视图；

图4C为本发明一实施例的带离散电极支撑杆的主视图；

图5A为多环谐振器与带离散电极支撑杆位置关系俯视图；

图5B为多环谐振器与带离散电极支撑杆位置关系三维视图；

图5C为多环谐振器与带离散电极支撑杆位置关系剖视图；

图6A为外缘固定式静电驱动多环陀螺工作时多环谐振器所做四波腹振动的驱动振型图；

图6B为外缘固定式静电驱动多环陀螺工作时多环谐振器所做四波腹振动的检测振型图。

图中：1为多环谐振器，1.1为多环谐振器上表面，1.2为多环谐振器上表面，2为固定滑槽，3为辐条，4为圆柱形支撑杆，5为离散电极，5.1为离散电极上表面，5.2为离散电极下表面，6为电气接触点。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1A、1B所示，本发明一实施例的外缘固定式静电驱动多环陀螺的结构示意图，包括：

一个含有五到八环的多环谐振器1；

一个支撑多环谐振器的固定滑槽2；

位于所述多环谐振器的两相邻环之间的四到七组的辐条3，用于连接所述多环谐振器的环与环，相邻两组辐条的位置有一角度差；

一个圆柱形支撑杆4；位于所述多环谐振器中央，所述圆柱形支撑杆的中心轴与所述多环谐振器的中心轴重合；

位于圆柱形支撑杆上的离散电极；

其中：所述多环谐振器1最外一圈环具有固定特征，仅保留径向振动自由。所述多环谐振器的最外一圈环可以采用不同方式进行固定，如通过增加机械部件将所述多环谐振器最外一圈环固定住，或者在微加工过程中设计特定的工艺，使得所述多环谐振器最外一圈环固连在基体上。本实施例中该所述多环谐振器1的最外一圈环安置在固定滑槽2中。

以下实施例描述中涉及的关于长度、宽度、高度等说明：

如图2A中，所述多环谐振器每个环在所述多环谐振器径向的长度称为所述多环谐振器环的宽度，所述辐条在垂直于所述多环谐振器径向方向的长度称为所述辐条的宽度，所述多环谐振器相邻位置的环在所述多环谐振器径向的间隙长度称为所述多环谐振器相邻位置环之间的间隙距离；

图2C中，所述多环谐振器的长度称为所述多环谐振器的高度；

图3C中，所述固定滑槽的空腔在所述多环谐振器径向的长度称为所述固定滑槽空腔的深度，所述固定滑槽的空腔在平行于所述多环谐振器的高度方向的长度称为所述固定滑槽空腔的高度；

图4C中，所述离散电极(不包括电气接触点)在所述多环谐振器高度方向的长度称为所述离散电极的宽度。

如图2A、2B、2C所示，作为一个优选，所述多环谐振器1中心是镂空结构，所述多环谐振器1的每个环宽度W₁相同，所述多环谐振器1相邻环之间的间隙距离W₃也相同，并且W₁与W₃相等。

如图3A、3B、3C所示，作为一个优选，所述固定滑槽2由两个半圆形滑槽拼接组成，半圆形滑槽截面是半个工字型，空腔刚好容纳所述多环谐振器1最外一圈环。半圆形滑槽在端部引出一小长方形块，并且设有螺孔，用于拧紧固定。所述固定滑槽2空腔的深度W₄与所述多环谐振器1每个环的宽度W₁相同，所述固定滑槽2的高度h₂与所述多环谐振器1每个环的高度h₁相同，所述固定滑槽2恰好容纳所述多环谐振器1最外一圈环，达到固定和支撑作用，使得所述多环谐振器1仅保留径向振动自由。

如图2A、2B、2C所示，作为一个优选，所述辐条3，每组辐条沿所述多环谐振器1的环的圆周均匀排列，每组辐条的个数为n，则每组辐条的间隔角度为360°/n。相邻两组辐条的位置有一角度差θ，其中θ＝360°/2n。每一圈的辐条错开一角度。

如图4A、4B、4C所示，作为一个优选，所述离散电极位于所述圆柱形支撑杆4上边缘，所述离散电极5有8个，均匀圆周排列，每个电极的扇形度数为22.5°，电极与电极之间空隙的扇形角度为22.5°。所述离散电极5上表面有凸出部分，作为电气接触点6，用于连接导线，所述离散电极5除电气接触点外的宽度h₃等于所述多环谐振器1高度h₁，并且所述离散电极5的中心轴与所述多环谐振器1中心轴重合。

如图5A、5B、5C所示，作为一个优选，所述圆柱形支撑杆(包括所述离散电极)位于所述多环谐振器1中央，所述圆柱形支撑杆4高度大于所述多环谐振器1高度，所述圆柱形支撑杆4上下端凸出于所述多环谐振器1上下表面，所述圆柱形支撑杆4的中心轴与所述多环谐振器1的中心轴重合，所述离散电极5下表面与所述多环谐振器1下表面在同一水平面，使得所述离散电极5与所述多环谐振器1的内环对齐。

如图6A、6B所示，所述多环谐振器1的平面四波腹振动模态作为参考振动，在该模态下所述多环谐振器径向振动。通过在所述固定滑槽2和所述离散电极5上施加激励，驱动所述多环谐振器做平面四波腹振动。图6A、6B的驱动模态和检测模态相差45度。

作为一个优选，所述多环谐振器1每个环的宽度W₁、所述辐条3的宽度W₂以及辐条间的角度差θ在加工时可以适当调节以达到理想的模态匹配。

作为一个优选，所述圆柱形支撑杆4上下端可固定于封装外壳的基座上，从而所述圆柱形支撑杆4和所述离散电极5位置固定。所述圆柱形支撑杆4的直径具有一定尺寸，满足所述离散电极5与所述多环谐振器1的间隙距离在有效范围内，所述离散电极5能驱动所述多环谐振器1振动。

作为一个优选，所述多环谐振器1材料是石英，石英材料具有耐高温、热膨胀系数小、耐腐蚀、谐振等特性，满足谐振器四波腹振动对材料要求的谐振特性和机械强度，并且使陀螺仪成品能在恶劣环境下工作。

作为一个优选，所述固定滑槽2为可导电金属材料，所述固定滑槽2与所述离散电极构成8个电容，当在所述固定滑槽2和所述离散电极5上通电时，所述多环谐振器1受到电场力作用而振动。

作为一个优选，所述圆柱形支撑杆4由石英材料制成，所述圆柱形支撑杆4可支撑整个陀螺机构，以保障各部件的相对稳定性。

在一个制备方法的实施例中，采用MEMS微细加工工艺，具体的可采用Ar作为工作气体，AZ1350光刻胶为掩模，对圆盘形石英块进行离子束刻蚀，得到所述多环谐振器1。

本实施例中，所述固定滑槽2和所述圆柱形支撑杆4利用成熟的精密机械加工方法得到。

本实施例中，通过电镀的方式将所述离散电极5制作在所述圆柱形支撑杆4上，所述离散电极5包括4个驱动电极和4个检测电极，驱动电极和检测电极均匀间隔排布，相邻驱动电极间隔90度，相邻检测电极间隔90度，相邻驱动电极和检测电极间隔45度。

本实施例中，所述圆柱形支撑杆4可固定在封装外壳的基座上，所述多环谐振器1套在所述圆柱形支撑杆4外面，并使所述多环谐振器1中心轴与所述圆柱形支撑杆4中心轴重合，所述多环谐振器1内环与所述离散电极5对齐，所述固定滑槽2安装在所述多环谐振器1外，并用螺丝拧紧固定，所述固定滑槽2可再与基座固定，使得所述多环谐振器1只有径向振动自由。

本实施例陀螺是一种高频固体波陀螺，陀螺仪工作时所述多环谐振器1做径向四波腹振动，当有所述多环谐振器1中心轴方向的角速度输入时，在科氏力的作用下，所述多环谐振器1的谐振方式会从驱动模态向检测模态变化，检测模态谐振振幅与输入角速度的大小成正比。通过检测所述多环谐振器1与所述离散电极5中的检测电极构成的电容变化，从而得到所述多环谐振器在检测模态的振幅，进而可以得到输入角速度的大小。

本实施例陀螺的优点：1、较小的尺寸；2、良好的性能；3、抗冲击能力好；4、工艺步骤简单，利于批量生产，从而降低了制造成本。

本发明由于多环谐振器1外缘固定，离散电极内置于环中央，具有体积小、结构稳定，响应灵敏等优点，具有良好的对称性，因而可以达到较高的性能。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (11)

1.一种外缘固定式静电驱动多环陀螺，其特征在于，包括：

一个含有五到八环的多环谐振器；

一个支撑多环谐振器的固定滑槽；

位于所述多环谐振器的两相邻环之间的多组辐条，用于连接所述多环谐振器的环与环，相邻两组辐条的位置有一角度差；

一个圆柱形支撑杆，位于所述多环谐振器中央，所述圆柱形支撑杆的中心轴与所述多环谐振器的中心轴重合；

位于圆柱形支撑杆上的离散电极；

其中：所述多环谐振器最外一圈环固定，仅保留径向振动自由。

2.根据权利要求1所述的一种外缘固定式静电驱动多环陀螺，其特征在于，所述多环谐振器中心是镂空结构，所述多环谐振器的每个环宽度W₁相同，所述多环谐振器每个环与环之间的间隙距离W₃也相同，并且每个环宽度W₁与每个环与环之间的间隙距离W₃相等。

3.根据权利要求1所述的一种外缘固定式静电驱动多环陀螺，其特征在于，所述固定滑槽由两个半圆形滑槽拼接组成一个圆形，半圆形滑槽截面是半个工字型，中间形成空腔容纳多环谐振器，半圆形滑槽在端部引出一小长方形块，用于拧紧固定。

4.根据权利要求3所述的一种外缘固定式静电驱动多环陀螺，其特征在于，所述固定滑槽空腔的深度W₄与所述多环谐振器每个环的宽度W₁相同，所述固定滑槽的高度h₂与所述多环谐振器每个环的高度h₁相同，所述固定滑槽恰好容纳所述多环谐振器最外一圈环，达到固定和支撑作用，使得所述多环谐振器仅保留径向振动自由。

5.根据权利要求1所述的一种外缘固定式静电驱动多环陀螺，其特征在于，每组辐条沿所述多环谐振器的环的圆周均匀排列，每组辐条的个数为n，则每组辐条的间隔角度为360°/n；相邻两组辐条的位置有一角度差θ，其中θ＝360°/2n。

6.根据权利要求1所述的一种外缘固定式静电驱动多环陀螺，其特征在于，所述离散电极设置在所述圆柱形支撑杆的圆周一圈，所述离散电极宽度等于所述多环谐振器高度，并且所述离散电极的中心轴与所述多环谐振器中心轴重合。

7.根据权利要求6所述的一种外缘固定式静电驱动多环陀螺，其特征在于，所述离散电极上表面有凸出部分，作为电气接触点，连接导线，以供电气接触。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种外缘固定式静电驱动多环陀螺，其特征在于，所述圆柱形支撑杆、所述离散电极位于所述多环谐振器中央，所述圆柱形支撑杆高度大于所述多环谐振器高度，所述圆柱形支撑杆上下端凸出于所述多环谐振器上下表面，所述圆柱形支撑杆的中心轴与所述多环谐振器的中心轴重合，所述离散电极下表面与所述多环谐振器下表面在同一水平面，使得所述离散电极与所述多环谐振器的内环对齐。

9.根据权利要求1-7任一项所述的一种外缘固定式静电驱动多环陀螺，其特征在于，所述圆柱形支撑杆上下端固定于陀螺的封装外壳的基座上，从而使所述圆柱形支撑杆和所述离散电极位置固定；所述圆柱形支撑杆的直径满足：所述离散电极与所述多环谐振器的间隙距离在有效范围内，所述离散电极能驱动所述多环谐振器振动。

10.根据权利要求1-7任一项所述的一种外缘固定式静电驱动多环陀螺，其特征在于，所述陀螺利用多环谐振器的平面四波腹振动模态作为参考振动，在该模态下多环谐振器径向振动；通过在固定滑槽和离散电极上施加激励，驱动多环谐振器振动，当有多环谐振器中心轴方向的角速度输入时，在科氏力的作用下，多环谐振器的谐振方式会从驱动模态向检测模态变化，检测模态谐振振幅与输入角速度的大小成正比；通过检测多环谐振器与检测电极构成的电容变化，从而得到多环谐振器在检测模态的振幅，进而得到输入角速度的大小。

11.一种权利要求1-10任一项所述的外缘固定式静电驱动多环陀螺的制备方法，其特征在于，该方法具体如下：

采用MEMS微细加工工艺，对圆盘形石英块进行蚀刻，得到多环谐振器；

采用精密机械加工的方法得到固定滑槽和圆柱形支撑杆；

通过电镀的方式将离散电极制作在圆柱形支撑杆上，所述离散电极包括驱动电极和检测电极；

陀螺装配时，将多环谐振器安装在固定滑槽上，拧紧固定滑槽，从而将多环谐振器固定，圆柱形支撑杆、离散电极位于所述多环谐振器中央，圆柱形支撑杆的中心轴与多环谐振器的中心轴重合，离散电极下表面与多环谐振器下表面在同一水平面，使得离散电极与所述多环谐振器的内环对齐。