CN104976995A - 变谐振环壁厚的嵌套环式mems振动陀螺 - Google Patents

变谐振环壁厚的嵌套环式mems振动陀螺 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种变谐振环壁厚的嵌套环式MEMS振动陀螺，包括谐振子，所述谐振子包括谐振环、轮辐状支撑梁以及位于谐振子结构中心的锚点，整个谐振子通过位于谐振子中心的锚点与基底牢固锚接，所述锚点的外围嵌套有多个以锚点为中心的谐振环，相邻谐振环之间以及最内部的谐振环与锚点之间由轮辐状支撑梁连接，同一谐振环各处的壁厚是等厚度的，由内之外所有嵌套环之间具有彼此不同的壁厚。本发明具有优化的谐振质量分布和刚度分布，从而能够实现陀螺综合性能的优化。

Description

变谐振环壁厚的嵌套环式MEMS振动陀螺
技术领域
本发明涉及一种微机电陀螺仪，并且特别涉及一种MEMS振动陀螺。
背景技术
陀螺仪是测量载体相对惯性空间旋转运动的传感器，是运动测量、惯性导航、制导控制等领域的核心器件，在航空航天、智能机器人、制导弹药等高端工业装备和精确打击武器中具有非常重要的应用价值。传统的陀螺仪包括机械转子陀螺、静电陀螺、半球谐振陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、动力调谐陀螺等，它们虽然精度高，但体积、功耗、价格等方面难以满足要求。基于微机电系统技术的MEMS陀螺仪具有体积小、功耗低、寿命长、可批量生产、价格便宜等特点，在大批量和小体积的工业和武器装备应用中具有先天优势。但与传统陀螺仪相比，目前MEMS陀螺仪的精度还不够高，应用主要局限于智能手机、微型无人机、汽车稳定控制、微惯性/卫星组合导航系统等低端领域。卫星导航抗干扰抗欺骗、室内导航、微小型水下无人平台、单兵定位、地下随钻定向系统等新兴领域对高性能、小体积、低功耗、低成本微陀螺仪提出了迫切需求。
振动陀螺谐振结构的布朗运动产生的机械噪声决定了陀螺的噪声极限，振动陀螺的机械噪声的表达式如下：
Ω m = 1 q d r i v e 4 k B T ω 0 M * Q - - - ( 1 )
其中qdrive为驱动幅值，ω0为机械谐振频率，M*为惯性质量，Q为品质因数，kB为波尔兹曼常数，T为绝对温度值。
由(1)式得知，实现MEMS陀螺仪高性能的关键是高品质因数(Q值)、大谐振质量、大驱动幅值，而且工作在退化模态(驱动模态与检测模态相同)的振动陀螺较工作在正交模态(驱动模态与检测模态不相同且正交)的振动陀螺具有更高的精度潜力，因为退化模态振动陀螺的振动幅值能够受到品质因子(Q值)的放大作用。
专利CN102388292A中所述的谐振子采用嵌套的多个谐振环组成，该设计的QTED值处于105量级，多个嵌套环也提供了较大的谐振质量。然而该设计中嵌套的多个谐振环壁厚为较为原始的一致性设计，也即每个嵌套环的壁厚相等。该设计虽然体现了较高的性能，但是设计有待提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种嵌套环式MEMS振动陀螺，更具体地是一种变谐振环壁厚的嵌套环式MEMS振动陀螺。
本发明的技术方案是：
一种变谐振环壁厚的嵌套环式MEMS振动陀螺，包括谐振子，所述谐振子包括谐振环、轮辐状支撑梁以及位于谐振子结构中心的锚点，整个谐振子通过位于谐振子中心的锚点与基底牢固锚接，所述锚点的外围嵌套有多个以锚点为中心的谐振环，相邻谐振环之间以及最内部的谐振环与锚点之间由轮辐状支撑梁连接，同一谐振环各处的壁厚是等厚度的，由内之外所有嵌套环之间具有彼此不同的壁厚。由内至外所有嵌套环的壁厚遵循谐振环壁厚分布函数而变化。
进一步地，本发明中，由内之外所有谐振环的壁厚是以各自嵌套环半径或者谐振环编号为变量的函数。如图2所示，嵌套环的壁厚是以嵌套环半径为变量的函数。
本发明的变谐振环壁厚的嵌套环式MEMS振动陀螺是一种典型的工作在退化模态的微振动陀螺，即其谐振子的驱动模态与检测模态一样。变谐振环壁厚的嵌套环式MEMS振动陀螺的工作原理为：通过静电力驱动方式，以特定的频率激励出谐振子如图3A所示的第一模态(即驱动模态)，其第一模态为环向波数为2的驻波，其中波腹点处的振幅最大，波节点处的振幅为零，波腹点连线构成固有刚性轴系；当有轴向角速度输入时，谐振子在哥氏力的作用下产生如图3B所示的另一固有刚性轴系的第二模态(即检测模态)，谐振子第二模态的振动通过电容检测方式，转换成敏感电信号，该敏感电信号与输入角速度成正比，经过滤波及放大等处理即可得到输入角速度信息。
此外由于谐振子不可避免存在一定的制造误差，该误差引起的振型偏移和频率裂解是影响陀螺性能的主要因素，需要采用静电修调实现陀螺的动态平衡，通过在特定位置的修调控制电极上施加偏置电压来实现系统等效刚度的调节，从而实现谐振子的模态匹配和动态平衡。
本发明中的嵌套环式MEMS振动陀螺采用静电/电容的方式实现谐振子的驱动、检测和修调，因此电极的设计对于MEMS振动陀螺的性能有着重要的影响。变谐振环壁厚的嵌套环式MEMS振动陀螺可以采用环绕在谐振子周围的外置电极的设计，也可以在谐振子内部的空隙设计内置电极，同时还可以采用外置电极和内置电极并存的设计。如果电极数目越多，单个电极的电容面积越大，则电极的驱动、检测和修调效果越好。
本发明的有益效果
本发明通过嵌套式谐振环的变壁厚设计，能够实现惯性质量与结构刚度的径向合理分配，进而能够提升陀螺性能。如果采用内置电极设计或者内、外置电极并存设计，还能够实现大的检测电容和充裕的修调电极数目。
附图说明
图1示出了热弹性QTED值与结构固有频率f和热弛豫频率f0的比值的关系曲线；
图2示出了嵌套环的壁厚是以嵌套环半径为变量的函数；
图3A示出了嵌套环式MEMS振动陀螺等退化模态陀螺谐振子的第一模态(驱动模态)示意图；
图3B示出了嵌套环式MEMS振动陀螺等退化模态陀螺谐振子的第二模态(检测模态)示意图；
图4示出了谐振环壁厚分布函数由内向外线性减小的嵌套环式振动陀螺谐振子的结构示意图；
图5示出了谐振环壁厚均匀设计的嵌套环式振动陀螺谐振子的结构示意图。
图6A示出了采用周向均匀分布的多个外置电极的变谐振环壁厚的嵌套环式振动陀螺结构示意图；
图6B示出了采用多个内置电极的变谐振环壁厚的嵌套环式振动陀螺结构示意图；
图6C示出了同时采用外置电极和内置电极的变谐振环壁厚的嵌套环式振动陀螺结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
本发明的特征是同一谐振环各处的壁厚是等厚度的，而由内至外所有嵌套环之间具有彼此不同的壁厚，变壁厚分布的谐振子能够实现质量和刚度的优化分布，有助于陀螺性能的提升。其中一个实施例为嵌套式谐振环壁厚分布函数由内向外线性减小，其结构如图4所示。所述变壁厚分布的谐振子10包括谐振环11、轮辐状支撑梁12以及位于谐振子结构中心的锚点13，整个谐振子通过位于谐振子中心的锚点13与基底牢固锚接，所述锚点的外围嵌套有多个以锚点为中心的谐振环11，相邻谐振环之间等间距，相邻嵌套环11之间形成设置电极的间隙14，相邻谐振环之间以及最内部的谐振环与锚点之间由轮辐状支撑梁12连接，同一谐振环各处的壁厚T是等厚度的，所有谐振环的壁厚T由内向外呈函数关系变化，本实施例中为线性减小关系。所述嵌套环式谐振子10整体为轴对称结构
实施例中变谐振环壁厚的嵌套环式谐振子的谐振环壁厚由内向外线性减小，其谐振环壁厚函数为Tn＝20.5-n，其中n为谐振环编号，由内向外一次为1，2，3，……，10。通过有限元仿真软件COMSOL Multiphysics的热弹性仿真得到该变谐振环壁厚结构的热弹性QTED值，并与壁厚均匀分布的嵌套环式谐振子(示意图如图5所示)的热弹性比较。仿真中采用的嵌套环式谐振子的几何参数如图表1所示，谐振子材料均设置为单晶硅。仿真结果表明实施例中变谐振环壁厚设计的谐振子的热弹性QTED值为2.24×105，而谐振环壁厚均匀设计的谐振子的热弹性QTED值为1.79×105。因此实施例中变厚度嵌套环式谐振子的热弹性QTED值较谐振环壁厚均匀设计的谐振子提高了约1.25倍。
表1仿真采用的嵌套环式谐振子基本结构参数
电极的设置对于变谐振环壁厚的嵌套环式振动陀螺的性能有着重要的影响。在图6A所示的实施例中，变谐振环壁厚的嵌套环式振动陀螺采用外置电极设计，外置电极21分布在谐振子的周围，可以根据实际需要设计电极数目，一般8个周向均匀分布的电极可以使陀螺正常工作，然而谐振子的制造误差会影响陀螺的性能，因此更好的方式是设置16个或者更多周向均匀分布的电极。
在图6B所示的实施例中，变谐振环壁厚的嵌套环式振动陀螺采用内置电极设计，内置电极22设置在谐振子10的内部间隙14中，众多的内置电极可以用于驱动、检测和修调。相较于外置电极设计，内置电极设计能够增加电极数目，有利于陀螺性能提升，但是制造难度会增大。
在图6C所示的实施例中，变谐振环壁厚的嵌套环式振动陀螺采用外置电极和内置电极并存的设计，谐振子10的周围分布有外置电极21，同时谐振子10的间隙14中也分布有数目众多的内置电极22。同时采用内外置电极的结构具有最多的电极数目，但是制造难度也最大。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (3)

1.一种变谐振环壁厚的嵌套环式MEMS振动陀螺，包括谐振子，其特征在于：所述谐振子包括谐振环、轮辐状支撑梁以及位于谐振子结构中心的锚点，整个谐振子通过位于谐振子中心的锚点与基底牢固锚接，所述锚点的外围嵌套有多个以锚点为中心的谐振环，相邻谐振环之间以及最内部的谐振环与锚点之间由轮辐状支撑梁连接，同一谐振环各处的壁厚是等厚度的，由内至外所有嵌套环之间具有彼此不同的壁厚。
2.根据权利要求1所述的变谐振环壁厚的嵌套环式MEMS振动陀螺，其特征在于：由内至外所有嵌套环的壁厚遵循谐振环壁厚分布函数而变化。
3.根据权利要求1所述的变谐振环壁厚的嵌套环式MEMS振动陀螺，其特征在于：由内之外所有谐振环的壁厚是以各自嵌套环半径或者谐振环编号为变量的函数。
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