CN104990546B - 蜂巢状盘形振动陀螺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种蜂巢状盘形振动陀螺，包括谐振子以及设置在谐振子内部或/和外部的电极，所述谐振子为整体呈轴对称的圆盘形，圆盘形谐振子的中心为用于固定整个谐振子的锚点，圆盘形谐振子的外缘是一圈圆形的谐振环，连接谐振环与锚点的结构为呈周向周期分布的蜂巢拓扑形状的蜂巢形框架，蜂巢形框架内形成多圈呈周向周期分布的六边形的孔洞，整个蜂巢形框架和圆环构成谐振子的谐振结构。可以在谐振子的内部或外部或者内外同时设置用于驱动、检测和控制的电极，本发明的优点包括：较大的谐振质量；较多的驱动电极数目；较大的检测电容面积；丰富的控制电极数目等。

Description

蜂巢状盘形振动陀螺
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蜂巢状的盘形振动陀螺。
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。
总体而言，振动陀螺分为两大类，一种是退化模态振动陀螺，其驱动模态与检测模态相同，另一种是正交模态振动陀螺，其驱动模态与检测模态不相同且正交。相较于正交模态振动陀螺，退化模态振动陀螺具有频率匹配的特性，其哥氏力信号受到品质因子(Q值)的放大作用，因此具有更高的灵敏度。同时退化模态陀螺的对称结构使得其对环境的机械和辐射干扰具有更好的鲁棒性。
目前涌现出了许多种工作在退化模态的MEMS振动陀螺，其谐振结构一般为对称壳体，例如圆环形、圆盘形等，圆环形振动陀螺受制于较小的惯性质量，使得其信噪比和灵敏度受到限制，而圆盘形谐振子则克服了这一点，因此更具优势。
发明内容
本发明的目的是提供一种蜂巢状盘形振动陀螺。
本发明的技术方案是：
一种蜂巢状盘形振动陀螺，包括谐振子以及设置在谐振子内部或/和外部的电极，所述谐振子为整体呈轴对称的圆盘形，圆盘形谐振子的中心为用于固定整个谐振子的锚点，圆盘形谐振子的外缘是一圈圆形的谐振环，连接谐振环与锚点的结构为呈蜂巢形状的框架，蜂巢形框架内形成多圈呈周向周期分布的六边形的孔洞，整个蜂巢形框架和谐振环构成谐振子的谐振结构。谐振子为整体呈轴对称的圆盘形轴对称结构，使陀螺能够工作在退化模态，具有更高的灵敏度。
进一步地，所述电极设置在谐振子的外部，多个电极呈周向均匀分布在谐振环的外周。具体地，8个或者16个或者更多个电极周向均匀分布在谐振环的外周。
进一步地，所述电极设置在谐振子的内部，多圈呈周向周期分布的六边形的孔洞内设置有呈周向均匀分布的电极。
进一步地，所述电极同时设置在谐振子的内部和外部，多个电极呈周均匀分布在谐振环的外周，且多圈呈周向周期分布的六边形的孔洞内也设置有呈周向均匀分布的电极。
本发明的蜂巢状盘形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。蜂巢状盘形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蜂巢状盘形谐振子如图1A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，蜂巢状盘形谐振子在哥氏力的作用下产生如图1B所示的另一固有刚性轴系的第二模态(即检测模态)，蜂巢状盘形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，从而实现蜂巢状盘形谐振子的模态匹配和动态平衡。
蜂巢状盘形振动陀螺采用静电/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蜂巢状盘形振动陀螺的性能有着重要的影响。蜂巢状盘形振动陀螺可以采用环绕在谐振子周围的外置电极的设计，也可以在蜂巢状盘形谐振子的内部众多六边形孔洞中设计内置电极，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
本发明的谐振环和内部蜂巢状框架提供了较大的谐振质量。蜂巢状的设计使得谐振子对外部干扰具有更好的鲁棒性，同时对内部的制造误差具有更好的免疫性。同时蜂巢状谐振子内部众多的孔洞也可以便于设置内置电极，提供数量更加可观的驱动、检测和控制电极，有助于提高驱动幅值，增大检测电容面积和提升控制效果。
为了更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明、附图以及附表，然而所附图仅提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1A示出了蜂巢状盘形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1B示出了蜂巢状盘形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2A示出了周向等8周期均匀分布的蜂巢状盘形振动陀螺谐振子；
图2B示出了周向等16周期均匀分布的蜂巢状盘形振动陀螺谐振子；
图3示出了蜂巢状盘形谐振子的前20阶模态振型图；
图4示出了在相同位置具有相同的缺陷的嵌套环式盘形谐振子与蜂巢状盘形谐振子；
图5A示出了蜂巢状盘形谐振子的第一模态振型图；
图5B示出了蜂巢状盘形谐振子的第二模态振型图；
图6A示出了采用周向均匀分布的多个外置电极的蜂巢状盘形振动陀螺结构示意图；
图6B示出了采用多个内置电极的蜂巢状盘形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蜂巢状盘形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。
图2A、图2B分为周向等8周期均匀分布和周向等16周期均匀分布的蜂巢状盘形振动陀螺谐振子的实施例。图2A所示的实施例中，谐振子1为周向等8周期均匀分布结构，谐振子1通过锚点6固定，谐振子的最外圈的谐振环3与锚点6通过蜂巢拓扑形状的蜂巢状框架4连接，框架4为等厚度设计，蜂巢状框架4内部形成六边形孔洞5。
图2B所示的实施例中，谐振子为周向等16周期均匀分布结构，谐振子1通过锚点6固定，谐振子最外圈的谐振环3与锚点6通过蜂巢状框架4连接，蜂巢状框架4的所有框架壁为等厚度设计，蜂巢状框架4内部形成六边形孔洞5。
蜂巢状盘形谐振子的前20阶模态的振型如图3所示，图中编号即为振型阶数，其中蜂巢状盘形振动陀螺一般采用13、14阶模态作为工作模态，13、14阶模态为环向波数为2的驻波模态，13阶模态波幅点轴与14阶模态波幅点轴相差45°，
采用COMSOLMultiphysics软件进行蜂巢状盘形谐振子工作模态的热弹性阻尼仿真研究，仿真采用的各实施例蜂巢状盘形谐振子的基本结构参数如表1所示。仿真得到实施例中蜂巢状盘形谐振子工作模态的热弹性QTED值如表2所示。
表1热弹性仿真采用的各实施例蜂巢状盘形谐振子的基本结构参数
表2仿真得到的各实施例蜂巢状盘形谐振子工作模态的热弹性QTED值
对蜂巢状盘形谐振子进行误差仿真，并与目前广泛采用的嵌套环式盘形谐振子进行对比，如图4所示。图4中，周向等16周期均匀分布蜂巢状盘形谐振子2与嵌套环式盘形谐振子7具有相同的尺寸参数：外径均为8mm，锚点直径均为2mm，厚度均为200μm，所有梁壁厚均为20μm，在谐振子外环上相同位置添加相同的缺陷8，缺陷8为5μm×5μm的矩形沟槽。仿真如表3所示，仿真结果表明在相同的制造缺陷下，蜂巢状盘形谐振子的两个工作模态的频率裂解小于嵌套环式盘形谐振子，即蜂巢状盘形谐振子对制造误差的免疫性要较嵌套环式盘形谐振子好。
表3仿真得到的带缺陷谐振子的频率裂解对比
实施例蜂巢状盘形振动陀螺的工作原理为：通过静电力驱动方式，激励出谐振子如图5A所示的驱动模态，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5B所示的检测模态，谐振子检测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。
电极的设置对于蜂巢状盘形振动陀螺的性能有着重要的影响。在图6A所示的实施例中，蜂巢状盘形振动陀螺采用外置电极设计，外置电极9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，如图6A(1)为周向等8周期均匀分布的蜂巢状盘形振动陀螺，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，如图6A(2)为周向等16周期均匀分布的蜂巢状盘形振动陀螺。驱动轴(x-O-y)和敏感轴(x’-O-y’)对应的电极用于陀螺的驱动和检测，剩余电极用于陀螺的静电力修调，实现陀螺的动态平衡。
在图6B所示的实施例中，如图6B(1)为周向等8周期均匀分布的蜂巢状盘形振动陀螺，如图6B(2)为周向等16周期均匀分布的蜂巢状盘形振动陀螺。蜂巢状盘形振动陀螺采用内置电极设计，内置电极10设置在谐振子1的内部六边形孔洞5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，如图6C(1)为周向等8周期均匀分布的蜂巢状盘形振动陀螺，如图6C(2)为周向等16周期均匀分布的蜂巢状盘形振动陀螺。蜂巢状盘形振动陀螺采用外置电极和内置电极并存的设计，谐振子1和谐振子2的周围分布有外置电极9，同时谐振子1的六边形孔洞5中也分布有数目众多的内置电极10。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 (5)

1.一种蜂巢状盘形振动陀螺，其特征在于：包括谐振子以及设置在谐振子内部或/和外部的电极，所述谐振子为整体呈轴对称的圆盘形，圆盘形谐振子的中心为用于固定整个谐振子的锚点，圆盘形谐振子的外缘是一圈圆形的谐振环，连接谐振环与锚点的结构为呈蜂巢形状的框架，蜂巢形框架内形成多圈呈周向周期分布的六边形的孔洞，整个蜂巢形框架和谐振环构成谐振子的谐振结构。
2.根据权利要求1所述的蜂巢状盘形振动陀螺，其特征在于：所述电极设置在谐振子的外部，多个电极呈周向均匀分布在谐振环的外周。
3.根据权利要求2所述的蜂巢状盘形振动陀螺，其特征在于：8个或者16个电极周向均匀分布在谐振环的外周。
4.根据权利要求1所述的蜂巢状盘形振动陀螺，其特征在于：所述电极设置在谐振子的内部，多圈呈周向周期分布的六边形的孔洞内设置有呈周向均匀分布的电极。
5.根据权利要求1所述的蜂巢状盘形振动陀螺，其特征在于：所述电极同时设置在谐振子的内部和外部，多个电极呈周均匀分布在谐振环的外周，且多圈呈周向周期分布的六边形的孔洞内也设置有呈周向均匀分布的电极。
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