CN106123884A - 一种高灵敏度的mems环形振动陀螺谐振子结构 - Google Patents

一种高灵敏度的mems环形振动陀螺谐振子结构 Download PDF

Info

Publication number
CN106123884A
CN106123884A CN201610432646.6A CN201610432646A CN106123884A CN 106123884 A CN106123884 A CN 106123884A CN 201610432646 A CN201610432646 A CN 201610432646A CN 106123884 A CN106123884 A CN 106123884A
Authority
CN
China
Prior art keywords
resilient support
overarm
spoke
anchor point
support overarm
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201610432646.6A
Other languages
English (en)
Inventor
刘俊
曹慧亮
寇志伟
石云波
申冲
唐军
马宗敏
刘文耀
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
North University of China
Original Assignee
North University of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by North University of China filed Critical North University of China
Priority to CN201610432646.6A priority Critical patent/CN106123884A/zh
Publication of CN106123884A publication Critical patent/CN106123884A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/567—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode
    • G01C19/5677—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode of essentially two-dimensional vibrators, e.g. ring-shaped vibrators
    • G01C19/5684—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode of essentially two-dimensional vibrators, e.g. ring-shaped vibrators the devices involving a micromechanical structure

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

本发明涉及MEMS环形振动陀螺，具体是一种高灵敏度的MEMS环形振动陀螺谐振子结构。本发明解决了现有MEMS环形振动陀螺灵敏度低的问题。一种高灵敏度的MEMS环形振动陀螺谐振子结构，包括圆筒状谐振质量、圆柱状中心锚点、轮辐状弹性支撑悬梁；其中，圆柱状中心锚点穿设于圆筒状谐振质量的内腔，且圆柱状中心锚点的轴线与圆筒状谐振质量的轴线相互重合；轮辐状弹性支撑悬梁的数目为八个，且八个轮辐状弹性支撑悬梁围绕圆柱状中心锚点的轴线等距排列；八个轮辐状弹性支撑悬梁的尾端均与圆柱状中心锚点的侧面固定；八个轮辐状弹性支撑悬梁的首端均与圆筒状谐振质量的内侧面固定。本发明适用于MEMS环形振动陀螺。

Description

一种高灵敏度的MEMS环形振动陀螺谐振子结构
技术领域
本发明涉及MEMS环形振动陀螺，具体是一种高灵敏度的MEMS环形振动陀螺谐振子结构。
背景技术
MEMS环形振动陀螺是基于科里奥利效应的一种角运动敏感装置，具有体积小、质量轻、功耗低、寿命长、可批量生产、价格便宜等优点，广泛应用于武器制导、航空航天、生物医学、消费品电子等领域，具有极其广泛的应用前景。MEMS环形振动陀螺的具体工作原理如下：当没有角速度输入时，MEMS环形振动陀螺的谐振子在驱动模态下工作， MEMS环形振动陀螺的输出为零。当有角速度输入时，MEMS环形振动陀螺的谐振子在检测模态下工作，MEMS环形振动陀螺实时测出输入角速度。然而实践表明，现有MEMS环形振动陀螺由于其谐振子的几何结构所限，普遍存在灵敏度低的问题。为此有必要发明一种全新的谐振子结构，以解决现有MEMS环形振动陀螺灵敏度低的问题。
发明内容
本发明为了解决现有MEMS环形振动陀螺灵敏度低的问题，提供了一种高灵敏度的MEMS环形振动陀螺谐振子结构。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种高灵敏度的MEMS环形振动陀螺谐振子结构，包括圆筒状谐振质量、圆柱状中心锚点、轮辐状弹性支撑悬梁；其中，圆柱状中心锚点穿设于圆筒状谐振质量的内腔，且圆柱状中心锚点的轴线与圆筒状谐振质量的轴线相互重合；轮辐状弹性支撑悬梁的数目为八个，且八个轮辐状弹性支撑悬梁围绕圆柱状中心锚点的轴线等距排列；八个轮辐状弹性支撑悬梁的尾端均与圆柱状中心锚点的侧面固定；八个轮辐状弹性支撑悬梁的首端均与圆筒状谐振质量的内侧面固定。
工作时，圆柱状中心锚点的下端面与MEMS环形振动陀螺的基座锚接。圆筒状谐振质量的外侧面固定有八个弧形电极，且八个弧形电极的位置与八个轮辐状弹性支撑悬梁的位置一一对应。其中四个弧形电极作为驱动电极，另外四个弧形电极作为检测电极，且四个驱动电极和四个检测电极交错排列。本发明在控制系统的作用下维持环向波数为2的四波腹振动。具体工作过程如下：当没有角速度输入时，本发明在四个驱动电极的激励下，以驱动模态（如图3所示）作面内四波腹弯曲振动（如图5所示），此时四个检测电极位于四波腹弯曲振动的波节处，MEMS环形振动陀螺的输出为零。当有角速度输入时，本发明在哥氏力作用下，以检测模态（如图4所示）作面内四波腹弯曲振动（如图6所示），此时四个检测电极位于四波腹弯曲振动的波腹处，且振动幅度与输入角速度相关，MEMS环形振动陀螺实时测出输入角速度。基于上述过程，本发明所述的一种高灵敏度的MEMS环形振动陀螺谐振子结构通过采用全新的环形全对称结构，一方面使得驱动模态和检测模态的谐振频率匹配更容易，另一方面实现了驱动模态和检测模态的阻尼匹配，由此降低了因工艺误差和环境温度变化引起的漂移，从而有效提高了MEMS环形振动陀螺的灵敏度。
本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有MEMS环形振动陀螺灵敏度低的问题，适用于MEMS环形振动陀螺。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中轮辐状弹性支撑悬梁的结构示意图。
图3是本发明的驱动模态示意图。
图4是本发明的检测模态示意图。
图5是本发明在驱动模态下的振型示意图。
图6是本发明在检测模态下的振型示意图。
图中：1-圆筒状谐振质量，2-圆柱状中心锚点，3-轮辐状弹性支撑悬梁，31-第一片状弹性支撑悬梁，32-第一半圆槽状弹性支撑悬梁，33-第二半圆槽状弹性支撑悬梁，34-第二片状弹性支撑悬梁。
具体实施方式
一种高灵敏度的MEMS环形振动陀螺谐振子结构，包括圆筒状谐振质量1、圆柱状中心锚点2、轮辐状弹性支撑悬梁3；其中，圆柱状中心锚点2穿设于圆筒状谐振质量1的内腔，且圆柱状中心锚点2的轴线与圆筒状谐振质量1的轴线相互重合；轮辐状弹性支撑悬梁3的数目为八个，且八个轮辐状弹性支撑悬梁3围绕圆柱状中心锚点2的轴线等距排列；八个轮辐状弹性支撑悬梁3的尾端均与圆柱状中心锚点2的侧面固定；八个轮辐状弹性支撑悬梁3的首端均与圆筒状谐振质量1的内侧面固定。
所述轮辐状弹性支撑悬梁3由第一片状弹性支撑悬梁31、第一半圆槽状弹性支撑悬梁32、第二半圆槽状弹性支撑悬梁33、第二片状弹性支撑悬梁34构成；第一片状弹性支撑悬梁31的尾端与圆柱状中心锚点2的侧面固定；第一半圆槽状弹性支撑悬梁32的槽口向内，且第一半圆槽状弹性支撑悬梁32的尾端与第一片状弹性支撑悬梁31的首端固定；第二半圆槽状弹性支撑悬梁33的槽口向外，且第二半圆槽状弹性支撑悬梁33的尾端与第一半圆槽状弹性支撑悬梁32的首端固定；第二片状弹性支撑悬梁34的尾端与第二半圆槽状弹性支撑悬梁33的首端固定；第二片状弹性支撑悬梁34的首端与圆筒状谐振质量1的内侧面固定。
具体实施时，八个轮辐状弹性支撑悬梁3均具有相同的结构和尺寸，且八个轮辐状弹性支撑悬梁3的高度均与圆筒状谐振质量1的高度相等；圆筒状谐振质量1、圆柱状中心锚点2、轮辐状弹性支撑悬梁3均采用单晶硅片加工而成，且圆筒状谐振质量1、圆柱状中心锚点2、轮辐状弹性支撑悬梁3采用光刻工艺加工为一体。

Claims (2)

1.一种高灵敏度的MEMS环形振动陀螺谐振子结构，其特征在于：包括圆筒状谐振质量（1）、圆柱状中心锚点（2）、轮辐状弹性支撑悬梁（3）；其中，圆柱状中心锚点（2）穿设于圆筒状谐振质量（1）的内腔，且圆柱状中心锚点（2）的轴线与圆筒状谐振质量（1）的轴线相互重合；轮辐状弹性支撑悬梁（3）的数目为八个，且八个轮辐状弹性支撑悬梁（3）围绕圆柱状中心锚点（2）的轴线等距排列；八个轮辐状弹性支撑悬梁（3）的尾端均与圆柱状中心锚点（2）的侧面固定；八个轮辐状弹性支撑悬梁（3）的首端均与圆筒状谐振质量（1）的内侧面固定。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的MEMS环形振动陀螺谐振子结构，其特征在于：所述轮辐状弹性支撑悬梁（3）由第一片状弹性支撑悬梁（31）、第一半圆槽状弹性支撑悬梁（32）、第二半圆槽状弹性支撑悬梁（33）、第二片状弹性支撑悬梁（34）构成；第一片状弹性支撑悬梁（31）的尾端与圆柱状中心锚点（2）的侧面固定；第一半圆槽状弹性支撑悬梁（32）的槽口向内，且第一半圆槽状弹性支撑悬梁（32）的尾端与第一片状弹性支撑悬梁（31）的首端固定；第二半圆槽状弹性支撑悬梁（33）的槽口向外，且第二半圆槽状弹性支撑悬梁（33）的尾端与第一半圆槽状弹性支撑悬梁（32）的首端固定；第二片状弹性支撑悬梁（34）的尾端与第二半圆槽状弹性支撑悬梁（33）的首端固定；第二片状弹性支撑悬梁（34）的首端与圆筒状谐振质量（1）的内侧面固定。
CN201610432646.6A 2016-06-17 2016-06-17 一种高灵敏度的mems环形振动陀螺谐振子结构 Pending CN106123884A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610432646.6A CN106123884A (zh) 2016-06-17 2016-06-17 一种高灵敏度的mems环形振动陀螺谐振子结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610432646.6A CN106123884A (zh) 2016-06-17 2016-06-17 一种高灵敏度的mems环形振动陀螺谐振子结构

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN106123884A true CN106123884A (zh) 2016-11-16

Family

ID=57469764

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610432646.6A Pending CN106123884A (zh) 2016-06-17 2016-06-17 一种高灵敏度的mems环形振动陀螺谐振子结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106123884A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107607100A (zh) * 2017-10-19 2018-01-19 北方电子研究院安徽有限公司 一种硅微机械角振动陀螺抗冲击弹性止挡结构
CN112897453A (zh) * 2021-01-25 2021-06-04 浙江大学 一种mems应力隔离机构及其设计方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102278983A (zh) * 2011-07-22 2011-12-14 上海交通大学 具有三角形振子的硅微陀螺仪及其制作方法
CN204241000U (zh) * 2014-11-14 2015-04-01 司红康 高灵敏度体声波硅微陀螺仪
CN104976995A (zh) * 2015-08-07 2015-10-14 中国人民解放军国防科学技术大学 变谐振环壁厚的嵌套环式mems振动陀螺
CN105277184A (zh) * 2015-11-09 2016-01-27 中国人民解放军国防科学技术大学 多层式圆柱壳体振动陀螺谐振子

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102278983A (zh) * 2011-07-22 2011-12-14 上海交通大学 具有三角形振子的硅微陀螺仪及其制作方法
CN204241000U (zh) * 2014-11-14 2015-04-01 司红康 高灵敏度体声波硅微陀螺仪
CN104976995A (zh) * 2015-08-07 2015-10-14 中国人民解放军国防科学技术大学 变谐振环壁厚的嵌套环式mems振动陀螺
CN105277184A (zh) * 2015-11-09 2016-01-27 中国人民解放军国防科学技术大学 多层式圆柱壳体振动陀螺谐振子

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KOU ZHI-WEI: ""Structure design and simulation of MEMS vibrating ring gyroscope"", 《JOURNAL OF MEASUREMENT SCIENCE AND INSTRUMENTATION》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107607100A (zh) * 2017-10-19 2018-01-19 北方电子研究院安徽有限公司 一种硅微机械角振动陀螺抗冲击弹性止挡结构
CN107607100B (zh) * 2017-10-19 2019-09-27 北方电子研究院安徽有限公司 一种硅微机械角振动陀螺抗冲击弹性止挡结构
CN112897453A (zh) * 2021-01-25 2021-06-04 浙江大学 一种mems应力隔离机构及其设计方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106289215A (zh) 一种全对称u形梁mems环形振动陀螺谐振子结构
CN106289214B (zh) 一种抗高冲击s形弹性梁mems环形振动陀螺谐振子结构
TWI647425B (zh) 改良的陀螺儀結構與陀螺儀
CN106643685A (zh) 一种全新的u形折叠梁硅微环形振动陀螺
FI127203B (en) Vibrating micromechanical sensor for angular velocity
CN104215235B (zh) 一种新型钟形振子式角速率陀螺
CN106643686A (zh) 一种全对称折叠弹性梁硅微环形振动陀螺谐振子结构
CN104165624B (zh) 一种基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺及其驱动和检测方法
FI126070B (en) Improved ring gyroscope structure and gyroscope
CN101363731B (zh) 基于剪应力检测的石英微机械陀螺及其制作方法
CN106123884A (zh) 一种高灵敏度的mems环形振动陀螺谐振子结构
CN101936734B (zh) 固体波动陀螺的谐振子及固体波动陀螺
CN102353369B (zh) 组合式石英杯形波动陀螺谐振子
CN101398305A (zh) 带有集中质量块的压电式微固体模态陀螺
RU109851U1 (ru) Волновой твердотельный гироскоп на основе системы связанных резонаторов с использованием эффекта стоячей волны
RU151978U1 (ru) Чувствительный элемент волнового твердотельного гироскопа
Eley et al. The dynamics of a vibrating-ring multi-axis rate gyroscope
CN205449087U (zh) 外支撑四质量块mems谐振式陀螺仪
Martynenko et al. Dynamics of a ring micromechanical gyroscope in the forced-oscillation mode
RU161310U1 (ru) Чувствительный элемент датчика угловых скоростей
RU2453812C1 (ru) Интегральный чувствительный элемент вибрационного гироскопа
CN110631569A (zh) 一种mems单环环形振动陀螺结构
RU140605U1 (ru) Чувствительный элемент микромеханического датчика угловых скоростей
RU140604U1 (ru) Чувствительный элемент датчика угловой скорости
Ovchinnikova et al. Control of vibrations in a micromechanical gyroscope using inertia properties of standing elastic waves

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20161116