CN106289215B - 一种全对称u形梁mems环形振动陀螺谐振子结构 - Google Patents

一种全对称u形梁mems环形振动陀螺谐振子结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及MEMS环形振动陀螺，具体是一种全对称U形梁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。一种全对称U形梁MEMS环形振动陀螺谐振子结构，包括圆环状谐振质量、圆柱状中心锚点、轮辐状弹性支撑悬梁；其中，圆柱状中心锚点位于圆环状谐振质量的内腔，且圆柱状中心锚点的轴线与圆环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；每个轮辐状弹性支撑悬梁均由第一片状弹性支撑悬梁、第一U形弹性支撑悬梁、第二U形弹性支撑悬梁、第二片状弹性支撑悬梁构成。本发明适用于武器制导、航空航天、生物医学、消费品电子等领域。

Description

一种全对称U形梁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，具体是一种全对称U形梁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，提供了一种全对称U形梁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：
一种全对称U形梁MEMS环形振动陀螺谐振子结构，包括圆环状谐振质量、圆柱状中心锚点、轮辐状弹性支撑悬梁；
其中，圆柱状中心锚点位于圆环状谐振质量的内腔，且圆柱状中心锚点的轴线与圆环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；
每个轮辐状弹性支撑悬梁均由第一片状弹性支撑悬梁、第一U形弹性支撑悬梁、第二U形弹性支撑悬梁、第二片状弹性支撑悬梁构成；第一片状弹性支撑悬梁的尾端与圆柱状中心锚点的外侧面固定；第一U形弹性支撑悬梁的尾端和第二U形弹性支撑悬梁的尾端均与第一片状弹性支撑悬梁的首端固定；第二片状弹性支撑悬梁的尾端分别与第一U形弹性支撑悬梁的首端和第二U形弹性支撑悬梁的首端固定；第一U形弹性支撑悬梁和第二U形弹性支撑悬梁共同围合形成封闭的圆角矩形；第二片状弹性支撑悬梁的首端与圆环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环形振动陀螺的玻璃基底键合。圆环状谐振质量的外侧面设有八个中心角为40度的弧形电极，八个弧形电极同样与MEMS环形振动陀螺的玻璃基底键合，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（如图3所示）。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，以驱动模态作面内四波腹弯曲振动（如图4、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，本发明在哥氏力耦合作用下，以检测模态作面内四波腹弯曲振动（如图6、图7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，本发明所述的一种全对称U形梁MEMS环形振动陀螺谐振子结构通过采用全对称U形梁结构，具备了如下优点：其一，本发明在两个工作模态（驱动模态和检测模态）下的谐振质量相等，由此一方面使得两个工作模态（驱动模态和检测模态）的谐振频率匹配更容易，另一方面实现了两个工作模态（驱动模态和检测模态）的阻尼自然匹配。其二，本发明的谐振结构为一个整体，由此使得MEMS环形振动陀螺的抗冲击能力大幅提高。因此，本发明大大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，适用于武器制导、航空航天、生物医学、消费品电子等领域。
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是本发明的工作状态参考图。
图4是本发明在驱动模态下的振型示意图。
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7是本发明在检测模态下的振型示意图。
图中：1-圆环状谐振质量，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U形弹性支撑悬梁，33-第二U形弹性支撑悬梁，34-第二片状弹性支撑悬梁，4-弧形电极。
具体实施方式
一种全对称U形梁MEMS环形振动陀螺谐振子结构，包括圆环状谐振质量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位于圆环状谐振质量1的内腔，且圆柱状中心锚点2的轴线与圆环状谐振质量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；
每个轮辐状弹性支撑悬梁3均由第一片状弹性支撑悬梁31、第一U形弹性支撑悬梁32、第二U形弹性支撑悬梁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的外侧面固定；第一U形弹性支撑悬梁32的尾端和第二U形弹性支撑悬梁33的尾端均与第一片状弹性支撑悬梁31的首端固定；第二片状弹性支撑悬梁34的尾端分别与第一U形弹性支撑悬梁32的首端和第二U形弹性支撑悬梁33的首端固定；第一U形弹性支撑悬梁32和第二U形弹性支撑悬梁33共同围合形成封闭的圆角矩形；第二片状弹性支撑悬梁34的首端与圆环状谐振质量1的内侧面固定。
具体实施时，八个轮辐状弹性支撑悬梁3的尺寸一致，且八个轮辐状弹性支撑悬梁3的高度均与圆环状谐振质量1的高度相等。圆环状谐振质量1、圆柱状中心锚点2、八个轮辐状弹性支撑悬梁3均采用单晶硅片加工而成，且圆环状谐振质量1、圆柱状中心锚点2、八个轮辐状弹性支撑悬梁3采用体硅加工工艺制造为一体。

Claims (1)

1.一种全对称U形梁MEMS环形振动陀螺谐振子结构，其特征在于：包括圆环状谐振质量（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）位于圆环状谐振质量（1）的内腔，且圆柱状中心锚点（2）的轴线与圆环状谐振质量（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；
每个轮辐状弹性支撑悬梁（3）均由第一片状弹性支撑悬梁（31）、第一U形弹性支撑悬梁（32）、第二U形弹性支撑悬梁（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）的外侧面固定；第一U形弹性支撑悬梁（32）的尾端和第二U形弹性支撑悬梁（33）的尾端均与第一片状弹性支撑悬梁（31）的首端固定；第二片状弹性支撑悬梁（34）的尾端分别与第一U形弹性支撑悬梁（32）的首端和第二U形弹性支撑悬梁（33）的首端固定；第一U形弹性支撑悬梁（32）和第二U形弹性支撑悬梁（33）共同围合形成封闭的圆角矩形；第二片状弹性支撑悬梁（34）的首端与圆环状谐振质量（1）的内侧面固定；
八个轮辐状弹性支撑悬梁（3）的尺寸一致，且八个轮辐状弹性支撑悬梁（3）的高度均与圆环状谐振质量（1）的高度相等；
圆环状谐振质量（1）、圆柱状中心锚点（2）、八个轮辐状弹性支撑悬梁（3）均采用单晶硅片加工而成，且圆环状谐振质量（1）、圆柱状中心锚点（2）、八个轮辐状弹性支撑悬梁（3）采用体硅加工工艺制造为一体；
圆柱状中心锚点的下端面与MEMS环形振动陀螺的玻璃基底键合；圆环状谐振质量的外侧面设有八个中心角为40度的弧形电极，八个弧形电极同样与MEMS环形振动陀螺的玻璃基底键合，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；
当没有角速度输入时，本发明在四个驱动电极的激励下，以驱动模态作面内四波腹弯曲振动，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，本发明在哥氏力耦合作用下，以检测模态作面内四波腹弯曲振动，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。
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