CN106643686A - 一种全对称折叠弹性梁硅微环形振动陀螺谐振子结构 - Google Patents

一种全对称折叠弹性梁硅微环形振动陀螺谐振子结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及硅微环形振动陀螺，具体是一种全对称折叠弹性梁硅微环形振动陀螺谐振子结构。本发明解决了现有硅微环形振动陀螺灵敏度低的问题。一种全对称折叠弹性梁硅微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；轮辐状弹性支撑悬梁的数目为八个；每个轮辐状弹性支撑悬梁均由第一片状弹性支撑悬梁、第二片状弹性支撑悬梁、第一方波状弹性支撑悬梁、第二方波状弹性支撑悬梁、第三片状弹性支撑悬梁、第四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

一种全对称折叠弹性梁硅微环形振动陀螺谐振子结构
技术领域
本发明涉及硅微环形振动陀螺，具体是一种全对称折叠弹性梁硅微环形振动陀螺谐振子结构。
背景技术
硅微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。硅微环形振动陀螺的具体工作原理如下：当没有角速度输入时，硅微环形振动陀螺的谐振子在驱动模态下工作， 硅微环形振动陀螺的输出为零。当有角速度输入时，硅微环形振动陀螺的谐振子在检测模态下工作，硅微环形振动陀螺实时测出输入角速度。然而实践表明，现有硅微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，以解决现有硅微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硅微环形振动陀螺灵敏度低的问题，提供了一种全对称折叠弹性梁硅微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：
一种全对称折叠弹性梁硅微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、第二片状弹性支撑悬梁、第一方波状弹性支撑悬梁、第二方波状弹性支撑悬梁、第三片状弹性支撑悬梁、第四片状弹性支撑悬梁构成；第一片状弹性支撑悬梁的尾端和第二片状弹性支撑悬梁的尾端均与圆柱状中心锚点的外侧面固定；第一片状弹性支撑悬梁和第二片状弹性支撑悬梁并排平行设置，且第一片状弹性支撑悬梁和第二片状弹性支撑悬梁之间留有间隙；第一方波状弹性支撑悬梁的尾端与第一片状弹性支撑悬梁的首端固定；第二方波状弹性支撑悬梁的尾端与第二片状弹性支撑悬梁的首端固定；第一方波状弹性支撑悬梁和第二方波状弹性支撑悬梁共同围合形成工字形空间；第三片状弹性支撑悬梁的尾端与第一方波状弹性支撑悬梁的首端固定；第四片状弹性支撑悬梁的尾端与第二方波状弹性支撑悬梁的首端固定；第三片状弹性支撑悬梁和第四片状弹性支撑悬梁并排平行设置，且第三片状弹性支撑悬梁和第四片状弹性支撑悬梁之间留有间隙；第三片状弹性支撑悬梁的首端和第四片状弹性支撑悬梁的首端均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硅微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硅微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。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3所示），此时四个检测电极位于四波腹弯曲振动的波节处，硅微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4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，硅微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折叠弹性梁硅微环形振动陀螺谐振子结构通过采用全对称折叠弹性梁结构，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，由此使得硅微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，从而有效提高了硅微环形振动陀螺的灵敏度。
本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有硅微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是本发明在驱动模态下的振型示意图。
图4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-第二片状弹性支撑悬梁，33-第一方波状弹性支撑悬梁，34-第二方波状弹性支撑悬梁，35-第三片状弹性支撑悬梁，36-第四片状弹性支撑悬梁。
具体实施方式
一种全对称折叠弹性梁硅微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、第二片状弹性支撑悬梁32、第一方波状弹性支撑悬梁33、第二方波状弹性支撑悬梁34、第三片状弹性支撑悬梁35、第四片状弹性支撑悬梁36构成；第一片状弹性支撑悬梁31的尾端和第二片状弹性支撑悬梁32的尾端均与圆柱状中心锚点2的外侧面固定；第一片状弹性支撑悬梁31和第二片状弹性支撑悬梁32并排平行设置，且第一片状弹性支撑悬梁31和第二片状弹性支撑悬梁32之间留有间隙；第一方波状弹性支撑悬梁33的尾端与第一片状弹性支撑悬梁31的首端固定；第二方波状弹性支撑悬梁34的尾端与第二片状弹性支撑悬梁32的首端固定；第一方波状弹性支撑悬梁33和第二方波状弹性支撑悬梁34共同围合形成工字形空间；第三片状弹性支撑悬梁35的尾端与第一方波状弹性支撑悬梁33的首端固定；第四片状弹性支撑悬梁36的尾端与第二方波状弹性支撑悬梁34的首端固定；第三片状弹性支撑悬梁35和第四片状弹性支撑悬梁36并排平行设置，且第三片状弹性支撑悬梁35和第四片状弹性支撑悬梁36之间留有间隙；第三片状弹性支撑悬梁35的首端和第四片状弹性支撑悬梁36的首端均与圆环状谐振质量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均采用低阻硅片加工而成，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 (3)

1.一种全对称折叠弹性梁硅微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）、第二片状弹性支撑悬梁（32）、第一方波状弹性支撑悬梁（33）、第二方波状弹性支撑悬梁（34）、第三片状弹性支撑悬梁（35）、第四片状弹性支撑悬梁（36）构成；第一片状弹性支撑悬梁（31）的尾端和第二片状弹性支撑悬梁（32）的尾端均与圆柱状中心锚点（2）的外侧面固定；第一片状弹性支撑悬梁（31）和第二片状弹性支撑悬梁（32）并排平行设置，且第一片状弹性支撑悬梁（31）和第二片状弹性支撑悬梁（32）之间留有间隙；第一方波状弹性支撑悬梁（33）的尾端与第一片状弹性支撑悬梁（31）的首端固定；第二方波状弹性支撑悬梁（34）的尾端与第二片状弹性支撑悬梁（32）的首端固定；第一方波状弹性支撑悬梁（33）和第二方波状弹性支撑悬梁（34）共同围合形成工字形空间；第三片状弹性支撑悬梁（35）的尾端与第一方波状弹性支撑悬梁（33）的首端固定；第四片状弹性支撑悬梁（36）的尾端与第二方波状弹性支撑悬梁（34）的首端固定；第三片状弹性支撑悬梁（35）和第四片状弹性支撑悬梁（36）并排平行设置，且第三片状弹性支撑悬梁（35）和第四片状弹性支撑悬梁（36）之间留有间隙；第三片状弹性支撑悬梁（35）的首端和第四片状弹性支撑悬梁（36）的首端均与圆环状谐振质量（1）的内侧面固定。
2.根据权利要求1所述的一种全对称折叠弹性梁硅微环形振动陀螺谐振子结构，其特征在于：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。
3.根据权利要求1或2所述的一种全对称折叠弹性梁硅微环形振动陀螺谐振子结构，其特征在于：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）均采用低阻硅片加工而成，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。
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