CN108007449A - 带周期分布柔性子系统的嵌套环式mems振动陀螺 - Google Patents

带周期分布柔性子系统的嵌套环式mems振动陀螺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺，包括谐振结构的MEMS振动陀螺本体，所述谐振结构包括呈圆形的中心固定锚点，所述中心固定锚点外侧设有多个依次嵌套的呈圆形结构的嵌套环，相邻嵌套环之间通过辐条相连，相邻嵌套环的相邻辐条之间设有柔性子系统，所述柔性子系统包括呈弧形带状的质量块和软梁，所述质量块的两侧分别通过软梁与嵌套环相连。本发明与传统嵌套环式MEMS陀螺谐振结构1相比，其优点在于通过柔性系统耦合降低系统频率进而实现较高的热弹性Q值，从而提高陀螺的机械灵敏度，提升陀螺的性能。

Description

带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺
技术领域
本发明涉及微机电陀螺仪，具体涉及一种带周期分布柔性子系统的嵌套环式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MEMS陀螺仪提出了迫切需求。
嵌套环式MEMS振动陀螺是全世界首个达到导航级精度的硅微陀螺，性能与激光陀螺和光纤陀螺相当，并且其沿用成熟的平面微加工技术，在可制造性和成本方面具有极大的优势。嵌套环式MEMS振动陀螺是一种工作在频率匹配模式下的谐振陀螺，其充分利用了结构面积，显著增大了惯性质量、电极数量和品质因数，使其具有很高的灵敏度和精度潜力。
实现MEMS陀螺仪高性能的关键是提高谐振结构1的Q值进而提高陀螺的机械灵敏度。影响Q值的主要因素有热弹性阻尼、支撑损耗、压膜阻尼、滑膜阻尼和其他阻尼，对于处于高真空环境下并且支撑良好的平面微结构而言，其中热弹性阻尼起着决定性作用。
热弹性阻尼是由结构中不可逆的热流引起的，以梁结构为例，Zener在文献[C.Zener,“Internal Friction in Solids II:General Theory of ThermoelasticInternal Friction,”Physical Review,vol.53,pp.230–235,1938.]中给出了式(1)所示梁结构振动中热弹性阻尼的通用表达式：
式(1)中，QTED为梁结构振动中热弹性阻尼，E为材料杨氏模量，α为材料热膨胀系数，T0为标称平均温度300K，Cv为材料的热容量，ω为机械谐振频率，τ为热弛豫时间，对于简单的梁结构而言，热弛豫时间有式(2)所示函数表达式：
式(2)中，Cv为材料的热容量，b为梁的宽度，κ为材料热导率。
该机械—热耦合的唯象解释为：结构受压一侧温度升高，受拉一侧温度降低，从而产生温度梯度，该温度梯度引起热传导导致能量损耗。热弛豫时间τ的物理意义为从冷热不平衡到冷热平衡所需的时间。当结构的振动周期t与热弛豫时间τ接近时，能量的损耗达到最大。如果振动周期t远大于热弛豫时间τ，则结构在振动中大致处于热平衡状态，称这样的状态为“等温”状态，该状态下结构损耗的能量较少；如果振动周期t远小于热弛豫时间τ，振动结构的热不平衡来不及弛豫，称这样的状态为“绝热”状态，该状态下同样能量损耗较少。因此获得高QTED值的关键是通过结构设计使得结构工作模态的谐振频率避开热弛豫频率。
由于硅是一种高热导率材料，由(2)式可知，如果产生形变的结构的尺度很小，则可以实现很小的热弛豫时间τ，即很大的热弛豫频率f0。在MEMS结构中，谐振梁等变形结构在弯曲方向的尺寸极小，大概在几个微米到几十个微米之间，因此其热弛豫频率f0大概在100k以上。而对于MEMS谐振陀螺其振动频率在几千赫兹到几十千赫兹之间，因此通常的高QTED值硅微器件处于“等温状态”，即f<<f0。例如公开号为CN102388292A的中国专利文献公开了一种谐振子，该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。为了进一步提高系统的QTED值，需要降低系统的谐振频率，在该结构中则需降低环的壁厚。然而该设计的质量和刚度是耦合的，通过减小壁厚降低其谐振频率的同时，其系统的谐振质量也相应降低，进而不利于陀螺灵敏度的提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺，包括谐振结构的MEMS振动陀螺本体，所述谐振结构包括呈圆形的中心固定锚点，所述中心固定锚点外侧设有多个依次嵌套的呈圆形结构的嵌套环，相邻嵌套环之间通过辐条相连，至少一对相邻嵌套环的所有相邻辐条之间设有柔性子系统，所述柔性子系统包括呈弧形带状的质量块和软梁，所述质量块的两侧分别通过软梁与辐条相连。
优选地，所述质量块的内侧和外侧的中部各连接有一根软梁，所述软梁与嵌套环的边缘平行布置，所述软梁的中部与质量块相连、两端各与一根辐条相连。
优选地，所述MEMS振动陀螺本体还包括衬底和电极组件，所述中心固定锚点和衬底键合连接，所述电极组件布置于谐振结构的外侧，所述谐振结构和电极组件由同一硅片制成处于一个结构层，所述衬底布置于所述结构层的下侧。
优选地，所述结构层的下表面依次镀有铬层和金层，所述衬底的上表面设有氧化绝缘层且氧化绝缘层上依次镀有铬层和金层，所述衬底、电极组件两者和中心固定锚点之间通过金-金键合连接。
优选地，所述电极组件包括多个电极，且多个电极依次围绕谐振结构呈环状分布布置于谐振结构的外侧。
优选地，所述电极的数量为十六个，所述电极包括四个驱动电极D、四个检测电极S和两组调频电极T1-T2，两组调频电极T1-T2中每一组调频电极的数量为四个，四个驱动电极D和四个检测电极S围绕谐振结构间断均匀分布，四个驱动电极D通过基于两个正驱动电极D+和两个负驱动电极D-构成差分驱动电极，其中正驱动电极D+施加高频载波、直流偏置和交流驱动电压三者的叠加，负驱动电极D-则施加反相得高频载波、直流偏置和反相的交流驱动电压三者的叠加实现推挽式驱动；四个检测电极S基于两个正检测电极S+和两个负检测电极S-构成差分检测电极，且任一驱动电极D一侧和检测电极S之间间隔布置有一个调频电极T1、另一侧和检测电极S之间间隔布置有调频电极T2。
本发明带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺具有下述优点：本发明利用多自由度系统中同相模态振动频率小于其子系统振动频率的特点，在谐振结构上通过挂载柔性子系统，实现了在不降低谐振结构等效振动质量的同时降低系统的频率，提升系统Q值，从而提升系统的机械灵敏度的目标，能够达成诸多有益于陀螺性能的优秀特质：高的QTED值、大的谐振质量、大的驱动幅值和高的机械灵敏度，对提高陀螺整体性能有着重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例一的谐振结构的结构示意图。
图2为本发明实施例一中柔性子系统的放大结构示意图。
图3为本发明实施例一振动陀螺在图1的A-A位置的剖视结构示意图。
图4为本发明实施例一振动陀螺的电极结构示意图。
图5为本发明实施例一振动陀螺的电极结构等效电路示意图。
图6为本发明实施例一驱动轴或检测轴方向的振动原理示意图。
图7为本发明实施例一谐振结构的谐振频率随软梁宽度变化而变化的曲线。
图8为本发明实施例一谐振结构的Q值随软梁宽度变化而变化的曲线。
图9为本发明实施例一的驱动模态仿真示意图。
图10为本发明实施例的检测模态仿真示意图。
图11为本发明实施例二的谐振结构的结构示意图。
图例说明：1、谐振结构；11、中心固定锚点；12、嵌套环；13、辐条；14、柔性子系统；141、质量块；142、软梁；2、衬底；21、氧化绝缘层；3、电极。
具体实施方式
实施例一：
如图1和图2所示，本实施例的带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺包括谐振结构1的MEMS振动陀螺本体，谐振结构1包括呈圆形的中心固定锚点11，中心固定锚点11外侧设有多个依次嵌套的呈圆形结构的嵌套环12，相邻嵌套环12之间通过辐条13相连，至少一对相邻嵌套环12的所有相邻辐条13之间设有柔性子系统14，柔性子系统14包括呈弧形带状的质量块141和软梁142，质量块141的两侧分别通过软梁142与辐条13相连。
如图2和图3所示，质量块141的内侧和外侧的中部各连接有一根软梁142，软梁142与嵌套环12的边缘平行布置，软梁142的中部与质量块141相连、两端各与一根辐条13相连。
如图3和图4所示，MEMS振动陀螺本体还包括衬底2和电极组件，中心固定锚点11和衬底2键合连接，电极组件布置于谐振结构1的外侧，谐振结构1和电极组件由同一硅片制成处于一个结构层，衬底2布置于结构层的下侧。
参见图3，本实施例中在结构层的下表面依次镀有铬层和金层，衬底2的上表面设有氧化绝缘层21且氧化绝缘层21上依次镀有铬层和金层，衬底2、电极组件两者和中心固定锚点11之间通过金-金键合连接。
如图3和图4所示，电极组件包括多个电极3，且多个电极3依次围绕谐振结构1呈环状分布布置于谐振结构1的外侧。
如图3、图4和5所示，电极3的数量为十六个，电极3包括四个驱动电极D、四个检测电极S和两组调频电极T1-T2，两组调频电极T1-T2中每一组调频电极的数量为四个，四个驱动电极D和四个检测电极S围绕谐振结构1间断均匀分布，四个驱动电极D通过基于两个正驱动电极D+和两个负驱动电极D-构成差分驱动电极，其中正驱动电极D+施加高频载波、直流偏置和交流驱动电压三者的叠加，负驱动电极D-则施加反相得高频载波、直流偏置和反相的交流驱动电压三者的叠加实现推挽式驱动；四个检测电极S基于两个正检测电极S+和两个负检测电极S-构成差分检测电极，且任一驱动电极D一侧和检测电极S之间间隔布置有一个调频电极T1、另一侧和检测电极S之间间隔布置有调频电极T2。参见图4和图5，本实施例中Cd+、Cd-为驱动差分电容对，Cs+、Cs-为检测差分电容对，电容的公共极板就是陀螺的谐振结构，T1、T2、T3、T4为四组调频电极。
本发明通过在轴对称的谐振结构1添加周期分布的柔性子系统14组成的弹簧-阻尼二阶柔性子系统(如图6所示，其中k1、m1表示不含柔性子系统14的谐振结构1构成的子系统，k2、m2表示谐振结构上挂载的柔性子系统14来实现多系统的耦合，利用该耦合系统同相模态低于其任何一个子系统的模态的特点，在降低系统的谐振频率提升系统Q值的同时不会造成系统谐振质量的降低，从而大幅提高陀螺机械灵敏度。
在本实施例挂载柔性子系统14的谐振结构1构成的弹簧-阻尼二阶柔性子系统(二自由度系统)中存在两个自由振动模态：同相振动模态和反相振动模态，同相振动模态频率如式(3)所示、反相振动模态频率如式(4)所示；
式(3)和式(4)中，ωip为同相振动模态频率，ωap为反相振动模态频率，γ＝ω2/ω1，μ＝m2/m1，其中ω1为谐振结构1的固有频率，ω2为所挂载的柔性子系统14的固有频率，m1为谐振结构的等效质量，m2为所挂载的柔性子系统的等效质量。通过频率随μ和γ的变化曲线可以得知，始终存在式(5)；
ωip≤ω1(ω2)≤ωap (5)
式(5)中，ωip为同相振动模态频率，ωap为反相振动模态频率，ω2为所挂载的柔性子系统14的固有频率，ω1为谐振结构1的固有频率。即，同相振动频率ωip始终不超过任何一个柔性子系统14的固有频率ω2。因此在不含柔性子系统14的谐振结构1之上增加柔性子系统14可以降低整体系统的振动频率进而提高系统的Q值。同时由于在挂载柔性子系统14的过程中并未减小原有嵌套环框架(不含柔性子系统14的谐振结构1)的质量，反而增加了部分质量，因此其系统的等效振动质量也将得到提升，进而保证了系统机械灵敏度的提高。
如图7和图8所示，本实施例带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺中挂载了柔性子系统14的谐振结构1的振动频率和Q值随着软梁142的宽度的变化而变化，因此可以通过软梁142的刚度来控制系统的谐振频率和Q值。
本实施例带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺的工作原理如下：参见图8，通过静电力驱动方式，以特定的频率激励出谐振结构1的驱动模态，参见图9，其驱动模态为环向波数为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；参见图10，当有轴向角速度输入时，谐振结构1在哥氏力的作用下产生检测模态，谐振结构1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。此外由于谐振结构1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，从而实现谐振结构1的模态匹配和动态平衡。
本实施例带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺利用多自由度系统中同相模态振动频率小于其子系统振动频率的特点，在谐振结构1上通过挂载柔性子系统14，实现了在不降低谐振结构1的等效振动质量的同时降低系统的频率，提升系统Q值，从而提升系统的机械灵敏度的目标。仿真结果得出，在表1所示模型参数下，当软梁142的厚度为0.02mm时，通过挂载柔性子系统14，可将本实施例带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺的二阶模态频率由7443.6Hz降低至3166.7Hz，将二阶模态热弹性Q值由195015提高至384195，频率降低幅度达57.5％，Q值增加幅度达到97％。
表1：模型参数表：
参数名称 数值
中心固定锚点11的半径 1.5mm
中心固定锚点11与第一环间隙 0.1mm
各环间隙 0.4mm
辐条13的厚度 0.02mm
高度 0.148mm
总环数 9
挂载质量块环数 4
每圈质量块个数 8
综上所述，本实施例带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺能够达成诸多有益于陀螺性能的优秀特质：高的QTED值、大的谐振质量、大的驱动幅值和高的机械灵敏度，对提高陀螺整体性能有着重要意义。
实施例二：
本实施例与实施例一的结构基本相同，其主要不同点为：如图11所示，本实施例中，谐振结构包括4对呈圆形结构的嵌套环，且每一对相邻嵌套环12的所有相邻辐条13之间均设有柔性子系统14。此外，还可以根据需要设置一对相邻嵌套环12的所有相邻辐条13之间均设有柔性子系统14、三对相邻嵌套环12的所有相邻辐条13之间均设有柔性子系统14等等，其原理与实施例一、实施例二基本相同，在此不再赘述。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺，包括谐振结构(1)的MEMS振动陀螺本体，所述谐振结构(1)包括呈圆形的中心固定锚点(11)，所述中心固定锚点(11)外侧设有多个依次嵌套的呈圆形结构的嵌套环(12)，相邻嵌套环(12)之间通过辐条(13)相连，其特征在于：至少一对相邻嵌套环(12)的所有相邻辐条(13)之间设有柔性子系统(14)，所述柔性子系统(14)包括呈弧形带状的质量块(141)和软梁(142)，所述质量块(141)的两侧分别通过软梁(142)与辐条(13)相连。
2.根据权利要求1所述的带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺，其特征在于：所述质量块(141)的内侧和外侧的中部各连接有一根软梁(142)，所述软梁(142)与嵌套环(12)的边缘平行布置，所述软梁(142)的中部与质量块(141)相连、两端各与一根辐条(13)相连。
3.根据权利要求1所述的带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺，其特征在于：所述MEMS振动陀螺本体还包括衬底(2)和电极组件，所述中心固定锚点(11)和衬底(2)键合连接，所述电极组件布置于谐振结构(1)的外侧，所述谐振结构(1)和电极组件由同一硅片制成处于一个结构层，所述衬底(2)布置于所述结构层的下侧。
4.根据权利要求3所述的带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺，其特征在于：所述结构层的下表面依次镀有铬层和金层，所述衬底(2)的上表面设有氧化绝缘层(21)且氧化绝缘层(21)上依次镀有铬层和金层，所述衬底(2)、电极组件两者和中心固定锚点(11)之间通过金-金键合连接。
5.根据权利要求3所述的带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺，其特征在于：所述电极组件包括多个电极(3)，且多个电极(3)依次围绕谐振结构(1)呈环状分布布置于谐振结构(1)的外侧。
6.根据权利要求5所述的带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺，其特征在于：所述电极(3)的数量为十六个，所述电极(3)包括四个驱动电极D、四个检测电极S和两组调频电极T1-T2，两组调频电极T1-T2中每一组调频电极的数量为四个，四个驱动电极D和四个检测电极S围绕谐振结构(1)间断均匀分布，四个驱动电极D通过基于两个正驱动电极D+和两个负驱动电极D-构成差分驱动电极，其中正驱动电极D+施加高频载波、直流偏置和交流驱动电压三者的叠加，负驱动电极D-则施加反相的高频载波、直流偏置和反相的交流驱动电压三者的叠加实现推挽式驱动；四个检测电极S基于两个正检测电极S+和两个负检测电极S-构成差分检测电极，且任一驱动电极D一侧和检测电极S之间间隔布置有一个调频电极T1、另一侧和检测电极S之间间隔布置有调频电极T2。
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