CN108613669B - 正多边形盘状mems谐振陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种正多边形盘状MEMS谐振陀螺，包括敏感结构，所述敏感结构包括谐振子，所述谐振子的中心设置有用于固定整个谐振子的固定锚点，所述谐振子为整体呈轴对称的正多边形盘状，所述谐振子包括多个同心正多边形谐振环，所述同心正多边形谐振环间通过辐条连接，所述固定锚点通过辐条与相邻的同心正多边形谐振环连接，所述多个同心正多边形谐振环以固定锚点的中心为圆心径向分布，相邻的正多边形谐振环与辐条之间形成凹槽，所述凹槽内设置有电极。正多边形结构全部采用直线连接，没有圆弧线，因此，边缘误差效应小，对称性误差相对较小，因而二个工作模态谐振频率的裂解小。
Description
技术领域
本发明涉及一种微机电陀螺仪，具体地涉及一种正多边形盘状MEMS谐振陀螺。
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。基于微机电系统技术的MEMS陀螺仪具有纯固态、体积小、功耗小、寿命长、成本低、易集成等特点，在大批量、小体积的工业和武器装备应用中具有先天优势。
基于科里奥利效应的MEMS振动陀螺分为两类，一类是退化模态振动陀螺，其驱动模态与检测模态相同，另一类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。理论和实践证明，高品质因子(Q值)下的模态匹配是MEMS陀螺仪进一步提高精度的核心方法，目前的高精度MEMS陀螺仪均为退化模态振动陀螺，典型结构有中心轴对称四质量音叉结构和多环圆盘结构。相较于正交模态振动陀螺，退化模态振动陀螺具有模态频率匹配的特性，其科氏力信号受到Q值的放大作用，具有更高的灵敏度，这将降低陀螺的(低频)噪声，同时提升零偏稳定性和零偏重复性。然而，在陀螺芯片的微加工制造过程中，由于设备的工艺误差会不可避免地引入芯片结构非对称误差，而这些工艺误差造成的结构非对称性会使得陀螺谐振器的工作模态发生频率裂解，降低陀螺的性能。因此，寻求一种对微加工制造公差依赖性较低的谐振器结构设计是很有必要的。
依据文献“Anthony D.Challoner,Boeing Disc Resonator Gyroscope.IEEE2014”中的表述，中心轴对称谐振陀螺的零偏稳定性δΩb可表示为
其中，P为相对精度，体现了基于MEMS微加工工艺制作的机械结构对称性；fn为谐振频率，Q为品质因子，δfn、δQ体现为两退化模态的频率失配和阻尼失配。可见，陀螺的零偏稳定性正比于δP、δfn、δQ，其中，以δP 对谐振结构影响最为显著。δP表示的结构对称性体现为刚度轴偏离、刚度分布不均(δk)、质量分布不均(δm)，其直接导致δfn。此外，工作于模态匹配模式的MEMS振动陀螺，通常采用静电修调来消除δfn，文献“Peng Cheng,Effect ofpolarization voltage on the measured quality factor of a multiple-beamtuning-fork gyroscope.Sensors and Actuators A:Physics,2012”中论述了结构对称性对锚点阻尼(Qanchorloss)的影响，其表示为
系数η与谐振子的锚点设置相关，E为弹性模量，k为结构刚度，Vp为偏置电压(如用于模态匹配的静电修调电压)。δP越大，δk、δfn也越大，需要的静电修调电压Vp也越大，这将导致被修调模态的Q值明显降低，增大两退化模态的δQ。
因此，结构对称性δP的改善，将直接改善δfn和δQ，对提升陀螺仪的零漂性能是关键的。
由于目前光刻掩模版的制备技术受限，弧线一般不会圆滑，而是呈现齿状或折线状，这是由于图形绘制软件一般采用GDS格式，仅支持直角边和直线的几何图形，当图形结构小于网格(grid)尺寸时，圆弧就被截成矩形或者锯齿状，所以在绘制圆环形结构时会有一定的边缘误差。硅材料有一定的各项异性特质，硅的刻蚀也会有一定程度的横向刻蚀速率的差别，锯齿越小，这种差别越大。即使采用各向同性较好的晶面的硅片来说，由于硅片的切割误差，切面总会有一定的偏离面的误差，这样也会形成一定的各项异性特质。所以，对于中心轴对称结构来说，这种有许多锯齿状形成的圆弧可能会产生一些对称性误差。
如何在一定的工艺能力条件下改善陀螺谐振结构的δP，本发明提供了一种解决方案。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明目的是：提供了一种正多边形盘状 MEMS谐振陀螺，正多边形结构全部采用直线连接，没有圆弧线，因此，边缘误差效应小，对称性误差相对较小，因而二个工作模态谐振频率的裂解小。
本发明的技术方案是：
一种正多边形盘状MEMS谐振陀螺，包括敏感结构，所述敏感结构包括谐振子，所述谐振子的中心设置有用于固定整个谐振子的固定锚点，所述谐振子为整体呈轴对称的正多边形盘状，所述谐振子包括多个同心正多边形谐振环，所述同心正多边形谐振环间通过辐条连接，所述固定锚点通过辐条与相邻的同心正多边形谐振环连接，所述多个同心正多边形谐振环以固定锚点的中心为圆心径向分布，相邻的正多边形谐振环与辐条之间形成凹槽，所述凹槽内设置有电极。
优选的技术方案中，所述相邻同心正多边形谐振环之间的间距相同，且交替构成多个奇数槽和偶数槽，所述奇数槽和偶数槽内周向均匀分布多根辐条，所述奇数槽中的辐条与偶数槽中的辐条相差22.5度。
优选的技术方案中，所述与固定锚点相邻的偶数槽内设有陀螺的激励电极，其余偶数槽内设有检测电极。
优选的技术方案中，所述偶数槽内均设有两片差分电极。
优选的技术方案中，所述谐振子最外缘的同心正多边形谐振环的外围设置有多组修调电极。
优选的技术方案中，所述奇数槽内设置周向多组陀螺修调电极。
优选的技术方案中，所述某一圈数槽内设置平面止档结构。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、正多边形盘状MEMS谐振陀螺，正多边形结构全部采用直线连接，没有圆弧线，改善因制版精度和加工误差导致的结构不对称性。
2、正多边形盘状MEMS谐振陀螺，通过多个槽内电极设置，增大了检测电容(提高灵敏度)，丰富了控制电极、检测电极、修调电极，利于提升陀螺精度。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明十六边形盘状谐振子结构示意图；
图2是本发明三十二边形盘状谐振子结构示意图；
图3是本发明多边形盘状谐振陀螺轴向定义示意图；
图4是本发明驱动模态振型图；
图5是本发明检测模态振型图；
图6是本发明驱动模态激励电极与检测电极设置示意图；
图7是本发明柔性框架外部十六组修调电极示意图；
图8是本发明奇数槽电极设置示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例：
本发明的正多边形盘状MEMS谐振陀螺，正多边形盘状可以为正16边，也可以正32边，正64边，以此类推。通常采用正十六边形盘状结构，如图1 所示。或正三十二边形盘状结构，如图2所示。敏感结构包括多个谐振子和固定锚点3，谐振子由柔性框架制成。柔性框架由多个同心正多边形谐振环1 和辐条2构成。同心正多边形谐振环1的中心与固定锚点3中心重合。相邻同心正多边形谐振环1之间的间距相同，多个同心正多边形谐振环1以固定锚点3的中心为圆心径向分布，相邻的同心正多边形谐振环1与辐条2之间形成凹槽，且交替构成多个奇数槽4和偶数槽5。奇数槽4和偶数槽5内周向均匀分布多根辐条2，典型的为八根辐条，奇数槽4中的辐条2与偶数槽5中的辐条2相差22.5度。柔性框架整体关于中心轴呈八分之一旋转对称，最内侧的同心正多边形谐振环1经辐条2连接至固定锚点3。奇数槽4、偶数槽5内设置有电极。
柔性框架中的内侧(靠近锚点)偶数槽4设有陀螺的激励电极，多个外侧(远离锚点)偶数槽设有检测电极，每一个偶数槽内均设有两片差分电极；
柔性框架外部还设有十六组修调电极。
柔性框架中的奇数槽可用于补充设置周向十六组的陀螺修调电极、亦可在某一圈奇数槽内设置平面止档结构。
敏感结构采用平面内各向同性材料制成，比如(111)晶向的硅材料或金刚石材料。
实施例采用正十六边形盘状中心轴对称结构作为陀螺敏感结构，通常选用四节点退化模态(n＝2)或六节点退化模态(n＝3)作为其工作模态，相比于六节点模态，四节点模态的优势是振幅大、角增益大、结构灵敏度高、等效质量大、电极少、控制方式简单。因此，选用四节点模态作为盘状谐振陀螺工作模态，如图3所示。驱动轴(X-0-Y)与检测轴(X’-0-Y’)之间夹角45°。
为实现模态匹配，敏感结构采用具有平面内各向同性特征的材料制作，比如(111)晶向的硅晶圆或者各向同性金刚石。实际加工出的敏感结构受限于材料缺陷、制版精度、加工误差等非理想因素，两退化模态或多或少的存在频率裂解，这时候需要对频率稍高的模态进行修调。其中，T1轴(“22.5 度”)与T2轴(“67.5度”)为正交耦合刚度修调轴，用以将谐振结构的刚度轴调整至与电极方位轴重合。完成调轴后，进一步地在驱动轴/检测轴的调频电极上施加偏压以消除频率裂解。
正十六边形盘状陀螺的驱动模态如图4所示，检测模态如图5所示，两模态均作平面内振动。驱动模态在外部电路控制下恒幅谐振，当有垂直于盘状陀螺平面的角速率输入时，检测模态的振动幅度随之变化，该振动幅度正比于角速率，振动幅度的变化反映为电容(电流)变化。
如图6所示，偶数槽内设置有陀螺驱动模态和检测模态的激励电极和检测电极，包括驱动正激励电极41a、驱动负激励电极41b、驱动正检测电极30a、驱动负检测电极30b。激励电极又名施力电极，检测电极通过电容检测方式检测敏感结构的位移变化。由于驱动模态和检测模态全对称，图6中以标注了驱动模态的电极设置，检测模态的电极设置类似。为提高陀螺的检测电容，每个偶数槽内设有两片差分电极。最内侧(靠近锚点)偶数槽内设有差分激励电极，靠外的三个偶数槽则设置差分检测电极。这样布置的理由是：正多边形盘状陀螺振动时，外环的位移大于内环，使得靠外偶数槽内的检测电极拥有更大的电容变化灵敏度，好处是增大了有用信号的强度，提升信噪比；而最内侧偶数槽内放置激励电极，内环较小的位移使得激励电极所产生的静电力更为稳定。
图7为柔性框架外部设置的十六组修调电极，驱动轴调频电极53、检测轴调频电极54、正交修调电极(57a、57b)，按照驱动轴、检测轴、T1修调轴、T2修调轴分为四组。
图8为柔性框架内部奇数槽内的电极设置，按照周向十六组设置。奇数槽内可以补充设置修调电极，包括正交修调电极(75a、75b)，驱动轴调频电极73，也可以不设置电极，另外也可以挑其中的几圈设置止挡结构79。止挡结构79用于限制敏感结构的最大位移，保证陀螺在高过载下不发生结构失效。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改。
Claims (6)
1.一种正多边形盘状MEMS谐振陀螺，包括敏感结构，所述敏感结构包括谐振子，所述谐振子的中心设置有用于固定整个谐振子的固定锚点，其特征在于，所述谐振子为整体呈轴对称的正多边形盘状，所述谐振子包括多个同心正多边形谐振环，所述同心正多边形谐振环间通过辐条连接，所述固定锚点通过辐条与相邻的同心正多边形谐振环连接，所述多个同心正多边形谐振环以固定锚点的中心为圆心径向分布，相邻的正多边形谐振环与辐条之间形成凹槽，所述凹槽内设置有电极。
2.根据权利要求1所述的正多边形盘状MEMS谐振陀螺，其特征在于，相邻所述同心正多边形谐振环之间的间距相同，且交替构成多个奇数槽和偶数槽，所述奇数槽和偶数槽内周向均匀分布多根辐条，所述奇数槽中的辐条与偶数槽中的辐条相差22.5度。
3.根据权利要求2所述的正多边形盘状MEMS谐振陀螺，其特征在于，与所述固定锚点相邻的偶数槽内设有陀螺的激励电极，其余偶数槽内设有检测电极。
4.根据权利要求2所述的正多边形盘状MEMS谐振陀螺，其特征在于，所述偶数槽内均设有两片差分电极。
5.根据权利要求2所述的正多边形盘状MEMS谐振陀螺，其特征在于，所述谐振子最外缘的同心正多边形谐振环的外围设置有多组修调电极。
6.根据权利要求5所述的正多边形盘状MEMS谐振陀螺，其特征在于，所述奇数槽内设置周向多组陀螺修调电极。
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|---|---|
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