CN108955662B - 具有频差调节结构的中心轴对称谐振陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有频差调节结构的中心轴对称谐振陀螺仪，包括中心轴对称谐振陀螺仪本体，所述中心轴对称谐振陀螺仪本体包括谐振环及该谐振环对应的电极，所述谐振环与该谐振环对应的电极间设置有频差调节结构，所述频差调节结构包括在谐振环外侧设置的第一凸尖及该谐振环对应的电极内侧设置的第二凸尖，所述第一凸尖和第二凸尖峰峰相对。可以通过电火花选择性地“烧蚀”凸尖，能够在封装之后对频差进行修正，不会对结构造成损伤，成本低，操作简单易行。

Description

具有频差调节结构的中心轴对称谐振陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种中心轴对称谐振陀螺仪，具体涉及一种具有频差调节结构的中心轴对称谐振陀螺仪。

背景技术

谐振环式硅微陀螺仪（环形陀螺仪）具有加工工艺简单，环路控制方便，检测灵敏度高的特点。结构如图1、2所示，然而，在环形陀螺仪的谐振环的加工过程中，不可避免地会存在不同程度的加工误差，该加工误差造成了环形结构的不对称性。这样就会引起谐振环工作模态之间的自然谐振频率不匹配，从而严重影响系统的测试精度，甚至使系统不能正常工作。

模态频率匹配对于实现陀螺高性能是至关重要的，频差越小直至为零可以使噪声变小，信噪比显著提高，从而增加结构的机械灵敏度和零偏稳定性。然而，短时间内又很难在一定程度上进一步提高加工工艺的精度。

目前频差调节的方法大致有以下2类：

一、从结构设计角度：

1、质点沉积形成质量扰动法，缺点是：工艺实现复杂，只能在封装前对结构进行改进，会对结构造成永久性不可逆的损伤；工艺实现方法不适用于所有结构，且由于谐振器尺寸小前期计算复杂易产生较大误差；即使在制造过程中精确控制了频差，但在后期器件工作过程中由于外部环境带来的参数变化会使初始调节失去效用。

2、激光修正法，缺点是：明显降低了Q值；不适用于尺寸小的结构；且成本昂贵。

3、对传统对称结构的微调，缺点是：对辐条位置和宽度、环宽等微调，使结构不具有完全对称性；此方法在工艺中存在不可避免的误差，且计算复杂，不适用于所有结构；不能用于批量生产中。

4、局部热应力修调法，缺点：需要精确测量谐振器所用材料杨氏模量和温度的关系，再进行调节，误差较大。

二、从电路角度：

1、静电调谐法，静电调谐是目前广泛使用的方法，但是这种方法的缺点是调节频率的范围有限，频差太大就纠正不过来了，而且调频电压太高会使得Q值下降，增加Q值不对称性，使精度下降。另外，对电路稳定性要求很高。

发明内容

针对上述技术问题，本发明目的是：提供一种能具有频差调节结构的中心轴对称谐振陀螺仪，可以通过高压电火花选择性地“烧蚀”凸尖，能够在封装之前或者之后对频差进行修正，不会对结构造成损伤，成本低，操作简单易行。

本发明的技术方案是：

一种具有频差调节结构的中心轴对称谐振陀螺仪，包括中心轴对称谐振陀螺仪本体，所述中心轴对称谐振陀螺仪本体包括谐振环及该谐振环对应的电极，所述谐振环与该谐振环对应的电极间设置有频差调节结构，所述频差调节结构包括在谐振环外侧设置的第一凸尖及该谐振环对应的电极内侧设置的第二凸尖，所述第一凸尖和第二凸尖峰峰相对。

优选的，所述第一凸尖和第二凸尖分别设置有多个，均匀分布在电极和谐振环的边缘。

优选的，所述谐振环设置有多个，所述频差调节结构设置于最外侧的谐振环与该谐振环对应的电极间。

优选的，所述第一凸尖与第二凸尖顶点的距离L≥3um。

优选的，所述第一凸尖的高度大于第二凸尖的高度。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明的谐振陀螺具有频差调节结构，可以方便调节频差，成本低，操作简单易行。当测量出驱动或检测模态频差时，可在驱动轴或检测轴进行电火花“烧蚀”凸尖。能够在封装之后对频差进行修正，不会降低Q值。不会对结构造成损伤。因为凸尖的尺寸设计相比环宽可修复空间大，当电火花对频差进行修整时，仅需去除凸尖的三分之一甚至更小的体积即可。适用于多种结构，且可以批量生产。

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是现有环形陀螺仪的结构示意图；

图2为图1中A的放大图；

图3是本发明具有频差调节结构的环形陀螺仪的结构示意图；

图4是图3中B的放大图；

图5是图4中C的放大图；

图6是凸尖打掉比例与频差的仿真关系示意图。

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：

如图3、4、5所示，一种具有频差调节结构的环形陀螺仪，包括环形陀螺仪本体10，环形陀螺仪本体10包括谐振环11及该谐振环11对应的电极12，谐振环可以有多个，图3中的谐振环个数为18个，谐振环11之间通过辐条13连接，谐振环11与该谐振环11对应的电极12间设置有频差调节结构，该频差调节结构包括在谐振环11外侧设置的第一凸尖111及该谐振环对应的电极12内侧设置的第二凸尖121，第一凸尖111和第二凸尖121峰峰相对。

凸尖的形状可以为尖齿或者具有尖部的其他结构，本实施例以尖齿为例进行说明，但是同样适用于具有尖部的其他结构。

第一凸尖111和第二凸尖121分别设置有多个，均匀分布在电极12和谐振环11的边缘。

凸尖可以设置于最外侧的谐振环与该谐振环对应的电极间，也可以设置在内侧的谐振环及其对应的电极间，但是，由于内侧的谐振环靠近锚点，振动位移很小，因此在内侧的谐振环上加凸尖进行调频的效果不明显。所以凸尖一般设置于最外侧的谐振环与该谐振环对应的电极间。

为了保证足够大的圆环谐振幅度，本例环与电极间隙为7.2um，使尖齿与尖齿顶点距离L≥3um，且环上尖齿高度H≤3um，固定电极上尖齿高度h≤2um，结构示意图如图5所示。

图3中的电极被等分成8份，每一段圆弧上加了数个尖齿，这里只是画了较为典型的五个尖齿，并可根据结构调整其数量和大小。

后期根据测量结果对驱动轴或者敏感轴对应的尖齿放电，通过电火花的方式打掉尖点，可以打掉凸尖的1/3，1/2及全部等等，以减小频差。电火花放电的效果一般是通过临时加瞬态高压，产生电火花，这里的瞬态高压一般为几十伏到几百伏，高于陀螺仪的工作电压。

对本发明进行仿真实验，在本实验中，根据仿真结果，敏感模态频率（fs）大于检测模态频率（fd）。根据

，为了减小频差，需要减小fs，即增大检测轴方向的质量块。因此，通过将驱动方向的尖齿去掉（视为实际操作中电火花打掉）进行调频。

分别打掉尖点的1/3，1/2及全部进行comsol仿真。仿真结果如图6所示。

可以看出，进行尖点调频后，频差由原来的12Hz变为0Hz（完全匹配），且随着打掉尖齿比例增大，频差逐渐变小直至为零，充分说明此方案的可行性。

另外，在仿真中发现，尖齿数量过多会造成环上质量相对分散，使调频效果受到影响。因此，对于尖齿数量不能过多。

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例。

Claims (5)

1.一种具有频差调节结构的中心轴对称谐振陀螺仪，包括中心轴对称谐振陀螺仪本体，所述中心轴对称谐振陀螺仪本体包括谐振环及该谐振环对应的电极，其特征在于，所述谐振环与该谐振环对应的电极间设置有频差调节结构，所述频差调节结构包括在谐振环外侧设置的第一凸尖及该谐振环对应的电极内侧设置的第二凸尖，所述第一凸尖和第二凸尖峰峰相对；

在所述频差调节结构封装之后，通过高压电火花烧蚀所述第一凸尖和/或所述第二凸尖对所述中心轴对称谐振陀螺仪进行频率修调。

2.根据权利要求1所述的具有频差调节结构的中心轴对称谐振陀螺仪，其特征在于，所述第一凸尖和第二凸尖分别设置有多个，均匀分布在电极和谐振环的边缘。

3.根据权利要求1所述的具有频差调节结构的中心轴对称谐振陀螺仪，其特征在于，所述谐振环设置有多个，所述频差调节结构设置于最外侧的谐振环与该谐振环对应的电极间。

4.根据权利要求1-3任一项所述的具有频差调节结构的中心轴对称谐振陀螺仪，其特征在于，所述第一凸尖与第二凸尖顶点的距离L≥3um。

5.根据权利要求4所述的具有频差调节结构的中心轴对称谐振陀螺仪，其特征在于，所述第一凸尖的高度大于第二凸尖的高度。

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