CN109596116A - 带周期分布子系统的蜂巢状盘形mems振动陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带周期分布子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺，包括蜂巢式框架结构的谐振子，所述谐振子中设有周期分布子系统，所述周期分布子系统包括呈圆周状分布于蜂巢式框架结构中各个内部六边形中的多个子单元，所述子单元包括悬臂梁和质量块，且所述质量块通过悬臂梁和内部六边形相连且使得子单元沿内部六边形的轴心对称布置。本发明能够达成诸多有益于陀螺性能的优秀特质：高的Q_TED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。

Description

带周期分布子系统的蜂巢状盘形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子系统的蜂巢状盘形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，它们精度普遍较高，但同时具有体积大、功耗高、价格高等缺点，难以满足上述应用需求。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、价格便宜等诸多特点，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。然而，嵌套环式陀螺存在误差鲁棒性差、振型线性度差等缺点，仍存在改进优化的空间。

蜂巢拓扑结构是大自然的鬼斧神工，其形状优美、性能优异，是自然界中高效使用材料的典范。受蜂巢式拓扑结构的启发，专利CN104990546A提出了一种以蜂巢式拓扑结构代替原嵌套环拓扑结构的改进型嵌套环陀螺方案，并将其命名为蜂巢状盘形MEMS振动陀螺。蜂巢状盘形MEMS振动陀螺和嵌套环式MEMS振动陀螺的原理相同，它是一种工作在频率匹配模式下的谐振陀螺，具有电容面积大，误差鲁棒性和环境鲁棒性优越，振型一致性好等优点，具有很高的灵敏度和精度潜力。然而，专利CN104990546A中所设计的由纯蜂巢框架构成的谐振子谐振频率较高，Q值相对较低，限制了陀螺的性能，需要采取方法进一步地提高其Q值，从而达到提升性能的目的。

一般而言，MEMS谐振子的主要阻尼项包括热弹性阻尼、支撑损耗以及空气阻尼等，对于蜂巢状盘形MEMS谐振结构而言，对称的模态振型使得支撑损耗非常小，高真空的封装使得空气阻尼也可以忽略不计，因此占主导的阻尼因素是热弹性阻尼，因此，提升谐振子Q值的关键是降低其热弹性阻尼。热弹性阻尼主要取决于材料选择和结构设计，应用最广泛的热弹性理论模型是如式(1)所示的Zener模型：

式(1)中，Q_TED为热弹性阻尼，C_V是固体的定容热容，E是固体材料的杨氏模量，α是材料的热膨胀系数,T₀是绝对环境温度，f₀是结构的谐振频率，f_Relax是结构的热弛豫频率。

热弛豫频率f_Relax由如式(2)所示的公式确定：

式(2)中，τ_Relax为热弛豫时间，其物理意义是存在热梯度的梁结构达到热平衡所需要的时间，χ为固体材料的热扩散系数，b谐振梁厚度。

根据公式(1)，经过简单的分析，可知热弹性Q值在f满足2πf₀/f_Relax＝1时取最小值，当f＞f₀(f<f₀)是，热弹性Q值随着f的增大(减小)而单调递增。对于蜂巢状盘形MEMS谐振子这样的薄壁谐振结构符合2πf₀/f_Relax<<1，即热弛豫时间远大于谐振频率。因此，要提高陀螺的热弹性Q值，必须在f_Relax基本不改变情况下，尽量减小自身的谐振频率f。但是对于蜂巢状盘形MEMS振动陀螺而言，如何实现质量与刚度的解耦，即添加集中质量后不影响或者仅仅轻微影响整体框架的模态刚度，仍然是一项亟待解决的关键技术问题。

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子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺，本发明能够达成诸多有益于陀螺性能的优秀特质：高的Q_TED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。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种带周期分布子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺，包括蜂巢式框架结构的谐振子，所述谐振子中设有周期分布子系统，所述周期分布子系统包括呈圆周状分布于蜂巢式框架结构中各个内部六边形中的多个子单元，所述子单元包括悬臂梁和质量块，且所述质量块通过悬臂梁和内部六边形相连且使得子单元沿内部六边形的轴心对称布置。

优选地，所述子单元包括通过悬臂梁和内部六边形顶边或底边相连的至少一个质量块。

优选地，所述子单元包括分别通过悬臂梁和内部六边形两条倾斜支撑梁连接点相连的两个质量块。

优选地，所述子单元包括分别通过悬臂梁和内部六边形两条倾斜支撑梁连接点相连的两个质量块、以及通过悬臂梁和内部六边形顶边或底边相连的至少一个质量块。

优选地，所述蜂巢式框架结构由多层呈圆周状分布的内部六边形逐层嵌套构成的圆盘状结构，且由最内侧的一圈内部六边形和中心锚点相连。

优选地，所述谐振子采用单晶硅材料制成。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：本发明带周期分布子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺通过在轴对称的蜂巢式框架上添加周期分布的由双端固支梁和质量块组成的子系统来实现质量与刚度的解耦，即添加集中质量后，不会影响或者仅仅轻微影响整体框架的模态刚度。在对蜂巢式陀螺进行动力学分析时，可将其简化为二阶质量-刚度-阻尼系统，引入集中质量子系统后，整个系统的质量增加，刚度基本不变，由系统谐振频率的计算公式可知，陀螺的谐振频率减小。同时，集中质量子系统的引入并未改变蜂巢状盘形谐振子梁的厚度，因此谐振子的热驰豫频率基本保持不变，根据公式(1)可知，谐振子的整体热弹性Q值将显著提升，本发明能够达成诸多有益于陀螺性能的优秀特质：高的Q_TED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为本发明实施例一中不带周期分布子系统的谐振子原始结构示意图。

图2为本发明实施例一中谐振子等效结构示意图。

图3为本发明实施例二中谐振子的结构示意图。

图4为本发明实施例三中谐振子等效结构示意图。

图5为本发明实施例四中谐振子等效结构示意图。

图6～图13分别为本发明实施例四中挂载了不同形式、不同环数、不同大小的子单元结构的谐振子结构示意图。

图14为本发明实施例五的驱动模态振型图。

图15为本发明实施例五的驱动模态振型图。

图16为本发明实施例五采用周向均匀分布的多个外置电极的结构示意图。

图17为本发明实施例五采用多个内置电极的结构示意图。

图18为本发明实施例五同时采用外置电极和内置电极的结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

如图1和图2所示，本实施例带周期分布子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺包括蜂巢式框架结构的谐振子，谐振子中设有周期分布子系统，周期分布子系统包括呈圆周状分布于蜂巢式框架结构中各个内部六边形中的多个子单元，子单元包括悬臂梁和质量块，且质量块通过悬臂梁和内部六边形相连且使得子单元沿内部六边形的轴心对称布置。本实施例与蜂巢状盘形MEMS振动陀螺相比，其优点在于通过周期分布子系统的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。

如图1所示，蜂巢式框架结构由多层呈圆周状分布的内部六边形逐层嵌套构成的圆盘状结构，且由最内侧的一圈内部六边形和中心锚点相连。

本实施例中，谐振子采用单晶硅材料制成。

添加周期分布子系统的关键是尽量不影响框架的刚度，如图2所示，本实施例中的子单元包括通过悬臂梁和内部六边形顶边(远离中心锚点一侧的边)相连的一个质量块。此外，质量块一方面可以根据需要拆分成沿内部六边形的轴心对称布置的多个质量块，另一方面还可以根据需要和内部六边形的底边(靠近中心锚点一侧的边)相连。为了表达方便，图2中的质量块的形状等效为一个质点故为圆形，但是实际上子单元中的一个质量块的形状(或多个质量块组合构成的形状)应当和内部六边形的形状一致(可参见实施例二的形状结构)。本实施例中，在每一个内部六边形中均布置有一个子单元。此外也可以根据需要调整其数量和形式，只要其满足呈圆周状分布于蜂巢式框架结构中各个内部六边形中即可。如果该悬臂梁的宽度不大，则仅对蜂巢式框架的刚度产生很小的影响，不会影响框架的刚度。

本实施例的带周期分布集中子系统的蜂巢式MEMS振动陀螺是一种典型的工作在退化模态的微振动陀螺，即其驱动模态与检测模态一样，其工作原理为：通过静电力驱动方式，以特定的频率激励出谐振子的第一模态(即驱动模态)，其第一模态为环向波数为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；当有垂直于平面的角速度输入时，谐振子在哥氏力的作用下产生另一固有刚性轴系的第二模态(即检测模态)，谐振子第二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。此外由于谐振子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，从而实现谐振子的模态匹配和动态平衡。带周期分布集中质量块的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺采用静电驱动/电容检测的方式实现谐振子的驱动、检测和修调，因此电极的设计对其性能具有至关重要的影响。带周期分布集中质量块的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺可以采用环绕在谐振子周围的外置电极的设计；也可以在谐振子内部的空隙设计内置电极；同时还可以采用外置电极和内置电极并存的设计。如果电极数目越多，单个电极的电容面积越大，电极动极板的位移越大，则电极的驱动、检测和修调效果越好。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，其主要区别点为子单元的结构有所不同，如图3所示，本实施例中仅仅在蜂巢式框架结构最外侧两层内部六边形中布置有子单元，且和实施例一相同，子单元中的一个质量块的形状均为六边形。

实施例三：

本实施例与实施例一基本相同，其主要区别点为子单元的结构有所不同，本实施例中在对蜂巢式框架刚度影响较小的部位添加周期分布集中质量，同样也能够实现对蜂巢式框架的刚度产生很小的影响，不会影响框架的刚度。如图4所示，本实施例中子单元包括分别通过悬臂梁和内部六边形两条倾斜支撑梁连接点相连的两个质量块。如图4所示，为了表达方便，两个质量块的形状均等效为一个质点故为圆形，但是实际上两个质量块组合构成的形状应当和内部六边形的形状一致。

实施例四：

本实施例与实施例一基本相同，其主要区别点为子单元的结构有所不同。如图5所示，本实施例中子单元包括分别通过悬臂梁和内部六边形两条倾斜支撑梁连接点相连的两个质量块、以及通过悬臂梁和内部六边形顶边(远离中心锚点一侧的边)相连的两个质量块。通过上述方式，减小了单个质量块的大小，减弱了质量块子系统的引入对于谐振子整体模态刚度的影响。此外，一方面，通过悬臂梁和内部六边形顶边(远离中心锚点一侧的边)相连的质量块也可以改为采用和内部六边形的底边(靠近中心锚点一侧的边)相连；另一方面，通过悬臂梁和内部六边形顶边(远离中心锚点一侧的边)相连的质量块的数量也可以根据需要调整为一个或者更多。如图5所示，为了表达方便，两个质量块的形状均等效为一个质点故为圆形，但是实际上所有质量块组合构成的形状应当和内部六边形的形状一致。

如图5所示，本实施例中在每一个内部六边形中均布置有一个子单元。此外也可根据需要调整其数量和形式，只要其满足呈圆周状分布于蜂巢式框架结构中各个内部六边形中即可：如图6所示，子单元可以选择布置在蜂巢式框架结构中最外侧两层内部六边形中。如图7所示，子单元可以选择布置在蜂巢式框架结构中最外侧四层内部六边形中。如图8所示，子单元可以选择布置在蜂巢式框架结构中最外侧六层内部六边形中。如图9所示，子单元可以选择布置在蜂巢式框架结构中最外侧两层内部六边形中且中间留空两层内部六边形。如图10所示，子单元可以选择布置在蜂巢式框架结构中最外侧四层内部六边形中，且内部六边形的顶边和底边个连接有两个质量块。如图11所示，子单元可以选择布置在蜂巢式框架结构中次外侧四层内部六边形中，且内部六边形最外侧的一层内部六边形留空。如图12所示，子单元可以选择布置在蜂巢式框架结构中最外侧七层内部六边形中，且内部六边形最外侧第1、4、5层内部六边形留空。如图13所示，子单元可以选择布置在蜂巢式框架结构中最外侧四层内部六边形中，且内部六边形最外侧第1、3层内部六边形留空。

实施例五：

本实施例为实施例五的一种特例，子单元选择布置在蜂巢式框架结构中最外侧八层内部六边形中。本实施例的工作原理为：通过静电力驱动方式，以特定的频率激励出谐振子如图14所示的第一模态(即驱动模态)，其第一模态为环向波数为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；当有垂直于平面的角速度输入时，谐振子在哥氏力的作用下产生如图15所示的另一固有刚性轴系的第二模态(即检测模态)，谐振子第二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。此外由于谐振子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，从而实现谐振子的模态匹配和动态平衡。

本实施例带周期分布子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺采用静电驱动/电容检测的方式实现谐振子的驱动、检测和修调，因此电极的设计对其性能具有至关重要的影响。

本实施例带周期分布子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺可以采用环绕在谐振子周围的外置电极的设计，如图16所示；也可以在谐振子内部的空隙设计内置电极，图17所示；同时还可以采用外置电极和内置电极并存的设计，如图18所示。如果电极数目越多，单个电极的电容面积越大，电极动极板的位移越大，则电极的驱动、检测和修调效果越好。

为了对本发明带周期分布子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺进行进一步验证，下文基于表1所示参数进行了仿真：

表1：谐振子仿真参数表。

参数名称	数值
		锚点直径	3mm
最外环直径	8mm
		环和支撑梁厚度	13μm
高度	0.15mm
		总环数(总层数)	10
每圈质量块个数	64

仿真结果得出，在如表1的模型参数下，挂载不同环数质量块对谐振子性能的提升如表2所示。

表2：不同形式的蜂巢状谐振子性能对比表。

对比表2可知，当挂载四环质量块时，通过挂载周期分布子系统，可将蜂巢状盘形陀螺的二阶模态频率由16175Hz降低至5813Hz，将二阶模态热弹性Q值由158.5k提高至392.8k，频率降低幅度达64.1％，Q值增加幅度达到147.8％。

综上所述，本发明带周期分布子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺能够充分利用蜂巢状盘形MEMS谐振子的结构特点，采用在六边形单元上挂载集中质量子系统的方式，实现谐振子的质量刚度解耦，提升了系统的等效振动质量，同时降低了系统的频率，最终达到提升系统Q值的目标。该设计能够达成诸多有益于陀螺性能的优秀特质：高的Q_TED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。

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)

1.一种带周期分布子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺，包括蜂巢式框架结构的谐振子，其特征在于：所述谐振子中设有周期分布子系统，所述周期分布子系统包括呈圆周状分布于蜂巢式框架结构中各个内部六边形中的多个子单元，所述子单元包括悬臂梁和质量块，且所述质量块通过悬臂梁和内部六边形相连且使得子单元沿内部六边形的轴心对称布置。

2.根据权利要求1所述的带周期分布子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺，其特征在于：所述子单元包括通过悬臂梁和内部六边形顶边或底边相连的至少一个质量块。

3.根据权利要求1所述的带周期分布子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺，其特征在于：所述子单元包括分别通过悬臂梁和内部六边形两条倾斜支撑梁连接点相连的两个质量块。

4.根据权利要求1所述的带周期分布子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺，其特征在于：所述子单元包括分别通过悬臂梁和内部六边形两条倾斜支撑梁连接点相连的两个质量块、以及通过悬臂梁和内部六边形顶边或底边相连的至少一个质量块。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的带周期分布子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺，其特征在于：所述蜂巢式框架结构由多层呈圆周状分布的内部六边形逐层嵌套构成的圆盘状结构，且由最内侧的一圈内部六边形和中心锚点相连。

6.根据权利要求5所述的带周期分布子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺，其特征在于：所述谐振子采用单晶硅材料制成。