CN111854722B - 曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺，包括微机电振动陀螺本体，所述微机电振动陀螺本体包括谐振结构，所述谐振结构包括锚点、曲折柔性环和辐条，所述锚点外侧设置多个以锚点为中心依次嵌套的呈圆形结构的曲折柔性环，相邻的曲折柔性环之间以及位于最里层的曲折柔性环与锚点之间通过多根均匀分布的轮辐状的辐条连接，每一个曲折柔性环上相邻两个辐条分割的部分为曲线折叠的弯曲梁。本发明提供的曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺与传统嵌套环式陀螺相比，能够实现更高的热弹性品质因数和更大的驱动位移，具有更高的灵敏度和更低的机械热噪声。

Description

曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺

技术领域

本发明涉及陀螺仪技术以及利用微机电加工技术，主要为涉及一种采用新型曲折柔性环的嵌套环微陀螺。

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，他是运动测量、惯性导航、制导控制等领域的核心器件。基于哥氏力效应的微机电陀螺具有体积小、功耗低以及性价比高等优点，提高微机电陀螺精度是行业内重要的研究方向。嵌套环式微机电振动陀螺是一种典型的高性能方案。

机械灵敏度直接决定了陀螺的有效信号强度，而机械热噪声是陀螺噪声的重要来源，机械灵敏度的提升和机械热噪声的降低可以有效提升陀螺的信噪比，进而提升陀螺精度。因此，提升陀螺的品质因数Q和驱动模态振幅x₀能够有效提升陀螺的精度。

通常，振动陀螺的理论基础是小位移假设的线性理论，通常希望驱动模态振幅尽量大。但是，当机械谐振器的位移驱动到一定程度并达到非线性阈值位移之后，其小位移假设将失效，此时非线性效应将逐渐显现出来，非线性效应将使陀螺工作在非理想状态，性能急剧下降。因此，限制驱动模态振幅x₀的主要影响因素是陀螺谐振器的非线性阈值特性。

嵌套环式微机电振动陀螺是世界范围内首个达到导航级精度的微机电陀螺，其采用成熟的平面微加工技术工艺，使得该型陀螺具备制造成本低、体积小、研发周期短的优点。对于嵌套环式微机电振动陀螺而言，对其目标性能如机械灵敏度、机械热噪声等的主要影响参数是谐振结构的品质因数Q，定义为每个振动周期内谐振器的总体应变能与损耗的能量之间的比值，其倒数代表了谐振器的阻尼。多种能量耗散物理机制共同决定了谐振器总体的品质因数，微机电谐振器中常见的能量耗散物理机制包括热弹性阻尼(1/Q_TED)、锚点阻尼(1/Q_anchor)、空气阻尼(1/Q_air)、Akhiezer阻尼(1/Q_Akhiezer)、表面损耗(1/Q_surface)、材料内耗(1/Q_material)等。各项阻尼对应的品质因数对总体品质因数的贡献有如下关系，

经过对嵌套环式微机电振动陀螺进行分析，其具有对称的中心锚点结构，且工作模态振型对称，因此支撑损耗很小；其通常工作在0.1Pa一下的高真空封装中，空气阻尼也很小；其工作在kHz频率量级，Akhiezer阻尼也很小；其尺度在毫米级别，其表面损耗并不严重；而且微陀螺由单晶硅制造，其材料缺陷引起的阻尼也相对很小。故主要阻尼因素是热弹性阻尼，因此只要提升结构的热弹性阻尼品质因数Q_TED，就能在一定程度上有效地提升谐振器整体品质因数Q。

Zener最早建立了热弹性阻尼的唯象理论模型：

其中C_V为固体材料定容比热容，E为固体材料杨氏模量，α是固体材料热膨胀系数，T为环境温度，ω₀为结构振动角频率。f_Relex为热弛豫频率，其定义为

其中χ为固体材料热扩散率，b为发生热弛豫的结构壁厚。

根据Zener热弹性阻尼理论模型可知，Q_TED在振动频率与热弛豫频率接近的时候取材料决定的最低值，要提升Q_TED则需要使振动频率尽量远离热弛豫频率。热弛豫频率由柔性梁的壁厚决定，对嵌套环式微机电振动陀螺这样的柔性结构而言，热弛豫频率一般较高，只有降低结构的谐振频率才能提升Q_TED。结构的谐振频率有如下公式：

降低结构刚度k是减小结构谐振频率ω₀的有效手段。

当前传统嵌套环式微机电振动陀螺具有较高的刚度和较低的非线性阈值位移，这导致其在品质因数和驱动位移方面还有待提升。

发明内容

为了实现环式微机电陀螺的性能提升，进行结构创新设计，提供一种曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺，有效降低了结构刚度并增大了非线性阈值位移。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺，包括微机电振动陀螺本体，所述微机电振动陀螺本体包括谐振结构，所述谐振结构包括锚点、曲折柔性环和辐条，所述锚点外侧设置多个以锚点为中心依次嵌套的呈圆形结构的曲折柔性环，相邻的曲折柔性环之间以及位于最里层的曲折柔性环与锚点之间通过多根均匀分布的轮辐状的辐条连接，每一个曲折柔性环上相邻两个辐条分割的部分为曲线折叠的弯曲梁。

进一步的，所述谐振结构包括谐振结构内环部分和谐振结构外环部分，所述谐振结构内环部分靠近锚点，所述谐振结构外环部分远离锚点；所述谐振结构内环部分相邻曲折柔性环之间的辐条长度大于所述谐振结构外环部分相邻曲折柔性环之间的辐条长度。

进一步的，所述微机电振动陀螺本体还包括衬底和电极组件，所述电极组件和锚点均通过衬底上的凸台与衬底键合连接，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。

进一步的，所述电极组件和锚点上表面均设有用于后期封装金属引线的金属焊盘。

进一步的，所述电极组件包括外置电极和内置电极，所述外置电极设置在谐振结构四周，所述内置电极置于谐振结构外环部分中的相邻的曲折柔性环间隙中。

进一步的，所述内置电极包括内置非差分电极，前差分内置电极对和后差分内置电极对，所述后差分内置电极对设置在谐振结构外环部分远离锚点的相邻的曲折柔性环间隙中，所述前差分内置电极对设置在谐振结构外环部分靠近锚点的相邻的曲折柔性环间隙中，所述内置非差分电极设置在后差分内置电极对和前差分内置电极对之间的相邻的曲折柔性环间隙中。

进一步的，所述曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺由单晶硅材料制造而成。

本发明具有以下有益效果：

相较于以往的圆环通过辐条直接相连的嵌套环式微机电振动陀螺相比，本发明中的陀螺由之前简单圆环改变成具有一定柔性的曲折柔性环，使得发明中的陀螺等效刚度有效降低，实现品质因数Q值的提升，由于陀螺的品质因数与陀螺的性能参数好坏紧密相关，从而实现目标性能的提升。另外一方面由于使用了柔性框架，可保证陀螺在线性的工作状态下运动幅值变大，提升陀螺的灵敏度并降低其机械热噪声，确保陀螺的性能稳定性。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例一中的曲折柔性环的嵌套环式振动陀螺三维结构示意图；

图2为本发明实施例一中的曲折柔性环的嵌套环式振动陀螺在图1中A-A位置的剖视结构示意图；

图3为本发明实施例一中曲折柔性环的嵌套环式振动陀螺谐振结构的三维空间示意图；

图4为本发明实施例一中曲折柔性环的嵌套环式振动陀螺谐振结构单个曲折柔性环形状二维平面图；

图5为本发明实施例一中的曲折柔性环的嵌套环式振动陀螺谐振结构的两个曲折柔性环之间的连接示意图；

图6为本发明实施例一中曲折柔性环的嵌套环式振动陀螺谐振结构等效简化示意图；

图7为本发明实施例一中曲折柔性环的嵌套环式振动陀螺的八分之一谐振结构部分示意图；

图8为本发明实施例一中曲折柔性环的嵌套环式振动陀螺谐振结构外环部分的内置电极的布置示意图；

图9为本发明实施例一中曲折柔性环的嵌套环式振动陀螺的二阶酒杯形驱动模态仿真振型图；

图10为本发明实施例一中曲折柔性环的嵌套环式振动陀螺的二阶酒杯形检测模态仿真振型图；

图11为本发明实施例一中曲折柔性环的嵌套环式振动陀螺的三阶酒杯形模态仿真振型图；

图12为本发明实施例二中传统嵌套环陀螺谐振结构示意图；

其中，1、锚点，2、辐条，3、谐振结构，31、谐振结构内环部分，32、谐振结构外环部分，4、电极组件，41、内置非差分电极，42、前差分内置电极对，43、后差分内置电极对，44、外置电极，5、衬底，6、凸台，7、金属焊盘。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚；完整地描述，不过显而易见的是发明中所描述的实施例只是本发明中的一部分实施例，并不是本发明的全部实施例。可以肯定的是基于本发明中的实施例，只要是本领域技术人员在没有做出任何创造性劳动前提下所获得的任何其他实施例，都理应看作是本发明实施例的一部分，应当属于本发明的保护范围内。

实施例一：

发明中的一种曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺，其整体结构如图1所示，通过在A-A位置进行剖开可得其剖面视图如图2所示，包括微机电振动陀螺本体，所述微机电振动陀螺本体包括谐振结构3，所述谐振结构3包括锚点1、曲折柔性环和辐条2，所述锚点1外侧设置多个以锚点1为中心依次嵌套的呈圆形结构的曲折柔性环，相邻的曲折柔性环之间以及位于最里层的曲折柔性环与锚点1之间通过多根均匀分布的轮辐状的辐条2连接，每一个曲折柔性环上相邻两个辐条2分割的部分为曲线折叠的弯曲梁。该谐振结构本质上是一个对称的机械谐振器，利用该谐振器两个简并的酒杯形模态之间的哥式(Coriolis)耦合效应，可以实现对角速度的传感。陀螺工作过程中，首先将驱动模态驱动并控制在稳定状态，然后检测因角速度引起的哥式耦合导致的检测模态的位移，便可得知角速度大小。

本发明由于采用了新型的曲折柔性环设计，替代了传统嵌套环的简单圆环嵌套结构。谐振结构由之前的圆环形式改进为曲折柔性环，使得谐振结构的等效机械结构刚度显著降低。由谐振频率与刚度的关系式从而可知该型陀螺相较于圆环间辐条直接相连可实现谐振频率的降低。而结构的热弛豫频率由壁厚决定，处于较高的数值，更低的谐振频率能够更好的实现振动频率与热弛豫频率的分离，从而实现陀螺品质因数的提升。

另外，多根均匀分布的轮辐状的辐条将每一个曲折柔性环分割成多个弧，每个弧相当于一个弯曲梁。本发明中的曲折柔性环实现了弯曲梁的折叠，而传统的圆环结构实际上是闭合的单弯曲梁，折叠弯曲梁的非线性阈值位移约为单弯曲梁的两倍。因此，在保证结构处于线性振动状态的情况下，曲折柔性环的嵌套环式结构的位移可以比传统的嵌套圆环结构大一倍。

在一个具体实施方式中，所述谐振结构3包括谐振结构内环部分31和谐振结构外环部分32，所述谐振结构内环部分31为靠近锚点1的部分，所述谐振结构外环部分32为远离锚点1的部分。鉴于谐振结构内环部分31的刚度相较于谐振结构外环部分32更大，谐振结构内环部分在振动过程中产生相对更小的位移，导致对结构整体质量的利用率不高。因此，为了提高内谐振结构外环部分的刚度一致性，将谐振结构内环部分31相邻曲折柔性环之间的辐条长度设计的比谐振结构外环部分32相邻曲折柔性环之间的辐条长度长，内环部分和外环部分辐条长度的比值介于1.1至10之间，从而减少谐振结构内环部分的分布密度，基于此种目的形成的谐振结构中曲折柔性环由功能相同，结构尺寸略有差异的内环部分和外环部分组合而成(内环部分和外环部分中曲折柔性环的个数比为0.2～1)。此外，谐振结构内环部分31与谐振结构外环部分32之间是通过均匀对称分布的辐条2进行连接，从而形成一个功能一致的整体。

特别地，发明中的新型曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺的主体谐振结构所采用的曲折柔性环，其结构如图4所示，相较于传统嵌套环微机电陀螺所采用的简单圆环(如图12所示)，本发明结构可降低环的机械刚度，柔性变强，可实现谐振频降低的目的，而且还能增加非线性阈值位移，提升线性驱动幅值。而曲折柔性环彼此的连接方式如图5所示，保证了环之间的稳定可靠连接，而图6为谐振结构的简化示意图，可便于观察该陀螺的谐振结构。

发明中考虑到谐振结构沿半径方向由内向外不同尺寸位置处的圆环对谐振结构等效刚度的影响作用差异，对嵌套环陀螺的结构进行了创新，陀螺谐振结构是高度对称的，通过谐振结构的八分之一部分视图(图7)，内环部分与外环部分的疏密对比，有效地提高了结构的刚度一致性，增加了谐振器的质量利用效率。

同时，该陀螺主体三维结构剖面视图如图2所示，所述微机电振动陀螺本体还包括衬底5和电极组件4，所述电极组件4和锚点1均通过衬底5上的凸台6与衬底5键合连接。陀螺主体的谐振结构3与电极组件4是在同一个结构层硅片上通过去除材料的制造工艺制作而成。所述衬底5布置于所述结构层下面，谐振结构部分是利用中心位置上的锚点1固定于衬底硅片上，且可动谐振结构不与下方的衬底5产生机械接触，电极组件4的每一个电极是利用电极下方的凸台6固定于底层硅衬底上，从而形成相对于硅衬底的可动谐振结构和不可动的电极组件4，通过在电极组件4的有关电极上施加有关的电压信号从而实现陀螺的驱动、检测、参数修调功能，宏观表现为谐振结构的振动产生驱动模态和检测模态，根据科里奥利效应实现对载体角速度的检测。

所述电极组件4和锚点1上表面均设有用于后期封装金属引线的金属焊盘7，以便将结构或电极与测控电路实现电气连接。

发明中的曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺，为了实现陀螺功能，设计了不同的电极用于实现驱动、检测和参数修调功能。发明中陀螺的电极设计如图1和图8所示，电极置于谐振结构外环部分内的环与环的间隙中或谐振结构外侧。所述电极组件4包括外置电极44和内置电极，所述外置电极44设置在谐振结构3四周，所述内置电极置于谐振结构外环部分32中的相邻的曲折柔性环间隙中。

特别地，鉴于电容驱动、检测过程中所施加静电力的大小与电容间隙的关系，采用差分电容驱动检测的方式可在不改变间隙的前提下使静电力显著增大为原来的两倍的作用关系。发明中在部分内置电极中采用了差分布置方式。当用于驱动时，差分形式的电极对可以实现推挽驱动，实现驱动效率倍增；当用于检测时，差分电极能够实现一正一负两个输出，正负信号相减可以实现检测灵敏度倍增。具体的，所述内置电极包括内置非差分电极41，前差分内置电极对42和后差分内置电极对43，所述后差分内置电极对43设置在谐振结构外环部分32远离锚点1的相邻的曲折柔性环间隙中，所述前差分内置电极对42设置在谐振结构外环部分32靠近锚点1的相邻的曲折柔性环间隙中，所述内置非差分电极41设置在后差分内置电极对43和前差分内置电极对42之间的相邻的曲折柔性环间隙中。

进一步地，从图8可以观察到，陀螺的电极分布一共有4种形式：内置非差分电极41、前差分内置电极对42、后差分内置电极对43和外置电极44，从而可得到数量众多，功能各异的电极对。其中，外置电极44设置在谐振结构3四周，与谐振结构3的外缘形成电容，外置电极44具有寄生效应小的优点，但是电容面积受限，外置电极44可用于驱动、检测或参数修调。后差分内置电极对43均匀设置在谐振结构外环部分32稍微靠外面的间隙中，其具有电容面积大的优势，可用于驱动或检测。前差分内置电极对42均匀设置在谐振结构外环部分32靠内部的间隙中，该电极存在寄生效应严重和检测位移小的缺点，不适合用于检测，通常仅用于分担驱动功能。内置非差分电极41均匀设置在前差分内置电极对42和后差分内置电极对43之间的谐振结构的内部间隙中，该电极具有电容面积大的特点，但仅用于参数修调，不能用于驱动或检测。

实际工作过程中，根据陀螺需要实现的功能在相应的电极位置上施加相应的电信号，便可实现对陀螺的驱动、检测和参数修调等功能。

发明中的基于新型曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺的工作原理如下：该型陀螺基于驱动模态和检测模态之间的哥式耦合效应工作，陀螺采用静电力驱动和电容检测的工作方式。当选定陀螺驱动电极并施加相应的交变电压时，陀螺谐振结构会在静电力的作用下处于驱动模态，在本实施例中，采用如图9所示的二阶酒杯模态作为驱动模态。当有旋转角速度输入时，此时将会在哥式力的作用下诱导谐振结构产生如图10所示的二阶酒杯模态，即检测模态，通过后续电路处理和信号提取便可以获得检测模态的位移大小，进而得到对应的角速度的值，实现陀螺动能。此外陀螺还可选用两个三阶酒杯形简并模态(如图11所示)来替代本实施例中的两个二阶酒杯模态。

特别地，发明中的新型曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺由单晶硅材料制造，其主要阻尼因素为热弹性阻尼，对应的热弹性品质因数为Q_TED，因此只要提升结构的热弹性阻尼品质因数Q_TED，就能有效地提升谐振器整体品质因数Q。发明中的采用曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺相较于传统采用简单圆环的嵌套环式微机电振动陀螺而言，由于采用了曲折柔性环，使得在不改变谐振结构质量分布的前提下，有效地降低谐振结构的等效机械刚度进而提升Q_TED，并显著提升了结构的非线性阈值位移。对于本实施例中的曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺，其结构参数如表1所示。

表1基于新型曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺仿真参数表

参数名称	数值大小
		锚点直径	4000μm
谐振结构外环部分最大直径	8400μm
		谐振结构内环部分最大直径	5800μm
谐振结构高度	150μm
		电容间隙	10μm
环以及辐条厚度	20μm

实施例二：

为了比较采用曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺的性能参数的提升情况，额外制作了一个具有相同几何尺寸参数(如表1所示)的采用简单圆环的传统嵌套环陀螺，其谐振结构如图12所示。

利用有限元仿真软件对实施例一中的具有曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺和采用简单圆环的传统嵌套环陀螺进行动力学仿真分析和性能参数数值计算，从而可得到两种陀螺的相关性能参数，如表2所示。

表2采用曲折柔性环的嵌套环陀螺与采用简单圆环传统嵌套环陀螺的比较

进一步地，图9所示为采用曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺的谐振结构二阶酒杯形驱动模态的仿真示意图，经过仿真分析结果可知该结构的二阶酒杯形模态谐振频率为3406.4Hz,品质因数为760479；图10所示为采用曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺的谐振结构二阶酒杯形检测模态的仿真示意图，经过仿真分析结果可知该结构的二阶谐振频率为3406.4Hz,品质因数为760479，二阶驱动模态和检测模态处于简并状态，二者谐振频率和品质因数是一致的。相较于传统的嵌套环式MEMS陀螺而言，采用曲折柔性环后，谐振频率降低61.9％，而品质因数提升为原来的2.8倍，满足设计要求。机械灵敏度相较于传统的套环环陀螺高7倍，还可以降低机械热噪声30％左右。

进一步地，图11为采用曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺的谐振结构三阶酒杯形简并模态的仿真示意图。

综上所述，本发明中的采用曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺，由于相较于以往的采用简单圆环的嵌套环式陀螺而言，具备了更多优异的性能：机械灵敏度升高，机械热噪声减小。通过此种结构设计从而最终实现发明的目的。

虽然本发明已按照实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明中所叙述技术方案范围的情况下，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及有关修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺，其特征在于：包括微机电振动陀螺本体，所述微机电振动陀螺本体包括谐振结构，所述谐振结构包括锚点、曲折柔性环和辐条，所述锚点外侧设置多个以锚点为中心依次嵌套的呈圆形结构的曲折柔性环，相邻的曲折柔性环之间以及位于最里层的曲折柔性环与锚点之间通过多根均匀分布的轮辐状的辐条连接，多根均匀分布的轮辐状的辐条将每一个曲折柔性环分割成多个弧，每一个曲折柔性环上相邻两个辐条分割的弧为曲线折叠的弯曲梁。

2.根据权利要求1所述的曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺，其特征在于：所述谐振结构包括谐振结构内环部分和谐振结构外环部分，所述谐振结构内环部分靠近锚点，所述谐振结构外环部分远离锚点；所述谐振结构内环部分相邻曲折柔性环之间的辐条长度大于所述谐振结构外环部分相邻曲折柔性环之间的辐条长度。

3.根据权利要求2所述的曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺，其特征在于：所述微机电振动陀螺本体还包括衬底和电极组件，所述电极组件和锚点均通过衬底上的凸台与衬底键合连接，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。

4.根据权利要求3所述的曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺，其特征在于：所述电极组件和锚点上表面均设有用于后期封装金属引线的金属焊盘。

5.根据权利要求3所述的曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺，其特征在于：所述电极组件包括外置电极和内置电极，所述外置电极设置在谐振结构四周，所述内置电极置于谐振结构外环部分中的相邻的曲折柔性环间隙中。

6.根据权利要求5所述的曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺，其特征在于：所述内置电极包括内置非差分电极，前差分内置电极对和后差分内置电极对，所述后差分内置电极对设置在谐振结构外环部分远离锚点的相邻的曲折柔性环间隙中，所述前差分内置电极对设置在谐振结构外环部分靠近锚点的相邻的曲折柔性环间隙中，所述内置非差分电极设置在后差分内置电极对和前差分内置电极对之间的相邻的曲折柔性环间隙中。

7.根据权利要求1-6任一所述的曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺，其特征在于：所述曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺由单晶硅材料制造而成。

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