CN113237621B - 一种基于体振动的翻转倾斜检测结构 - Google Patents

一种基于体振动的翻转倾斜检测结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于体振动的翻转倾斜检测结构，包括基底；锚点结构，固定于所述基底；星形振动结构，悬置于所述基底上并与所述锚点结构机械耦合，所述星形振动结构的外轮廓为正6N角星，N为≥2的正整数；至少两个面内换能器，用于实现该检测结构平面内的机械场与电场的耦合；至少两个面外换能器，用于实现该检测结构平面外的机械场与电场的耦合；其中，所述检测结构工作在两个体振动模态中，两个所述体振动模态包括工作在结构面内的3θ体振动驱动模态以及工作在结构面外的第2阶弯曲体振动检测模态，两个所述体振动模态可相互互换。本发明能够提高检测结构的灵敏度。

Description

一种基于体振动的翻转倾斜检测结构
【技术领域】
本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种基于体振动的翻转倾斜检测结构。
【背景技术】
目前，传统体振动式翻转/倾斜检测结构形式，最为典型的ADI以及GIT的圆盘形体振动翻转/倾斜检测结构，两典型单位均选择采用结构的面内2θ振形作为驱动模态，而采用结构的面外第3阶弯曲振形作为检测模态，如图1所示，所述传统体振动式技术缺点为哥氏增益低。基于哥氏效应角度分析，检测结构的驱动模态与检测模态匹配度差，驱动模态部分的运动质量并未参与哥氏效应。具体分析如下：当外部输入沿X轴的翻转时，驱动模态Y向运动分量与翻转产生哥氏效应(Fz＝2*mi*Ωx×Yi，Ω、Y均为向量，两者叉乘，方向满足右手定则)。理论上，A、B、F区域哥氏力方向向上，C、D、E区域哥氏力方向向下。但是，两典型单位选择的检测模态，B、F区域以及C、E区域与理论哥氏力方向相违背，理论哥氏力仅能激励部分的检测模态。具体表现为通过计算哥氏增益仅为0.29，远小于线振动技术的哥氏增益(～0.7)，进而导致传感器灵敏度较低。
【发明内容】
本发明的目的在于提供了一种基于体振动的翻转倾斜检测结构。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于体振动的翻转倾斜检测结构，包括：
基底；
锚点结构，固定于所述基底；
星形振动结构，悬置于所述基底上并与所述锚点结构机械耦合，所述星形振动结构的外轮廓为正6N角星，N为≥2的正整数；
至少两个面内换能器，用于实现该检测结构平面内的机械场与电场的耦合；所述至少两个面内换能器与所述基底连接，并沿该检测结构的中心圆周分布在最外侧，且相邻两所述面内换能器之间间隔设置；
至少两个面外换能器，用于实现该检测结构平面外的机械场与电场的耦合；所述至少两个面外换能器与所述基底连接，并沿该检测结构的中心圆周分布于所述星形振动结构与所述基底之间且与所述星形振动结构间隔设置，相邻两所述面外换能器之间间隔设置；
其中，所述检测结构工作在两个体振动模态中，两个所述体振动模态包括工作在结构面内的3θ体振动驱动模态以及工作在结构面外的第2阶弯曲体振动检测模态，两个所述体振动模态可相互互换。
优选地，所述星形振动结构套设于所述锚点结构并与所述锚点结构抵接固定。
优选地，所述星形振动结构套设于所述锚点结构并与所述锚点结构间隔，所述星形振动结构与所述锚点结构之间设有多个梁结构，所述梁结构将所述星形振动结构与所述锚点结构相互连接。
优选地，所述梁结构的数量为3N，N为正整数。
优选地，所述梁结构均包括第一支撑梁以及与所述第一支撑梁呈对称设置的第二支撑梁。
优选地，所述基底上设有所述绝缘层，所述锚点结构、所述面内换能器以及所述面外换能器均通过所述绝缘层与所述基底连接。
优选地，所述锚点结构设置在所述星形振动结构的内部。
优选地，所述面内换能器的数量为3N，所述面外换能器的数量为2N，其中N为正整数。
优选地，所述面内换能器的换能形式包括电容、电感、热电、压电中的一种或多种组合；
所述面外换能器的换能形式包括电容、电感、热电、压电中的一种或多种组合。
优选地，所述星形振动结构的每个角部罩设有所述面内换能器，且所述面内换能器关于所述星形振动结构的角部的对角线对称。
本发明的有益效果在于：提供了一种基于体振动的翻转倾斜检测结构，所述检测结构工作在结构面内的3θ体振动驱动模态以及工作在结构面外的第2阶弯曲体振动检测模态两个体振动模态中，所述两个体振动模态可相互互换，两者模态振形高度契合哥氏效应，因而，哥氏增益显著提升，同时两个模态之间的角动量以及线动量守恒，具有较低的锚点结构损失，且通过面内换能器以及面外换能器的差分检测，实现对外部干扰的角振动、线振动自免疫效果，进而能够提高检测结构的灵敏度。
【附图说明】
图1为现有技术提供的一种典型体振动式翻转/倾斜检测结构的工作模态示意图；
图2为本发明提供的一种基于体振动的翻转倾斜检测结构的俯视图；
图3为图2所示基于体振动的翻转倾斜检测结构沿A-A方向的剖视图；
图4为本发明提供的另一种基于体振动的翻转倾斜检测结构的俯视图；
图5为图4所示基于体振动的翻转倾斜检测结构沿B-B方向的剖视图；
图6为本发明提供的基于体振动的翻转倾斜检测结构的工作模态的示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、内、外、顶部、底部……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
参见图2至图6，本发明提供一种基于体振动的翻转倾斜检测结构，该基于体振动的翻转倾斜检测结构包括基底5，该基底5呈方体结构，当然也可以呈圆柱体结构，起到固定支撑整个检测结构的作用。
锚点结构2，固定于基底5。锚点结构2可以设置在星形振动结构3的内部，也可以设置在星形振动结构3的外部，其用于固定支撑星形振动结构3在基底5中。当锚点结构2设置于星形振动结构3的内部时，该锚点结构2呈圆柱体结构，且设置在星形振动结构3所形成的中心位置中。
星形振动结构3，悬置于基底5上并与锚点结构2机械耦合，星形振动结构3的外轮廓为正6N角星，N为≥2的正整数。如图2和图3所示，星形振动结构3套设于锚点结构2并与锚点结构2抵接固定，进而实现锚点结构2与星形振动结构3之间的机械耦合。该星形振动结构3为整个检测结构的振动部，其中，该星形振动结构3在检测结构平面内的机械场与电场，以及结构平面外的机械场与电场的作用下产生振动。具体来说，星形振动结构3的外轮廓可以为正12角星、正18角星、正24角星等。如图2和图4所示，星形振动结构3的外轮廓为正12角星，且该星形振动结构3还可以包括多个振动部，则星形振动结构3为多个分体振动部结构相互间隔并共同围成的星形。
至少两个面内换能器1，用于实现该检测结构平面内的机械场(包括机械力、机械位移)与电场的耦合；至少两个面内换能器1与基底5连接，并沿该检测结构的中心圆周分布在最外侧，且相邻两个面内换能器1之间间隔设置。该面内换能器1的数量为3M，M为正整数，例如，当M为1时，对应的面内换能器1的数量则为3。当然了，M的取值可以根据实际需求进行取值，进而得到对应的面内换能器1的数量。其中，面内换能器1的换能形式包括电容、电感、热电、压电中的一种或多种组合，进而使得面内换能器1能够实现多种换能形式以实现换能功能。
如图2和图4所示，星形振动结构3的每个角部罩设有面内换能器1，且面内换能器关于星形振动结构3的角部的对角线对称。
至少两个面外换能器4，用于实现该检测结构平面外的机械场(包括机械力、机械位移)与电场的耦合。至少两个面外换能器4与基底5连接，并沿该检测结构的中心圆周分布于星形振动结构3与基底5之间且与星形振动结构3间隔设置，相邻两面外换能器4之间间隔设置。面外换能器4的数量也为2L，L为正整数，例如，当L为1时，对应的面内换能器1的数量则为2。当然了，L的取值可以根据实际需求进行取值，进而得到对应的面外换能器4的数量。需要说明的是，面内换能器1的数量比面外换能器4的数量多，且面内换能器1中的M与面外换能器4中的L的取值相同。其中，面外换能器4的换能形式包括电容、电感、热电、压电中的一种或多种组合，进而使得面内换能器1能够实现多种换能形式以实现换能功能。
当星形振动结构3包括多个振动部时，每个振动部下方均设置有一面外换能器4，每个面外换能器4均与基底5连接。
具体的，检测结构工作在两个体振动模态中，两个体振动模态包括工作在结构面内的3θ体振动驱动模态以及工作在结构面外的第2阶弯曲体振动检测模态，两个体振动模态可相互互换。
如图6所示，在图6的(1)图中，粗箭头表示振动体个点Y方向运动分量。在图6的(2)图中，粗箭头表示振动体各点Z方向运动分量。
基于哥氏效应角度分析，当外部输入沿X轴的翻转时，驱动模态Y向运动分量与翻转产生哥氏效应(Fz＝2*mi*Ωx×Yi，Ω、Y均为向量，两者叉乘，方向满足右手定则)。理论上，A、C区域哥氏力方向向下，B、D区域哥氏力方向向上。理论哥氏力与本发明的检测结构的模态完全吻合，可较好地激励检测模态，使得哥氏增益增高，进而提高检测结构的灵敏度。具体地，相较ADI以及GIT方案Ag～0.29，本检测结构质量增益提升>200％；相较于相关技术中的圆环状的振动结构(相关技术中的圆环状的振动结构的作用和功能相当于星形振动结构3)，本检测结构质量增益Ag提升10％～28％(具体地，星形振动结构3可视为将相关技术中的圆环状的振动结构在驱动振形以及检测振形中小位移区域剔除，因而，相较于相关技术中的圆环状的振动结构，星形振动结构3具有更大的质量增益Ag)。
在本发明实施例中，通过面内换能器1驱动星形振动结构3以驱动模态振形的振动。此时，当检测结构受到X方向角速度Ωx，根据哥氏原理，角速度Ωx将产生沿Z方向的哥氏力，而哥氏力会迫使检测结构产生以检测模态振形的振动。最终，通过面外换能器4检测星形振动结构3面外的振动位移，可获取角速度Ωx大小。具体的，面内换能器1以及面外换能器4具有以下作用：a、产生激励结构以驱动模态振形的振动所需的外部驱动力；b、获取驱动模态的振动位移；c、获取检测模态的振动位移；d、匹配驱动模态与检测模态两者之间的频率；e、抑制结构仪的正交误差。进而提高检测结构的检测灵敏度。
在本发明实施例中，该基于体振动的翻转倾斜检测结构中的星形振动结构3还可以设置成，套设于锚点结构2并与锚点结构2间隔，且星形振动结构3与锚点结构2之间设有多个梁结构7，梁结构7将星形振动结构3与锚点结构2相互连接。具体的，梁结构7沿检测结构的中心圆周分布，且相邻两个梁结构7间隔设置。其中，梁结构7数量为3K，K为正整数，比如，当K为1时，梁结构7的数量则为3。当然，K的大小可以根据实际需求进行取值，进而得到对应数量的梁结构7。
具体的，每个梁结构7均包括第一支撑梁71以及与第一支撑梁71呈对称设置的第二支撑梁72。
在本发明实施例中，通过在锚点结构2与星形振动结构3之间设置梁结构7，使得锚点结构2与星形振动结构3之间通过梁结构7连接形成机械耦合，进而能够对星形振动结构3进行支撑以及缓冲的作用，避免星形振动结构3在振动过程中与锚点结构2进行碰撞损坏星形振动结构3以及锚点结构2。进而提高检测结构的结构稳定性。
在本发明实施例中，基底5上设有绝缘层6，锚点结构2、面内换能器1以及面外换能器4均通过绝缘层6与基底5连接。具体的，该绝缘层6能够使得锚点结构2、面内换能器1、面外换能器4均与基底5绝缘，这样当检测结构在工作时，基底5能够绝缘，避免基底5导电漏电等问题。
在本发明实施例中，本检测结构具有以下优点：
1、检测结构工作在驱动模态以及检测模态时，驱动模态与检测模态的角动量和线动量均守恒，因而，检测结构具有较低的锚点结构2损失，更高的品质因数，进而能够增加检测结构的灵敏度，降低MEMS谐振器的机械噪声，有利于传感器的偏置稳定性。
2、检测结构工作的驱动模态与检测模态的角动量和线动量守恒，因而，检测结构可通过换能器的差分检测，实现对外部干扰的角振动、线振动自免疫效果，进而能够提升传感器的环境适应性，拓展应用场景。
3、检测结构工作在驱动模态与检测模态时均为高频率的体振动模态，能够提升传感器的环境适应性，拓展应用场景。
4、检测结构采用结构面内的3θ的驱动模态，采用结构面外的第2阶弯曲检测模态，两者模态振形高度契合哥氏效应，因而，哥氏增益显著提升，进而能够增加检测结构的机械灵敏度，有利于传感器的偏置稳定性。
以上的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于体振动的翻转倾斜检测结构，包括：
基底；
锚点结构，固定于所述基底；
星形振动结构，悬置于所述基底上并与所述锚点结构机械耦合，所述星形振动结构的外轮廓为正6N角星，N为≥2的正整数；
至少两个面内换能器，用于实现该检测结构平面内的机械场与电场的耦合；所述至少两个面内换能器与所述基底连接，并沿该检测结构的中心圆周分布在最外侧，且相邻两所述面内换能器之间间隔设置；
至少两个面外换能器，用于实现该检测结构平面外的机械场与电场的耦合；所述至少两个面外换能器与所述基底连接，并沿该检测结构的中心圆周分布于所述星形振动结构与所述基底之间且与所述星形振动结构间隔设置，相邻两所述面外换能器之间间隔设置；
其中，所述检测结构工作在两个体振动模态中，两个所述体振动模态包括工作在结构面内的3θ体振动驱动模态以及工作在结构面外的第2阶弯曲体振动检测模态，两个所述体振动模态可相互互换。
2.根据权利要求1所述的基于体振动的翻转倾斜检测结构，其特征在于：所述星形振动结构套设于所述锚点结构并与所述锚点结构抵接固定。
3.根据权利要求1所述的基于体振动的翻转倾斜检测结构，其特征在于：所述星形振动结构套设于所述锚点结构并与所述锚点结构间隔，所述星形振动结构与所述锚点结构之间设有多个梁结构，所述梁结构将所述星形振动结构与所述锚点结构相互连接。
4.根据权利要求3所述的基于体振动的翻转倾斜检测结构，其特征在于：所述梁结构的数量为3N，N为正整数。
5.根据权利要求4所述的基于体振动的翻转倾斜检测结构，其特征在于：所述梁结构均包括第一支撑梁以及与所述第一支撑梁呈对称设置的第二支撑梁。
6.根据权利要求1所述的基于体振动的翻转倾斜检测结构，其特征在于：所述基底上设有绝缘层，所述锚点结构、所述面内换能器以及所述面外换能器均通过所述绝缘层与所述基底连接。
7.根据权利要求1所述的基于体振动的翻转倾斜检测结构，其特征在于：所述锚点结构设置在所述星形振动结构的内部。
8.根据权利要求4所述的基于体振动的翻转倾斜检测结构，其特征在于：所述面内换能器的数量为3N，所述面外换能器的数量为2N，其中N为正整数。
9.根据权利要求1所述的基于体振动的翻转倾斜检测结构，其特征在于：
所述面内换能器的换能形式包括电容、电感、热电、压电中的一种或多种组合；
所述面外换能器的换能形式包括电容、电感、热电、压电中的一种或多种组合。
10.根据权利要求1所述的基于体振动的翻转倾斜检测结构，其特征在于：所述星形振动结构的每个角部罩设有所述面内换能器，且所述面内换能器关于所述星形振动结构的角部的对角线对称。
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