CN113324519B - 一种基于体振动的翻转倾斜检测结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于体振动的翻转倾斜检测结构，包括固定基底；锚点结构，锚点结构叠设于固定基底并与固定基底连接；振动结构，振动结构呈环状，振动结构与锚点结构形成机械耦合，并与固定基底间隔；面内换能器，沿该检测结构的中心圆周分布在最外侧，每个面内换能器均与固定基底连接，且相邻两个面内换能器之间间隔设置；面外换能器，沿该检测结构的中心圆周分布于振动结构与固定基底之间，每个面外换能器均与固定基底连接，且与振动结构间隔设置，相邻两个面外换能器之间间隔设置；该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(F_z＝2*m_i*Ω_x×Y_i，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：

固定基底；

锚点结构，所述锚点结构叠设于所述固定基底并与所述固定基底连接；

振动结构，所述振动结构呈环状，所述振动结构与所述锚点结构形成机械耦合，并与所述固定基底间隔；

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；所述面内换能器包括至少两个且沿该检测结构的中心圆周分布在最外侧，每个所述面内换能器均与所述固定基底连接，且相邻两个面内换能器之间间隔设置；

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；所述面外换能器包括至少两个，且沿该检测结构的中心圆周分布于所述振动结构与所述固定基底之间，每个所述面外换能器均与所述固定基底连接，且与所述振动结构间隔设置，相邻两个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。

优选的，所述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。

优选的，还包括至少两个梁结构，所述振动结构套设于所述锚点结构并与所述锚点结构间隔，每一所述振动结构与所述锚点结构之间均设置一个所述梁结构，所述梁结构将所述振动结构与所述锚点结构相互连接。

优选的，所述梁结构的数量为3N，N为正整数。

优选的，每个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。

优选的，所述第一支撑梁以及所述第二支撑梁均呈Ω型结构。

优选的，还包括绝缘层，所述绝缘层设置在所述固定基底靠近所述锚点结构的一侧，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固定基底连接。

优选的，所述锚点结构设置在所述振动结构外部。

优选的，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。

优选的，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。

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为本发明的实施例的一种基于体振动的翻转倾斜检测结构的俯视图；

图3为本发明的实施例中沿图2中A-A线的剖视图；

图4为本发明的实施例的另一种基于体振动的翻转倾斜检测结构的俯视图；

图5为本发明的实施例中沿图4中B-B线的剖视图；

图6为本发明的实施例的另一种基于体振动的翻转倾斜检测结构的俯视图；

图7为本发明的实施例中沿图6中C-C线的剖视图；

图8为本发明的实施例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1至图8，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固定基底5，该固定基底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，锚点结构2叠设于固定基底5并与固定基底5连接。锚点结构2可以设置在振动结构3外部，用于固定支撑振动结构3在固定基底5中。当锚点结构2设置于振动结构3外部时，该锚点结构2呈圆柱体结构，且设置在振动结构3所形成的中心位置中。

振动结构3，振动结构3呈环状，振动结构3与锚点结构2形成机械耦合，并与固定基底5间隔。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与振动结构3间的机械耦合。该振动结构3为整个检测结构的振动部，其中，该振动结构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，振动结构3可以为一个整体结构的环状，如，振动结构3可以为单圆环振动结构。如图6所示，该振动结构3还可以包括多个振动部，且每个振动部的横截面呈伞型结构，且竖直方向每个振动部均呈扇形体结构。振动结构3则为多个分体振动部结构相互间隔并共同围成的环状。

如图6所示，当振动结构3包括多个伞型体结构的振动部时，锚点结构2包括多个设置于每个振动部的内部中的锚点体。当然了，锚点体靠近与振动部伞型一面与振动部之间设置有梁结构7。每个振动部中均设置有一个锚点体，用于支撑每个振动部。该梁结构7呈“中”字型结构。每个锚点体均与固定基底5连接。

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；面内换能器1包括至少两个，且沿该检测结构的中心圆周分布在最外侧，每个面内换能器1均与固定基底5连接，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3N，N为正整数，例如，当N为1时，对应的面内换能器1的数量则为3。当然了，N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。该面内换能器1的横截面呈扇形结构。

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。面外换能器4包括至少两个，且沿该检测结构的中心圆周分布于振动结构3与固定基底5之间，每个面外换能器4均与固定基底5连接，且与振动结构3间隔设置，相邻两个面外换能器4之间间隔设置。面外换能器4的数量也为2N，N为正整数，例如，当N为1时，对应的面内换能器1的数量则为2。当然了，N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N与面外换能器4中的N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均与固定基底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8所示，在图8的(1)图中，粗箭头表示振动体个点Y方向运动分量。在图8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*m_i*Ω_x×Y_i，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。相较ADI以及GIT方案Ag～0.29，本检测结构质量增益提升>200％，灵敏度相应大幅提升。

在本发明实施例中，通过面内换能器1，驱动环状的振动结构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Ω_x，根据哥氏原理，角速度Ω_x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，检测环状的振动结构3面外的振动位移，可获取角速度Ω_x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还包括至少两个梁结构7，振动结构3套设于锚点结构2并与锚点结构2间隔，每一振动结构3与锚点结构2之间均设置一个梁结构7，梁结构7将振动结构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3N，N为正整数，比如，当N为1时，梁结构7的数量则为3。当然，N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。其中，第一支撑梁71以及第二支撑梁72均呈Ω型结构。

在本发明实施例中，通过在锚点结构2与振动结构3之间设置梁结构7，使得锚点结构2与振动结构3之间通过梁结构7连接形成机械耦合，进而能够对振动结构3进行支撑以及缓冲的作用，避免振动结构3在振动过程中与锚点结构2进行碰撞损坏振动结构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，该基于体振动的翻转倾斜检测结构还包括绝缘层6，绝缘层6设置在固定基底5靠近锚点结构2的一侧。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与固定基底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均与固定基底5绝缘，这样当检测结构在工作时，固定基底5能够绝缘，避免固定基底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：

固定基底；

锚点结构，所述锚点结构叠设于所述固定基底并与所述固定基底连接；

振动结构，所述振动结构呈环状，所述振动结构与所述锚点结构形成机械耦合，并与所述固定基底间隔；

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；所述面内换能器包括至少两个且沿该检测结构的中心圆周分布在最外侧，每个所述面内换能器均与所述固定基底连接，且相邻两个面内换能器之间间隔设置；

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；所述面外换能器包括至少两个，且沿该检测结构的中心圆周分布于所述振动结构与所述固定基底之间，每个所述面外换能器均与所述固定基底连接，且与所述振动结构间隔设置，相邻两个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：还包括至少两个梁结构，所述振动结构套设于所述锚点结构并与所述锚点结构间隔，每一所述振动结构与所述锚点结构之间均设置一个所述梁结构，所述梁结构将所述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：每个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5所述的基于体振动的翻转倾斜检测结构，其特征在于：所述第一支撑梁以及所述第二支撑梁均呈Ω型结构。

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：还包括绝缘层，所述绝缘层设置在所述固定基底靠近所述锚点结构的一侧，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固定基底连接。

8.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振动结构外部。

9.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。

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。