CN118089712A - 微机械结构以及微机电陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及惯性器件技术领域，具体为一种微机械结构，包括可固定在外部板体上的锚区、用于隔离所述锚区产生的应力的应力隔离组件以及多组梁，所述锚区固定在所述应力隔离组件上，所述多组梁连接所述应力隔离组件。还包括一种微机电陀螺仪，包括多组运动组件，还包括上述的微机械结构，每组所述运动组件通过至少一个所述微机械结构连接。本发明通过设计的应力隔离组件的结构形式，可以使微机械结构的反向运动模式的刚度远小于同向运动模式的刚度，使得本微机械结构能够有效抑制运动组件的同向运动，同时多圈套环的形式还能隔离掉锚区产生的应力，使得本微机械结构兼具应力隔离和同向运动抑制。

Description

微机械结构以及微机电陀螺仪

技术领域

本发明涉及惯性器件技术领域，具体为一种微机械结构以及微机电陀螺仪。

背景技术

微机电陀螺仪是一种能够利用科里奥利效应测量物体运动角速率的惯性器件，主要用于导航定位、姿态感知、状态监测、平台稳定等应用领域。为增强输出信号，提高结构鲁棒性和测量精度，微机电陀螺大多采用多模块差分策略，即相邻模块间反向振动，并将信号相互差分放大。在此策略中，相邻模块间的同向运动是微机电陀螺的干扰运动模式。此外，应力在微机电系统中扮演着举足轻重的作用，应力场的再分布会影响陀螺振动频率等工作参数，与应力伴随的的自由端变形可能造成微机械结构吸附和碰撞，约束端应力也会降低微机械结构材料强度。

现有微机电陀螺多采用多模块差分策略，以期增强输出信号，提高结构鲁棒性和测量精度。微机电陀螺多模块中存在相邻运动组件同向运动的干扰模态，会产生信号调理电路无法消除的共模误差，增加陀螺噪声，降低检测精度。同向运动中锚区应力直接传递至周围区域，尤其是弹性梁结构中，这会改变陀螺特征参数，引起微结构吸附和碰撞，降低材料强度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微机械结构以及微机电陀螺仪，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种微机械结构，包括可固定在外部板体上的锚区、用于隔离所述锚区产生的应力的应力隔离组件以及多组梁，所述锚区固定在所述应力隔离组件上，所述多组梁连接所述应力隔离组件。

进一步，所述应力隔离组件包括间隔设置的多圈套环，相邻所述套环之间通过至少一个连接点连接，最外圈套环上连接所述多组梁。

进一步，所述至少一个连接点位于所述应力隔离组件的不同轴对称处。

进一步，所述锚区固定于所述应力隔离组件的最内圈套环中。

进一步，所述套环的数量有3～5圈。

进一步，所述套环有3圈，最外圈套环与次外圈套环之间以及次外圈套环与内圈套环之间均通过连接点连接。

进一步，每组梁设在所述应力隔离组件的一相对侧，每组梁数量有两根。

进一步，每组梁的一端固定在所述应力隔离组件的同一点位处。

进一步，每组梁的另一端设有象限块。

本发明实施例提供另一种技术方案：一种微机电陀螺仪，包括多组运动组件，还包括上述的微机械结构，每组所述运动组件通过至少一个所述微机械结构连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过设计的应力隔离组件的结构形式，可以使微机械结构的反向运动模式的刚度远小于同向运动模式的刚度，故而使得本微机械结构能够有效抑制运动组件的同向运动，同时多圈套环的形式还能够隔离掉锚区产生的应力，使得本微机械结构兼具应力隔离和同向运动抑制。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种微机械结构的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种微机电陀螺仪的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种微机械结构的第一象限块和第四象限块靠近、第二象限块和第三象限块靠近时的应力隔离组件的变化示意图；

图4为本发明实施例提供的一种微机械结构的第一象限块和第四象限块远离、第二象限块和第三象限块远离时的应力隔离组件的变化示意图；

图5为本发明实施例提供的一种微机械结构的第一象限块、第二象限块、第三象限块和第四象限块同向运动时的应力隔离组件的变化示意图；

附图标记中：1-微机械结构；10-锚区；11-应力隔离组件；110-套环；1100-最外圈套环；1101-次外圈套环；1102-内圈套环；111-连接点；12-梁；13-象限块；2-运动组件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供一种微机械结构，包括可固定在外部板体上的锚区10以及用于隔离所述锚区10产生的应力的应力隔离组件11，所述锚区10固定在所述应力隔离组件11上，所述应力隔离组件11包括间隔设置的多圈套环110，相邻两圈所述套环110之间通过至少一个连接点111连接，最外圈的所述套环110上设有用于连接外部运动组件的梁12。在本实施例中，通过设计的应力隔离组件11的结构形式，可以使微机械结构1的反向运动模式的刚度远小于同向运动模式的刚度，故而使得本微机械结构1能够有效抑制运动组件2的同向运动，同时多圈套环110的形式还能够隔离掉锚区10产生的应力，使得本微机械结构1兼具应力隔离和同向运动抑制。具体地，应力隔离组件11设计有多圈套环110，形成回型嵌套形式，相邻两套环110采用连接点111连接，外部板体即下基板/上盖板，锚区10通过锚点与下基板/上盖板连接，可为整个器件圈可动结构提供可靠支撑，梁12用来传递驱动力，微机电陀螺仪中的运动组件2运动时的驱动力通过梁12传递至应力隔离组件11。套环110的数量可根据实际来进行选择，理论上圈数越多越有利于应力的隔离和同向运动的抑制，但考虑到制作难度以及产品体积限制，优选为3～5圈，如本实施例示出的是三圈，为了后续便于描述，将它们分别定义为最外圈套环1100、次外圈套环1101以及内圈套环1102。相邻两圈套环110之间通过连接点111连接，使得整个应力隔离组件11能够形成一个受力整体。连接点111的数量也可以根据实际来进行选择，在两圈套环110之间至少设一个连接点111，本实施例所示两圈套环110之间设两个连接点111，有多个时，连接点111间间隔设置即可。另外，连接点111的粗细也可以根据实际需要来进行选择。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，其中一组相邻的两圈所述套环110之间的连接点111与另外一组相邻的两圈所述套环110之间的连接点111位于不同处。在本实施例中，将连接点111设计在不同处，可以分散受力，使应力隔离组件11的结构更为稳定。优选的，所述套环110呈方形，所述连接点111设在所述套环110的中心对称轴处，在套环110呈本实施例示出的方形结构时，连接点111可以以中心对称轴来布设。如本实施例示出的方案，相邻两圈套环110之间仅在上下或左右对称轴处连接，且从三圈套环110来看，连接点111交错布置，并且保证最外圈套环1100的与次外圈套环1101的连接点111左右分布。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，所述锚区10设于所述应力隔离组件11的最内圈套环110中。在本实施例中，锚区10设计在应力隔离组件11的内圈套环110中，也就是设在内圈中，梁12连接在最外圈的套环110上，锚区10的形状依内圈的形状而定，如上述实施例示出的套环110呈方形时，锚区10也呈方形，如图1中的黑色区域即示意锚区10，锚区10的上下两侧分别连在微机电陀螺仪的上盖板和下基板上，可为整个器件圈可动结构提供可靠支撑。而将锚区10设计在内圈套环1102中，使得锚区10具有多级应力隔离(每圈套环110都是一级应力隔离措施)，能够有效隔离由于温度载荷变化引起的锚区10热应力，提高微机电陀螺仪的环境适应能力。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，每组梁12设在所述应力隔离组件11的一相对侧，每组梁数量有两根。在本实施例中，示出的梁12的数量有四根，在应力隔离组件11的两侧分设两根，可使应力隔离组件11受力均匀、平衡。四根梁12以辐射状朝远离应力隔离组件11的方向延伸，而起始端连接在应力隔离组件11上，优选的，每组梁的一端固定在所述应力隔离组件的同一点位处，该点位可以为应力隔离组件11的最外圈套环110的中点处。

进一步优化上述方案，请参阅图1，同一侧的两根所述梁12之间具有夹角。在本实施例中，限定同一侧的两根梁12之间具有夹角，可以限定梁12末端的象限块13的位置，从而限定整个微机械结构1的宽度，如图2所示，微机械结构1的宽度限制后，即限制微机械结构1的最小宽度后，可以保证在有高过载冲击时与该微机械结构1相连的运动组件2具有足够的退让空间，而不会与应力隔离结构发生碰撞。至于该夹角的角度可以根据应力隔离结构的尺寸来进行设计调整。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，每根所述梁12远离所述应力隔离组件11的一端设有可固定在外部运动组件2上的象限块13。在本实施例中，在梁12的末端设计象限块13，可与运动组件2固定连接。象限块13的数量与梁12的数量一致，每根梁12的末端均连接一个象限块13。为了便于描述将四个象限块13分别定义为第一象限块、第二象限块、第三象限块以及第四象限块。

至此，本微机械结构1细化完毕，其在具体工作时：当第一象限块的梁12与第四象限块的梁12相互靠近或远离，第二象限块的梁12和第三象限块的梁12相互靠近或远离，应力隔离结构的最外圈套环110的上下中心区域做上下压缩或拉伸运动，次外圈套环1101左右中心区域做左右压缩或拉伸运动，应力隔离结构内圈的运动依次交替。在反向运动模式下，本实施例的微机械结构1的反向运动模式的刚度远小于同向运动模式的刚度，故而本微机械结构1能够有效抑制微机电陀螺仪相邻运动组件2的同向运动模态，从而消除共模误差、减小噪声、提高检测精度。另外，本微机械结构1工作时自身受力平衡，阻尼小，品质因子高；同时本微机械结构1还具有轴对称和中心对称特定，不管是设计成方形结构，还是连接点111、梁12设计的位置，都体现了该特定，能够有效抑制工艺误差带来的影响，鲁棒性好。

如图3、图4和图5是工作时区域变化模型图，其中如图3和图4所示，在反向运动时的状态，可见应力隔离组件11的宽度没有变化，而在图5的同向运动的状态时，应力隔离组件11的宽度也几乎没有变化，实现了良好的同向运动抑制。

请参阅图1至图5，本发明实施例提供一种微机电陀螺仪，包括多个运动组件2以及至少一个上述的微机械结构1，所述运动组件2通过所述梁12与所述应力隔离组件11连接。在本实施例中，将上述的微机械结构1应用于微机电陀螺仪中，可以有效抑制微机电陀螺仪相邻运动组件2的同向运动模态，消除共模误差，减小噪声，提高检测精度，同时还可以提高微机电陀螺仪的环境适应能力，提升微机电陀螺仪的品质和鲁棒性。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图2，两个所述运动组件2为一组，每组所述运动组件2通过至少一个所述微机械结构1连接，所述微机械结构1设于每组的两个所述运动组件2之间。在本实施例中，两个运动组件2对应两质量块微机电陀螺仪，在该微机电陀螺仪中，配置一个上述的微机械结构1，该微机械结构1设在两个运动组件2之间的间隔中，通过四个象限块13完成二者的连接。当然还可以根据实际情况设计多个微机械结构1，它们均设在所述间隔中。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种微机械结构，其特征在于：包括可固定在外部板体上的锚区、用于隔离所述锚区产生的应力的应力隔离组件以及多组梁，所述锚区固定在所述应力隔离组件上，所述多组梁连接所述应力隔离组件。

2.如权利要求1所述的微机械结构，其特征在于：所述应力隔离组件包括间隔设置的多圈套环，相邻所述套环之间通过至少一个连接点连接，最外圈套环上连接所述多组梁。

3.如权利要求2所述的微机械结构，其特征在于：所述至少一个连接点位于所述应力隔离组件的不同轴对称处。

4.如权利要求2所述的微机械结构，其特征在于：所述锚区固定于所述应力隔离组件的最内圈套环中。

5.如权利要求2所述的微机械结构，其特征在于：所述套环的数量有3～5圈。

6.如权利要求5所述的微机械结构，其特征在于：所述套环有3圈，最外圈套环与次外圈套环之间以及次外圈套环与内圈套环之间均通过连接点连接。

7.如权利要求1所述的微机械结构，其特征在于：每组梁设在所述应力隔离组件的一相对侧，每组梁数量有两根。

8.如权利要求7所述的微机械结构，其特征在于：每组梁的一端固定在所述应力隔离组件的同一点位处。

9.如权利要求8所述的微机械结构，其特征在于：每组梁的另一端设有象限块。

10.一种微机电陀螺仪，包括多组运动组件，其特征在于：还包括至少一个如权利要求1-9任一所述的微机械结构，每组所述运动组件通过至少一个所述微机械结构连接。