變諧振環(huán)壁厚的嵌套環(huán)式mems振動陀螺的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種微機電巧螺儀，并且特別設(shè)及一種MEMS振動巧螺。
【背景技術(shù)】
[0002] 巧螺儀是測量載體相對慣性空間旋轉(zhuǎn)運動的傳感器，是運動測量、慣性導(dǎo)航、制導(dǎo) 控制等領(lǐng)域的核屯、器件，在航空航天、智能機器人、制導(dǎo)彈藥等高端工業(yè)裝備和精確打擊武 器中具有非常重要的應(yīng)用價值。傳統(tǒng)的巧螺儀包括機械轉(zhuǎn)子巧螺、靜電巧螺、半球諧振巧 螺、激光巧螺、光纖巧螺、動力調(diào)諧巧螺等，它們雖然精度高，但體積、功耗、價格等方面難W 滿足要求?；谖C電系統(tǒng)技術(shù)的MEMS巧螺儀具有體積小、功耗低、壽命長、可批量生產(chǎn)、 價格便宜等特點，在大批量和小體積的工業(yè)和武器裝備應(yīng)用中具有先天優(yōu)勢。但與傳統(tǒng)巧 螺儀相比，目前MEMS巧螺儀的精度還不夠高，應(yīng)用主要局限于智能手機、微型無人機、汽車 穩(wěn)定控制、微慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)等低端領(lǐng)域。衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾抗欺騙、室內(nèi)導(dǎo)航、微 小型水下無人平臺、單兵定位、地下隨鉆定向系統(tǒng)等新興領(lǐng)域?qū)Ω咝阅?、小體積、低功耗、低 成本微巧螺儀提出了迫切需求。
[0003] 振動巧螺諧振結(jié)構(gòu)的布朗運動產(chǎn)生的機械噪聲決定了巧螺的噪聲極限，振動巧螺 的機械噪聲的表達(dá)式如下：
[0004]
(1)
[000引其中Qmv。為驅(qū)動幅值，《。為機械諧振頻率，M%慣性質(zhì)量，Q為品質(zhì)因數(shù)，kB為 波爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度值。
[0006] 由（1)式得知，實現(xiàn)MEMS巧螺儀高性能的關(guān)鍵是高品質(zhì)因數(shù)怕值）、大諧振質(zhì)量、 大驅(qū)動幅值，而且工作在退化模態(tài)（驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)相同）的振動巧螺較工作在正交 模態(tài)（驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)不相同且正交）的振動巧螺具有更高的精度潛力，因為退化模 態(tài)振動巧螺的振動幅值能夠受到品質(zhì)因子怕值）的放大作用。
[0007] 專利CN102388292A中所述的諧振子采用嵌套的多個諧振環(huán)組成，該設(shè)計的Qted值 處于1〇5量級，多個嵌套環(huán)也提供了較大的諧振質(zhì)量。然而該設(shè)計中嵌套的多個諧振環(huán)壁 厚為較為原始的一致性設(shè)計，也即每個嵌套環(huán)的壁厚相等。該設(shè)計雖然體現(xiàn)了較高的性能， 但是設(shè)計有待提局。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明的目的是提供一種嵌套環(huán)式MEMS振動巧螺，更具體地是一種變諧振環(huán)壁 厚的嵌套環(huán)式MEMS振動巧螺。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0010] 一種變諧振環(huán)壁厚的嵌套環(huán)式MEMS振動巧螺，包括諧振子，所述諧振子包括諧振 環(huán)、輪福狀支撐梁W及位于諧振子結(jié)構(gòu)中屯、的錯點，整個諧振子通過位于諧振子中屯、的錯 點與基底牢固錯接，所述錯點的外圍嵌套有多個W錯點為中屯、的諧振環(huán)，相鄰諧振環(huán)之間 w及最內(nèi)部的諧振環(huán)與錯點之間由輪福狀支撐梁連接，同一諧振環(huán)各處的壁厚是等厚度 的，由內(nèi)之外所有嵌套環(huán)之間具有彼此不同的壁厚。由內(nèi)至外所有嵌套環(huán)的壁厚遵循諧振 環(huán)壁厚分布函數(shù)而變化。
[0011] 進(jìn)一步地，本發(fā)明中，由內(nèi)之外所有諧振環(huán)的壁厚是W各自嵌套環(huán)半徑或者諧振 環(huán)編號為變量的函數(shù)。如圖2所示，嵌套環(huán)的壁厚是W嵌套環(huán)半徑為變量的函數(shù)。
[0012] 本發(fā)明的變諧振環(huán)壁厚的嵌套環(huán)式MEMS振動巧螺是一種典型的工作在退化模態(tài) 的微振動巧螺，即其諧振子的驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)一樣。變諧振環(huán)壁厚的嵌套環(huán)式MEMS振 動巧螺的工作原理為：通過靜電力驅(qū)動方式，W特定的頻率激勵出諧振子如圖3A所示的第 一模態(tài)（即驅(qū)動模態(tài)），其第一模態(tài)為環(huán)向波數(shù)為2的駐波，其中波腹點處的振幅最大，波節(jié) 點處的振幅為零，波腹點連線構(gòu)成固有剛性軸系；當(dāng)有軸向角速度輸入時，諧振子在哥氏力 的作用下產(chǎn)生如圖3B所示的另一固有剛性軸系的第二模態(tài)（即檢測模態(tài)），諧振子第二模 態(tài)的振動通過電容檢測方式，轉(zhuǎn)換成敏感電信號，該敏感電信號與輸入角速度成正比，經(jīng)過 濾波及放大等處理即可得到輸入角速度信息。
[0013] 此外由于諧振子不可避免存在一定的制造誤差，該誤差引起的振型偏移和頻率裂 解是影響巧螺性能的主要因素，需要采用靜電修調(diào)實現(xiàn)巧螺的動態(tài)平衡，通過在特定位置 的修調(diào)控制電極上施加偏置電壓來實現(xiàn)系統(tǒng)等效剛度的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)諧振子的模態(tài)匹配 和動態(tài)平衡。
[0014] 本發(fā)明中的嵌套環(huán)式MEMS振動巧螺采用靜電/電容的方式實現(xiàn)諧振子的驅(qū)動、檢 測和修調(diào)，因此電極的設(shè)計對于MEMS振動巧螺的性能有著重要的影響。變諧振環(huán)壁厚的嵌 套環(huán)式MEMS振動巧螺可W采用環(huán)繞在諧振子周圍的外置電極的設(shè)計，也可W在諧振子內(nèi) 部的空隙設(shè)計內(nèi)置電極，同時還可W采用外置電極和內(nèi)置電極并存的設(shè)計。如果電極數(shù)目 越多，單個電極的電容面積越大，則電極的驅(qū)動、檢測和修調(diào)效果越好。
[00巧]本發(fā)明的有益效果
[0016] 本發(fā)明通過嵌套式諧振環(huán)的變壁厚設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)慣性質(zhì)量與結(jié)構(gòu)剛度的徑向合 理分配，進(jìn)而能夠提升巧螺性能。如果采用內(nèi)置電極設(shè)計或者內(nèi)、外置電極并存設(shè)計，還能 夠?qū)崿F(xiàn)大的檢測電容和充裕的修調(diào)電極數(shù)目。
【附圖說明】
[0017] 圖1示出了熱彈性Qted值與結(jié)構(gòu)固有頻率f和熱弛豫頻率f。的比值的關(guān)系曲線；
[0018] 圖2示出了嵌套環(huán)的壁厚是W嵌套環(huán)半徑為變量的函數(shù)；
[0019] 圖3A示出了嵌套環(huán)式MEMS振動巧螺等退化模態(tài)巧螺諧振子的第一模態(tài)（驅(qū)動模 態(tài)）示意圖；
[0020] 圖3B示出了嵌套環(huán)式MEMS振動巧螺等退化模態(tài)巧螺諧振子的第二模態(tài)（檢測模 態(tài)）示意圖；
[0021] 圖4示出了諧振環(huán)壁厚分布函數(shù)由內(nèi)向外線性減小的嵌套環(huán)式振動巧螺諧振子 的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖5示出了諧振環(huán)壁厚均勻設(shè)計的嵌套環(huán)式振動巧螺諧振子的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖6A示出了采用周向均勻分布的多個外置電極的變諧振環(huán)壁厚的嵌套環(huán)式振動 巧螺結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖6B示出了采用多個內(nèi)置電極的變諧振環(huán)壁厚的嵌套環(huán)式振動巧螺結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0025] 圖6C示出了同時采用外置電極和內(nèi)置電極的變諧振環(huán)壁厚的嵌套環(huán)式振動巧螺 結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0027] 本發(fā)明的特征是同一諧振環(huán)各處的壁厚是等厚度的，而由內(nèi)至外所有嵌套環(huán)之間 具有彼此不同的壁厚，變壁厚分布的諧振子能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)量和剛度的優(yōu)化分布，有助于巧螺 性能的提升。其中一個實施例為嵌套式諧振環(huán)壁厚分布函數(shù)由內(nèi)向外線性減小，其結(jié)構(gòu)如 圖4所示。所述變壁厚分布的諧振子10包括諧振環(huán)11、輪福狀支撐梁12W及位于諧振子 結(jié)構(gòu)中屯、的錯點13,整個諧振子通過位于諧振子中屯、的錯點13與基底牢固錯接，所述錯點 的外圍嵌套有多個W錯點為中屯、的諧振環(huán)11，相鄰諧振環(huán)之間等間距，相鄰嵌套環(huán)11之間 形成設(shè)置電極的間隙14,相鄰諧振環(huán)之間W及最內(nèi)部的諧振環(huán)與錯點之間由輪福狀支撐梁 12連接，同一諧振環(huán)各處的壁厚T是等厚度的，所有諧振環(huán)的壁厚T由內(nèi)向外呈函數(shù)關(guān)系變 化，本實施例中為線性減小關(guān)系。所述嵌套環(huán)式諧振子10整體為軸對稱結(jié)構(gòu)
[002引實施例中變諧振環(huán)壁厚的嵌套環(huán)式諧振子的諧振環(huán)壁厚由內(nèi)向外線性減小，其諧 振環(huán)壁厚函數(shù)為T"= 20. 5-n，其中n為諧振環(huán)編號，由內(nèi)向外一次為1，2, 3,……，10。通 過有限元仿真軟件COMSOLMultiphysics的熱彈性仿真得到該變諧振環(huán)壁厚結(jié)構(gòu)的熱彈性 值，并與壁厚均勻分布的嵌套環(huán)式諧振子（示意圖如圖5所示）的熱彈性比較。仿真中 采用的嵌套環(huán)式諧振子的幾何參數(shù)如圖表1所示，諧振子材料均設(shè)置為單晶娃。仿真結(jié)果 表明實施例中變諧振環(huán)壁厚設(shè)計的諧振子的熱彈性Qted值為2. 24X105,而諧振環(huán)壁厚均勻 設(shè)計的諧振子的熱彈性值為1. 79X10 5。因此實施例中變厚度嵌套環(huán)式諧振子的熱彈 性Qted值較諧振環(huán)壁厚均勻設(shè)計的諧振子提高了約1. 25倍。
[0029] 表1仿真采用的嵌套環(huán)式諧振子基本結(jié)構(gòu)參數(shù)
[0030]
[0031] 電極的設(shè)置對于變諧振環(huán)壁厚的嵌套環(huán)式振動巧螺的性能有著重要的影響。在圖 6A所示的實施例中，變諧振環(huán)壁厚的嵌套環(huán)式振動巧螺采用外置電極設(shè)計，外置電極21分 布在諧振子的周圍，可W根據(jù)實際需要設(shè)計電極數(shù)目，一般8個周向均勻分布的電極可W 使巧螺正常工作，然而諧振子的制造誤差會影響巧螺的性能，因此更好的方式是設(shè)置16個 或者更多周向均勻分布的電極。
[0032] 在圖6B所示的實施例中，變諧振環(huán)壁厚的嵌套環(huán)式振動巧螺采用內(nèi)置電極設(shè)計， 內(nèi)置電極22設(shè)置在諧振子10的內(nèi)部間隙14中，眾多的內(nèi)置電極可W用于驅(qū)動、檢測和修 調(diào)。相較于外置電極設(shè)計，內(nèi)置電極設(shè)計能夠增加電極數(shù)目，有利于巧螺性能提升，但是制 造難度會增大。
[0033] 在圖6C所示的實施例中，變諧振環(huán)壁厚的嵌套環(huán)式振動巧螺采用外置電極和內(nèi) 置電極并存的設(shè)計，諧振子10的周圍分布有外置電極21，同時諧振子10的間隙14中也分 布有數(shù)目眾多的內(nèi)置電極22。同時采用內(nèi)外置電極的結(jié)構(gòu)具有最多的電極數(shù)目，但是制造 難度也最大。
[0034] W上包含了本發(fā)明優(yōu)選實施例的說明，該是為了詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)特征，并 不是想要將
【發(fā)明內(nèi)容】
限制在實施例所描述的具體形式中，依據(jù)本
【發(fā)明內(nèi)容】
主旨進(jìn)行的其他 修改和變型也受本專利保護(hù)。本
【發(fā)明內(nèi)容】
的主旨是由權(quán)利要求書所界定，而非由實施例的 具體描述所界定。
【主權(quán)項】
1. 一種變諧振環(huán)壁厚的嵌套環(huán)式MEMS振動陀螺，包括諧振子，其特征在于：所述諧振 子包括諧振環(huán)、輪輻狀支撐梁以及位于諧振子結(jié)構(gòu)中心的錨點，整個諧振子通過位于諧振 子中心的錨點與基底牢固錨接，所述錨點的外圍嵌套有多個以錨點為中心的諧振環(huán)，相鄰 諧振環(huán)之間以及最內(nèi)部的諧振環(huán)與錨點之間由輪輻狀支撐梁連接，同一諧振環(huán)各處的壁厚 是等厚度的，由內(nèi)至外所有嵌套環(huán)之間具有彼此不同的壁厚。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變諧振環(huán)壁厚的嵌套環(huán)式MEMS振動陀螺，其特征在于：由內(nèi) 至外所有嵌套環(huán)的壁厚遵循諧振環(huán)壁厚分布函數(shù)而變化。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變諧振環(huán)壁厚的嵌套環(huán)式MEMS振動陀螺，其特征在于：由內(nèi) 之外所有諧振環(huán)的壁厚是以各自嵌套環(huán)半徑或者諧振環(huán)編號為變量的函數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種變諧振環(huán)壁厚的嵌套環(huán)式MEMS振動陀螺，包括諧振子，所述諧振子包括諧振環(huán)、輪輻狀支撐梁以及位于諧振子結(jié)構(gòu)中心的錨點，整個諧振子通過位于諧振子中心的錨點與基底牢固錨接，所述錨點的外圍嵌套有多個以錨點為中心的諧振環(huán)，相鄰諧振環(huán)之間以及最內(nèi)部的諧振環(huán)與錨點之間由輪輻狀支撐梁連接，同一諧振環(huán)各處的壁厚是等厚度的，由內(nèi)之外所有嵌套環(huán)之間具有彼此不同的壁厚。本發(fā)明具有優(yōu)化的諧振質(zhì)量分布和剛度分布，從而能夠?qū)崿F(xiàn)陀螺綜合性能的優(yōu)化。
【IPC分類】G01C19/5649, G01C19/5656
【公開號】CN104976995
【申請?zhí)枴緾N201510478297
【發(fā)明人】吳學(xué)忠, 肖定邦, 吳宇列, 席翔, 邱華誠, 周鑫, 侯占強
【申請人】中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【公開日】2015年10月14日
【申請日】2015年8月7日