一种新型正八边环形谐振式微机械陀螺制造技术

本发明专利技术公开了一种正八边环形谐振式微机械陀螺结构，属于微传感器领域。本发明专利技术提出的正八边环形谐振式微机械陀螺结构，完全保留了环形谐振陀螺的优点，并解决了圆环陀螺谐振频率较高，且在椭圆工作模态主阻尼方向与驱动和敏感轴之间偏差角度较大的问题，同时增大了检测电容量，有利于灵敏度的提升。依次包括基底硅体、电绝缘层和器件层；其特征在于：所述器件层包括正八边形环形结构、辐条、中心支撑、电极；器件层通过中心支撑悬置于基底硅体上。

A New Orthogonal Octagonal Ring Resonant Micromachined Gyroscope

The invention discloses a positive octagonal ring resonant micromachined gyroscope structure, which belongs to the field of micro sensors. The octagonal ring resonant micromachined gyroscope structure proposed by the invention completely retains the advantages of ring resonant gyroscope, solves the problem of high resonant frequency of ring resonant gyroscope and large deviation angle between the main damping direction of elliptical working mode and the driving and sensing axis, and increases the detection capacitance, which is beneficial to the improvement of sensitivity. The device layer comprises a base silicon body, an electrical insulating layer and a device layer in turn. The device layer comprises an octagonal ring structure, a spoke, a central support and an electrode. The device layer is suspended on the base silicon body through a central support.

【技术实现步骤摘要】
一种新型正八边环形谐振式微机械陀螺
本专利技术涉及一种正八边环形谐振式微机械陀螺结构，属于微传感器领域。
技术介绍
随着科学技术的发展和社会的进步，消费电子、汽车产品和制导武器等对微机械陀螺的精度和可靠性等要求进一步提高，推动新结构和新原理的微机械陀螺不断产生，其中环形谐振式微机械陀螺具有高精度、高可靠性和长寿命等优点，成为近年开始研究的新型陀螺之一。环形谐振式微机械陀螺的结构具有以下优点：一、全对称的谐振结构使其对环境中的干扰、无用振动不敏感，只有当存在加工误差导致的质量或者刚度不对称才会有响应；二、使用理论上谐振频率完全相等的两个椭圆形振动模态作为工作模态，灵敏度会被结构的品质因数放大，因此该结构在高品质因数情况下具有极高的灵敏度；三、由于在工作模态时各处受温度的影响相同，因此该陀螺结构对温度不敏感的；四、可以使用动态的静电调节功能，通过分布在结构周向的静电调谐电极来调整在加工过程造成的两个工作模态的频率差；五、具有较大的惯性质量。专利CN102388292A提出一种圆环环形谐振式微机械陀螺，该陀螺免受外部温度和应力的影响，可以达到极高的灵敏度和品质因数，但其谐振频率较高不利于检测，且其主阻尼方向与驱动和敏感轴之间偏差角度较大，因此本专利技术提供了一种新型正八边环形谐振式微机械陀螺结构，该结构解决了上述问题同时增大了检测电容量，有利于灵敏度的提升。
技术实现思路
参阅图1(a)，为谐振圆环环形谐振式微机械陀螺的结构，图1(b)为谐振圆环环形谐振式微机械陀螺的结构在n＝2工作模态中主阻尼方向与驱动和敏感轴之间偏差角度较大，因此，本专利技术提出了一种新型正八边环形谐振式微机械陀螺结构，该结构完全保留了环形谐振陀螺的优点，并解决了在椭圆模态容易发生振动位置偏移的问题，同时增大了检测电容量，有利于灵敏度的提升。参阅图2，本专利技术提出的新型正八边环形谐振式微机械陀螺结构，依次包括基底硅体3、锚点2和器件层1；其特征在于：所述器件层1包括正八边环形结构4与电极7；器件层1通过锚点2悬置于基底硅体3上方。所述正八边环形结构包括4-1、4-2、…、4-n，n个同心正八边形环、1个正八边形中心支撑和4n个辐条。正八边形的中心支撑与锚点固定，外圈的正八边形同心环通过辐条一层一层的连接起来。其中每一层的连接辐条有4个，而且第一层连接辐条是均匀分布在正八边形结构俯视图笛卡尔坐标系的坐标轴上，即4个辐条任意相邻辐条与正八边形结构中心的连线所成角度为90°。相邻正八边形环的连接辐条其位置相差45°，即与正八边形结构中心的连线所成角度为45°，这样的结构设计是为了在正八边形结构在其任意方向的等效刚度相同，同时在谐振情况下可以得到稳定的阵型。n个同心正八边形环通过4n个辐条与正八边形中心支撑相连，构成中心支撑的可动结构。该结构可以根据需求改变结构参数,如结构的厚度、环的宽度和半径、辐条的宽度和长度达到预期的效果。所述正八边环形结构可以是单环结构，即n＝1，参阅图5(a)，也可以是多环结构，即n>1，参阅图5(b)，单环结构谐振频率较低利于检测，多环结构刚度大，耐冲击性能好，可靠性高。所述电极通过锚点与基地硅体连接，电极可以是外圈电极，即八个电极圆周均布于正八边环形结构外围，参阅图5(c)，也可以是嵌入式电极，即电极位于两相邻的正八边形环之间，每相邻的两环间均可嵌入电极，参阅图5(d)，采用外圈电极结构简单利于打线封装，采用嵌入式电极可以有效增大检测电容量，从而提高灵敏度。本专利技术的有益效果是：本专利技术提出的新型正八边环形谐振式微机械陀螺结构，不但保留了环形谐振陀螺的优点，解决了圆环陀螺椭圆模态主阻尼方向与驱动和敏感轴之间偏差角度较大的问题，且在相同参数下能够降低结构的固有频率及频差，有利于信号检测，同时增大了检测电容量，有利于提升灵敏度。附图说明图1是圆环环形谐振式微机械陀螺驱动模态振型图。图2是正八边环形谐振式微机械陀螺结构示意图。图中，1-器件层，2-锚点，3-基底硅体，4-正八边环形结构，5-辐条，6-中心支撑，7-电极。图3(a)是正八边环形实例图，图(b)谐振式微机械陀螺工作模态振型图驱动模态，图(c)谐振式微机械陀螺工作模态振型图敏感模态。图4是相同结构尺寸参数下圆环环形谐振式微机械陀螺工作模态振型图，图(a)为驱动模态，图(b)为敏感模态。图5是正八边环形谐振式微机械陀螺结构及检测方式示意图。实施例建立一个正八边形结构，如图3(a)，中心锚点6是固定在基底上，其同心正八边形环为4-1，4-2，4-3，4-4，总共4个，每一个正八边形环通过辐条5与相邻正八边形环刚性连接。其中每一层的辐条数量为环形变数的一半，对于正八边形来说，其连接辐条的数量为4个，4个辐条的分布位置是在一个圆周上均匀分布，即4个辐条各自与其相邻辐条的夹角为90°。每相邻两环的连接辐条的分布位置相差45°，即前一层的辐条位置整个旋转45°得到下一层的辐条位置，如5-1和5-2的位置关系。正八边环形结构在频率为其二阶固有频率静电力的驱动下表现出工作模态振动轴与主阻尼轴的一致性。参阅图3，正八边环形结构工作模态振动轴与主阻尼轴基本重合，对比图4，在相同结构参数下，正八边环形结构谐振频率相比于圆环环形结构下降了约3kHz，两工作模态间频率差下降了约250Hz，陀螺谐振器频率及频差的下降有利于检测，同时也可以提高陀螺的灵敏度与零偏稳定性。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于新型正八边环形谐振式微机械陀螺结构，依次包括基底硅体3、锚点2和器件层1；其特征在于：所述器件层2包括正八边环形结构4、辐条5、中心支撑6、电极7；器件层1通过中心支撑6悬置于基底硅体3上。

【技术特征摘要】
1.基于新型正八边环形谐振式微机械陀螺结构，依次包括基底硅体3、锚点2和器件层1；其特征在于：所述器件层2包括正八边环形结构4、辐条5、中心支撑6、电极7；器件层1通过中心支撑6悬置于基底硅体3上。2.一种如权利要求1所述的新型正八边环形谐振式微机械陀螺结构，其特征在于：所述正八边环形结构包括4-1、4-2、…、4-n，n个同心正八边形环、1个正八边形中心支撑和4n个辐条。正八边形的中心支撑与锚点固定，外圈的正八边形同心环通过辐条一层一层的连接起来。其中每一层的连接辐条有4个，而且每一层连接辐条是...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢建兵，杨瑾，苑伟政，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61