带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺技术方案

本发明专利技术公开了一种带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺，包括谐振结构的MEMS振动陀螺本体，所述谐振结构包括呈圆形的中心固定锚点，所述中心固定锚点外侧设有多个依次嵌套的呈圆形结构的嵌套环，相邻嵌套环之间通过辐条相连，相邻嵌套环的相邻辐条之间设有柔性子系统，所述柔性子系统包括呈弧形带状的质量块和软梁，所述质量块的两侧分别通过软梁与嵌套环相连。本发明专利技术与传统嵌套环式MEMS陀螺谐振结构1相比，其优点在于通过柔性系统耦合降低系统频率进而实现较高的热弹性Q值，从而提高陀螺的机械灵敏度，提升陀螺的性能。

【技术实现步骤摘要】
带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺
本专利技术涉及微机电陀螺仪，具体涉及一种带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺。
技术介绍
陀螺仪是测量载体相对惯性空间旋转运动的传感器，是运动测量、惯性导航、制导控制等领域的核心器件，在航空航天、智能机器人、制导弹药等高端工业装备和精确打击武器中具有非常重要的应用价值。传统的陀螺仪包括机械转子陀螺、静电陀螺、半球谐振陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、动力调谐陀螺等，它们虽然精度高，但体积、功耗、价格等方面难以满足要求。基于微机电系统技术的MEMS陀螺仪具有体积小、功耗低、寿命长、可批量生产、价格便宜等特点，在大批量和小体积的工业和武器装备应用中具有先天优势。但与传统陀螺仪相比，目前MEMS陀螺仪的精度还不够高，应用主要局限于智能手机、微型无人机、汽车稳定控制、微惯性/卫星组合导航系统等低端领域。卫星导航抗干扰抗欺骗、室内导航、微小型水下无人平台、单兵定位、地下随钻定向系统等新兴领域对高性能、小体积、低功耗、低成本MEMS陀螺仪提出了迫切需求。嵌套环式MEMS振动陀螺是全世界首个达到导航级精度的硅微陀螺，性能与激光陀螺和光纤陀螺相当，并且其沿用成熟的平面微加工技术，在可制造性和成本方面具有极大的优势。嵌套环式MEMS振动陀螺是一种工作在频率匹配模式下的谐振陀螺，其充分利用了结构面积，显著增大了惯性质量、电极数量和品质因数，使其具有很高的灵敏度和精度潜力。实现MEMS陀螺仪高性能的关键是提高谐振结构1的Q值进而提高陀螺的机械灵敏度。影响Q值的主要因素有热弹性阻尼、支撑损耗、压膜阻尼、滑膜阻尼和其他阻尼，对于处于高真空环境下并且支撑良好的平面微结构而言，其中热弹性阻尼起着决定性作用。热弹性阻尼是由结构中不可逆的热流引起的，以梁结构为例，Zener在文献[C.Zener,“InternalFrictioninSolidsII:GeneralTheoryofThermoelasticInternalFriction,”PhysicalReview,vol.53,pp.230–235,1938.]中给出了式(1)所示梁结构振动中热弹性阻尼的通用表达式：式(1)中，QTED为梁结构振动中热弹性阻尼，E为材料杨氏模量，α为材料热膨胀系数，T0为标称平均温度300K，Cv为材料的热容量，ω为机械谐振频率，τ为热弛豫时间，对于简单的梁结构而言，热弛豫时间有式(2)所示函数表达式：式(2)中，Cv为材料的热容量，b为梁的宽度，κ为材料热导率。该机械—热耦合的唯象解释为：结构受压一侧温度升高，受拉一侧温度降低，从而产生温度梯度，该温度梯度引起热传导导致能量损耗。热弛豫时间τ的物理意义为从冷热不平衡到冷热平衡所需的时间。当结构的振动周期t与热弛豫时间τ接近时，能量的损耗达到最大。如果振动周期t远大于热弛豫时间τ，则结构在振动中大致处于热平衡状态，称这样的状态为“等温”状态，该状态下结构损耗的能量较少；如果振动周期t远小于热弛豫时间τ，振动结构的热不平衡来不及弛豫，称这样的状态为“绝热”状态，该状态下同样能量损耗较少。因此获得高QTED值的关键是通过结构设计使得结构工作模态的谐振频率避开热弛豫频率。由于硅是一种高热导率材料，由(2)式可知，如果产生形变的结构的尺度很小，则可以实现很小的热弛豫时间τ，即很大的热弛豫频率f0。在MEMS结构中，谐振梁等变形结构在弯曲方向的尺寸极小，大概在几个微米到几十个微米之间，因此其热弛豫频率f0大概在100k以上。而对于MEMS谐振陀螺其振动频率在几千赫兹到几十千赫兹之间，因此通常的高QTED值硅微器件处于“等温状态”，即f<<f0。例如公开号为CN102388292A的中国专利文献公开了一种谐振子，该谐振子采用嵌套的多个谐振环组成，该设计的QTED值处于105量级，多个嵌套环也提供了较大的谐振质量。为了进一步提高系统的QTED值，需要降低系统的谐振频率，在该结构中则需降低环的壁厚。然而该设计的质量和刚度是耦合的，通过减小壁厚降低其谐振频率的同时，其系统的谐振质量也相应降低，进而不利于陀螺灵敏度的提高。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺，包括谐振结构的MEMS振动陀螺本体，所述谐振结构包括呈圆形的中心固定锚点，所述中心固定锚点外侧设有多个依次嵌套的呈圆形结构的嵌套环，相邻嵌套环之间通过辐条相连，至少一对相邻嵌套环的所有相邻辐条之间设有柔性子系统，所述柔性子系统包括呈弧形带状的质量块和软梁，所述质量块的两侧分别通过软梁与辐条相连。优选地，所述质量块的内侧和外侧的中部各连接有一根软梁，所述软梁与嵌套环的边缘平行布置，所述软梁的中部与质量块相连、两端各与一根辐条相连。优选地，所述MEMS振动陀螺本体还包括衬底和电极组件，所述中心固定锚点和衬底键合连接，所述电极组件布置于谐振结构的外侧，所述谐振结构和电极组件由同一硅片制成处于一个结构层，所述衬底布置于所述结构层的下侧。优选地，所述结构层的下表面依次镀有铬层和金层，所述衬底的上表面设有氧化绝缘层且氧化绝缘层上依次镀有铬层和金层，所述衬底、电极组件两者和中心固定锚点之间通过金-金键合连接。优选地，所述电极组件包括多个电极，且多个电极依次围绕谐振结构呈环状分布布置于谐振结构的外侧。优选地，所述电极的数量为十六个，所述电极包括四个驱动电极D、四个检测电极S和两组调频电极T1-T2，两组调频电极T1-T2中每一组调频电极的数量为四个，四个驱动电极D和四个检测电极S围绕谐振结构间断均匀分布，四个驱动电极D通过基于两个正驱动电极D+和两个负驱动电极D-构成差分驱动电极，其中正驱动电极D+施加高频载波、直流偏置和交流驱动电压三者的叠加，负驱动电极D-则施加反相得高频载波、直流偏置和反相的交流驱动电压三者的叠加实现推挽式驱动；四个检测电极S基于两个正检测电极S+和两个负检测电极S-构成差分检测电极，且任一驱动电极D一侧和检测电极S之间间隔布置有一个调频电极T1、另一侧和检测电极S之间间隔布置有调频电极T2。本专利技术带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺具有下述优点：本专利技术利用多自由度系统中同相模态振动频率小于其子系统振动频率的特点，在谐振结构上通过挂载柔性子系统，实现了在不降低谐振结构等效振动质量的同时降低系统的频率，提升系统Q值，从而提升系统的机械灵敏度的目标，能够达成诸多有益于陀螺性能的优秀特质：高的QTED值、大的谐振质量、大的驱动幅值和高的机械灵敏度，对提高陀螺整体性能有着重要意义。附图说明图1为本专利技术实施例一的谐振结构的结构示意图。图2为本专利技术实施例一中柔性子系统的放大结构示意图。图3为本专利技术实施例一振动陀螺在图1的A-A位置的剖视结构示意图。图4为本专利技术实施例一振动陀螺的电极结构示意图。图5为本专利技术实施例一振动陀螺的电极结构等效电路示意图。图6为本专利技术实施例一驱动轴或检测轴方向的振动原理示意图。图7为本专利技术实施例一谐振结构的谐振频率随软梁宽度变化而变化的曲线。图8为本专利技术实施例一谐振结构的Q值本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺，包括谐振结构(1)的MEMS振动陀螺本体，所述谐振结构(1)包括呈圆形的中心固定锚点(11)，所述中心固定锚点(11)外侧设有多个依次嵌套的呈圆形结构的嵌套环(12)，相邻嵌套环(12)之间通过辐条(13)相连，其特征在于：至少一对相邻嵌套环(12)的所有相邻辐条(13)之间设有柔性子系统(14)，所述柔性子系统(14)包括呈弧形带状的质量块(141)和软梁(142)，所述质量块(141)的两侧分别通过软梁(142)与辐条(13)相连。

【技术特征摘要】
1.一种带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺，包括谐振结构(1)的MEMS振动陀螺本体，所述谐振结构(1)包括呈圆形的中心固定锚点(11)，所述中心固定锚点(11)外侧设有多个依次嵌套的呈圆形结构的嵌套环(12)，相邻嵌套环(12)之间通过辐条(13)相连，其特征在于：至少一对相邻嵌套环(12)的所有相邻辐条(13)之间设有柔性子系统(14)，所述柔性子系统(14)包括呈弧形带状的质量块(141)和软梁(142)，所述质量块(141)的两侧分别通过软梁(142)与辐条(13)相连。2.根据权利要求1所述的带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺，其特征在于：所述质量块(141)的内侧和外侧的中部各连接有一根软梁(142)，所述软梁(142)与嵌套环(12)的边缘平行布置，所述软梁(142)的中部与质量块(141)相连、两端各与一根辐条(13)相连。3.根据权利要求1所述的带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺，其特征在于：所述MEMS振动陀螺本体还包括衬底(2)和电极组件，所述中心固定锚点(11)和衬底(2)键合连接，所述电极组件布置于谐振结构(1)的外侧，所述谐振结构(1)和电极组件由同一硅片制成处于一个结构层，所述衬底(2)布置于所述结构层的下侧。4.根据权利要求3所述的带周期分布柔性子系统的嵌套...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖定邦，吴学忠，侯占强，李青松，周鑫，许一，席翔，周剑，卓明，胡倩，王鹏，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43