带周期分布子系统的蜂巢状盘形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子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺，包括蜂巢式框架结构的谐振子，所述谐振子中设有周期分布子系统，所述周期分布子系统包括呈圆周状分布于蜂巢式框架结构中各个内部六边形中的多个子单元，所述子单元包括悬臂梁和质量块，且所述质量块通过悬臂梁和内部六边形相连且使得子单元沿内部六边形的轴心对称布置。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
带周期分布子系统的蜂巢状盘形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子系统的蜂巢状盘形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，它们精度普遍较高，但同时具有体积大、功耗高、价格高等缺点，难以满足上述应用需求。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、价格便宜等诸多特点，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。然而，嵌套环式陀螺存在误差鲁棒性差、振型线性度差等缺点，仍存在改进优化的空间。蜂巢拓扑结构是大自然的鬼斧神工，其形状优美、性能优异，是自然界中高效使用材料的典范。受蜂巢式拓扑结构的启发，专利CN104990546A提出了一种以蜂巢式拓扑结构代替原嵌套环拓扑结构的改进型嵌套环陀螺方案，并将其命名为蜂巢状盘形MEMS振动陀螺。蜂巢状盘形MEMS振动陀螺和嵌套环式MEMS振动陀螺的原理相同，它是一种工作在频率匹配模式下的谐振陀螺，具有电容面积大，误差鲁棒性和环境鲁棒性优越，振型一致性好等优点，具有很高的灵敏度和精度潜力。然而，专利CN104990546A中所设计的由纯蜂巢框架构成的谐振子谐振频率较高，Q值相对较低，限制了陀螺的性能，需要采取方法进一步地提高其Q值，从而达到提升性能的目的。一般而言，MEMS谐振子的主要阻尼项包括热弹性阻尼、支撑损耗以及空气阻尼等，对于蜂巢状盘形MEMS谐振结构而言，对称的模态振型使得支撑损耗非常小，高真空的封装使得空气阻尼也可以忽略不计，因此占主导的阻尼因素是热弹性阻尼，因此，提升谐振子Q值的关键是降低其热弹性阻尼。热弹性阻尼主要取决于材料选择和结构设计，应用最广泛的热弹性理论模型是如式(1)所示的Zener模型：式(1)中，QTED为热弹性阻尼，CV是固体的定容热容，E是固体材料的杨氏模量，α是材料的热膨胀系数,T0是绝对环境温度，f0是结构的谐振频率，fRelax是结构的热弛豫频率。热弛豫频率fRelax由如式(2)所示的公式确定：式(2)中，τRelax为热弛豫时间，其物理意义是存在热梯度的梁结构达到热平衡所需要的时间，χ为固体材料的热扩散系数，b谐振梁厚度。根据公式(1)，经过简单的分析，可知热弹性Q值在f满足2πf0/fRelax＝1时取最小值，当f＞f0(f<f0)是，热弹性Q值随着f的增大(减小)而单调递增。对于蜂巢状盘形MEMS谐振子这样的薄壁谐振结构符合2πf0/fRelax<<1，即热弛豫时间远大于谐振频率。因此，要提高陀螺的热弹性Q值，必须在fRelax基本不改变情况下，尽量减小自身的谐振频率f。但是对于蜂巢状盘形MEMS振动陀螺而言，如何实现质量与刚度的解耦，即添加集中质量后不影响或者仅仅轻微影响整体框架的模态刚度，仍然是一项亟待解决的关键技术问题。
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子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺，本专利技术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。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种带周期分布子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺，包括蜂巢式框架结构的谐振子，所述谐振子中设有周期分布子系统，所述周期分布子系统包括呈圆周状分布于蜂巢式框架结构中各个内部六边形中的多个子单元，所述子单元包括悬臂梁和质量块，且所述质量块通过悬臂梁和内部六边形相连且使得子单元沿内部六边形的轴心对称布置。优选地，所述子单元包括通过悬臂梁和内部六边形顶边或底边相连的至少一个质量块。优选地，所述子单元包括分别通过悬臂梁和内部六边形两条倾斜支撑梁连接点相连的两个质量块。优选地，所述子单元包括分别通过悬臂梁和内部六边形两条倾斜支撑梁连接点相连的两个质量块、以及通过悬臂梁和内部六边形顶边或底边相连的至少一个质量块。优选地，所述蜂巢式框架结构由多层呈圆周状分布的内部六边形逐层嵌套构成的圆盘状结构，且由最内侧的一圈内部六边形和中心锚点相连。优选地，所述谐振子采用单晶硅材料制成。和现有技术相比，本专利技术具有下述优点：本专利技术带周期分布子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺通过在轴对称的蜂巢式框架上添加周期分布的由双端固支梁和质量块组成的子系统来实现质量与刚度的解耦，即添加集中质量后，不会影响或者仅仅轻微影响整体框架的模态刚度。在对蜂巢式陀螺进行动力学分析时，可将其简化为二阶质量-刚度-阻尼系统，引入集中质量子系统后，整个系统的质量增加，刚度基本不变，由系统谐振频率的计算公式可知，陀螺的谐振频率减小。同时，集中质量子系统的引入并未改变蜂巢状盘形谐振子梁的厚度，因此谐振子的热驰豫频率基本保持不变，根据公式(1)可知，谐振子的整体热弹性Q值将显著提升，本专利技术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中不带周期分布子系统的谐振子原始结构示意图。图2为本专利技术实施例一中谐振子等效结构示意图。图3为本专利技术实施例二中谐振子的结构示意图。图4为本专利技术实施例三中谐振子等效结构示意图。图5为本专利技术实施例四中谐振子等效结构示意图。图6～图13分别为本专利技术实施例四中挂载了不同形式、不同环数、不同大小的子单元结构的谐振子结构示意图。图14为本专利技术实施例五的驱动模态振型图。图15为本专利技术实施例五的驱动模态振型图。图16为本专利技术实施例五采用周向均匀分布的多个外置电极的结构示意图。图17为本专利技术实施例五采用多个内置电极的结构示意图。图18为本专利技术实施例五同时采用外置电极和内置电极的结构示意图。具体实施方式实施例一：如图1和图2所示，本实施例带周期分布子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺包括蜂巢式框架结构的谐振子，谐振子中设有周期分布子系统，周期分布子系统包括呈圆周状分布于蜂巢式框架结构中各个内部六边形中的多个子单元，子单元包括悬臂梁和质量块，且质量块通过悬臂梁和内部六边形相连且使得子单元沿内部六边形的轴心对称布置。本实施例与蜂巢状盘形MEMS振动陀螺相比，其优点在于通过周期分布子系统的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。如图1所示，蜂巢式框架结构由多层呈圆周状分布的内部六边形逐层嵌套构成的圆盘状结构，且由最内侧的一圈内部六边形和中心锚点相连。本实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带周期分布子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺，包括蜂巢式框架结构的谐振子，其特征在于：所述谐振子中设有周期分布子系统，所述周期分布子系统包括呈圆周状分布于蜂巢式框架结构中各个内部六边形中的多个子单元，所述子单元包括悬臂梁和质量块，且所述质量块通过悬臂梁和内部六边形相连且使得子单元沿内部六边形的轴心对称布置。

【技术特征摘要】
1.一种带周期分布子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺，包括蜂巢式框架结构的谐振子，其特征在于：所述谐振子中设有周期分布子系统，所述周期分布子系统包括呈圆周状分布于蜂巢式框架结构中各个内部六边形中的多个子单元，所述子单元包括悬臂梁和质量块，且所述质量块通过悬臂梁和内部六边形相连且使得子单元沿内部六边形的轴心对称布置。2.根据权利要求1所述的带周期分布子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺，其特征在于：所述子单元包括通过悬臂梁和内部六边形顶边或底边相连的至少一个质量块。3.根据权利要求1所述的带周期分布子系统的蜂巢状盘形MEMS振动陀螺，其特征在于：所述子单元包括分别通过悬臂梁和内部六...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖定邦，吴学忠，李青松，张勇猛，许一，周鑫，高凯，路阔，王鹏，胡倩，
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