【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种高加工鲁棒性的异环宽mems多环陀螺，属于微机电系统(micro-electro-mechanical systems，mems)领域。
技术介绍
1、惯性器件在航空航天、武器装备领域具有重要的战略地位，典型的惯性系统通常是由多轴陀螺仪和加速度计联合组成，能够为自主导航、精确制导等应用场合提供高精度的姿态及位置信息。随着应用需求及应用环境的不断扩展，对高精度、小体积、低功耗的陀螺仪需求越来越迫切，在此背景下，具有实用潜力的mems陀螺仪成为近年来研究的重点。mems多环陀螺属于mems环形谐振陀螺，它是由半球谐振陀螺演变而来，经历了微半球结构、单环结构，最终形成了多环谐振陀螺方案。相比半球振动陀螺，多环谐振陀螺不存在复杂的三维结构，加工工艺较为简单且更适用于大批量制造，相比单环谐振陀螺，多环谐振陀螺拥有内嵌电极的多同心环嵌套结构，拥有更高的敏感电容、模态质量和能量密度，同时多保留了半球振动陀螺和单环谐振陀螺工作模态频率完全相等的特点，理论上可以达到极高的灵敏度。
2、mems多环陀螺拥有完全对称的谐振器结构，驱动模态和敏感模态拥有相同的有效质量和等效刚度，在理想状态下频率裂解会自然得到消除，然而在加工过程中不可避免产生不对称的加工误差，不均匀加工误差下陀螺驱动模态和敏感模态频率将会改变，产生频率裂解。
3、针对以上问题，面向频率裂解这一mems多环陀螺关键参数，本文提出了一种高加工鲁棒性的异环宽mems多环陀螺，通过不等环宽的设计方案，在保证高品质因数的情况下，有效降低加工误差产生的频率
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题在于：在现有加工技术方案的基础上，针对目前陀螺普遍存在的关键问题，本专利技术提出一种高加工鲁棒性的异环宽mems多环陀螺。
2、当结构存在误差时，酒杯模态下的任意模态波腹轴偏移角度ψ2-i可用下式计算:
3、
4、上式子中，φu、φv、φw表示有效质量、等效径向刚度、等效扭转刚度和波腹轴形成的角度。此时，酒杯模态下两个模态频率可计算为：
5、
6、
7、酒杯模态下，eu＝(mu0+mu)/4t0，ev＝(kv0+kv)/4sr0，ew＝(kw0+kw)/4r2st0，ω2-0为无误差下频率，非误差等效点处误差项为0，α2表示环结构波腹轴和波节轴最大位移大小之比，大小接近于2，具体数值和结构相关。t0、sr0和st0表示归一化位移下无加工误差陀螺谐振器的最大动能、径向应变能和扭转应变能。其中由于在酒杯模态下，陀螺谐振器仅在平面内运动，扭转应变极小，此处可视为0，此时能对频率产生影响的刚度偏差只包括径向刚度偏差。在归一化条件下，可将陀螺视为理想的弹簧质量结构模型，最大动能可由动能定义计算为t0＝0.5*1*meff,径向应变能可计算为理想柱压缩应变能sr0＝0.5*1*keff。驱动模态和敏感模态波腹轴角度ψ2-1和ψ2-2角度差为45°，即ψ2-1＝ψ2-2+π/4。去除无误差项后，仅需要考虑添加质量偏移和刚度偏移点的处对谐振的影响，公式(1)(2)(3)可以变为：
8、
9、
10、
11、在频率裂解相对无误差工作频率极小时，由于存在ω2-1/ω2-0≈1，ω2-2/ω2-0≈1，ω2-2+ω2-1≈2ω2-0，则有：
12、
13、式(7)可同样计算为：
14、
15、将(8)带入(7)中，对频率裂解求解得到：
16、
17、当仅考虑当仅考虑质量上的误差引入时，kv＝0，去除无误差项，化简(9)得到：
18、
19、带入eu＝(mu0+mu)/2meff，分离质量偏差和理想模型的有效质量分布，简化有：
20、
21、当仅考虑当仅考虑刚度上的误差引入时，mu＝0，将分离项ev＝(kv0+kv)/2keff带入(9)，同理可得到：
22、
23、综合以上推导可得，当仅考虑质量上的误差引入时，当误差固定，可以通过改变陀螺各等效点有效质量和等效刚度分布，分别减小各方向质量偏差有效质量之比和刚度偏差占此方向等效刚度之比，提高陀螺结构对刚度偏差和质量偏差的抵抗能力，在保证拥有较高热弹性品质因数的情况下，减少加工误差对频率裂解的影响。
24、为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
25、本专利技术提出一种高加工鲁棒性的异环宽mems多环陀螺，该mems多环陀螺在平面内拥有全对称结构，由中心固定锚点、多圈的同心圆环结构、辐条结构和电极组成。
26、所述的中心固定锚点为圆形，由外部结构固定，和多圈的同心圆环结构拥有同一圆心，最内圈同心环通过辐条和锚点相连。
27、所述的多圈同心圆环之间通过辐条相连，同心圆环宽度可根据需求调整，各个同心圆环之间的间距不等。
28、所述的多圈的同心圆环结构分为单环和双环结构，每一对双环结构之间通过短辐条连接，每两对双环之间由长辐条连接。双环结构分为壁厚较薄部分和壁厚较厚部分，辐条只与薄壁结构相连，未与辐条相连结构为壁厚较厚部分。
29、所述的多圈同心圆结构平面极坐标系内，短辐条和长辐条及其相连的两种薄壁结构拥有不同占圆心角角度。所占圆心角均可根据需求调整。
30、所述的多圈同心圆结构的最外环，由于未与长辐条相连，故异环宽结构略有不同。异环宽结构在仿真中发现，最外环中壁厚较薄结构所占圆心角小于其他环，厚壁结构所占圆心角大于其他环时，陀螺谐振结构对加工误差的抵抗能力存在明显提升。
31、所述的异环宽结构在调整环壁厚分布的过程中，由于环厚分布发生改变，短辐条两侧环结构间距有所扩大，产生较大的刻蚀窗口，为保证刻蚀质量，而产生的空隙由质量块来填补，质量块结构由空隙结构所确定。最终所形成的空隙呈“工”字型。
32、进一步地，采用comsol多物理场耦合分析软件下的固体力学、固体传热和热膨胀模块，对异环宽陀螺进行了多项分析仿真。
33、进一步地，经过改良后的异环宽陀螺的工作模态谐振频率有所降低，对加工误差带来的各向刚度和质量扰动具有较高的鲁棒性。且计算可得，经过优化改良后的陀螺谐振器有效质量和等效刚度相比原陀螺均存在明显提升。
34、进一步地，经过comsol多物理场耦合仿真，通过不同类型加工误差异环宽陀螺进行仿真检验，得到异环宽陀螺在不同加工误差下频率裂解下降明显，证实异环宽陀螺对加工误差带来的各向刚度和质量扰动具有较高的鲁棒性。
35、本专利技术的有益效果是：
36、本专利技术所提出的一种高加工鲁棒性的异环宽mems多环陀螺，拥有以下几个优势：
37、1.本专利技术通过改变陀螺各环内不同环厚结构所占比例，采用异环宽结构，从而改变陀螺各方向等效刚度分布和等效质量分布；
38本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高加工鲁棒性的异环宽MEMS多环陀螺，其特征在于，在平面内拥有全对称结构，由中心固定锚点、多圈的同心圆环结构、辐条结构和电极组成；
2.一种如权利要求1所述的高加工鲁棒性的异环宽MEMS多环陀螺，其特征在于，最外环中壁厚较薄结构所占圆心角小于其他环，厚壁结构所占圆心角大于其他环。
3.一种如权利要求1所述的高加工鲁棒性的异环宽MEMS多环陀螺，其特征在于，所述的异环宽结构在调整环壁厚分布的过程中，由于环厚分布发生改变，短辐条两侧环结构间距有所扩大，产生较大的刻蚀窗口，所述空隙由与之形状匹配的质量块填补，似的所述空隙呈“工”字型。
【技术特征摘要】
1.一种高加工鲁棒性的异环宽mems多环陀螺，其特征在于，在平面内拥有全对称结构，由中心固定锚点、多圈的同心圆环结构、辐条结构和电极组成；
2.一种如权利要求1所述的高加工鲁棒性的异环宽mems多环陀螺，其特征在于，最外环中壁厚较薄结构所占圆心角小于其他环，厚壁结构所占圆...
【专利技术属性】
技术研发人员：谢建兵，邓宇廷，鲁文飞，周金秋，苑伟政，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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