[发明专利]带周期分布集中质量块的嵌套环式MEMS振动陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机电陀螺仪，并且特别涉及一种MEMS振动陀螺。

背景技术

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、低成本微陀螺仪提出了迫切需求。

实现MEMS陀螺仪高性能的关键是高Q值、大谐振质量、大驱动幅值以及大检测电容，而且工作在退化模态(驱动模态与检测模态相同)的振动陀螺较工作在正交模态(驱动模态与检测模态不相同且正交)的振动陀螺具有更高的精度潜力。

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，振动状态下发生弯曲的梁一侧受拉，另一侧受压，由材料的热膨胀性质使得应力场与温度场出现耦合。Zener在文献[C.Zener,“Internal Friction in Solids II:General Theory of Thermoelastic Internal Friction,”Physical Review,vol.53,pp.230–235,1938.]中给出了振动结构热弹性阻尼的通用表达式：

其中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，C_v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，有：

其中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称。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。

热弹性Q值(Q_TED)的影响曲线如图1所示，图中横坐标为结构固有频率f与热弛豫频率f₀的比值，其中热弛豫频率为热弛豫时间的倒数，即：f₀＝1/τ。因此获得高Q_TED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。对于硅材料微结构而言，其热弛豫时间较短，而且结构越小热弛豫时间越短。

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(很大的热弛豫频率f₀)。通常的高Q_TED值硅微器件处于“等温状态”，即f<<f₀，例如专利CN102388292A中所述的谐振子，该谐振子采用嵌套的多个谐振环组成，该设计的Q_TED值处于10⁵量级，多个嵌套环也提供了较大的谐振质量。然而该设计的质量和刚度是耦合的，即要实现更大的谐振质量必然引起刚度的增加，结构的机械谐振频率其中m*和k*分别为结构等效质量和等效刚度，结构刚度增加必然导致结构机械谐振频率增大，不利于Q值的提升，而且采用了分布质量。该设计虽然体现了较高的性能，但是该结构的Q值和谐振质量仍然有待提高。