[发明专利]带周期分布柔性子系统的嵌套环式MEMS振动陀螺

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及微机电陀螺仪，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。

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,“Internal Friction in Solids II:General Theory of ThermoelasticInternal Friction,”Physical Review,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，Q_TED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，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，热弛豫时间有式(2)所示函数表达式：

式(2)中，C_v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。