蜂巢狀盤形振動陀螺的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種微機(jī)電陀螺儀，并且特別涉及一種MEMS蜂巢狀的盤形振動陀螺。
【背景技術(shù)】
[0002] 陀螺儀是測量載體相對慣性空間旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的傳感器，是運(yùn)動測量、慣性導(dǎo)航、制導(dǎo) 控制等領(lǐng)域的核心器件，在航空航天、智能機(jī)器人、制導(dǎo)彈藥等高端工業(yè)裝備和精確打擊武 器中具有非常重要的應(yīng)用價值。傳統(tǒng)的陀螺儀包括機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺、靜電陀螺、半球諧振陀 螺、激光陀螺、光纖陀螺、動力調(diào)諧陀螺等，它們雖然精度高，但體積、功耗、價格等方面難以 滿足要求?；谖C(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的MEMS陀螺儀具有體積小、功耗低、壽命長、可批量生產(chǎn)、 價格便宜等特點(diǎn)，在大批量和小體積的工業(yè)和武器裝備應(yīng)用中具有先天優(yōu)勢。
[0003] 總體而言，振動陀螺分為兩大類，一種是退化模態(tài)振動陀螺，其驅(qū)動模態(tài)與檢測模 態(tài)相同，另一種是正交模態(tài)振動陀螺，其驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)不相同且正交。相較于正交模 態(tài)振動陀螺，退化模態(tài)振動陀螺具有頻率匹配的特性，其哥氏力信號受到品質(zhì)因子（Q值） 的放大作用，因此具有更高的靈敏度。同時退化模態(tài)陀螺的對稱結(jié)構(gòu)使得其對環(huán)境的機(jī)械 和輻射干擾具有更好的魯棒性。
[0004] 目前涌現(xiàn)出了許多種工作在退化模態(tài)的MEMS振動陀螺，其諧振結(jié)構(gòu)一般為對稱 殼體，例如圓環(huán)形、圓盤形等，圓環(huán)形振動陀螺受制于較小的慣性質(zhì)量，使得其信噪比和靈 敏度受到限制，而圓盤形諧振子則克服了這一點(diǎn)，因此更具優(yōu)勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種蜂巢狀盤形振動陀螺。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0007] -種蜂巢狀盤形振動陀螺，包括諧振子以及設(shè)置在諧振子內(nèi)部或/和外部的電 極，所述諧振子為整體呈軸對稱的圓盤形，圓盤形諧振子的中心為用于固定整個諧振子的 錨點(diǎn)，圓盤形諧振子的外緣是一圈圓形的諧振環(huán)，連接諧振環(huán)與錨點(diǎn)的結(jié)構(gòu)為呈周向周期 分布的蜂巢拓?fù)湫螤畹姆涑残慰蚣埽涑残慰蚣軆?nèi)形成多圈呈周向周期分布的六邊形的孔 洞，整個蜂巢形框架和圓環(huán)構(gòu)成諧振子的諧振結(jié)構(gòu)。諧振子為整體呈軸對稱的圓盤形，軸 對稱結(jié)構(gòu)，使陀螺能夠工作在退化模態(tài)，具有更高的靈敏度。
[0008] 進(jìn)一步地，所述電極設(shè)置在諧振子的外部，多個電極呈周向均勻分布在諧振環(huán)的 外周。具體地，8個或者16個或者更多個電極周向均勻分布在諧振環(huán)的外周。
[0009] 進(jìn)一步地，所述電極設(shè)置在諧振子的內(nèi)部，多圈呈周向周期分布的六邊形的孔洞 內(nèi)設(shè)置有呈周向均勻分布的電極。
[0010] 進(jìn)一步地，所述電極同時設(shè)置在諧振子的內(nèi)部和外部，多個電極呈周均勻分布在 諧振環(huán)的外周，且多圈呈周向周期分布的六邊形的孔洞內(nèi)也設(shè)置有呈周向均勻分布的電 極。
[0011] 本發(fā)明的蜂巢狀盤形振動陀螺是一種典型的工作在退化模態(tài)的微振動陀螺，即其 諧振子的驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)一樣。蜂巢狀盤形振動陀螺的工作原理為：通過靜電力驅(qū)動 方式，以特定的頻率激勵出蜂巢狀盤形諧振子如圖1A所示的第一模態(tài)（即驅(qū)動模態(tài)），其第 一模態(tài)為環(huán)向波數(shù)為2的駐波，其中波腹點(diǎn)處的振幅最大，波節(jié)點(diǎn)處的振幅為零，波腹點(diǎn)連 線構(gòu)成固有剛性軸系；當(dāng)有軸向角速度輸入時，蜂巢狀盤形諧振子在哥氏力的作用下產(chǎn)生 如圖1B所示的另一固有剛性軸系的第二模態(tài)（即檢測模態(tài)），蜂巢狀盤形諧振子第二模態(tài) 的振動通過電容檢測方式，轉(zhuǎn)換成敏感電信號，該敏感電信號與輸入角速度成正比，經(jīng)過濾 波及放大等處理即可得到輸入角速度信息。
[0012] 此外由于諧振子不可避免存在一定的制造誤差，該誤差引起的振型偏移和頻率裂 解是影響陀螺性能的主要因素，需要采用靜電修調(diào)實現(xiàn)陀螺的動態(tài)平衡，通過在特定位置 的修調(diào)控制電極上施加偏置電壓來實現(xiàn)系統(tǒng)等效剛度的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)蜂巢狀盤形諧振子 的模態(tài)匹配和動態(tài)平衡。
[0013] 蜂巢狀盤形振動陀螺采用靜電/電容的方式實現(xiàn)諧振子的驅(qū)動、檢測和修調(diào)，因 此電極的設(shè)計對于蜂巢狀盤形振動陀螺的性能有著重要的影響。蜂巢狀盤形振動陀螺可以 采用環(huán)繞在諧振子周圍的外置電極的設(shè)計，也可以在蜂巢狀盤形諧振子的內(nèi)部眾多六邊形 孔洞中設(shè)計內(nèi)置電極，同時還可以采用外置電極和內(nèi)置電極并存的設(shè)計。如果電極數(shù)目越 多，單個電極的電容面積越大，則電極的驅(qū)動、檢測和修調(diào)效果越好。
[0014] 本發(fā)明的有益效果
[0015] 本發(fā)明的諧振環(huán)和內(nèi)部蜂巢狀框架提供了較大的諧振質(zhì)量。蜂巢狀的設(shè)計使得諧 振子對外部干擾具有更好的魯棒性，同時對內(nèi)部的制造誤差具有更好的免疫性。同時蜂巢 狀諧振子內(nèi)部眾多的孔洞也可以便于設(shè)置內(nèi)置電極，提供數(shù)量更加可觀的驅(qū)動、檢測和控 制電極，有助于提高驅(qū)動幅值，增大檢測電容面積和提升控制效果。
[0016] 為了更進(jìn)一步了解本發(fā)明的特征及技術(shù)內(nèi)容，請參閱以下有關(guān)本發(fā)明的詳細(xì)說 明、附圖以及附表，然而所附圖僅提供參考與說明，并非用來對本發(fā)明加以限制。
【附圖說明】
[0017] 圖1A示出了蜂巢狀盤形振動陀螺等退化模態(tài)陀螺諧振子的第一模態(tài)（驅(qū)動模態(tài)） 示意圖；
[0018] 圖1B示出了蜂巢狀盤形振動陀螺等退化模態(tài)陀螺諧振子的第二模態(tài)（檢測模態(tài)） 示意圖；
[0019] 圖2A示出了周向等8周期均勻分布的蜂巢狀盤形振動陀螺諧振子；
[0020] 圖2B示出了周向等16周期均勻分布的蜂巢狀盤形振動陀螺諧振子；
[0021] 圖3示出了蜂巢狀盤形諧振子的前20階模態(tài)振型圖；
[0022] 圖4示出了在相同位置具有相同的缺陷的嵌套環(huán)式盤形諧振子與蜂巢狀盤形諧 振子；
[0023] 圖5A示出了蜂巢狀盤形諧振子的第一模態(tài)振型圖；
[0024] 圖5B示出了蜂巢狀盤形諧振子的第二模態(tài)振型圖；
[0025] 圖6A示出了采用周向均勻分布的多個外置電極的蜂巢狀盤形振動陀螺結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0026] 圖6B示出了采用多個內(nèi)置電極的蜂巢狀盤形振動陀螺結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖6C示出了同時采用外置電極和內(nèi)置電極的蜂巢狀盤形振動陀螺結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0029] 圖2A、圖2B分為周向等8周期均勻分布和周向等16周期均勻分布的蜂巢狀盤形 振動陀螺諧振子的實施例。圖2A所示的實施例中，諧振子1為周向等8周期均勻分布結(jié)構(gòu)， 諧振子1通過錨點(diǎn)6固定，諧振子的最外圈的諧振環(huán)3與錨點(diǎn)6通過蜂巢拓?fù)湫螤畹姆涑?狀框架4