一种环形微机电陀螺敏感结构的制作方法

本发明属于惯性测量技术领域，具体涉及一种环形微机电陀螺敏感结构。

背景技术：

陀螺是一种用于敏感载体相对于惯性空间角运动的仪表，是惯性导航和制导系统的核心器件。

环形微机电陀螺是一种融合传统机电陀螺工作原理和现代mems制造工艺的新型微机电陀螺，相比音叉型、蝶翼型微机电陀螺，环形微机电陀螺在结构上具有对称性优势，可最大限度的抑制干扰、提高鲁棒性。

现有技术一种环形微机电陀螺敏感结构如图1所示，中心为一圆环11，通过沿圆周分布的若干折叠梁12与外部结构13相连，圆环11和折叠梁12可通过mems工艺制作。圆环11内部为一圆柱形永磁体14，并通过软磁组件15在圆环11上下表面形成磁场回路，采用电磁方式进行驱动和检测。

上述该结构主要存在以下问题：

(1)采用外侧多点支撑，支撑梁为中心对称，非轴对称，损耗偏大，不利于获取高q值、高灵敏度；

(2)涉及到敏感结构(特征尺寸在微米量级)、永磁体和软磁组件等的精密微组装，组件间隙、磁场气隙等要求严格，实现难度较大；

(3)磁组件参数易受外界磁场干扰、机械冲击、温度等因素影响，从而制约陀螺精度的提升；

(4)针对结构制造缺陷等引起的频率失配等，需要采用较昂贵的修调设备进行机械修调，成本较高，且一旦封装完成无法再次修改。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明的目的在于提供一种环形微机电陀螺敏感结构，在获取高q值、高抗干扰、强鲁棒性等优势的同时降低了表头组件的工艺实现难度。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案。

本发明一种环形微机电陀螺敏感结构该结构包括外环、锚接点、组合梁、驱动电极组、检测电极组和调谐电极组；

锚接点位于中心，外环通过多个组合梁与锚接点连接，外环与锚接点同心，外环的上、下底面悬空设置，驱动电极组和检测电极组交替均布设置在外环外侧，调谐电极组均布设置在外环内侧；

工作时，外环在驱动电极组静电力作用下保持驱动模态振型，当外界有角速率作用时，通过哥式力耦合，激发检测模态振型，检测电极组通过检测电容间隙的变化实现外界输入的感测，调谐电极组实现驱动和检测模态的频率匹配。

所述锚接点实心圆柱结构，锚接点下底面设置在外部结构上，锚接点的外径小于外环内径的二分之一。

所述组合梁一端端部与锚接点外壁连接，另一端端部与外环内壁连接，组合梁中间梁段结构为非直线梁结构，组合梁中间梁段的周长大于锚接点与外的间距，组合梁以其两端端部连线为对称线呈对称结构，多个组合梁以锚接点圆心为对称中心对称。

所述组合梁包括两个单梁，两个单梁左右对称，两个单梁端部分别与锚接点外壁和外环内壁连接，每个单梁中间梁段呈“u型”绕行结构，两个单梁中间梁的“u型”口相对设置；组合梁的数量为8个。

所述外环厚壁圆环结构，外环厚度小于500μm，直径小于10mm，高度小于200μm。

所述驱动电极组包括驱动电极组和驱动敏感电极组，所述检测电极组包括检测电极组和检测敏感电极组；

驱动电极组、驱动敏感电极组、检测电极组和检测敏感电极组均包括两个相同功能相隔180°设置的电极；

驱动电极组、检测敏感电极组、驱动敏感电极组和检测电极组的电极依次交替均布设置在外环外侧。

进一步，相邻电极之间的间隙小于20μm。

所述调谐电极组包括驱动调谐第一电极组，检测调谐第一电极组，检测调谐第二电极组和驱动调谐第二电极组；

驱动调谐第一电极组，检测调谐第一电极组，检测调谐第二电极组和驱动调谐第二电极组均包括四个相同功能相隔90°设置的电极；

驱动调谐第一电极组，检测调谐第一电极组，检测调谐第二电极组和驱动调谐第二电极组的电极依次按顺序设置在外环内侧。

进一步，相邻电极之间的间隙小于20μm。

本发明整体通过mems工艺制作；所述锚接点、组合梁和外环加工材料为硅或熔融石英。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

(1)本发明一种环形微机电陀螺敏感结构，采用中心单点支撑全对称型式，同时锚点在驱动和检测模态的振形节点位置处，从而大幅降低支撑损耗，获取高q值。

(2)本发明一种环形微机电陀螺敏感结构，采用电容驱动和检测，敏感结构整体可通过mems工艺制作，降低了实现难度，也避免了与电磁驱动检测相关的各干扰因素影响。

(3)本发明一种环形微机电陀螺敏感结构，采用调谐电极，利用静电负刚度效应，对模态刚度进行调节，实现驱动模态和检测模态的频率匹配；与机械修调相比无需昂贵的修调设备、成本较低，此外具有明显的片上调节优势，还可通过适当的闭环回路控制实现在线实时修调。

附图说明

图1是现有技术一种常规环形微机电陀螺敏感结构；

图2是本发明一种环形微机电陀螺敏感结构；

图3是本发明一种环形微机电陀螺敏感结构的驱动和检测振型示意图；

图4是本发明一种环形微机电陀螺敏感结构的检测振型示意图；

图中：11-圆环，12-折叠梁，13-外部结构，14-永磁体，15-软磁组件；21-外环，22-锚接点，23-组合梁，241-驱动电极组，242-检测电极组，243-驱动敏感电极组，244-检测敏感电极组，251-驱动调谐第一电极组，252-检测调谐第一电极组，253-检测调谐第二电极组，254-驱动调谐第二电极组，231-单梁，31-驱动模态振型，32-检测模态振型，33-驱动模态主轴，34-检测模态主轴。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明一种环形微机电陀螺敏感结构作详细说明。

如图2所示，本发明一种环形微机电陀螺敏感结构，包括外环21、锚接点22、组合梁23、驱动电极组、检测电极组和调谐电极组；

锚接点22位于中心，外环21通过多个组合梁23与锚接点22连接，外环21与锚接点22同心，外环21上、下底面悬空设置，驱动电极组和检测电极组交替均布设置在外环21外侧，调谐电极组均布设置在外环21内侧；

工作时，外环21在驱动电极组静电力作用下保持驱动模态振型，当外界有角速率作用时，通过哥式力耦合，激发检测模态振型，检测电极组通过检测电容间隙的变化实现外界输入的感测，调谐电极组实现驱动和检测模态的频率匹配。

所述锚接点22实心圆柱结构，锚接点22下底面设置在外部结构上，起支撑作用，锚接点22的外径小于外环21内径的二分之一；

所述组合梁23一端端部与锚接点22外壁连接，另一端端部与外环21内壁连接，组合梁23中间梁段结构为非直线梁结构，组合梁23中间梁段的周长大于锚接点22与外环21的间距，组合梁23以其两端端部连线为对称线呈对称结构，多个组合梁23以锚接点22圆心为对称中心对称；

优选组合梁23包括两个单梁231，两个单梁231左右对称，两个单梁231端部分别与锚接点22外壁和外环21内壁连接，每个单梁231中间梁段呈“u型”绕行结构，两个单梁231中间梁的“u型”口相对设置；优选组合梁23的数量为8个；

所述外环21厚壁圆环结构，外环21厚度小于500μm，直径小于10mm，高度小于200μm；

所述驱动电极组包括驱动电极组241和驱动敏感电极组243，所述检测电极组包括检测电极组242和检测敏感电极组244；

驱动电极组241、驱动敏感电极组243、检测电极组242和检测敏感电极组244均包括两个相同功能相对180°设置的电极；

驱动电极组241、检测敏感电极组244、驱动敏感电极组243和检测电极组242的电极依次交替均布设置在外环21外侧；相邻电极之间的间隙小于20μm；

所述调谐电极组包括驱动调谐第一电极组251，检测调谐第一电极组252，检测调谐第二电极组253和驱动调谐第二电极组254；

驱动调谐第一电极组251，检测调谐第一电极组252，检测调谐第二电极组253和驱动调谐第二电极组254均包括四个相同功能相隔90°设置的电极，用于校正模态主轴方向并实现模态频率匹配；

驱动调谐第一电极组251，检测调谐第一电极组252，检测调谐第二电极组253和驱动调谐第二电极组254的电极依次按顺序设置在外环21内侧，相邻电极之间的间隙小于20μm；

本发明为锚接点22为中心单点支撑的全对称结构，锚接点22在驱动和检测模态的振形节点位置处，从而大幅降低支撑损耗，获取高q值。

本发明结构的材料优选硅、熔融石英等，整体可通过mems工艺制作，降低了实现难度，也避免了常规电磁驱动检测方式的各相关干扰因素影响。

工作时，外环21在驱动电极组的电极静电力作用下保持驱动模态振型31，如图3所示，当外界有角速率作用时，通过哥式力耦合，激发检测模态振型32，如图4所示，进而引起检测电极组的电极间隙变化，通过提取相关电容变化即可获取外界输入。

此外当结构制造工艺缺陷等引起的驱动模态主轴33和检测模态主轴34偏移以及两个模态频率失配时，通过调整外环21内侧调谐电极组各电极上的电压，即可实现模态主轴的校正和频率匹配，从而获取最大机械增益，相比常规机械修调方法，无需昂贵的修调设备、成本较低，此外具有明显的片上调节优势，还可通过适当的闭环回路控制实现在线实时修调。