一种新型正十二边环形谐振式微机械陀螺的制作方法

本发明涉及一种正十二边环形谐振式微机械陀螺结构，属于微传感器领域。

背景技术：

随着科学技术的发展和社会的进步，消费电子、汽车产品和制导武器等对微机械陀螺的精度和可靠性等要求进一步提高，推动新结构和新原理的微机械陀螺不断产生，其中环形谐振式微机械陀螺具有高精度、高可靠性和长寿命等优点，成为近年开始研究的新型陀螺之一。

环形谐振式微机械陀螺的结构具有以下优点：一、全对称的谐振结构使其对环境中的干扰、无用振动不敏感，只有当存在加工误差导致的质量或者刚度不对称才会有响应；二、使用理论上谐振频率完全相等的两个椭圆形振动模态作为工作模态，灵敏度会被结构的品质因数放大，因此该结构在高品质因数情况下具有极高的灵敏度；三、由于在工作模态时各处受温度的影响相同，因此该陀螺结构对温度不敏感的；四、可以使用动态的静电调节功能，通过分布在结构周向的静电调谐电极来调整在加工过程造成的两个工作模态的频率差；五、具有较大的惯性质量。

专利cn102388292a提出一种圆环环形谐振式微机械陀螺，该陀螺免受外部温度和应力的影响，可以达到极高的灵敏度和品质因数，但其谐振频率较高不利于检测，且其主阻尼方向与驱动和敏感轴之间偏差角度较大，因此本发明提供了一种新型正十二边环形谐振式微机械陀螺结构，该结构解决了上述问题同时增大了检测电容量，有利于提升灵敏度。

技术实现要素：

参阅图1，圆环环形陀螺在n＝3工作模态中主阻尼方向与驱动和敏感轴之间偏差角度较大，因此，本发明提出了一种新型正十二边环形谐振式微机械陀螺结构，该结构完全保留了环形谐振陀螺的优点，并解决了在椭圆模态容易发生振动位置偏移的问题，同时增大了检测电容量，有利于提升灵敏度。

参阅图2，本发明提出的新型正十二边环形陀螺结构，依次包括基底硅体3、锚点2和器件层1；其特征在于：所述器件层1包括正十二边环形结构4、辐条5、中心支撑6、电极7；器件层1通过中心支撑6悬置于基底硅体3上。

所述正十二边环形结构包括4-1、4-2、…、4-n，n个同心正十二边形环、1个正十二边形中心支撑和6n个辐条。正十二边形的中心支撑与锚点固定，外圈的正十二边形同心环通过辐条一层一层的连接起来。其中每一层的连接辐条有6个，而且第一层连接辐条是均匀分布在正十二边形结构俯视图笛卡尔坐标系中，即6个辐条任意相邻辐条与正十二边形结构中心的连线所成角度为60°。相邻正十二边形环的连接辐条其位置相差30°，即与正十二边形结构中心的连线所成角度为30°，这样的结构设计是为了在正十二边形结构在其任意方向的等效刚度相同，同时在谐振情况下可以得到稳定的阵型。n个同心正十二边形环通过6n个辐条与正十二边形中心支撑相连，构成中心支撑的可动结构。该结构可以根据需求改变结构参数,如结构的厚度、环的宽度和半径、辐条的宽度和长度、达到预期的效果。

正十二边环形陀螺可以是单环结构，参阅图5(a)，也可以是多环结构，参阅图5(b)，单环结构谐振频率较低利于检测，多环结构刚度大，耐冲击性能好，可靠性高。检测方式可以是外圈电极，参阅图5(c)，也可以是嵌入式电极，参阅图5(d)，采用外圈电极结构简单利于打线封装，采用嵌入式电极可以有效增大检测电容量，从而提高灵敏度。

本发明的有益效果是：

本发明提出的新型正十二边环形陀螺结构，完全保留了环形谐振陀螺的优点，并解决了圆环陀螺谐振频率较高不利于检测，在椭圆模态主阻尼方向与驱动和敏感轴之间偏差角度较大的问题，且在相同参数下能够降低结构的固有频率及频差，有利于信号检测，同时增大了检测电容量，有利于提升灵敏度。

附图说明

图1是圆环环形陀螺驱结构示意图以及动模态振型图。

图2是正十二边环形陀螺结构示意图。

图中，1-器件层，2-锚点，3-基底硅体，4-正八边形环形结构，5-辐条，6-中心支撑，7-电极。

图3(a)是正十二边环形实例图，图(b)谐振式微机械陀螺工作模态振型图驱动模态，图(c)谐振式微机械陀螺工作模态振型图敏感模态。

图4是相同结构尺寸参数下圆环环形陀螺工作模态振型图，图(a)为驱动模态，图(b)为敏感模态。

图5是正十二边环形陀螺结构及检测方式示意图。

实施例

建立一个正十二边形结构，如图3(a)，中心锚点6是固定在基底上，其同心正十二边形环为4-1，4-2，4-3，4-4，总共4个，每一个正十二边形环通过辐条5与相邻正十二边形环刚性连接。其中每一层的辐条数量为环形变数的一半，对于正十二边形来说，其连接辐条的数量为6个。6个辐条的分布位置是在一个圆周上均匀分布，即6个辐条各自与其相邻辐条的夹角为60°。每相邻两环的连接辐条的分布位置相差30°，即前一层的辐条位置整个旋转30°得到下一层的辐条位置，如5-1和5-2的位置关系。

参阅图3，正十二边环形结构工作模态振动轴与主阻尼轴基本重合，对比图4，在相同结构参数下，正十二边环形结构谐振频率相比于圆环环形结构下降了约2khz，两工作模态间频率差下降了约400hz，陀螺谐振器频率及频差的下降有利于检测，同时也可以提高陀螺的灵敏度与零偏稳定性。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种正十二边环形谐振式微机械陀螺结构，属于微传感器领域。本发明提出的正十二边环形谐振式微机械陀螺结构，完全保留了环形谐振陀螺的优点，并解决了圆环陀螺谐振频率较高，且在n＝3工作模态主阻尼方向与驱动和敏感轴之间偏差角度较大的问题，同时增大了检测电容量，有利于提升灵敏度。依次包括基底硅体、锚点和器件层；其特征在于：所述器件层包括正十二边环形结构、辐条、中心支撑、电极；器件层通过中心支撑悬置于基底硅体上。

技术研发人员：谢建兵;杨瑾;苑伟政
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2018.10.29
技术公布日：2019.01.11