带周期分布集中质量块的嵌套环式mems振动陀螺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种微机电巧螺仪，并且特别设及一种MEMS振动巧螺。
【背景技术】
[0002] 巧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 控制等领域的核屯、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。传统的巧螺仪包括机械转子巧螺、静电巧螺、半球谐振巧 螺、激光巧螺、光纤巧螺、动力调谐巧螺等，它们虽然精度高，但体积、功耗、价格等方面难W 满足要求。基于微机电系统技术的MEMS巧螺仪具有体积小、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。但与传统巧 螺仪相比，目前MEMS巧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 成本微巧螺仪提出了迫切需求。
[0003] 实现MEMS巧螺仪高性能的关键是高Q值、大谐振质量、大驱动幅值W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）的振动巧螺较工作在正交模态（驱 动模态与检测模态不相同且正交）的振动巧螺具有更高的精度潜力。
[0004] 影响Q值的主要因素有热弹性阻巧、支撑损耗、压膜阻巧、滑膜阻巧和其他阻巧， 对于处于高真空环境下并且支撑良好的平面微结构而言，其中热弹性阻巧起着决定性作 用。
[0005] 热弹性阻巧是由结构中不可逆的热流引起的，W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禪合。Zener 在文献[C.Zener,"InternalFrictioninSolidsII:GeneralTheoryofThermoelastic InternalRriction,"化ysicalReview,vol. 53,卵.230 - 235,1938.]中给出了振动结构 热弹性阻巧的通用表达式：
[000引
（' 1)
[0007] 其中E为材料杨氏模量，a为材料热膨胀系数，T。为标称平均温度300K，CV为材 料的热容量，《为机械谐振频率，T为热弛豫时间，对于简单的梁结构而言，有；
[0008]
(2)
[0009] 其中b为梁的宽度，K为材料热导率。
[0010] 该机械一热禪合的唯象解释为：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T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T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T，则结构在振动中大致处于热平衡状态， 称该样的状态为"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T，振动结构的热不平衡来不及弛豫，称该样的状态为"绝热"状态，该状态下同样能 量损耗较少。
[0011] 热弹性Q值（Qted)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f。的比值，其中热弛豫频率为热弛豫时间的倒数，即；f"= 1/T。因此获得高Qtcd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。对于娃材料微结构 而言，其热弛豫时间较短，而且结构越小热弛豫时间越短。
[0012] 由于娃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，贝U可W实现很小的热弛豫时间T(很大的热弛豫频率f。）。通常的高Qted值娃微器件处于"等 温状态"，即f?f。，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Qted值处于10 5量级，多个嵌套环也提供了较大的谐振质量。然而该设计 的质量和刚度是禪合的，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/OCy/r/w%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。
[0013] 也有使微器件处于"绝热状态"来实现高Qted值的，例如专利CN101553734A中所述 的谐振子，该设计通过厚实的结构来实现极高的固有频率（MHz级别）和相对较低的热弛豫 频率，即f〉〉f。。该结构虽然具有较高的Q值和较大的谐振质量，但是很小的驱动幅值限制 了其性能的提高。
【发明内容】
[0014] 针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种带周期分布集中质量块的嵌 套环式MEMS振动巧螺。
[0015] 本发明的技术方案是：
[0016] 一种带周期分布集中质量块的嵌套环式MEMS振动巧螺，包括带周期分布集中质 量块的嵌套环式谐振子W及设置在谐振子内部或/和外部的电极，所述谐振子包括嵌套环 式柔性框架、设置在嵌套环式柔性框架上的质量块W及固定谐振子的错点，整个谐振子通 过位于谐振子中屯、的错点与基底牢固错接，所述嵌套环式柔性框架整体为轴对称结构，所 述嵌套环式柔性框架由嵌套环和轮福状支撑梁构成，所述嵌套环为多个W错点为圆屯、的圆 环且圆环之间等间距，相邻嵌套环之间W及位于最里层的嵌套环与错点之间通过多根均匀 分布的轮福状支撑梁支撑连接，质量块设置在相邻嵌套环之间的环圈内，多个质量块呈周 向周期均匀分布在多个环圈内，位于同一环圈中的所有质量块分布在同一圆周上，每个环 圈内的质量块的数目相等。
[0017] 进一步地，本发明中的所述质量块有多种设置方式，质量块可W直接设置在轮福 状支撑梁上，即所述质量块均固定在轮福状支撑梁上。
[0018] 进一步地，本发明的所述质量块可W采用"悬挂"的方式设置，即本发明还包含用 于设置质量块的悬臂梁，多根悬臂梁均匀设置在嵌套环的内侧/外侧，悬臂梁一端固定连 接在嵌套环上，悬臂梁的末端伸向嵌套环内侧/外侧的环圈中，且同一环圈内的相邻悬臂 梁W及相邻悬臂梁与轮福状支撑梁之间的间距相等，每根悬臂梁的末端均固定有一质量 块。
[0019] 进一步地，本发明的所述质量块可W直接设置在轮福状支撑梁上，同时还采用的 "悬挂"的方式设置。即本发明还包含用于设置质量块的悬臂梁，多根悬臂梁均匀设置在嵌 套环的内侧/外侧，悬臂梁一端固定连接在嵌套环上，悬臂梁的末端伸向嵌套环内侧/外侧 的环圈中，且同一环圈内的相邻悬臂梁W及相邻悬臂梁与轮福状支撑梁之间的间距相等， 位于同一环圈内的悬臂梁W及轮福状支撑梁上均设置有质量块。
[0020] 进一步地，本发明带周期分布集中质量块的嵌套环式谐振子采用高热导率材料制 作而成。
[0021] 进一步地，本发明带周期分布集中质量块的嵌套环式谐振子采用单晶娃制作而 成。
[0022] 进一步地，本发明所述电极设置在谐振子外部，多个电极呈周向周期均匀分布在 谐振子的外周，相邻嵌套环之间形成的环圈均设置有呈周向周期均匀分布的质量块。
[0023] 进一步地，本发明所述电极设置在谐振子内部，至少一个由相邻嵌套环形成的环 圈内分布有呈周向周期均匀分布的多个电极，其余相邻嵌套环形成的环圈内均设置有呈周 向周期均匀分布的质量块。
[0024] 进一步地，本发明所述谐振子外部和内部均设置有电极，多个电极呈周向周期均 匀分布在谐振子的外周，且至少一个由相邻嵌套环形成的环圈内分布有呈周向周期均匀分 布的多个电极，其余相邻嵌套环形成的环圈内均设置有呈周向周期均匀分布的质量块。
[00巧]进一步地，本发明所述谐振子内部设置有电极，所述谐振子内部的多个环圈用于 内置电极，靠近错点的两个相邻环圈内放置两圈电极且该两圈电极用于驱动和修调，远离 错点的一圈环圈内置两圈电极且该两圈电极用于检测和修调。
[0026] 本发明通过在轴对称的嵌套环式柔性框架上添加周期分布的集中质量块来实现 质量与刚度的解禪，即增大谐振质量后不会影响或者仅仅轻微影响结构的刚度，嵌套环式 柔性框架应该具有的特征是刚度低，而且是轴对称结构，在本发明的具体实施例中，柔性框 架为嵌套的多个环结构，嵌套环之间通过周向周期均匀分布的轮福状支撑梁连接。
[0027] 在嵌套环式柔性框架上添加设置周期分布集中质量块的要点是尽量避免影响整 体结构的刚度，可W在嵌套环式柔性框架上采用"悬挂"的方式添加质