[发明专利]一种硅微机械石墨烯梁谐振式陀螺仪

说明书

本发明公开了一种硅微机械石墨烯梁谐振式陀螺仪，包括玻璃衬底、传递梁、杠杆传递部分、固定质量块驱动梳齿、陀螺质量块、第一石墨烯谐振梁、第二石墨烯谐振梁和边框。采用石墨烯谐振梁作为二次敏感结构，用于间接敏感作用在传递梁上轴向应力的变化。采用石墨烯谐振梁作为谐振敏感结构，处于轴对称位置的石墨烯谐振梁在感受轴向哥氏力变化的过程中，一个处于轴向拉伸状态，另一个处于轴向压缩状态(处于谐振频率范围内)，且两个石墨烯谐振梁对温度场等敏感能力相同。通过两个对称石墨烯谐振梁与硅微机械陀螺仪的紧密结合可以充分发挥出石墨烯谐振梁体积小、结构灵活、断裂强度大以及机械品质因数高的特点，实现了硅微机械石墨烯梁谐振式陀螺仪的差动测量、高灵敏度及高测量精度。

技术领域

本发明属于微/纳机电系统的技术领域，具体涉及一种硅微机械石墨烯梁谐振式陀螺仪。

背景技术

陀螺作为一种测量被测物角速度的传感器，可以用来辨别物体在单位时间内旋转的角度，在姿态控制和导航定位领域有着非常重要的作用。由于传统机械陀螺具有体积大、成本高、不适合批量生产等不良因素，使得硅微机械陀螺以其体积小、质量轻、成本低、功耗小、可靠性高和测量范围大等优点从众多陀螺制造中脱颖而出，在民用和军工领域得到了广泛的应用。1988年，美国Draper实验室设计并加工出了第一只硅微机械陀螺，该陀螺通过测量一对电容集板件的差分电容变化量来得到角速度，精度明显高于传统陀螺。该陀螺使用的电容检测方法具有温漂小、灵敏度高、可靠性好的特点。但随着硅微机械惯性器件结构尺寸的不断优化，步入微纳米级别领域，使得通过电容检测输出的信号信噪比非常低。因此，2002年加利福尼亚大学伯克利分校的Seshia等人提出了硅微机械谐振式陀螺的设想并制作出了原理样机。通过将输入角速度产生的哥氏力的变化转换成双端固支音叉(DEFT)谐振频率的变化，可以有效地避免在电容检测中产生的噪声干扰。其中采用的谐振敏感单元具有重复性好、分辨力高和稳定性强的优良特点，因此硅微机械谐振式陀螺成为人们研究的重点。

石墨烯的相关理论研究从1947年便已经开始。2004年英国曼彻斯特大学物理学家Andre Geim和Konstantin Novoselov采用微机械剥离法成功从石墨中分离出单层石墨烯。独立存在的二维石墨烯晶体在高性能纳电子器件、复合材料、谐振式传感器等领域得到了广泛的应用。由于石墨烯单层的理论厚度为0.335nm，断裂强度为40N/m接近理论极限，室温下杨氏模量为1.0TPa，弹性延展率可达20％，远优于硅、碳纳米管等材料的过载能力。

由于对于硅微谐振式陀螺，敏感材料对温度、振动等环境因素产生的差异引起谐振频率的变化对传感器的测量精度和工作稳定性有重要的影响。故石墨烯谐振梁在硅微机械陀螺中作为敏感材料可以充分发挥出体积小、结构灵活、断裂强度大以及机械品质因数高的特点。而石墨烯梁谐振式陀螺的基础理论研究、关键技术突破还多以实验理论为主，具体以石墨烯作为敏感结构进行谐振特性研究，具有差动复合敏感输出的谐振式陀螺仪仍处于研究空白。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有硅微谐振式陀螺技术上的不足，充分利用石墨烯材料的优质特点，提供一种尺寸小、结构灵活、抗干扰能力强、测量范围大的一种硅微机械石墨烯梁谐振式陀螺仪，实现石墨烯谐振梁与硅微机械陀螺的紧耦合。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种硅微机械石墨烯梁谐振式陀螺仪，包括玻璃衬底、传递梁、杠杆传递部分、固定质量块驱动梳齿、陀螺质量块、第一石墨烯谐振梁、第二石墨烯谐振梁和边框，杠杆传递部分、固定质量块驱动梳齿和陀螺质量块固定在玻璃衬底上；陀螺质量块的固定基座可以允许陀螺质量块在法向方向上有位移；杠杆传递部分与陀螺质量块连接在一起，左右部分呈对称性结构；第一石墨烯谐振梁和第二石墨烯谐振梁放置在传递梁上且位于杠杆传递部分和边框之间，行成双端固支谐振梁，且两个石墨烯谐振梁第一石墨烯谐振梁和第二石墨烯谐振梁的几何尺寸一致，完全处于真空环境。