[发明专利]正多边形盘状MEMS谐振陀螺

说明书

本发明公开了一种正多边形盘状MEMS谐振陀螺，包括敏感结构，所述敏感结构包括谐振子，所述谐振子的中心设置有用于固定整个谐振子的固定锚点，所述谐振子为整体呈轴对称的正多边形盘状，所述谐振子包括多个同心正多边形谐振环，所述同心正多边形谐振环间通过辐条连接，所述固定锚点通过辐条与相邻的同心正多边形谐振环连接，所述多个同心正多边形谐振环以固定锚点的中心为圆心径向分布，相邻的正多边形谐振环与辐条之间形成凹槽，所述凹槽内设置有电极。正多边形结构全部采用直线连接，没有圆弧线，因此，边缘误差效应小，对称性误差相对较小，因而二个工作模态谐振频率的裂解小。

技术领域

本发明涉及一种微机电陀螺仪，具体地涉及一种正多边形盘状MEMS谐振陀螺。

背景技术

陀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心器件。基于微机电系统技术的MEMS陀螺仪具有纯固态、体积小、功耗小、寿命长、成本低、易集成等特点，在大批量、小体积的工业和武器装备应用中具有先天优势。

基于科里奥利效应的MEMS振动陀螺分为两类，一类是退化模态振动陀螺，其驱动模态与检测模态相同，另一类是正交模态振动陀螺，其驱动模态与检测模态不相同且正交。理论和实践证明，高品质因子(Q值)下的模态匹配是MEMS陀螺仪进一步提高精度的核心方法，目前的高精度MEMS陀螺仪均为退化模态振动陀螺，典型结构有中心轴对称四质量音叉结构和多环圆盘结构。相较于正交模态振动陀螺，退化模态振动陀螺具有模态频率匹配的特性，其科氏力信号受到Q值的放大作用，具有更高的灵敏度，这将降低陀螺的(低频)噪声，同时提升零偏稳定性和零偏重复性。然而，在陀螺芯片的微加工制造过程中，由于设备的工艺误差会不可避免地引入芯片结构非对称误差，而这些工艺误差造成的结构非对称性会使得陀螺谐振器的工作模态发生频率裂解，降低陀螺的性能。因此，寻求一种对微加工制造公差依赖性较低的谐振器结构设计是很有必要的。

依据文献“Anthony D.Challoner,Boeing Disc Resonator Gyroscope.IEEE2014”中的表述，中心轴对称谐振陀螺的零偏稳定性δΩb可表示为

其中，P为相对精度，体现了基于MEMS微加工工艺制作的机械结构对称性；fn为谐振频率，Q为品质因子，δfn、δQ体现为两退化模态的频率失配和阻尼失配。可见，陀螺的零偏稳定性正比于δP、δfn、δQ，其中，以δP 对谐振结构影响最为显著。δP表示的结构对称性体现为刚度轴偏离、刚度分布不均(δk)、质量分布不均(δm)，其直接导致δfn。此外，工作于模态匹配模式的MEMS振动陀螺，通常采用静电修调来消除δfn，文献“Peng Cheng,Effect ofpolarization voltage on the measured quality factor of a multiple-beamtuning-fork gyroscope.Sensors and Actuators A:Physics,2012”中论述了结构对称性对锚点阻尼(Qanchorloss)的影响，其表示为

系数η与谐振子的锚点设置相关，E为弹性模量，k为结构刚度，Vp为偏置电压(如用于模态匹配的静电修调电压)。δP越大，δk、δfn也越大，需要的静电修调电压Vp也越大，这将导致被修调模态的Q值明显降低，增大两退化模态的δQ。

因此，结构对称性δP的改善，将直接改善δfn和δQ，对提升陀螺仪的零漂性能是关键的。