一種全新的U形摺疊梁矽微環形振動陀螺的製作方法
2023-06-01 12:53:01 1
本發明涉及矽微環形振動陀螺，具體是一種全新的U形摺疊梁矽微環形振動陀螺。
背景技術：
矽微環形振動陀螺是基於科裡奧利效應的一種角運動敏感裝置，具有體積小、質量輕、功耗低、壽命長、可批量生產、價格便宜等優點，廣泛應用於武器制導、航空航天、生物醫學、消費品電子等領域，具有極其廣泛的應用前景。矽微環形振動陀螺的具體工作原理如下：當沒有角速度輸入時，矽微環形振動陀螺的諧振子在驅動模態下工作，矽微環形振動陀螺的輸出為零。當有角速度輸入時，矽微環形振動陀螺的諧振子在檢測模態下工作，矽微環形振動陀螺實時測出輸入角速度。然而實踐表明，現有矽微環形振動陀螺由於其諧振子的幾何結構和電極的結構所限，普遍存在測量精度低、機械靈敏度低的問題。為此有必要發明一種全新的矽微環形振動陀螺，以解決現有矽微環形振動陀螺測量精度低、機械靈敏度低的問題。
技術實現要素：
本發明為了解決現有矽微環形振動陀螺測量精度低、機械靈敏度低的問題，提供了一種全新的U形摺疊梁矽微環形振動陀螺。
本發明是採用如下技術方案實現的：
一種全新的U形摺疊梁矽微環形振動陀螺，包括玻璃基底、諧振子部分、電極部分；
所述諧振子部分包括圓環狀諧振質量、圓柱狀中心錨點、輪輻狀彈性支撐懸梁；
所述電極部分包括外弧形電極、內弧形電極；
其中，圓環狀諧振質量置放於玻璃基底的上表面；
圓柱狀中心錨點鍵合於玻璃基底的上表面；圓柱狀中心錨點位於圓環狀諧振質量的內腔，且圓柱狀中心錨點的軸線與圓環狀諧振質量的軸線相互重合；輪輻狀彈性支撐懸梁的數目為八個，且八個輪輻狀彈性支撐懸梁圍繞圓柱狀中心錨點的軸線等距排列；
每個輪輻狀彈性支撐懸梁均由第一片狀彈性支撐懸梁、方波狀彈性支撐懸梁、第二片狀彈性支撐懸梁構成；第一片狀彈性支撐懸梁的尾端與圓柱狀中心錨點的外側面固定；方波狀彈性支撐懸梁的尾端與第一片狀彈性支撐懸梁的首端固定；第二片狀彈性支撐懸梁的尾端與方波狀彈性支撐懸梁的首端固定；第二片狀彈性支撐懸梁的首端與圓環狀諧振質量的內側面固定；
外弧形電極的數目為八個，且八個外弧形電極均鍵合於玻璃基底的上表面；八個外弧形電極均位於圓環狀諧振質量的外部，且八個外弧形電極的內側面與圓環狀諧振質量的外側面共同形成八個微電容器；八個外弧形電極圍繞圓柱狀中心錨點的軸線等距排列，且八個外弧形電極的中點位置與八個第二片狀彈性支撐懸梁的首端一一正對；
內弧形電極的數目為八對，且八對內弧形電極均鍵合於玻璃基底的上表面；八對內弧形電極均位於圓環狀諧振質量的內腔，且八對內弧形電極的外側面與圓環狀諧振質量的內側面共同形成八對微電容器；八對內弧形電極圍繞圓柱狀中心錨點的軸線等距排列，且八對內弧形電極一一對應地對稱分布於八個第二片狀彈性支撐懸梁的兩側。
工作時，其中四個外弧形電極作為驅動電極，另外四個外弧形電極作為檢測電極，且四個驅動電極和四個檢測電極交錯排列。八對內弧形電極作為控制電極。本發明在控制系統的作用下維持環向波數為2的四波腹振動。具體工作過程如下：當沒有角速度輸入時，本發明在四個驅動電極的激勵下，以驅動模態作面內四波腹彎曲振動（如圖5所示），此時四個檢測電極位於四波腹彎曲振動的波節處，矽微環形振動陀螺的輸出為零。當有角速度輸入時，本發明在哥氏力耦合作用下，以檢測模態作面內四波腹彎曲振動（如圖6所示），此時四個檢測電極位於四波腹彎曲振動的波腹處，且振動幅度與輸入角速度相關，矽微環形振動陀螺實時測出輸入角速度。
基於上述過程，本發明所述的一種全新的U形摺疊梁矽微環形振動陀螺通過採用全新的U形摺疊梁結構，具備了如下優點：其一，本發明在兩個工作模態（驅動模態和檢測模態）下的諧振質量相等，由此一方面使得兩個工作模態（驅動模態和檢測模態）的諧振頻率匹配更容易，另一方面實現了兩個工作模態（驅動模態和檢測模態）的阻尼自然匹配。其二，本發明的諧振結構為一個整體，由此使得矽微環形振動陀螺的抗衝擊能力大幅提高。因此，本發明大大降低了因工藝誤差和環境溫度變化引起的漂移，從而有效提高了矽微環形振動陀螺的測量精度和機械靈敏度。
本發明結構合理、設計巧妙，有效解決了現有矽微環形振動陀螺測量精度低、機械靈敏度低的問題，適用於武器制導、航空航天、生物醫學、消費品電子等領域。
附圖說明
圖1是本發明的結構示意圖。
圖2是本發明中諧振子部分的結構示意圖。
圖3是本發明中輪輻狀彈性支撐懸梁的結構示意圖。
圖4是本發明中電極部分的結構示意圖。
圖5是本發明在驅動模態下的振型示意圖。
圖6是本發明在檢測模態下的振型示意圖。
圖中：1-圓環狀諧振質量，2-圓柱狀中心錨點，3-輪輻狀彈性支撐懸梁，4-外弧形電極，5-內弧形電極，31-第一片狀彈性支撐懸梁，32-方波狀彈性支撐懸梁，33-第二片狀彈性支撐懸梁。
具體實施方式
一種全新的U形摺疊梁矽微環形振動陀螺，包括玻璃基底、諧振子部分、電極部分；
所述諧振子部分包括圓環狀諧振質量1、圓柱狀中心錨點2、輪輻狀彈性支撐懸梁3；
所述電極部分包括外弧形電極4、內弧形電極5；
其中，圓環狀諧振質量1置放於玻璃基底的上表面；
圓柱狀中心錨點2鍵合於玻璃基底的上表面；圓柱狀中心錨點2位於圓環狀諧振質量1的內腔，且圓柱狀中心錨點2的軸線與圓環狀諧振質量1的軸線相互重合；輪輻狀彈性支撐懸梁3的數目為八個，且八個輪輻狀彈性支撐懸梁3圍繞圓柱狀中心錨點2的軸線等距排列；
每個輪輻狀彈性支撐懸梁3均由第一片狀彈性支撐懸梁31、方波狀彈性支撐懸梁32、第二片狀彈性支撐懸梁33構成；第一片狀彈性支撐懸梁31的尾端與圓柱狀中心錨點2的外側面固定；方波狀彈性支撐懸梁32的尾端與第一片狀彈性支撐懸梁31的首端固定；第二片狀彈性支撐懸梁33的尾端與方波狀彈性支撐懸梁32的首端固定；第二片狀彈性支撐懸梁33的首端與圓環狀諧振質量1的內側面固定；
外弧形電極4的數目為八個，且八個外弧形電極4均鍵合於玻璃基底的上表面；八個外弧形電極4均位於圓環狀諧振質量1的外部，且八個外弧形電極4的內側面與圓環狀諧振質量1的外側面共同形成八個微電容器；八個外弧形電極4圍繞圓柱狀中心錨點2的軸線等距排列，且八個外弧形電極4的中點位置與八個第二片狀彈性支撐懸梁33的首端一一正對；
內弧形電極5的數目為八對，且八對內弧形電極5均鍵合於玻璃基底的上表面；八對內弧形電極5均位於圓環狀諧振質量1的內腔，且八對內弧形電極5的外側面與圓環狀諧振質量1的內側面共同形成八對微電容器；八對內弧形電極5圍繞圓柱狀中心錨點2的軸線等距排列，且八對內弧形電極5一一對應地對稱分布於八個第二片狀彈性支撐懸梁33的兩側。
具體實施時，八個輪輻狀彈性支撐懸梁3的尺寸一致，且八個輪輻狀彈性支撐懸梁3的高度均與圓環狀諧振質量1的高度相等。圓環狀諧振質量1、圓柱狀中心錨點2、八個輪輻狀彈性支撐懸梁3、八個外弧形電極4、八對內弧形電極5均採用單晶矽片加工而成，且圓環狀諧振質量1、圓柱狀中心錨點2、八個輪輻狀彈性支撐懸梁3採用深反應離子刻蝕工藝製造為一體。