[发明专利]曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺

说明书

本发明提供了一种曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺，包括微机电振动陀螺本体，所述微机电振动陀螺本体包括谐振结构，所述谐振结构包括锚点、曲折柔性环和辐条，所述锚点外侧设置多个以锚点为中心依次嵌套的呈圆形结构的曲折柔性环，相邻的曲折柔性环之间以及位于最里层的曲折柔性环与锚点之间通过多根均匀分布的轮辐状的辐条连接，每一个曲折柔性环上相邻两个辐条分割的部分为曲线折叠的弯曲梁。本发明提供的曲折柔性环的嵌套环式微机电振动陀螺与传统嵌套环式陀螺相比，能够实现更高的热弹性品质因数和更大的驱动位移，具有更高的灵敏度和更低的机械热噪声。

技术领域

本发明涉及陀螺仪技术以及利用微机电加工技术，主要为涉及一种采用新型曲折柔性环的嵌套环微陀螺。

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，他是运动测量、惯性导航、制导控制等领域的核心器件。基于哥氏力效应的微机电陀螺具有体积小、功耗低以及性价比高等优点，提高微机电陀螺精度是行业内重要的研究方向。嵌套环式微机电振动陀螺是一种典型的高性能方案。

机械灵敏度直接决定了陀螺的有效信号强度，而机械热噪声是陀螺噪声的重要来源，机械灵敏度的提升和机械热噪声的降低可以有效提升陀螺的信噪比，进而提升陀螺精度。因此，提升陀螺的品质因数Q和驱动模态振幅x₀能够有效提升陀螺的精度。

通常，振动陀螺的理论基础是小位移假设的线性理论，通常希望驱动模态振幅尽量大。但是，当机械谐振器的位移驱动到一定程度并达到非线性阈值位移之后，其小位移假设将失效，此时非线性效应将逐渐显现出来，非线性效应将使陀螺工作在非理想状态，性能急剧下降。因此，限制驱动模态振幅x₀的主要影响因素是陀螺谐振器的非线性阈值特性。

嵌套环式微机电振动陀螺是世界范围内首个达到导航级精度的微机电陀螺，其采用成熟的平面微加工技术工艺，使得该型陀螺具备制造成本低、体积小、研发周期短的优点。对于嵌套环式微机电振动陀螺而言，对其目标性能如机械灵敏度、机械热噪声等的主要影响参数是谐振结构的品质因数Q，定义为每个振动周期内谐振器的总体应变能与损耗的能量之间的比值，其倒数代表了谐振器的阻尼。多种能量耗散物理机制共同决定了谐振器总体的品质因数，微机电谐振器中常见的能量耗散物理机制包括热弹性阻尼(1/Q_TED)、锚点阻尼(1/Q_anchor)、空气阻尼(1/Q_air)、Akhiezer阻尼(1/Q_Akhiezer)、表面损耗(1/Q_surface)、材料内耗(1/Q_material)等。各项阻尼对应的品质因数对总体品质因数的贡献有如下关系，

经过对嵌套环式微机电振动陀螺进行分析，其具有对称的中心锚点结构，且工作模态振型对称，因此支撑损耗很小；其通常工作在0.1Pa一下的高真空封装中，空气阻尼也很小；其工作在kHz频率量级，Akhiezer阻尼也很小；其尺度在毫米级别，其表面损耗并不严重；而且微陀螺由单晶硅制造，其材料缺陷引起的阻尼也相对很小。故主要阻尼因素是热弹性阻尼，因此只要提升结构的热弹性阻尼品质因数Q_TED，就能在一定程度上有效地提升谐振器整体品质因数Q。

Zener最早建立了热弹性阻尼的唯象理论模型：

其中C_V为固体材料定容比热容，E为固体材料杨氏模量，α是固体材料热膨胀系数，T为环境温度，ω₀为结构振动角频率。f_Relex为热弛豫频率，其定义为其中χ为固体材料热扩散率，b为发生热弛豫的结构壁厚。