一种复合环盘结构的体声波陀螺仪

本发明涉及微机电系统，具体涉及一种复合环盘结构的体声波陀螺仪。

背景技术：

1、陀螺仪是一种用来测量物体旋转角速率或物体姿态角的传感装置，是惯性系统的核心部件。特别地，体声波盘型螺仪因具有较高的品质因子(q值)和较高的谐振频率受到人们广泛的关注。然而由于使用单晶硅(各项异性材料)导致体声波盘型陀螺仪的两个工作模态出现频率失配，从而影响陀螺仪的工作性能。同时复杂的工作环境也对陀螺仪的工作频率提出的更高的要求(工作频率高于兆赫兹mhz)。

2、为减少体声波盘型陀螺仪的频率失配，提高其性能，研究人员提出了多种解决方案，主要包括以下3种：(1)采用各项同性材料，例如多晶硅；(2)使用酒杯模态的高阶模态，采用3节点酒杯模态可以有效降低两个模态间的频率失配；(3)使用静电调修，通过外加电极调休两个模态的刚度，从而实现工作模态频率匹配。

3、通过使用各项同性材料增加了体声波盘型陀螺仪的制造成本，并且多晶硅材料与电路集成能力较差；通过使用3节点酒杯模态，在减少频率失配的同时也降低了陀螺仪的角增益，低角增益不利于实现高性能的陀螺仪；静电调修可以对两个工作模态间较低的频率失配进行补偿，但面对较大的频率差(10khz以上)，需要更高调修电压和更灵敏的电压调节方式，这对电路设计提出了更高的要求。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷中的至少一种而提供一种复合环盘结构的体声波陀螺仪。该陀螺仪以单晶硅作为制造材料，通过优化陀螺仪的机械结构，利用电极激发陀螺仪环盘耦合模态，降低了陀螺仪的频率失配，提高了体声波陀螺仪的工作频率以及角增益，实现体声波陀螺仪工作性能的提升。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种复合环盘结构的体声波陀螺仪，其以单晶硅为制造材料，所设计的体声波陀螺仪可以通过环盘耦合模态实现单晶硅不对称性补偿、提高器件工作频率以及角增益；该体声波陀螺仪包括锚点、复合振动组件和电路组件；

4、所述复合振动组件包括：谐振盘和谐振环，以及用于连接二者的耦合结构；

5、所述谐振盘与锚点之间设有用于连接二者的挠性结构；

6、所述电路组件包括：至少一个驱动电极和至少一个感应电极；

7、所述驱动电极以静电的方式向所述复合振动组件施加电压，从而以耦合模态激发所述的复合振动组件；

8、所述感应电极响应耦合模态所激发的复合振动组件，以静电的方式感应测量所述复合振动组件的信号；

9、所述耦合模态为m节点酒杯模态与n节点酒杯模态耦合；其中，m和n可以相等，也可以不相等，均可以为2或3或是更高节点；

10、优选地，所述耦合模态包括：2节点酒杯模态与2节点酒杯模态耦合，或者2节点酒杯模态与3节点酒杯模态耦合，或者3节点酒杯模态与3节点酒杯模态耦合，或是更高的节点和不同模态之间的耦合。

11、可选地，所述耦合结构为矩形或环形挠性辐条，或是其他可以使谐振盘和谐振环连接的挠性结构。

12、可选地，所述挠性结构为矩形或用于谐振盘与锚点解耦的挠性辐条，或是其他可以使谐振盘与锚点相连的挠性解耦结构。

13、可选地，所述谐振盘的刚度通过控制挠性结构的宽度和长度进行调节。

14、可选地，所述谐振盘边缘开设有开槽。

15、可选地，所述谐振盘的刚度通过控制开槽的宽度和长度进行调节。

16、可选地，所述耦合模态通过两个模态相同的谐振盘和谐振环反相耦合得到，或是两个模态不相同的谐振盘和谐振环同相或反相耦合得到。更具体地，所述耦合模态：可以通过所述单个谐振盘的振动模态和单个谐振环的振动模态反相耦合或通过所述单个谐振盘的振动模态和单个谐振环的振动模态通过同相耦合或反相耦合得到(两个相同模态或两个不同模态同相位或反相位耦合)。

17、可选地，所述驱动电极、感应电极均布置在谐振环的外侧和/或内侧，二者位置相对。

18、可选地，所述谐振盘和谐振环同心布置，谐振环位于谐振盘的外侧。

19、可选地，所述体声波陀螺仪通过反相耦合2节点酒杯模态实现器件的频率匹配，以及角增益的提高；反相耦合的2节点酒杯模态在振动时相互制约，这种约束补偿了由单晶硅材料带来的各项异性；同时，耦合的2节点耦合模态也提高了器件的角增益，使其高于3节点耦合模态。

20、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

21、(1)本发明设计的复合环盘结构的体声波陀螺仪中，通过使用环盘耦合模态实现单晶硅不对称性补偿，降低了体声波盘式陀螺仪的频率失配，提高了陀螺仪的工作频率(高于3节点酒杯模态的工作频率)，使得角增益高于陀螺仪的3节点酒杯模态理论最高值。

22、(2)本发明对复合环盘结构的体声波陀螺仪进一步优化，优化谐振盘的刚度，进一步提高体声波陀螺仪的工作性能。体声波陀螺仪的工作频率为1557684hz，频率失配为63ppm(99hz)，角增益为0.58。

技术特征：

1.一种复合环盘结构的体声波陀螺仪，其以单晶硅为制造材料，其特征在于，该体声波陀螺仪包括锚点(105)、复合振动组件和电路组件；

2.根据权利要求1所述的一种复合环盘结构的体声波陀螺仪，其特征在于，所述耦合结构(103)为矩形或环形挠性辐条。

3.根据权利要求1所述的一种复合环盘结构的体声波陀螺仪，其特征在于，所述挠性结构(104)为矩形或用于谐振盘(101)与锚点(105)解耦的挠性辐条。

4.根据权利要求1所述的一种复合环盘结构的体声波陀螺仪，其特征在于，所述谐振盘(101)的刚度通过控制挠性结构(104)的宽度和长度进行调节。

5.根据权利要求1所述的一种复合环盘结构的体声波陀螺仪，其特征在于，所述谐振盘(101)边缘开设有开槽(106)。

6.根据权利要求5所述的一种复合环盘结构的体声波陀螺仪，其特征在于，所述谐振盘(101)的刚度通过控制开槽(106)的宽度和长度进行调节。

7.根据权利要求1所述的一种复合环盘结构的体声波陀螺仪，其特征在于，所述耦合模态通过两个模态相同的谐振盘(101)和谐振环(102)反相耦合得到，或是两个模态不相同的谐振盘(101)和谐振环(102)同相或反相耦合得到。

8.根据权利要求1所述的一种复合环盘结构的体声波陀螺仪，其特征在于，所述驱动电极(201)、感应电极(202)均布置在谐振环(102)的外侧和/或内侧，二者位置相对。

9.根据权利要求1所述的一种复合环盘结构的体声波陀螺仪，其特征在于，所述谐振盘(101)和谐振环(102)同心布置，谐振环(102)位于谐振盘(101)的外侧。

10.根据权利要求1所述的一种复合环盘结构的体声波陀螺仪，其特征在于，所述体声波陀螺仪通过反相耦合2节点酒杯模态实现器件的频率匹配，以及角增益的提高；反相耦合的2节点酒杯模态在振动时相互制约，这种约束补偿了由单晶硅材料带来的各项异性；同时，耦合的2节点耦合模态也提高了器件的角增益，使其高于3节点耦合模态。

技术总结
本发明涉及一种复合环盘结构的体声波陀螺仪，该体声波陀螺仪包括锚点、复合振动组件和电路组件；复合振动组件包括：谐振盘和谐振环，以及用于连接二者的耦合结构；谐振盘与锚点之间设有用于连接二者的挠性结构；电路组件包括：至少一个驱动电极和至少一个感应电极；驱动电极以静电方式向复合振动组件施加电压，从而以耦合模态激发复合振动组件；感应电极响应耦合模态所激发的复合振动组件，以静电方式感应测量复合振动组件的信号。与现有技术相比，本发明以单晶硅为制造材料，通过优化陀螺仪的机械结构，利用电极激发陀螺仪环盘耦合模态，降低了陀螺仪的频率失配，提高了体声波陀螺仪的工作频率以及角增益，实现体声波陀螺仪工作性能的提升。

技术研发人员：陈建霖,王琮琛,王楠,古元冬
受保护的技术使用者：上海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16