CN101339025A - 具有正方形表面长方体压电振子的全固态双轴陀螺仪 - Google Patents

Abstract

一种具有正方形表面长方体压电振子的全固态双轴陀螺仪。本发明由端面为正方形的长方体的压电振子和驱动电极，输出电极，模态检测电极组成。所有电极在压电振子的上下两个正方形表面上，关于压电振子对称分布。利用压电体在一定频率的特殊模态下的振动作为参考振动，此模态压电振子在两个方向上均有特殊位置在上下表面的运动方向相反。当外界有角速度时会在压电振子运动方向相反位置产生方向相反的柯氏力，使压电振子拉伸或压缩，最终在输出电极上产生电势。通过输出电极上的电势检测外界双轴的角速度。本发明采用MEMS微加工技术、结构简单、不需要真空封装、抗冲击性强、能在恶劣环境很好地工作、双轴检敏感、不需要高速转动节省功耗。

Description

具有正方形表面长方体压电振子的全固态双轴陀螺仪

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的微陀螺，具体地说，涉及的是一种具有正方形表面长方体压电振子的全固态双轴陀螺仪。

背景技术

陀螺是姿态控制和惯性制导的核心器件，惯性技术的发展以及卫星、导弹等制导需求的提高、要求陀螺向功率小、寿命长、体积小、能适应各种恶劣环境的方向发展。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利“压电陀螺元件和压电陀螺仪”(专利申请号为：200510131905.3)提到可以通过压电材料的棱柱状振动体的结构，来检测2轴方向上的角速度。截面为矩形的棱柱状的压电振动体一端固定，在其第1侧面上形成第1驱动电极，在第2侧面上形成在宽度方向上分离的第2～第4驱动电极，带相位差地向各驱动电极施加驱动电流，使压电振动体振动，其另一端做圆周运动。在与其振动的旋转中心轴正交的方向上作用有扭矩时，从压电振动体的第1侧面上形成的第1检测电极和第2侧面上形成的第2检测电极输出由此产生的压电振动体的挠度，从而检测2轴方向上的角速度。

此技术存在如下不足：首先，驱动电路要求多次移相，有些驱动电路还包括振幅检测电路、AGC电路、对控制要求高，且电路复杂，干扰大，噪声多、难以得到理想的的驱动信号。其次，通过向四个不同的电极上施加相位不同的四相驱动信号来使压电体自身产生圆周运动作为参考运动，规则的圆周运动难以得到准确的实现，增大了角速度检测的误差。要保证压电体转动得到高速圆周运动，功耗大。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足，提供一种具有正方形表面长方体压电振子的全固态双轴陀螺仪。本发明结构上采用带有正方形面的压电振子，利用压电振子特有的模态下的特殊振动方式，实现陀螺双轴敏感。用这种特殊模态下的振动作为工作状态，工作时不需要精确的高速圆周转动，功耗小、且易准确实现。直接利用压电体的压电效应，检测电压信号即可。本发明结构简单、抗冲击性强、加工工艺易实现、不需要真空封装、在恶劣环境下能很好地工作。另外，本发明设置模态检测电极，可以检测工作状态是否准确，减小理论与实际器件的误差，驱动简单便捷。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括压电振子，驱动电极，输出电极，模态检测电极。

压电振子材料为压电材料，结构是端面为正方形的长方体。

压电振子其中一端面为压电振子上表面，另一与之平行的端面为压电振子下表面。压电振子上表面正方形上侧的边为上表面第一边、压电振子上表面正方形右侧的边为上表面第二边、压电振子上表面正方形下侧的边为上表面第三边、压电振子上表面正方形左侧的边为上表面第四边、压电振子下表面正方形上侧的边为下表面第一边、压电振子下表面正方形右侧的边为下表面第二边、压电振子下表面正方形下侧的边为下表面第三边、压电振子下表面正方形左侧的边为下表面第四边。上表面第一边与下表面第一边平行且上表面第一边与下表面第一边位于压电振子同一表面上，上表面第一边的中点与上表面第三边的中点的连线为上表面第一中心线、上表面第二边的中点与上表面第四边的中点的连线为上表面第二中心线、下表面第一边的中点与下表面第三边的中点的连线为下表面第一中心线、下表面第二边的中点与下表面第四边的中点的连线为下表面第二中心线。

所述驱动电极包括上表面左侧驱动电极、上表面右侧驱动电极、下表面左侧驱动电极、下表面右侧驱动电极。

所述输出电极包括上表面上侧输出电极、上表面右侧输出电极、上表面下侧输出电极、上表面左侧输出电极、下表面上侧输出电极、下表面右侧输出电极、下表面下侧输出电极、下表面左侧输出电极。

所述模态检测电极包括上表面模态检测电极、下表面模态检测电极。

上述部件之间的连接以及位置关系为：上表面左侧驱动电极、上表面右侧驱动电极、上表面右侧输出电极、上表面左侧输出电极、上表面模态检测电极位于上表面第二中心线上，上表面模态检测电极位于上表面的中心处，上表面左侧驱动电极、上表面右侧驱动电极关于上表面第一中心线对称分布，上表面右侧输出电极、上表面左侧输出电极关于上表面第一中心线对称分布；上表面上侧输出电极、上表面下侧输出电极位于上表面第一中心线上，上表面上侧输出电极与上表面下侧输出电极关于上表面第二中心线对称分布；下表面左侧驱动电极、下表面右侧驱动电极、下表面右侧输出电极、下表面左侧输出电极、下表面模态检测电极位于下表面第二中心线上，下表面模态检测电极位于下表面的中心处，下表面左侧驱动电极、下表面右侧驱动电极关于下表面第一中心线对称分布、下表面右侧输出电极与下表面左侧输出电极关于下表面第一中心线对称分布；下表面上侧输出电极、下表面下侧输出电极位于下表面第一中心线上，下表面上侧输出电极与下表面下侧输出电极关于下表面第二中心线对称分布。上表面左侧驱动电极与下表面左侧驱动电极的连线、上表面右侧驱动电极与下表面右侧驱动电极的连线、上表面上侧输出电极与下表面上侧输出电极的连线、上表面右侧输出电极与下表面右侧输出电极的连线、上表面下侧输出电极与下表面下侧输出电极的连线、上表面左侧输出电极与下表面左侧输出电极的连线、上表面模态检测电极与下表面模态检测电极的连线均与压电振子上表面、压电振子下表面垂直。

压电振子中一条与Z轴平行的边为压电振子第一边，顺时针方向下一条与Z轴平行的边为压电振子第二边，依次为压电振子第三边，压电振子第四边。经有限元分析，发现在工作模态振动下有四个点振动位移很小。因此本发明陀螺仪选用这四个点作为节点(节点即固定点)，其位置分别为压电振子第一边中点与压电振子第二边中点连线上距压电振子第一边中点距离为压电振子上表面正方形边长的1/4点、压电振子第一边中点与压电振子第二边中点连线上距压电振子第二边中点距离为压电振子上表面正方形边长的1/4点、压电振子第三边中点与压电振子第四边中点连线上距压电振子第三边中点距离为压电振子上表面正方形边长的1/4点、压电振子第三边中点与压电振子第四边中点连线上距压电振子第四边中点距离为压电振子上表面正方形边长的1/4点。

本发明利用压电振子在特殊模态下的压电特性进行角速度检测。当在驱动电极之间加上一定频率的交变电压激励时(处于一定的模态)，会产生一种特殊的振动，其中在压电振子上表面上和压电振子下表面上，关于压电振子对称的输出电极振动方向相反。当外界受到与运动方向垂直的角速度时，所受到的柯氏力的方向相反，在竖直方向上产生相向运动，使得压电体产生拉伸或压缩。在输出电极上有电势产生，电势的大小与外界角速度大小成正比。且在两个不同的方向上有角速度时在不同的电极上产生电势。因此可以通过输出电极上的电势来检测外界双轴角速度。经有限元分析，本发明一个实施例的此阶模态的共振频率为536744Hz，敏感两个方向角速度的振动最大位移(布置输出电极处)分别为0.220259E-07m、0.161183E-07m。

本发明采用块状压电振子、结构简单、抗冲击性强、在恶劣环境下能很好地工作、加工工艺易实现、功耗微。本发明利用特殊模态下的特殊振动作为工作状态，高压电系数的压电体的正压电效应产生的电压信号作为检测信号，能够准确地检测外界双轴方向的角速度。本发明可以应用在卫星、武器、民用导航等领域。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括压电振子1、上表面左侧驱动电极2、上表面右侧驱动电极3、上表面上侧输出电极4、上表面右侧输出电极5、上表面下侧输出电极6、上表面左侧输出电极7、上表面模态检测电极8，下表面左侧驱动电极9、下表面右侧驱动电极10、下表面上侧输出电极11、下表面右侧输出电极12、下表面下侧输出电极13、下表面左侧输出电极14、下表面模态检测电极15。

压电振子1材料为压电材料，结构为端面为正方形的长方体。压电振子1其中一端面为压电振子上表面，另一与之平行的端面为压电振子下表面。

所有电极上下均关于压电振子对称，在压电振子1上表面上布置上表面左侧驱动电极2、上表面右侧驱动电极3、上表面上侧输出电极4、上表面右侧输出电极5、上表面下侧输出电极6、上表面左侧输出电极7、上表面模态检测电极8；在压电振子的下表面上布置下表面左侧驱动电极9、下表面右侧驱动电极10、下表面上侧输出电极11、下表面右侧输出电极12、下表面下侧输出电极13、下表面左侧输出电极14、下表面模态检测电极15。

压电振子上表面正方形上侧的边为上表面第一边16，压电振子上表面正方形右侧的边为上表面第二边17，压电振子上表面正方形下侧的边为上表面第三边18，压电振子上表面正方形左侧的边为上表面第四边19，压电振子下表面正方形上侧的边为下表面第一边20，压电振子下表面正方形右侧的边为下表面第二边21，压电振子下表面正方形下侧的边为下表面第三边22，压电振子下表面正方形左侧的边为下表面第四边23；上表面第一边16的中点与上表面第三边18的中点的连线为上表面第一中心线，上表面第二边17的中点与上表面第四边19的中点的连线为上表面第二中心线，下表面第一边20的中点与下表面第三边22的中点的连线为下表面第一中心线，下表面第二边21的中点与下表面第四边23的中点的连线为下表面第二中心线。

电极位置分布：上表面左侧驱动电极2、上表面右侧驱动电极3、上表面右侧输出电极5、上表面左侧输出电极7、上表面模态检测电极8位于上表面第二中心线上，上表面模态检测电极8位于上表面的中心处，上表面左侧驱动电极2位于上表面左侧输出电极7和上表面模态检测电极8之间，上表面右侧驱动电极3位于上表面右侧输出电极5和上表面模态检测电极8之间，上表面左侧驱动电极2与上表面右侧驱动电极3关于上表面第一中心线对称分布，上表面右侧输出电极5与上表面左侧输出电极7关于上表面第一中心线对称分布；上表面上侧输出电极4、上表面下侧输出电极6位于上表面第一中心线上，上表面上侧输出电极4与上表面下侧输出电极6关于上表面第二中心线对称分布；下表面左侧驱动电极9、下表面右侧驱动电极10、下表面右侧输出电极12、下表面左侧输出电极14、下表面模态检测电极15位于下表面第二中心线上，下表面模态检测电极15位于下表面的中心处，下表面左侧驱动电极9位于下表面模态检测电极15和下表面左侧输出电极14之间，下表面右侧驱动电极10位于下表面模态检测电极15和下表面右侧输出电极12之间，下表面左侧驱动电极9与下表面右侧驱动电极10关于下表面第一中心线对称分布，下表面右侧输出电极12与下表面左侧输出电极14关于下表面第一中心线对称分布；下表面上侧输出电极11、下表面下侧输出电极13位于下表面第一中心线上，下表面上侧输出电极11与下表面下侧输出电极13关于下表面第二中心线对称分布。

上表面左侧驱动电极2与下表面左侧驱动电极9的连线、上表面右侧驱动电极3与下表面右侧驱动电极10的连线、上表面上侧输出电极4与下表面上侧输出电极11的连线、上表面右侧输出电极5与下表面右侧输出电极12的连线、上表面下侧输出电极6与下表面下侧输出电极13的连线、上表面左侧输出电极7与下表面左侧输出电极14的连线、上表面模态检测电极8与下表面模态检测电极15的连线均与压电振子上表面、压电振子下表面垂直。

压电振子中一条与Z轴平行的边为压电振子第一边，顺时针方向下一条与Z轴平行的边为压电振子第二边，依次为压电振子第三边，压电振子第四边。

经有限元分析，发现在工作模态振动下有四个点振动位移很小。因此陀螺仪选用这四个点作为节点(节点即固定点)，其位置分别为压电振子第一边中点与压电振子第二边中点连线上距压电振子第一边中点距离为压电振子上表面正方形边长的1/4点、压电振子第一边中点与压电振子第二边中点连线上距压电振子第二边中点距离为压电振子上表面正方形边长的1/4点、压电振子第三边中点与压电振子第四边中点连线上距压电振子第三边中点距离为压电振子上表面正方形边长的1/4点、压电振子第三边中点与压电振子第四边中点连线上距压电振子第四边中点距离为压电振子上表面正方形边长的1/4点。

本实施例的加工工艺简单，首先采用粉末烧结法制备块状压电体；将配比好的试料置于坩埚中并将其压实，置于高温箱式电炉中，在所需的温度下加热一段时间便可得到块状压电体。对块状压电体进行切割、研磨便得到压电振子。然后以压电振子作为基体，采用MEMS(微机电系统)工艺利用光刻胶作为掩膜，对光刻胶图形化之后进行电镀得到电极(其中双面电极采用双面对准原理)。

本实施例利用压电振子在特殊模态下的的振动作为振动陀螺的参考振动，将压电振子本身的压电效应产生的电压信号作为角速度的检测信号。X轴为上表面左侧输出电极7和上表面右侧输出电极5中心连线，Y轴上表面上侧输出电极4和上表面下侧输出电极6中心连线，X轴、Y轴、Z轴符合右手定则。当在上表面左侧驱动电极2与上表面右侧驱动电极3之间及下表面左侧驱动电极9与下表面右侧驱动电极10之间加上一定频率的交变电压激励时(处于一定的模态)，压电振子会产生特殊模态振动，其中压电振子在上表面上侧输出电极4所在位置的振动方向为Y轴负方向，而在下表面上侧输出电极11所在的位置振动方向为Y轴正方向。由于两个位置的振动方向相反，当外加受到水平X方向(即图中左右方向)的角速度时，所受到的柯氏力的方向相反。在Z轴方向上产生相向运动，使得压电振子在上表面上侧输出电极4与下表面上侧输出电极11所在位置之间的Z轴方向产生拉伸或压缩。上下表面关于压电振子对称，最终使得上侧输出电极4与下表面上侧输出电极11均有一定的电势，且互为相反。由于柯氏力的大小与外界角速度大小成正比，外界角速度引起的电势的大小与柯氏力成正比，可知角速度引起的电势的大小与外界角速度的大小成正比。因此可以通过上表面上侧输出电极4与下表面上侧输出电极11的电势来检测X方向的角速度，进而上表面下侧输出电极6与下表面下侧输出电极13的电势也与外界角速度的大小成正比。由于具有压电效应，在没有外界角速度时输出电极也会有电势。上表面上侧输出电极4与上表面下侧输出电极6由于振动所受应力相同，具有相同的电势；但运动方向相反，外界角速度引起的电势相反，因此可将上表面上侧输出电极4与上表面下侧输出电极6的电势相减作为输出信号即可消除振动引起的电势。为了使输出信号更大，陀螺的精度更高，最终将上表面上侧输出电极4的电势与下表面下侧输出电极13的电势相加，再减去上表面下侧输出电极6的电势和下表面上侧输出电极11的电势作为X方向上的角速度的检测信号。上表面左侧输出电极7与上表面上侧输出电极4的运动方向垂直，同理将上表面左侧输出电极7的电势与下表面右侧输出电极12的电势相加，再减去上表面右侧输出电极5的电势和下表面左侧输出电极14的电势作为Y方向角速度的检测信号。通过分析研究发现在此模态下振动时上表面模态检测电极8与下表面模态检测电极15的电势有一个极值，因此利用这一特点来鉴定振动是否处于此模态下，减小理论与实际器件的误差，以保证检测角速度的准确性。根据理论分析得到所需模态的共振频率，在其附近进行扫频。通过观察上表面模态检测电极8与下表面模态检测电极的信号确定压电振子的振动是否处于工作模态。将输出电极的输出信号放大作为最终得到X、Y方向角速度大小的检测信号。

Claims (5)

1、一种具有正方形表面长方体压电振子的全固态双轴陀螺仪，包括：压电振子、上表面左侧驱动电极、上表面右侧驱动电极、上表面上侧输出电极、上表面右侧输出电极、上表面下侧输出电极、上表面左侧输出电极、上表面模态检测电极；下表面左侧驱动电极、下表面右侧驱动电极、下表面上侧输出电极、下表面右侧输出电极、下表面下侧输出电极、下表面左侧输出电极、下表面模态检测电极，其特征在于：所述压电振子结构是端面为正方形的长方体，压电振子中一端面为压电振子上表面，另一与之平行的端面为压电振子下表面，压电振子上表面与压电振子下表面上的电极均关于压电振子对称；

压电振子上表面正方形上侧的边为上表面第一边，压电振子上表面正方形右侧的边为上表面第二边，压电振子上表面正方形下侧的边为上表面第三边，压电振子上表面正方形左侧的边为上表面第四边，压电振子下表面正方形上侧的边为下表面第一边，压电振子下表面上表面右侧的边为下表面第二边，压电振子下表面正方形下侧的边为下表面第三边，压电振子下表面正方形左侧的边为下表面第四边，上表面第一边与下表面第一边平行且上表面第一边与下表面第一边位于压电振子同一表面上，上表面第一边的中点与上表面第三边的中点的连线为上表面第一中心线，上表面第二边的中点与上表面第四边的中点的连线为上表面第二中心线，下表面第一边的中点与下表面第三边的中点的连线为下表面第一中心线，下表面第二边的中点与下表面第四边的中点的连线为下表面第二中心线；

所述上表面左侧驱动电极、上表面右侧驱动电极、上表面右侧输出电极、上表面左侧输出电极、上表面模态检测电极位于上表面第二中心线上，上表面模态检测电极位于上表面的中心处，上表面左侧驱动电极与上表面右侧驱动电极关于上表面第一中心线对称分布，上表面右侧输出电极与上表面左侧输出电极关于上表面第一中心线对称分布，上表面上侧输出电极、上表面下侧输出电极位于上表面第一中心线上，上表面上侧输出电极与上表面下侧输出电极关于上表面第二中心线对称分布；

所述下表面左侧驱动电极、下表面右侧驱动电极、下表面右侧输出电极、下表面左侧输出电极、下表面模态检测电极位于下表面第二中心线上，下表面模态检测电极位于下表面的中心处，下表面左侧驱动电极与下表面右侧驱动电极关于下表面第一中心线对称分布，下表面右侧输出电极与下表面左侧输出电极关于下表面第一中心线对称分布，下表面上侧输出电极、下表面下侧输出电极位于上表面第一中心线上，下表面上侧输出电极与下表面下侧输出电极关于下表面第二中心线对称分布；

所述上表面左侧驱动电极与下表面左侧驱动电极的连线、上表面右侧驱动电极与下表面右侧驱动电极的连线、上表面上侧输出电极与下表面上侧输出电极的连线、上表面右侧输出电极与下表面右侧输出电极的连线、上表面下侧输出电极与下表面下侧输出电极的连线、上表面左侧输出电极与下表面左侧输出电极的连线、上表面模态检测电极与下表面模态检测电极的连线均与压电振子上表面、压电振子下表面垂直。

2、根据权利要求1所述的具有正方形表面长方体压电振子的全固态双轴陀螺仪，其特征是，所述陀螺仪有四个节点，其位置分别为压电振子第一边中点与压电振子第二边中点连线上距压电振子第一边中点距离为压电振子上表面正方形边长的1/4点、压电振子第一边中点与压电振子第二边中点连线上距压电振子第二边中点距离为压电振子上表面正方形边长的1/4点、压电振子第三边中点与压电振子第四边中点连线上距压电振子第三边中点距离为压电振子上表面正方形边长的1/4点、压电振子第三边中点与压电振子第四边中点连线上距压电振子第四边中点距离为压电振子上表面正方形边长的1/4点，其中压电振子中一条与Z轴平行的边为压电振子第一边，顺时针方向下一条与Z轴平行的边为压电振子第二边，依次为压电振子第三边，压电振子第四边。

3、根据权利要求1或2所述的具有正方形表面长方体压电振子的全固态双轴陀螺仪，其特征是，所述压电振子，其材料为压电材料。

4、根据权利要求1所述的具有正方形表面长方体压电振子的全固态双轴陀螺仪，其特征是，所述上表面左侧驱动电极位于上表面左侧输出电极和上表面模态检测电极之间，上表面右侧驱动电极位于上表面右侧输出电极和上表面模态检测电极之间。

5、根据权利要求1所述的具有正方形表面长方体压电振子的全固态双轴陀螺仪，其特征是，所述下表面左侧驱动电极位于下表面模态检测电极和下表面左侧输出电极之间，下表面右侧驱动电极位于下表面模态检测电极和下表面右侧输出电极之间。