CN101398305B

CN101398305B - 带有集中质量块的压电式微固体模态陀螺

Info

Publication number: CN101398305B
Application number: CN2008102019280A
Authority: CN
Inventors: 吴校生; 陈文元
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2028-10-30
Also published as: CN101398305A

Abstract

一种微机电系统技术领域的带有集中质量块的压电式微固体模态陀螺，包括：压电体、驱动电极、模态检测电极、集中质量块，其中，驱动电极、模态检测电极、感应电极、集中质量块设置在压电体的上下表面，和压电体形成固定连接。在压电体某阶特殊振动模态下，压电体上各点都沿着某个轴向振动，用该特殊振动模态作为陀螺的工作振动模态，压电体的极化方向和压电体工作振动模态下的振动方向相垂直。由于旋转耦合的哥氏加速度效应导致压电体表面电压分布发生变化，通过检测集中质量块上的电压变化情况，来敏感外界输入的角速度。本发明中通过引入集中质量块，降低工作振动模态频率，同时也增加了振动体存储的能量，以增强微陀螺的分辨率和抗干扰能力。

Description

带有集中质量块的压电式微固体模态陀螺

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的陀螺，具体地说，涉及的是一种带有集中质量块的压电式微固体模态陀螺。

背景技术

在过去的一个世纪里，陀螺技术经历了一系列的革命性发展历程。20世纪初，Elmer Sperry发明了陀螺罗经，并将它应用在航海导航中。20世纪50年代，已经实现了采用框架陀螺和加速度计系统来感应飞行器的六自由度运动。这些早期的陀螺系统只用于方位参考，因此对它们没有较高的精度要求。由于框架式陀螺系统的高复杂性和高费用，20世纪70年代开始兴起发展捷联式惯性参考系统。要想获得足够高的性能，捷联式系统要求有较高的精度，它的陀螺精度漂移要低于0.01deg/h。为了满足这样的精度需求，人们开发出了具有超高精度和高可靠性的基于Sagnac效应的光学陀螺。光学陀螺体积大、价格昂贵，因此主要应用于航天、航海和航空领域中。在过去的30多年里，随着MEMS技术的出现和逐步发展，国内外科研人员一直在致力于微惯性传感器的开发，力求制造出体积小、价格便宜、功耗低的高性能MEMS微陀螺。

经对现有技术的文献检索发现，日本神户大学的K.Maenaka等人在2006伊斯坦布尔的第19届IEEE MEMS会议上发表了一篇论文，题为“新型固态微型陀螺”，该论文被收录在第634页到第637页。他们提出了一种基于压电体特殊振动模态的全固态微陀螺。他们对长方形压电体振动模态的研究发现，在某高阶振动模态下，压电体上的各质点基本沿着同一个轴向振动(如x轴)，并且相邻两棱边周围的质点振动方向相反，即某一个棱边为拉伸运动时，则相邻的棱边为压缩运动，他们以压电体在这种特殊振动模态下的振动作为驱动振动(共振频率约为几百KHz)，当沿着某个特定轴向(如y轴)上有角速率输入时，在压电体极化方向(如z轴)上感应振动可以通过压电体表面的感应电压检测出来。经过初步的研究，他们验证了这种微陀螺方案的可行性。由于没有采用传统的弹簧质量振动系统，这种特殊的全固态微陀螺中没有弹性支撑的柔性结构，因此可以承受较高的外界冲击，抗冲击抗震动能力强，并且它对真空封装无特殊要求，可以工作常压下。

压电型全固态微陀螺的振动体是长方体结构，这种结构的质量在长方体内均匀分布，运动有效质量在总质量中所占比例较少，这不利于提高振动体的振动品质因子，改善微陀螺的角速度分辨率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种带有集中质量块的压电式微固体模态陀螺。本发明微固体模态陀螺利用弹性基体的特殊振动模态进行工作，通过在压电体上运动幅度较大的部位引入集中质量块，来提高运动有效质量在总质量中所占的比例，进而增强微固体模态陀螺的模态振动品质，降低工作振动模态的频率，提高微陀螺的角速度分辨率和信噪比。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：压电体、驱动电极、模态检测电极、集中质量块，其中，驱动电极、模态检测电极、感应电极、集中质量块设置在压电体的上下表面，和压电体形成固定连接。

所述压电体是个长方体结构，采用压电材料制作而成，它是整个微陀螺的核心传感部件，也是整个振动结构的主体。

所述驱动电极，共有两对，分别分布在压电体上下表面的中央位置，通过在驱动电极上施加一定频率和幅值的交变驱动电压，使压电体以工作振动模态振动，同一表面上的两个电极的电压极性相反，即相位相差180度。

所述的模态检测电极共有四个，分别分布在压电体上下表面相对两个棱边附近的中间位置。在实际工作条件下，不同压电体存在尺寸或材料参数误差，因此工作振动模态的频率会存在一定的偏差，当以工作振动模态频率进行压电体驱动时，在频域上模态检测电极会出现电压幅值的最大值，因此，模态检测电极用来检测和跟踪工作振动模态，使压电体稳定工作在工作振动模态下。

所述的集中质量块共有八个，分别分布在压电体上下表面的四个角上，为了增强集中质量块和压电体之间的结合力，首先在压电体上刻蚀深槽，然后在深槽中电镀沉积集中质量块，集中质量块的高度和面积可以根据需要进行调整，集中质量块采用大密度金属材料，如：铜、镍、铂金等。

本发明通过对上述带有集中质量块压电体的振动模态分析发现，在某阶振动模态下，当某一瞬间压电体上表面或下表面一个棱边为拉伸运动时，则和它相对的那条边为压缩运动，压电体上表面另外两个棱边处于随动状态。本发明利用压电体的这种特殊振动模态下的振动作为参考振动，来敏感外界相应方向上的角速度。

本发明提出的压电式微固体模态陀螺，在压电体上下表面引入了集中质量块，增加了压电体有效振动质量，这一方面可以改善压电体振动的品质因子，提高微陀螺角速度分辨率和抗噪声能力，另一方面还可以降低工作振动模态的振动频率，工作振动频率的降低有利于获得大功率的交变驱动电压，较低的工作振动频率还有益于滤除高频噪声干扰。压电式微固体模态陀螺的提出，克服了背景技术中压电型全固态微陀螺的不足，它不但具有压电型全固态微陀螺抗冲击、抗震动能力强的特点，通过引入集中质量块结构，可改善压电体的振动品质因子，降低工作振动的频率。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图一。

图2为本发明总体结构示意图二。

图3为本发明某一振动模态瞬间运动示意图。

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过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，本实施例包括：压电体5以及分布于压电体5上下表面的两对驱动电极1、10、14、15，四个模态检测电极3、12、7、16和八个集中质量块2、4、6、8、11、13、9、17。其中：

所述压电体5是个长方体结构；

所述两对驱动电极1、10、14、15，分别分布在压电体5上下表面的中央位置，通过在驱动电极1、10、14、15上以共振频率施加交变电压，使压电体5以工作振动模态振动，同一表面上的两个电极的电压极性相反，即相位相差180度；

所述的四个模态检测电极3、12、7、16，分别分布在压电体5上下表面相对两个棱边附近的中间位置，模态检测电极用来检测和跟踪工作振动模态，使压电体稳定工作在工作振动模态下；

所述的八个集中质量块2、4、6、8、11、13、9、17，分别分布在压电体5上下表面的四个角上。

本实施例中，压电体5采用机电耦合性能较好的压电材料制作，如PZT、石英等。

本实施例中，两对驱动电极1、10、14、15和四个模态检测电极3、12、7、16采用双面光刻和电镀工艺在压电体5的上下表面制作而成。

本实施例中，八个集中质量块2、4、6、8、11、13、9、17的制备方法为：采用光刻工艺在压电体5上下表面制作掩模，生成刻蚀集中质量块2、4、11、13、7、8、9、17桩基的深槽，然后在深槽内电镀集中质量块2、4、11、13、7、8、9、17，集中质量块2、4、11、13、7、8、9、17采用密度较大的金属制作，如：金、铜、镍等。集中质量块2、4、11、13、7、8、9、17采用桩基一方面可以增强它们和压电体之间的结合力，另一方面还可以增大集中质量块2、4、11、13、7、8、9、17的体积。

如图1和图2所示的压电式微固体模态陀螺存在某阶特殊振动模态，在该振动模态下，压电体5上各点都沿着某个轴向振动，如在图3所示的瞬间，各点都基本沿着y轴振动，并且该轴向上相对两个棱边同为拉伸或压缩运动，相邻两个棱边上的对应点运动方向相反。如图3所示的瞬间，压电体5的两个棱边18和棱边21同为压缩运动，对应的另外两个棱边19和棱边20同为拉伸运动。利用这种形式的特殊振动模态作为压电式微固体模态陀螺的工作振动模态。此时，压电体5的极化方向和压电体5工作振动模态下的振动方向相垂直。

本实施例工作时，通过在压电体5上下表面两对驱动电极1、10和14、15上施加工作振动模态频率下的交变电压，使压电体5以工作振动模态振动。当某个运动正交方向上有角速度输入的时候，由于哥氏角速度效应，压电体5会产生感应振动，感应振动的方向和工作振动模态下的振动以及角速度输入方向两两垂直。由哥氏加速度效应引起感应振动的最终结果使得压电体5表面的压电电势发生变化，通过检测八个集中质量块2、4、6、8、11、13、9、17上压电电压的极性改变情况和电压改变量，可以对外界输入角速度进行测量。

工作振动模态下振动时，四个模态检测电极3、12、7、16上输出电压在频域内会出现峰值，通过检测该峰值对应的频率值，用来确定两对驱动电极1、10和14、15上驱动电压的频率，使压电体稳定地在工作振动模态下振动。

本实施例是一种具有不同于传统微振动陀螺结构的压电式微固体模态陀螺。在压电式微固体模态陀螺中，无弹性支撑装置或作整体运动的部件，它是一种全固态微陀螺。这种微固体模态陀螺主体结构具有极大的刚度，因此抗冲击抗震动能力强。微固体模态陀螺利用压电体的特殊振动模态来工作，质点振动幅度较小，因此空气的阻尼效应(滑膜或压膜阻尼)的影响较传统的微振动陀螺要小。压电式微固体模态陀螺对真空封装无特殊要求，可以工作在常压条件下，避免了真空封装所带来的MEMS微陀螺产业化难题。在压电式微固体模态陀螺中引入集中质量块，增大了振动体的有效质量，从而可降低噪声信号的干扰。增加振动质量可降低工作振动模态的振动频率，增强哥氏力的耦合效应，这对降低微陀螺驱动电路和检测电路的制作难度是有利的，同时还可以改善微陀螺的角速度分辨率。

Claims

1.一种带有集中质量块的压电式微固体模态陀螺，包括：压电体、驱动电极、模态检测电极，其特征在于，还包括集中质量块，其中：集中质量块和作为感应电极的驱动电极和模态检测电极均分别设置在压电体的上下表面，并与压电体形成固定连接，其中：

所述驱动电极，共有两对，分别分布在压电体上下表面的中央位置；

所述的模态检测电极共有四个，分别分布在压电体上下表面相对两个棱边的中间；

所述的集中质量块共有八个，分别分布在压电体上下表面的四个角上。

2.根据权利要求1所述的带有集中质量块的压电式微固体模态陀螺，其特征是，所述压电体是个长方体结构，其材料为压电材料。

3.根据权利要求1所述的带有集中质量块的压电式微固体模态陀螺，其特征是，所述的压电体上刻蚀有槽，所述的集中质量块电镀沉积在该槽中。

4.根据权利要求1或3所述的带有集中质量块的压电式微固体模态陀螺，其特征是，所述的集中质量块，其材料为铜、镍或铂金。

5.根据权利要求1所述的带有集中质量块的压电式微固体模态陀螺，其特征是，所述驱动电极上以共振频率施加交变电压，使压电体以工作振动模态振动，同一表面上的两个电极的电压极性相反，即相位相差180度。

6.根据权利要求1所述的带有集中质量块的压电式微固体模态陀螺，其特征是，所述的模态检测电极通过检测输出电压在频域出现的峰值所对应的频率值，用来确定驱动电极上驱动电压的频率，使压电体稳定地在工作振动模态下振动。

7.根据权利要求1所述的带有集中质量块的压电式微固体模态陀螺，其特征是，所述陀螺存在某阶特殊振动模态，在该振动模态下，压电体上各点都沿着某个轴向振动，用这种形式的特殊振动模态作为压电式微固体模态陀螺的工作振动模态，压电体的极化方向和压电体工作振动方向相垂直。

8.根据权利要求1或7所述的带有集中质量块的压电式微固体模态陀螺，其特征是，所述压电体由哥氏加速度效应引起感应振动的最终结果使得压电体表面的压电电势发生变化，通过检测集中质量块上压电电压的极性改变情况和电压改变量，实现对外界输入角速度的测量。