CN102297689B

CN102297689B - 静电驱动压电检测闭环控制微固体模态陀螺

Info

Publication number: CN102297689B
Application number: CN 201110206929
Authority: CN
Inventors: 吴校生; 王铮; 胡小骏; 陈文元; 张卫平; 崔峰; 刘武
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2031-07-22
Also published as: CN102297689A

Abstract

本发明公开一种微机电技术领域的静电驱动压电检测闭环控制微固体模态陀螺，包括弹性微振子以及位于其周围的静电驱动电极、参考振动感应电极、压电科氏力感应电极、静电力反馈电极，利用弹性微振子的两个兼并的特殊振动模态进行工作，即参考振动和感应振动模态，采用静电力进行驱动，可变电容机理来检测参考振动，利用压电电极检测科氏力感应振动，采用静电力进行反馈控制，使微固体模态陀螺工作在闭环工作模式下。本发明中无独立的质量弹簧结构，具有高的抗冲击、抗震动能力；工作频率高，利于增大微陀螺的测量带宽和降噪；可工作在大气环境下，提高可靠性，降低生产成本。采用闭环工作模式有利于提高微固体模态陀螺量程、线性度和动态特性。

Description

静电驱动压电检测闭环控制微固体模态陀螺

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的微陀螺，具体是一种静电驱动压电检测闭环控制微固体模态陀螺。

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。由于工作在较高的工作频率下，有利于提高微陀螺的测量带宽。

压电型全固态微陀螺的振动体是压电体，通常可用的压电效应较强的压电体材料为PZT压电陶瓷。压电陶瓷的弹性和可微细加工性能有限，并且压电陶瓷的材料和电学特性对温度较敏感，这限制了这种微陀螺的制造精度的提高，它的材料选择性有限，微细加工批量化制造的可行性不高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于弹性基体的微固体模态陀螺。微固体模态陀螺是一种新型的MEMS角速率传感器，这种微固体模态陀螺利用弹性基体的特殊振动模态进行工作，这种新型微陀螺利用静电力进行弹性体的工作振动模态激振，利用压电电极来检测由科氏力激励的感应振动。静电力驱动电容检测是在微机电系统中广泛应用的驱动及检测方法，尤其在微陀螺中是发展比较成熟的技术，它能获得较大的驱动力及较高的检测精度，并已于CMOS电路进行集成，便于批量化生产，降低这种类型微陀螺的制造成本。微固体模态陀螺的振子可以采用结构阻尼较小的材料进行制作，有利于提高振子的品质因子，从而进一步提高微固体模态陀螺的检测精度。本发明还引入了静电力闭环反馈控制环节。闭环反馈式微固体模态陀螺具有线性度好，量程及带宽大，等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：弹性微振子、静电驱动电极、参考振动感应电极、压电科氏力感应电极、静电力反馈电极，其中弹性微振子、静电驱动电极、参考振动感应电极、静电力反馈电极都是通过下表面固定，压电科氏力感应电极位于弹性微振子上表面，和弹性微振子形成固定联结；静电驱动电极、参考振动感应电极、静电力反馈电极位于弹性微振子周围，且侧壁均和弹性微振子侧壁之间有间隙，形成参考振动的驱动及检测，静电力反馈以抵消由科氏力激励的感应振动。

所述弹性微振子是个方形结构，它是整个微固体模态陀螺的振动部件。弹性振子的下表面固定，四个侧面和周围的参考振动感应电极、科氏力感应电极形成检测电容，这些电容完成微固体模态陀螺的参考振动的检测以及感应振动的检测。弹性微振子的侧面和参考振动驱动电极形成驱动电容，以激励弹性微振子的参考振动。弹性微振子的侧面和静电力反馈电极形成驱动电容，产生的静电力以抵消科氏力激励的感应振动。弹性微振子采用弹性特性较好的材料制作而成，这种弹性材料的结构阻尼较小，它具有极高的振动品质因子，这种特性有利于提高微固体模态陀螺的检测灵敏度。

所述的参考振动驱动电极共有二个，它们通过下表面固定，位于弹性微振子参考振动方向的两侧，当在参考振动驱动电极上施加直流电压叠加的交流电时，交流电的频率和参考振动模态频率相同时，弹性微振子产生参考振动。

所述的参考振动感应电极共有四个，它们通过下表面固定，两两分布在弹性微振子周围相对的两侧，它们分别与弹性微振子相邻的一侧形成两对差动的参考振动检测电容。参考振动感应电极用来检测弹性微振子的参考振动的状态。参考振动感应电极用于驱动振动的闭环控制，使弹性微振子稳定工作在参考振动模态频率点，并保持恒定的振动频率。

所述的压电科氏力感应电极共有二个，它们位于弹性微振子的上表面，和弹性微振子形成固定联结，压电科氏力感应电极的长度方向和科氏力感应振动方向相平行。根据科氏力感应振动模态的特征，两个压电科氏力感应电极上的感应电压相位相差180度，两者感应电压做差分处理，可消除共模干扰电压，同时科氏力感应电压增倍。科氏力感应电压和外界在敏感方向上输入的角速率成正比。

所述的静电力反馈电极共有四个，位于弹性微振子的感应振动方向两侧。当压电电极检测到在感应振动方向上有振动时，在静电反馈电极上施加电压，以抵消科氏力产生的感应振动，这样在静电反馈电极上施加的反馈电压就会和微固体模态陀螺敏感轴上输入的角速率成正比。通过检测反馈电压大小就会获得外界输入的角速率。

本发明通过对上述弹性微振子的振动模态分析发现，在某阶特殊振动模态下，弹性微振子上表面一个边为拉伸运动时，则和它相对的那条边为压缩运动，而且在这个特殊振动模态下，弹性微振子上各质点基本都沿着相同的轴向运动。对于方形弹性微振子来说，这种特殊振动模态还具有一个共振频率相同简并模态。这样的一对简并模态可以用作为微固体模态陀螺的参考振动模态和感应振动模态。

本发明提出的静电驱动压电检测闭环控制微固体模态陀螺，由于采用弹性材料振子的特殊振动模态进行工作，而并非压电体，这一方面增大了微陀螺制作材料的选择自由度，允许基体利用弹性较大的材料来制作，并可获得极大的振动品质因子，另一方面利用静电力反馈控制可增大微固体模态陀螺的量程和线性度。同时，采用微加工工艺可以实现极其微小的电容间距，这有利于提高检测电容的检测灵敏度。微固体模态陀螺的核心部件和载体之间形成固接，这种结构更便于陀螺芯片的安装。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，有利于获得抗冲击、抗振动能力强，对真空封装无特殊要求的全固态微型MEMS陀螺。

附图说明

图1为本发明总体结构及驱动检测信号示意图；

图2是本发明微固体模态陀螺的结构三维视图；

图3是本发明微固体模态陀螺弹性微振子的三维视图；

图4是本发明微固体模态陀螺电容检测及静电力反馈电极的三维视图；

图5是本发明微固体模态陀螺反馈闭环控制原理框图；

图6是本发明微固体模态陀螺弹性微振子的驱动振动模态及感应振动模态的三维视图。

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：弹性微振子1、压电科氏力感应电极2和7、静电驱动电极3和9、参考振动感应电极4和8、静电力反馈电极5、6、10和11，其中弹性微振子1、参考振动感应电极4和8、静电驱动电极3和9、静电力反馈电极5、6、10和11都是通过下表面进行固定，它们都是相互独立的，压电科氏力感应电极2和7分布在弹性微振子1的上表面，和弹性微振子1形成固定联结，参考振动感应电极4和8、静电驱动电极3和9、静电力反馈电极5、6、10和11与弹性微振子1的侧面之间有微小的间隙，为了增大驱动静电力和提高检测电容的灵敏度，作为优选，这些微小的间隙都小于1微米。

如图1所示，在静电驱动电极9和弹性微振子1之间施加直流叠加交变电压V _d1 , 静电驱动电极9和弹性微振子1之间施加直流叠加交变电压V _d2 , V _d1 和 V _d2 的交变电压之间的相位差180度，电压V _d1 和V _d2 的交变频率和弹性微振子的参考振动模态频率相同，在电压V _d1 和V _d2 激励下，弹性微振子以参考振动模态振动。

如图1 所示，参考振动感应电极8和弹性微振子1之间形成参考振动检测电容C _r1 , 参考振动感应电极4和弹性微振子1之间形成参考振动检测电容C _r2 ,根据弹性微振子的参考振动模态的振动特征，参考振动检测电容C _r1 和C _r2 形成一对差分电容，用来监控参考振动的幅值和频率，用于弹性振子1参考振动的稳幅和共振频率点的闭环控制及跟踪。

如图1所示，当在微固体模态陀螺敏感轴方向上有角速度输入的时候，弹性微振子1在感性振动方向上有科氏力激励的振动，压电科氏力感应电极2和7能够检测科氏力激励的感应振动，在压电科氏力感应电极2和7的上下表面间产生的压电感应电压分别为V _s1 和V _s2 ，根据弹性微振子的感应振动模态的振动特征，压电感应电压分别为V _s1 和V _s2 相位相差180度。

如图1所示，在静电力反馈电极10、11、6、5与弹性微振子1之间分别施加静电力反馈电压Vf ₁ 、Vf ₂ 、Vf ₃ 和 Vf ₄ ，以抵消由敏感方向上输入角速度激励的科氏力感应振动。根据弹性微振子的感应振动模态的振动特征，静电力反馈电压Vf ₁ 、Vf ₂ 、Vf ₃ 和 Vf ₄ 的相位依次相差180度。静电力反馈电压Vf ₁ 、Vf ₂ 、Vf ₃ 和 Vf ₄ 依据压电感应电压分别为V _s1 和V _s2 进行反馈控制。

如图3所示，弹性微振子1为一长和宽尺寸相同的方形块体，它的长和宽的尺寸在400微米到1毫米之间，高度为400微米到800毫米，弹性微振子1采用导电的弹性材料制作而成，如镍或铜，也可以用不导电的弹性材料，如单晶硅或石英，当弹性微振子1体材料不导电时，它的表面需要制作一薄层导电的金属薄膜，弹性微振子1的体材料具有结构阻尼小的特性，可获得极高的模态振动品质因子。

如图4所示，参考振动感应电极4和8、静电驱动电极3和9、静电力反馈电极5、6、10和11的下表面固定，它们的高度和弹性微振子1的高度相同，它们采用导电材料制作而成，如镍或铜，也可以采用不导电材料，如单晶硅或石英，当采用不导电材料制作时，这些电极的表面都需要制作一薄层导电的金属薄膜。

如图5所示，静电驱动压电检测闭环控制微固体模态陀螺工作在闭环模式下，当微陀螺在敏感轴方向上有角速率ω输入时，在感应振动反向上激励出科氏力，进而产生感应振动，感应振动通过科氏力压电感应电极2和7检测出来，分别产生感应电压V _s1 和V _s2 ，根据压电感应电压V _s1 和V _s2 产生静电力反馈电压V _f1 、V _f2 、V _f3 、V _f4 ，产生的静电反馈力以抵消科氏力感应振动。

如图6所示，弹性微振子1有两个简并的工作振动模态，这两个工作振动模态的共振频率相同，弹性微振子1上某一质点的模态振动方向在两个工作振动模态中是相互垂直。在本实施例中，左边的振动模态为参考振动模态，右边的振动模态为感应振动模态，除了质点振动方向相垂直外，它们的振型是相同。针对某一振动模态来说，在某个时刻，弹性微振子1的一个棱边为拉伸运动时，则与它相对的一个棱边为压缩运动。

图1和图2所示的微固体模态陀螺结构采用微加工技术进行制作，如果采用硅材料结构，可采用光刻工艺以及ICP-DRIE工艺结合牺牲层技术对微结构进行图形化，利用ICP-DRIE的高深宽比加工技术实现微小电容间隙的加工。如果采用金属材料结构，可以采用UV-LiGA或LiGA技术进行制作。作为驱动电极的压电薄膜可以利用制作好的压电材料采用贴片工艺制作，也可以采用sol-gel或浆料印刷工艺制作并图形化。

本实施例具有以下特点：微固体模态陀螺采用全固态结构，与一般的微振动陀螺不同的是，微固体模态陀螺中无独立的质量弹簧结构，它的质量和弹簧是融合在弹性微振子1当中的，这种结构具有高的抗冲击、抗震动能力，可以应用于一些恶劣工作环境中，如高过载的军用武器中。微固体模态陀螺的工作频率高，通常为几百KHz到几MHz，比一般微振动陀螺的工作频率高2到3个数量级，高的工作频率有利于增大微陀螺的测量带宽和降噪。由于微固体模态陀螺振子的振动幅度极小，因此空气阻尼的影响也很小，可工作在大气环境下，这减小了封装的难度，提高了微陀螺系统的可靠性，降低了生产成本。采用闭环工作模式有利于提高微固体模态陀螺量程、线性度和动态特性。静电驱动压电检测闭环控制微固体模态陀螺有望实现一种高精度高可靠性的微型惯性角速率传感器。

Claims

1.一种静电驱动压电检测闭环控制微固体模态陀螺，包括：弹性微振子、静电驱动电极、参考振动感应电极、压电科氏力感应电极、静电力反馈电极，其中弹性微振子、静电驱动电极、参考振动感应电极、静电力反馈电极都是通过下表面固定，压电科氏力感应电极位于弹性微振子上表面，和弹性微振子形成固定联结；所述弹性微振子是个方形结构，静电驱动电极、参考振动感应电极、静电力反馈电极位于弹性微振子四个侧面，即：静电力反馈电极位于弹性微振子相对的两个侧面，弹性微振子另外相对的两个侧面各设有静电驱动电极和参考振动感应电极，且静电驱动电极、参考振动感应电极、静电力反馈电极侧壁均和弹性微振子侧壁之间有间隙，形成参考振动的驱动及检测，静电力反馈以抵消由科氏力激励的感应振动；

所述弹性微振子有两个简并的工作振动模态，这两个工作振动模态的共振频率相同，弹性微振子上某一质点的模态振动方向在两个工作振动模态中是相互垂直，其中一个振动模态为参考振动模态，另外一个振动模态为感应振动模态，两个振动模态除了质点振动方向相垂直外，它们的振型是相同，针对某一振动模态来说，在某个时刻，弹性微振子的一个棱边为拉伸运动时，则与它相对的一个棱边为压缩运动。

2.根据权利要求1所述的静电驱动压电检测闭环控制微固体模态陀螺，其特征是，所述弹性微振子是整个微固体模态陀螺的振动部件，弹性振子的下表面固定，位于弹性微振子一个侧面的参考振动感应电极和弹性微振子之间形成参考振动检测电容C_r1，而相对侧面的参考振动感应电极和弹性微振子之间形成参考振动检测电容C_r2，根据弹性微振子的参考振动模态的振动特征，参考振动检测电容C_r1和C_r2形成一对差分电容，用来监控参考振动的幅值和频率，用于弹性振子参考振动的稳幅和共振频率点的闭环控制及跟踪；在位于弹性微振子两个相对侧面的静电力反馈电极与弹性微振子之间分别施加静电力反馈电压，以抵消由敏感方向上输入角速度激励的科氏力感应振动。

3.根据权利要求1或2所述的静电驱动压电检测闭环控制微固体模态陀螺，其特征是，所述弹性微振子采用导电的弹性材料或不导电的弹性材料，当采用不导电弹性材料时，它的表面制作一薄层导电的金属薄膜。

4.根据权利要求1或2所述的静电驱动压电检测闭环控制微固体模态陀螺，其特征是，所述的压电科氏力感应电极共有二个，它们位于弹性微振子的上表面，和弹性微振子形成固定联结，压电科氏力感应电极的长度方向和科氏力感应振动方向相平行，根据科氏力感应振动模态的特征，两个压电科氏力感应电极上的感应电压相位相差180度，两者感应电压做差分处理，可消除共模干扰电压，同时科氏力感应电压增倍，科氏力感应电压和外界在敏感方向上输入的角速率成正比。

5.根据权利要求1或者2所述的静电驱动压电检测闭环控制微固体模态陀螺，其特征是，所述的静电力反馈电极共有四个，位于弹性微振子的感应振动方向两侧，当压电科氏力感应电极检测到在感应振动方向上有振动时，在静电力反馈电极上施加电压，以抵消科氏力产生的感应振动，这样在静电力反馈电极上施加的反馈电压就会和微固体模态陀螺敏感轴上输入的角速率成正比，通过检测反馈电压大小就会获得外界输入的角速率。

6.根据权利要求1或者2所述的静电驱动压电检测闭环控制微固体模态陀螺，其特征是，所述微固体模态陀螺如果采用硅材料结构，则采用光刻工艺以及ICP-DRIE工艺结合牺牲层技术对微结构进行图形化，利用ICP-DRIE的高深宽比加工技术实现微小电容间隙的加工。

7.根据权利要求1或者2所述的静电驱动压电检测闭环控制微固体模态陀螺，其特征是，所述微固体模态陀螺如果采用金属材料结构，采用LiGA技术进行制作；作为驱动电极的压电薄膜利用制作好的压电材料采用贴片工艺制作，或采用sol-gel或浆料印刷工艺制作并图形化。