CN102679967A - 摇动质量块压电双轴微陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机电技术领域的摇动质量块压电双轴微陀螺，它包括一个摇动质量块谐振子，支撑摇动质量块的基板，四个与基板边方向平行且具有间隙的驱动电极，四个与基板边方向平行检测电极。本发明利用摇动质量块谐振子的特殊振动模态，采用逆压电效应驱动，通过检测压电电极上的电压变化来检测两个基板面内方向的角速度，最后通过外围调解处理电路，得到基板面内两个方向的输入角速度。本发明采用MEMS微细加工工艺，结构简单，能实现双轴检测，加工工艺易于实现，可靠性高。

Description

摇动质量块压电双轴微陀螺

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的微陀螺，具体地说，涉及的是一种利用压电驱动和检测、并以摇动质量块为谐振子的双轴陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是一种能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。随着国防科技和航空、航天工业的发展，惯性导航系统对于陀螺仪的要求也向低成本、小体积、高精度、多轴检测、高可靠性、能适应各种恶劣环境的方向发展。基于MEMS技术的微陀螺仪采用微纳批量制造技术加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而且环境适应性、工作寿命、可靠性、集成度与传统技术相比有极大的提高，因而MEMS微陀螺已经成为近些年来MEMS技术广泛研究和应用开发的一个重要方向。

经对现有技术的文献检索发现，2011年Xiong Wang等人在AdvancedMaterials Research期刊上发表的“Vibration Frequency Analytical Formula andParameter Sensitivity Analysis for Rocking Mass Gyroscope”介绍了一种具有摇动质量块陀螺。该摇动质量块陀螺包括四根细长支撑梁、一个摇动质量块、四片驱动压电片和四片检测压电片构成。摇动质量块通过四根支撑梁连接在基座上，驱动和检测压电片使用粘片工艺分别粘合在四根支撑轴上。通过在驱动电极压电片上施加一定频率的交流电压信号，由于逆压电效应，摇动质量块产生驱动模态振动；有角速度输入时，摇动质量块的振动在科氏力作用下向另一简并的模态振型转化，两个简并振动模态之间相位差为90°，检测压电片因而产生变形。由于压电效应，通过检测检测压电片电极的电压变化即可检测输入角速度的变化。

此技术存在如下不足：首先，这种摇动质量块陀螺体积较大，限制了自身的使用范围；其次，该陀螺使用机械工艺加工，不能进行批量化生产，成本较高；最后，此技术最主要的不足在于驱动和检测电极是与采用粘片工艺进行组装在支撑梁上，在高频谐振工作时，驱动和检测电极容易出现脱落现象，从而影响微陀螺的工作可靠性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单，加工工艺易于实现，能够同CMOS工艺兼容，抗冲击，不需要真空封装，适用于批量化生产。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的具有摇动质量块双轴微陀螺仪，它包括：

一个具有摇动质量块的谐振子，通过基板支撑；

四个与基板边平行的驱动电极；以及

四个与基板边平行的检测电极。

所述基板为正方形，四边固定，其余部分不施加限制。这样的固定方式保证压电材料的拉伸收缩最明显，因而该发明对输入角速度灵敏。

所述摇动质量块的材料为金属，基板的材料为PZT压电材料。

所述摇动质量块振子为长方体，基板为等边薄板，摇动质量块在基板正中处。

所述四个驱动电极和四个与检测电极分别沿基板四边的方向配置，且与摇动质量块之间有间隙，每个驱动电极外侧是与基板边平行的检测电极，驱动电极和检测电极都固定在基板上。

所述四个驱动电极材料为金属，形状为长方形，分别沿正方形基板边缘平行布置，在检测电极的内侧并且两者之间存在间隙，用于激励摇动质量块工作在驱动模态。

所述四个检测电极材料为金属，形状为长方形，分别沿正方形基板边缘平行布置，在驱动电极的外侧并且两者之间存在间隙，用于检测摇动质量块在检测模态振型的振动，从而检测外界输入角速度的大小。

本发明利用具有摇动质量块的基板谐振子的特殊模态作为参考振动，在该模态下摇动质量块沿垂直于基板一边的方向振动（X或Y方向）。通过在其中不相邻的两个驱动电极（X或Y方向）上施加交变电压（X方向和Y方向的驱动电压相位相差90°），使得摇动质量块产生驱动模态振动。当有基底平面内（x轴或y轴）的角速度输入时，在科氏效应的作用下，摇动质量块和基板受到一个Z方向的科氏力作用，摇动质量块会产生垂直于基板平面的振动，其中x轴和y轴角速度输入时摇动质量块沿垂直于基底平面方向的振动相位不同（相位相差90°）。通过检测电镀在压电晶体上的检测电极电压输出的变化可检测基板平面内（x轴或y轴）的角速度的大小。

本发明具有摇动质量块的双轴压电微陀螺的制作方法可以采用MEMS微细加工工艺，以PZT材料为基体，利用溅射、电镀等方法加工得到。

与现有技术相比，本发明的优点在于：利用压电效应驱动具有摇动质量块的谐振子产生驱动模态，通过检测压电检测电极的电压变化，再利用检测解调电路对信号进行处理，最终能够准确的检测两个轴向角速度的大小；采用具有摇动质量块的谐振子，结构简单，易于加工；采用压电基体作为制作材料，使用电镀工艺制作驱动和检测电极，避免利用粘片工艺，使电极和基体的粘合更强，增加微陀螺的可靠性。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明检测Y轴角速度的驱动振型的示意图；

图3是本发明检测X轴角速度的驱动振型的示意图；

图4是本发明检测X或Y轴角速度的检测振型的示意图；

图5是本发明双轴检测的原理示意图；

图中：1摇动质量块，2驱动电极，3检测电极，4基板。

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：本实施例是在本发明技术方案前提下进行实施，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，本实施例包括一个摇动质量块谐振子1，四个与基板边平行的驱动电极2，四个与基板边平行的检测动电极3，基板4。

本实施例中，基板4的材料是PZT压电材料，该基板只有四个边固定，其余部分不受自由度限制。

本实施例中，摇动质量块谐振子1材料为金属，形状为长方体。基板为等边薄板，摇动质量块在基板正中处。基板与摇动质量块为一个整体。

所述摇动质量块的材料为金属，基板的材料为PZT压电材料。压电材料在外部力的作用下会产生电场，相反，当该晶体在外加电压作用下会伸展或收缩，这种特性被称为压电效应。常用的压电材料：石英、压电陶瓷（如LiNbO3、BaTiO3）、PZT（锆钛酸铅）、ZnO、PVDF（聚偏氟乙稀）等。为了陀螺的力学性能指标和敏感度，要求压电材料有高的压电常数及高的机电耦合系数；为了防止压电材料的破碎，要求压电材料具有高的静态和动态抗拉强度；为了保证振子温度升高情况下的效率，要求压电材料具有低的介质损耗因子和高的机械品质因数。根据以上分析本实施例采用高激励特性良好，耦合系数高的压电陶瓷PZT作为振动体。

本实施例中，与基板边平行的四个驱动电极2材料为金属，形状为长方体，均匀布置在基板四个方向，位于基板四边中点位置处，且在检测电极的内侧，用于激励摇动质量块1产生驱动模态振型。

本实施例中，与基板边平行的四个检测电极3材料为金属，形状为长方体，均匀布置在基板四个方向，位于基板四边中点位置处，且在驱动电极的外侧，用于检测摇动质量块1产生检测模态振型产生的电压变化。

本实施例中,四个驱动电极2和四个与检测电极3分别沿基板四边的方向配置，且与摇动质量块之间有间隙，每个驱动电极外侧是与基板边平行的检测电极，驱动电极和检测电极都固定在基板上。

如图2所示，通过有限元分析的方法得到摇动质量块的一个特殊模态，在该模态下摇动质量块沿X方向振动。通过在X轴向驱动电极2上施加相位差90°的正弦电压信号即可利用压电逆效应激励摇动质量块产生X轴驱动模态振型。

如图3所示，通过有限元分析的方法得到摇动质量块的一个特殊模态，在该模态下摇动质量块沿Y方向振动。通过在Y轴向驱动电极2上施加相位差90°的正弦电压信号即可利用压电逆效应激励摇动质量块产生Y轴驱动模态振型。

如图4所示，在驱动电压的激励下，陀螺工作在驱动模态振型。当有基板平面内x轴和y轴方向角速度输入时，陀螺的受科氏力的作用下，摇动质量块1受到一个Z轴方向力的作用，因而摇动质量块1会产生垂直于平面的振动，振动的幅值和输入角速度成正比。

如图5所示，这是本发明可以用来检测双轴角速度的原理图。该摇动质量块的双轴压电微陀螺的X轴和Y轴的驱动电压相差90°，产生的科氏效应力的相位也相差90°，从而引起基板变形的位移的相位差为90°，可以利用电路调解检测电极的电压变化，处理得到X轴和Y轴的输入角速度大小。

本实施例上述的具有摇动质量块的双轴压电微陀螺，制作方法可以采用MEMS微细加工工艺，利用牺牲层工艺在PZT基板上旋涂厚光刻胶如SU-8，利用制作好的掩模板进行光刻，之后显影、图形化，在图形化的光刻胶掩模上溅射金属，形成具有摇动质量块1的基板4部分；再利用电镀等工艺形成驱动电极2和检测电极3部分，得到一个整体的感应器件。最后焊接外围信号调理电路，制成完整的具有摇动质量块的双轴压电微陀螺。

本实施例利用摇动质量块1的特殊模态，能够同时敏感双轴方向的角速度；采用结构简单的摇动质量块1，与基板4相连；驱动电极2和检测电极3是利用电镀工艺制作。摇动质量块谐振子1在驱动电极2的激励下产生驱动模态振动，通过测量检测电极3的电压变化，然后通过电路调节电路分析处理，最终能够准确的检测两个轴向角速度的大小。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范畴。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也都应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种压电驱动压电检测双轴微陀螺仪，其特征在于包括：

一个具有摇动质量块的谐振子，通过基板支撑；

四个与基板边平行的驱动电极；以及

四个与基板边平行的检测电极；

所述摇动质量块的材料为金属，基板的材料为PZT压电材料。

2.根据权利要求1所述的压电驱动压电检测双轴微陀螺仪，其特征是：所述摇动质量块振子为长方体，基板为等边薄板，摇动质量块在基板正中处。

3.根据权利要求1所述的压电驱动压电检测双轴微陀螺仪，其特征是：所述基板为正方形，四边固定，其余部分不施加限制。

4.根据权利要求1所述的压电驱动压电检测双轴微陀螺仪，其特征是：所述四个驱动电极和四个与检测电极分别沿基板四边的方向配置，且与摇动质量块之间有间隙，每个驱动电极外侧是与基板边平行的检测电极，驱动电极和检测电极都固定在基板上。

5.根据权利要求4所述的压电驱动压电检测双轴微陀螺仪，其特征是：所述四个驱动电极材料为金属，形状为长方形，分别沿正方形基板边缘平行布置，在检测电极的内侧且两者之间存在间隙，用于激励摇动质量块工作在驱动模态。

6.根据权利要求4所述的压电驱动压电检测双轴微陀螺仪，其特征是：所述四个检测电极材料为金属，形状为长方形，分别沿正方形基板边缘平行布置，在驱动电极的外侧并且两者之间存在间隙，用于检测摇动质量块在检测模态振型的振动，从而检测外界输入角速度的大小。

7.根据权利要求1-5任一项所述的压电驱动压电检测双轴微陀螺仪，其特征是：所述摇动质量块沿基板X方向或Y方向进行特殊振动模态振动，利用该运动分别检测基板Y方向或X方向的输入角速度；所述摇动质量块X方向和Y方向驱动电压的相位相差90°，使得科氏效应产生的X方向和Y方向的科氏力相位相差90°，基板对X轴和Y轴的输入角速度敏感变形相位相差为90°；经外围调解电路的处理，提取到沿基板X轴方向和Y轴方向的输入角速度。

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