CN102706337A - 压电圆盘微机械陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种压电圆盘微机械陀螺，包括：一个具有支撑柱的圆盘谐振子；驱动电极、检测电极、监测电极和平衡电极各三个。所述三个驱动电极、三个检测电极、三个监测电极和三个平衡电极分别沿圆盘谐振子端面一周分布配置。本发明利用圆盘谐振子的特殊振动模态进行工作，给圆盘谐振子上的三个驱动电极施加交流电压，由逆压电效应产生圆盘谐振子在驱动模态振动。当存在输入角速度时，圆盘谐振子的振型向检测模态转变，利用检测电极处压电正效应产生的敏感信号，经外围电路处理得到输入角速度信号。本发明结构简单、小体积、具有高Q值等特点且不需要真空封装。

Description

压电圆盘微机械陀螺

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的固体波陀螺，具体来说，它是一种基于固体波原理的压电圆盘微机械陀螺。

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。

固体波是固体中的一种机械波动，把固体中某一点或部分受力或其他原因的扰动引起的形变，如体积形变或剪切形变，以波动的形式传播到固体的其他部分。在波动传播过程中，固体中的质点除在它原来的位置上有微小的振动外，并不产生永久性的位移。因为固体有弹性，弹性力有使扰动引起的形变恢复到无形变的状态的能力，于是形成波动。弹性是固体中能形成波动的主要原因。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利“固体波动陀螺的谐振子及固体波动陀螺”（专利申请号：CN201010294912.6）利用高性能的合金通过机械精密加工的方法制作出具有杯形振子的固体波动陀螺，杯形振子底盘上粘结有压电片作为驱动和检测电极，通过在驱动电极上施加一定频率的电压信号，对杯形振子施加压电驱动力，激励振子产生驱动模态下的固体波，当有杯形振子轴线方向角速度输入时，振子在科氏力作用下向另一简并的检测模态固体波转化，两个简并模态的固体波之间相位相差一定的角度，通过检测杯形振子底盘上检测电极输出电压的变化即可检测输入角速度的变化。

此技术存在如下不足：该固体波动陀螺杯形谐振体体积过大，限制了其在很多必须小体积条件下的应用；杯形振子底盘的压电电极是粘结到杯形振子上的，在高频振动下存在脱落的可能，可靠性不高；陀螺的加工工艺比较复杂，加工成本较高，不适合大批量生产。

发明内容

本发明的目的是针对上述设计的不足，提供一种结构简单、小体积、抗冲击、具有高Q值且不需要真空封装的固体波陀螺。本发明所述的高频固体波：由于谐振频率增加了2-3个数量级（到10-100kHz）而造成的机械（布朗）低噪降低；通过利用与扰曲模相比经受较少热弹性阻尼的体声波而造成的Q的显著增加。此外，高频体声波陀螺仪的优点还有：1、较小的尺寸；2、较大的带宽；3、抗冲击能力好；4、在大气压或者接近大气压下维持高的Q值，这简化了陀螺仪的封装从而降低了制造成本。

为实现上述的目的，本发明所述的压电驱动压电检测单轴微陀螺仪，包括：

一个具有支撑柱的圆盘谐振子；

三个与圆盘端面方向平行的驱动电极；

三个与圆盘端面方向平行的检测电极；

三个与圆盘端面平行的监测电极；以及

三个与圆盘端面平行的平衡电极；

所述三个驱动电极、三个检测电极、三个监测电极和三个平衡电极分别沿圆盘谐振子端面一周分布配置。

本发明中，所述圆盘谐振子材料为PZT，使用压电效应进行驱动和检测，谐振子下表面通过一圆柱形支撑柱与基底联接。

本发明中，所述三个驱动电极、三个检测电极、三个监测电极和三个平衡电极，其中每个电极为张角25°的圆环形。

本发明中，所述三个驱动电极材料为金属，均分端面圆环分布，用于激励圆盘振子产生驱动模态振型。

本发明中，所述三个检测电极材料为金属，均分圆盘振子端面，用于检测垂直于基底平面方向即z轴方向的角速度引起的圆盘谐振子上电压。

本发明中，所述三个监测电极材料为金属，均分圆盘振子端面，用于监控圆盘谐振子工作在驱动模态。

本发明中，所述三个平衡电极材料为金属，均分圆盘振子端面，用于恢复圆盘谐振子的驱动模态振型，使得陀螺仪工作在力平衡模式。

本发明利用圆盘形振子的特殊模态作为参考振动，在该模态下圆盘边缘沿圆盘轴方向做剪切振动。通过在驱动电极上施加正弦交流电压，由逆压电效应产生圆盘谐振子在驱动模态振动。当有垂直于圆盘平面内的角速度输入时，在科氏力的作用下，圆盘振子的谐振方式会从驱动模态向检测模态变化，检测模态的剪切方向谐振振幅与输入角速度的大小成正比。通过检测圆盘谐振子的三个检测电极电压就可检测垂直于基底平面角速度的大小。

与现有技术相比，本发明的优点在于：1、利用圆盘谐振器厚度方向的剪切运动作为驱动和检测模态，谐振器刚度较大，具有较好的抗冲击性；2、圆盘形结构，对称性好，模态之间频率差小，能够增大陀螺的增益，提高灵敏度，这对输出信号较弱的固态陀螺来讲十分重要；3、采用振型完全一样的驱动模态和检测模态，使得温度变化对于驱动模态和检测模态的影响是一样的，因此降低了温度敏感性；4、由于PDMMG原理上采用面外驻波振动，因此可以通过在圆盘状谐振器的上下表面制作电极来驱动和检测，简化了制作工艺；5、基体采用PZT wafer，加工工艺为MEMS工艺，利于批量生产。

附图说明

通过参看下面结合附图进行的本发明的详细说明，可以很容易地理解本发明的各个特征和优点，附图中相同的标号表示相同的结构元件，其中：

图1是本发明的立体结构示意图，其中1代表以PZT为基体圆盘谐振子，2为支撑柱，3代表金属驱动电极，4代表金属平衡电极，5代表金属监测电极，6代表金属检测电极。

图2是本发明的ANSYS仿真数据，是该发明圆盘谐振子的驱动模态振型示意图；

图3是本发明的工作原理，说明的是在输入角速度的情况下，圆盘谐振子的振型由驱动模态向检测模态转变的立体振型示意图；

图4是本发明的ANSYS仿真数据，是该发明圆盘谐振子的检测模态振型示意图；

图5a,5b分别是本发明的驱动模态和检测模态的电压分布ANSYS仿真示意图；

图6是本发明的灵敏度曲线；

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：

一个基于PZT基体的圆盘谐振子1；

三个与圆盘谐振子端面平行的三个驱动电极3；

三个与圆盘谐振子端面平行的三个检测电极6；

三个与圆盘谐振子端面平行的三个监测电极5；

三个与圆盘谐振子端面平行的三个平衡电极4；以及

支撑圆盘谐振子的支撑柱2。

本实施例中，所述谐振子材料为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。压电效应是由于某些材料晶体原始单元中的电荷不对称性，从而导致形成电偶极子，在整个晶体内，这些偶极子效应的叠加产生整个晶体的极化，从而在材料内部产生电场。只有缺少对称中心的晶体才显现出压电特性。

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。根据以上分析本发明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，三个驱动电极3材料为金属，呈张角为25°的圆环形，均分圆盘振子端面（即位于位于圆盘三等分位置处），用于激励三角形振子产生驱动模态振型。

本实施例中，三个检测电极6材料为金属，呈张角为25°的圆环形，均分圆盘振子端面（即位于位于圆盘三等分位置处）。每个检测电极位于每个驱动电极的一侧，用于检测垂直于圆盘平面方向(z轴)方向角速度的大小。

本实施例中，三个监测电极5材料为金属，呈张角为25°的圆环形，均分圆盘振子端面（即位于位于圆盘三等分位置处）。每个监测电极位于每个检测电极的一侧，用于监测圆盘振子在驱动电极的激励下是否正常起振，如果在驱动模态下的振动不满足设计要求，通过监测电极进行调整。

本实施例中，三个平衡电极4材料为金属，呈张角为25°的圆环形，均分圆盘振子端面。每个平衡电极位于每个监测电极的一侧，用于强迫减弱圆盘谐振子在有角速度输入时检测模态振型，使得圆盘谐振子只是在驱动模态振型振动。

如图2所示，通过有限元分析的方法得到圆盘振子1的驱动模态。通过在三个驱动电极3上施加相同的正弦电压信号，使得压电基体由于逆压电效应产生驱动模态振动，此时圆盘振子在厚度剪切方向振动。

如图3所示，当有垂直于基底平面的z轴方向角速度输入时，陀螺在剪切方向的振动下受力如示意图所示。在科氏力的作用下，圆盘振子振动由驱动模态振型向检测模态振型变化，振动的幅值和输入角速度成正比。

如图4所示，通过有限元分析的方法得到圆盘振子的检测模态。当有垂直于基底平面的z轴方向角速度输入时，圆盘振子产生检测模态振型的振动，通过测量三个检测电极产生的压电效应电压可检测垂直于基底表面（z轴）的方向角速度的大小。

如图5所示，通过有限元分析方法得到压电圆盘微机械陀螺在驱动模态和检测模态的电压分布图。图5a显示驱动模态振动时圆盘振子的电压分布在驱动电极3和监测电极5处，这是驱动电极和监测电极分布的设计原因。图5b显示检测模态振动时圆盘振子的电压分布，在检测电极6处电压较高，在平衡电极4处电压反向较大，这是检测电极和平衡电极分布的设计原因。

如图6所示，通过ANSYS对压电谐振子进行数据仿真，得到这一发明结构的理想灵敏度直线。经过仿真计算，该发明对不同输入角速度的输出电压较大，可以在大线性范围内灵敏地测量输入角速度。

本实施例上述的压电驱动压电检测单轴微陀螺仪，利用PZT基体，采用MEMS微细加工工艺，利用牺牲层工艺在基板旋涂厚光刻胶如SU-8，利用制作好的掩模板进行光刻，之后显影、图形化，得到基于PZT材料的圆盘振子；再图形化的光刻胶掩模上溅射金属，形成驱动电极3、检测电极6、监测电极5和平衡电极4。最后，为圆盘谐振子焊接外围电路以及进行最终的封装得到陀螺芯片成品。

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 (8)

1.一种压电圆盘微机械陀螺，其特征在于包括：

一个具有支撑柱的圆盘谐振子；

三个与圆盘端面方向平行的驱动电极；

三个与圆盘端面方向平行的检测电极；

三个与圆盘端面平行的监测电极；以及

三个与圆盘端面平行的平衡电极；

所述三个驱动电极、三个检测电极、三个监测电极和三个平衡电极分别沿圆盘谐振子端面一周分布配置。

2.根据权利要求1所述的压电圆盘微机械陀螺，其特征是所述圆盘谐振子材料为PZT，使用压电效应进行驱动和检测，谐振子下表面通过一圆柱形支撑柱与PZT基底联接。

3.根据权利要求1所述的压电圆盘微机械陀螺，其特征是所述三个驱动电极、三个检测电极、三个监测电极和三个平衡电极，其中每个电极为张角25°的圆环形。

4.根据权利要求1-3任一项所述的压电圆盘微机械陀螺，其特征是所述三个驱动电极材料为金属，均分端面圆环分布，用于激励圆盘振子产生驱动模态振型。

5.根据权利要求1-3任一项所述的压电圆盘微机械陀螺，其特征是所述三个检测电极材料为金属，均分圆盘振子端面，用于检测垂直于基底平面方向即z轴方向的角速度引起的圆盘谐振子上电压。

6.根据权利要求1-3任一项所述的压电圆盘微机械陀螺，其特征是所述三个监测电极材料为金属，均分圆盘振子端面，用于监控圆盘谐振子工作在驱动模态。

7.根据权利要求1-3任一项所述的压电圆盘微机械陀螺，其特征是所述三个平衡电极材料为金属，均分圆盘振子端面，用于恢复圆盘谐振子的驱动模态振型，使得陀螺仪工作在力平衡模式。

8.根据权利要求1-3任一项所述的压电圆盘微机械陀螺，其特征是所述圆盘谐振子上的三个驱动电极被施加交流电压时，由逆压电效应产生圆盘谐振子在驱动模态振动；当存在输入角速度时，圆盘谐振子的振型向检测模态转变，利用检测电极处压电正效应产生的敏感信号。

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