CN102980565B - 圆环波动微机械陀螺及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种圆环波动微机械陀螺及其制备方法，包括：基底；金属圆环谐振子；位于所述金属圆环谐振子内的基底上的压电薄膜；两个均布于所述金属圆环谐振子圆环周围的检测电极；两个均布于所述金属圆环谐振子圆环周围的平衡电极；以及四个均布于所述金属圆环谐振子圆环周围的监测电极；八个电极与金属圆环谐振子形成八个以空气作为介电质的电容。本发明利用圆环的四波腹振动模态进行工作，对压电薄膜层驱动电极施加交流电压，由逆压电效应产生振动，带动圆环谐振子在驱动模态振动。当存在输入角速度时，圆环谐振子的振型向检测模态转变，利用检测电极与谐振子之间的间隙发生变化，经外围电路检测电容变化，处理得到输入角速度信号。

Description

圆环波动微机械陀螺及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种微机电技术领域的固体波陀螺，具体来说，涉及的是一种基于固体波原理的压电驱动电容检测圆环微机械陀螺及其制备方法。

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。

上述专利技术存在如下不足：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高频固体波圆环波动微机械陀螺及其制备方法，该陀螺适合大批量生产。

根据本发明的一个方面，提供一种圆环波动微机械陀螺，包括：

一基底；

一位于所述基底上的金属圆环谐振子；

一层位于所述金属圆环谐振子内的基底上的压电薄膜，该压电薄膜含有驱动电极；

两个均布于所述金属圆环谐振子圆环周围的检测电极；

两个均布于所述金属圆环谐振子圆环周围的平衡电极；以及

四个均布于所述金属圆环谐振子圆环周围的监测电极；

其中：两个所述检测电极、两个所述平衡电极间隔设置在四个所述监测电极之间，这八个电极与金属圆环谐振子形成了八个以空气作为介电质的电容，使用这八个电容来监测、检测和平衡该陀螺的工作状态。

优选地，所述金属圆环谐振子材料为铜，使用压电效应进行驱动，使用检测电极与金属谐振子形成的电容的间隙变化来检测，金属圆环谐振子下表面直接与基底联接。

优选地，所述四个监测电极、两个检测电极和两个平衡电极，每个电极为张角25°的圆环形，相邻电极之间的夹角为20°。

优选地，所述四个监测电极材料为金属，监测电极均分圆周分布，用于监测金属圆环谐振子是否工作在驱动模态振型下。

优选地，所述两个检测电极材料为金属，检测电极均分圆周分布，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金属圆环谐振子径向振动。

优选地，所述两个平衡电极材料为金属，平衡电极均分圆周分布，用于恢复金属圆环谐振子的驱动模态振型，使得陀螺仪工作在力平衡模式。

优选地，所述金属圆环谐振子和各电极都是通过电镀的方式分层制作在基板上，压电薄膜使用溅射的方法制作。

本发明利用金属圆环谐振子的四波腹振动模态作为参考振动，在该模态下圆环边缘沿圆环径向振动。通过在金属圆环谐振子连接的压电薄膜的驱动电极上施加正弦交流电压，由逆压电效应产生压电薄膜振动，从而带动金属圆环谐振子在驱动模态振动，金属圆环谐振子是否工作在四波腹振动形式需要使用激光多普勒振动测试仪检测。当有圆环轴向的角速度输入时，在科氏力的作用下，金属圆环谐振子的谐振方式会从驱动模态向检测模态变化，检测模态谐振振幅与输入角速度的大小成正比。通过检测金属圆环谐振子与检测电极构成的电容变化，从而得到金属圆环谐振子在检测模态的振幅，进而可以得到输入角速度的大小。

根据本发明的另一个方面，提供一种上述陀螺的制备方法，该方法采用MEMS微细加工工艺，利用牺牲层工艺在基板旋涂厚光刻胶，利用制作好的掩模板进行光刻，之后显影、图形化，然后在图形化的光刻胶掩模上反复电镀金属，形成金属谐振子、监测电极、检测电极和平衡电极；然后使用溅射工艺沉积一层PZT压电薄膜和电极；最后，为该陀螺样机焊接外围电路以及进行最终的封装得到陀螺芯片成品。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、利用毫米级尺寸范围的圆环结构，谐振器刚度较大，具有较好的抗冲击性；2、圆环形结构，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，方便后续电路设计；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、采用MEMS加工工艺，陀螺结构小，使用范围广，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是本发明一实施例的立体结构示意图；

图1中：1代表玻璃基体，2为金属圆环谐振子，3代表PZT压电薄膜（带驱动电极），4代表金属监测电极，5代表金属检测电极，6代表金属平衡电极。

图2是本发明的ANSYS仿真振型图，是该发明圆环谐振子的驱动模态振型示意图；

图3是本发明一实施例的工作原理图；

图4是本发明一实施例的ANSYS仿真振型图，是该发明圆环谐振子的检测模态振型示意图；

图5为本发明一实施例中压电薄膜与金属圆环谐振子的接触示意图；

图5中：1代表玻璃基体，2为金属圆环谐振子，3代表PZT压电薄膜，7代表压电薄膜上下金属电极。

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，本实施例提供一种圆环波动微机械陀螺，包括：

一基底1；

一位于所述基底上的金属圆环谐振子2；

一层位于所述金属圆环谐振子2内的基底上的压电薄膜3，，该压电薄膜含有驱动电极；

两个均布于所述金属圆环谐振子2圆环周围的检测电极5；

两个均布于所述金属圆环谐振子2圆环周围的平衡电极6；以及

四个均布于所述金属圆环谐振子2圆环周围的监测电极4；

其中：两个所述检测电极5、两个所述平衡电极6间隔设置在四个所述监测电极4之间。其中，金属圆环谐振子2与监测电极4、检测电极5、平衡电极6形成了八个金属电容，它们以空气作为介电质。

本实施例中，基底1采用玻璃基底。

本实施例中，所述四个监测电极均分圆周布置，用于监测金属圆环谐振子是否工作在驱动模态振型下。

本实施例中，所述两个检测电极均分圆周布置，用于检测垂直于基底1平面方向即z轴方向的角速度引起的金属圆环谐振子径向振动。

本实施例中，所述两个平衡电极均分圆周布置，用于恢复金属圆环谐振子的驱动模态振型，使得陀螺仪工作在力平衡模式。

本实施例中，所述金属圆环谐振子2材料为金属铜。该发明使用压电薄膜3进行激振。压电薄膜3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。本实施例中使用压电材料获取最大振动位移，选取压电系数较大的PZT材料，通过溅射的工艺制作出压电薄膜。

本实施例中，压电薄膜3溅射在金属圆环谐振子2内的基底1上，压电薄膜3的边缘与金属圆环谐振子2连接，当在压电薄膜3上的驱动电极施加交流电压时，压电薄膜3产生振动，从而带动金属圆环谐振子2振动。施加不同频率的交流电压，金属圆环谐振子2金属圆环产生的振动形式不一样。利用激光多普勒振动分析仪，检测金属圆环谐振子2金属圆环的圆周多点，判断金属圆环是否工作在四波腹振动形式。

本实施例中，四个监测电极4材料为金属，呈张角为25°的圆环形，均分圆环振子周长（即位于位于圆环四等分位置处）。监测电极4用于监测金属圆环谐振子2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4进行调整。

本实施例中，两个检测电极5材料为金属，呈张角为25°的圆环形，均分金属圆环谐振子2周长（即位于位于圆环对角位置）。每个检测电极5用于检测垂直于金属圆环谐振子2圆环平面方向(z轴)方向角速度的大小。

本实施例中，两个平衡电极6材料为金属，呈张角为25°的圆环形，均分金属圆环谐振子2周长（即位于位于圆环对角位置）。每个平衡电极6用于强迫减弱金属圆环谐振子2在有角速度输入时检测模态振型，使得金属圆环谐振子2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金属圆环谐振子2的驱动模态。通过在压电薄膜3的驱动电极上施加正弦电压信号，使得压电薄膜3由于逆压电效应产生径向振动，从而带动金属圆环谐振子2在产生振动，通过使用激光多普勒测振仪测量达到四波腹谐振时的频率，从而知道该谐振子的工作频率。

如图3所示，说明的是在输入角速度的情况下，圆环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。当有垂直于玻璃基底1平面的z轴方向角速度输入时，金属圆环谐振子2在径向的振动下受科氏力如示意图所示。在科氏力的作用下，金属圆环谐振子2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金属圆环谐振子2的检测模态。当有垂直于玻璃基底1平面的z轴方向角速度输入时，金属圆环谐振子2产生检测模态振型的振动，通过测量两个检测电极5与金属圆环谐振子2之间间距变化而引起的电容变化，可检测垂直于基底1表面（z轴）的方向角速度的大小。

如图5所示，压电薄膜3与金属圆环谐振子2的接触关系。压电薄膜3上下分别有一层金属电极7。下层的金属电极与金属圆环谐振子2连一块，保证同电势为0V；压电薄膜边缘与金属圆环谐振子2接触，在压电薄膜振动时，可以带动金属圆环谐振子2振动；上层的金属电极与金属圆环谐振子2隔离，作为压电薄膜接交流电压的驱动电极。当金属圆环谐振子2接0电势，压电薄膜的上层电极接交流电压时，金属圆环谐振子2振动。

本实施例上述的陀螺利用PZT薄膜驱动，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，然后在图形化的光刻胶掩模上反复电镀金属，形成金属谐振子2、监测电极4、检测电极5和平衡电极6。然后使用溅射工艺沉积一层PZT压电薄膜和电极；最后，为该陀螺样机焊接外围电路以及进行最终的封装得到陀螺芯片成品。

本实施例陀螺是一种高频固体波陀螺：由于谐振频率增加了2-3个数量级（到100kHz以上）而造成的机械（布朗）低噪降低；通过利用微加工工艺，减少了压电材料粘合操作，提高了准确性。本实施例陀螺的优点：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。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种圆环波动微机械陀螺，其特征在于包括：

一基底；

一位于所述基底上的金属圆环谐振子；

一层位于所述金属圆环谐振子内的基底上的压电薄膜，该压电薄膜含有驱动电极；

两个均布于所述金属圆环谐振子圆环周围的检测电极；

两个均布于所述金属圆环谐振子圆环周围的平衡电极；以及

四个均布于所述金属圆环谐振子圆环周围的监测电极；

其中：两个所述检测电极、两个所述平衡电极间隔设置在四个所述监测电极之间，这八个电极与所述金属圆环谐振子形成了八个以空气作为介电质的电容，使用这八个电容来监测、检测和平衡该陀螺的工作状态；每一个电极的最前端为一弧形环结构，并通过一个横梁引出；

所述压电薄膜上下分别设有一层金属电极，下层的金属电极与所述金属圆环谐振子连一块，保证同电势为0V，所述压电薄膜边缘与所述金属圆环谐振子接触，在所述压电薄膜振动时，带动所述金属圆环谐振子振动；上层的金属电极与所述金属圆环谐振子隔离，作为所述压电薄膜接交流电压的驱动电极，当所述金属圆环谐振子接0电势，所述压电薄膜的上层电极接交流电压时，所述金属圆环谐振子振动；

所述压电薄膜上的驱动电极被施加交流电压时，由逆压电效应产生振动，从而带动所述金属圆环谐振子振动，利用激光多普勒测振仪检测所述金属圆环谐振子的四波腹振动模态，从而让所述金属圆环谐振子工作在这一振动形式下；当存在输入角速度时，所述金属圆环谐振子的振型向检测模态转变，利用所述检测电极与所述金属圆环谐振子形成的电容间隙变化，检测所述金属圆环谐振子在检测模态振动敏感信号。

2.根据权利要求1所述的圆环波动微机械陀螺，其特征是所述金属圆环谐振子材料为铜，利用所述压电薄膜的逆压电效应进行驱动，利用检测电极与金属谐振子形成的电容的间隙变化进行检测。

3.根据权利要求1所述的圆环波动微机械陀螺，其特征是所述金属圆环谐振子和各电极都是通过电镀的方式分层制作在所述基底上，所述压电薄膜使用溅射的方法制作。

4.根据权利要求1所述的圆环波动微机械陀螺，其特征是所述四个监测电极、两个检测电极和两个平衡电极，每个电极为张角25°的圆环形，相邻电极之间的夹角为20°。

5.根据权利要求1-4任一项所述的圆环波动微机械陀螺，其特征是四个所述监测电极材料为金属，用于监测所述金属圆环谐振子是否工作在驱动模态振型。

6.根据权利要求1-4任一项所述的圆环波动微机械陀螺，其特征是两个所述检测电极材料为金属，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所述金属圆环谐振子检测模态上振动。

7.根据权利要求1-4任一项所述的圆环波动微机械陀螺，其特征是两个所述平衡电极材料为金属，用于恢复所述金属圆环谐振子的驱动模态振型，使得陀螺仪工作在力平衡模式。

8.一种权利要求1-7任一项所述的陀螺的制备方法，其特征在于采用MEMS微细加工工艺，利用牺牲层工艺在基板旋涂厚光刻胶，利用制作好的掩模板进行光刻，之后显影、图形化，然后在图形化的光刻胶掩模上反复电镀金属，形成金属谐振子、监测电极、检测电极和平衡电极；然后使用溅射工艺沉积一层PZT压电薄膜和电极；最后，为该陀螺样机焊接外围电路以及进行最终的封装得到陀螺芯片成品。