CN103196438A

CN103196438A - 一种基于行波模式的声表面波陀螺仪

Info

Publication number: CN103196438A
Application number: CN2013100679130A
Authority: CN
Inventors: 王文; 邵秀婷; 何世堂
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2013-03-04
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-03-04
Also published as: CN103196438B

Abstract

本发明涉及一种基于行波模式的SAW陀螺仪，所述的SAW陀螺仪（3）包括一块压电基片（32）、置于压电基片（32）表面的第一延迟线（31）和第二延迟线（33）、以及分布于第一延迟线（31）和第二延迟线（33）两端的吸声胶（315）；其特征在于：所述的第一延迟线（31）的两个叉指换能器之间分布有第一金属点阵（36），所述的第二延迟线（33）的两个叉指换能器之间分布有第二金属点阵（39）；所述的第一延迟线（31）和第二延迟线（33）为平行且反向设置，并且具有相同结构。所述的压电基片（32）为绕Y向旋转112°切割且沿X方向传播的LiTaO₃压电基片。通过该结构，有效的改善了陀螺仪的检测灵敏度性能。

Description

一种基于行波模式的声表面波陀螺仪

技术领域

本发明涉及声学技术中的一种声表面波陀螺仪（以下简称SAW陀螺仪），特别是涉及一种基于行波模式的声表面波陀螺仪。

背景技术

基于声表面波技术的陀螺仪相对于其他类型如光纤、微机械以及红外等陀螺类型而言具有结构简单、抗振动能力强、使用寿命长、成本低等特点（吕志清等，“MEMS-IDT声表面波陀螺”，微纳米电子技术，40（4），2003，27-33）。现有技术的SAW陀螺仪有两种模式。一种是基于所谓的驻波模式的SAW陀螺（Varadan V.K,“Design and development of a MEMS-IDT gyroscope”,Smart Mater.Struct.,2000,9,pp.898-905;Kose et al,“Surface acoustic wave MEMS gyroscope”,Wave Motion,Vol.36,2002,pp:367-381），如图1所示，基于驻波模式的SAW陀螺仪1由置于同一个压电基片14之上的一个两端对SAW谐振器11、分布于SAW谐振器11的谐振腔内的金属点阵12以及与SAW谐振器11正交设置的一个SAW延迟线13构成。SAW谐振器11作为稳定的参考振动源，由于沿某一方向的旋转，形成垂直于速度与旋转方向的哥氏（Colriolis）力，并通过分布于驻波反节点位置的金属点阵同相叠加获得沿平面垂直谐振器内声波传播方向的二次声表面波，并由SAW延迟线13接收形成电信号输出，以实现对角速率的检测。但是这种驻波模式的SAW陀螺仪仍然存在一些明显的缺陷：输出信号为微伏级的电信号，影响了传感器的精度改善；另外由于采用具有高压电特性的LiNbO₃作为器件基片，其较高的温度系数导致了传感器的温度不稳定性，而限制于传感器交叉结构难以实现对传感器的温度补偿。

为改善上述驻波模式的SAW陀螺仪的性能，作为例子，现有技术中的另一种陀螺结构，即基于行波模式的SAW陀螺结构，如图2所示，SAW陀螺仪2由平行反向设置且具有相同结构的第一延迟线21和第二延迟线23构成，由于旋转，哥氏力作用于第一延迟线21和第二延迟线23内传播的声波，引起声波振动位移发生变化，从而导致声波速度发生相应变化，再利用某种振荡器结构以振荡频率变化来表征待测角速度。由于第一延迟线21和第二延迟线23反向设置，哥氏力作用力作用于传播声波所引起的声波速度变化极性相反，从而可以通过差分振荡器结构在改善温度稳定性的同时实现检测灵敏度的倍增（S.Lee,J.Rhim,S.Park,S.Yang,A micro rategyroscope based on the SAW gyroscope effect,Journal of Micromechanics andMicroengineering17(2007)2272-2279）。但是SAW陀螺仪2也面临一些问题，由于哥氏力直接作用于传播声波，振动质点质量极小导致哥氏力作用微弱，使得陀螺仪检测灵敏度极低，远不能满足实际应用的需要。

发明内容

本发明的目的在于，为解决上述的SAW陀螺仪所存在的问题，实现SAW陀螺仪具有较高的检测灵敏度、良好的温度稳定性的特点；从而提供一种由两个平行且反向设置的且在声传播路径上分布金属点阵延迟线构成的新型SAW陀螺仪。

为实现上述发明目的，本申请提出了一种基于行波模式的SAW陀螺仪，所述的SAW陀螺仪3包括一块压电基片32、置于压电基片32表面的第一延迟线31和第二延迟线33、以及分布于第一延迟线31和第二延迟线33两端的吸声胶315；其特征在于：所述的第一延迟线31的两个叉指换能器之间分布有第一金属点阵36，所述的第二延迟线33的两个叉指换能器之间分布有第二金属点阵39；所述的第一延迟线31和第二延迟线33为平行且反向设置，并且具有相同结构。

作为上述技术方案的一种改进，所述的压电基片32为绕Y向旋转112°切割且沿X方向传播的LiTaO₃压电基片。该基片具有良好的角速度灵敏度。

作为上述技术方案的一种改进，所述的第一延迟线31和第二延迟线33中的叉指换能器电极采用铝材料，铝电极膜厚为1%～1.5%λ_x，λ_x为沿声波传播方向的声波波长。

作为上述技术方案的一种改进，所述的第一延迟线31和第二延迟线33中的叉指换能器采用EWC/SPUDT结构，在叉指对310之间设置反射电极311；所述的叉指对310由两个宽度为1/8λ_x的电极组成，λ_x为沿声波传播方向的声波波长，且该两个电极之间间距为1/8λ_x，反射电极311的宽度为1/4λ_x，且反射电极311与叉指对310的边缘距离为3/16λ_x；

所述的第一延迟线31的第一叉指换能器34和第二延迟线33的第二叉指换能器38中的反射电极311置于电极对310的右边；所述的第一延迟线31的第二叉指换能器35和第二延迟线33的第一叉指换能器37中的反射电极311置于叉指对310的左侧。

反射电极311的位置取决于压电材料与叉指电极材料。在本发明中所采用的压电基片32为绕Y向旋转112度切割且沿X方向传播的LiTaO₃，且叉指电极采用铝材料，这样，在所述的第一延迟线31的第一叉指换能器34和第二延迟线33的第二叉指换能器38中，反射电极311置于叉指对310右边；所述的第一延迟线33的第二叉指换能器35以及第二延迟线33的第一叉指换能器37的反射电极311则置于叉指对310的右边。

所述的SAW陀螺仪3的第一延迟线31和第二延迟线33均采用控制电极宽度的单向单相换能器（EWC/SPUDT）结构以降低器件带宽，且获得较低的插入损耗。采用典型的SPUDT结构，在本发明中结合铝电极和112oYXLiTaO3的EWC/SPUDT结构，实现了SPUDT的特性，即使得声波沿一个方向传递，从而降低器件损耗，改善传感器稳定性及检测下限指标。

作为上述技术方案的一种改进，所述的第一延迟线31的第一叉指换能器34和第二延迟线33的第二叉指换能器38采用梳状结构，叉指换能器被周期性的抽走部分叉指电极，分成了若干组梳齿结构单元，即叉指换能器被周期性的抽走部分叉指电极，分成了若干组（从3到5组不等）被称为梳齿313（314）的结构单元；所述的第一延迟线31和第二延迟线33上的梳齿313/梳齿314之间的中心间距与第二叉指换能器36/第一叉指换能器37的长度相等，同时，第一延迟线31/第二延迟线33的两个叉指换能器之间的中心间距与第一叉指换能器34/第二叉指换能器38的长度相同。该梳状结构，主要用于实现声表面波器件通带内只有一个相位周期，即在器件通带内满足振荡器起振条件的相位对应频率点只有一个，从而改善振荡器的频率稳定度。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的第一延迟线31的第一叉指换能器34的梳齿313之间填充电极宽度及边缘间距均为1/8λ_x的第一接地假指312，所述的第二延迟线33的第二叉指换能器38的梳齿314之间也填充电极宽度及边缘间距均为1/8λ_x的第二接地假指316，以保持在声传播路径上声波速度的均一性。

作为上述技术方案的一种改进，所述的第一金属点阵36和第二金属点阵39采用膜厚为250nm～350nm的金材料。为改善金在压电基片32上的附着性，所述的第一金属点阵36和第二金属点阵39在镀金之前先在压电基片32上镀上一层膜厚为20～30nm的铬。

作为上述技术方案的一种改进，所述的第一金属点阵36/第二金属点阵39与其两侧的两个叉指换能器之间的边缘间隔l₅、l₆、l₇和l₈均同时为N×λ_x，N为整数，取值为3到10之间。该金属点阵结构的设计，主要是保证点阵元置于声表面波传播路径上质点振动幅度最大之处，从而改善陀螺效应。

作为上述技术方案的一种改进，所述的第一金属点阵36和第二金属点阵39的点阵元317沿x方向宽度l₁为1/4λ_x，y方向宽度l₂为1/4λ_y，其中，λ_x为沿声波传播方向的声波波长，λ_y为垂直于声波传播方向的声波波长，点阵元317之间x方向的中心间距l₃为λ_x，y方向的中心间距l₄为λ_y。

该金属点阵的点阵元的大小的选择直接影响到陀螺效应的作用效果，如果过小，陀螺效应不明显，如果太大，则会大幅增加声表面波的传播衰减，因而，最优结构采用如上所述的结构。

作为上述技术方案的一种改进，所述的第一金属点阵36和第二金属点阵39沿y向的中心间距的高度h小于第一延迟线31和第二延迟线33的声孔径。这主要是考虑到如果点阵沿y向的高度大于器件的声孔径的部分对于陀螺效应的增加是没有意义的。

作为上述技术方案的一种改进，所述的第一延迟线31的第一叉指换能器34和第二延迟线33的第二叉指换能器38的长度为100λ_x～600λ_x；所述的第一延迟线31的第二叉指换能器35和第二延迟线33的第一叉指换能器37为很短的宽带换能器，长度为30λ_x～100λ_x。

本发明的优点在于：本发明通过采用一种由平行且方向设置的双延迟线型结构，且在延迟线换能器之间分布由金材料构成的金属点阵，并采用具有良好角速率灵敏性的绕Y旋转112°切割且沿X方向传播的LiTaO₃压电基片来实现一种新型的行波模式的陀螺仪。此外，将EWC/SPUDT与梳状结构应用到延迟线的设计之中，用以降低器件的插入损耗，同时获得一种单一振荡模式，从而将改善陀螺仪的检测下限以及稳定性。两延迟线的平行且反向设置差分结构，将有助于改善陀螺仪系统的温度稳定性，并且获得更高的检测灵敏度；延迟线的换能器间的金属点阵的使用将有效的改善哥氏作用力，从而大大改善陀螺仪的检测灵敏度。

附图说明

图1是常规的基于驻波模式的SAW陀螺仪的结构示意图；

图2是常规的基于行波模式的SAW陀螺仪的结构示意图；

图3是本发明的SAW陀螺仪的结构示意图；

图4是本发明的SAW陀螺仪中金属点阵的结构示意图；

图5是应用于本发明的SAW陀螺仪中的EWC/SPUDT结构的示意图；

图6是本发明的SAW陀螺仪的延迟线的典型频响特性的曲线示意图。

附图标示：

1.常规驻波模式的SAW陀螺仪

11.常规驻波模式的SAW陀螺仪1的SAW谐振器

12.常规驻波模式的SAW陀螺仪1的金属点阵

13.常规驻波模式的SAW陀螺仪1的SAW延迟线

14.常规驻波模式的SAW陀螺仪1的压电基片

2.常规行波模式的SAW陀螺仪

21.常规行波模式的SAW陀螺仪2的第一延迟线

22.常规行波模式的SAW陀螺仪2的压电基片

23.常规行波模式的SAW陀螺仪2的第二延迟线

3.本发明的SAW陀螺仪

31.本发明的SAW陀螺仪3的第一延迟线

32.SAW陀螺仪3的压电基片

33.SAW陀螺仪3的第二延迟线

34.第一延迟线31的第一叉指换能器

35.第一延迟线31的第二叉指换能器

36.SAW陀螺仪3的第一金属点阵

37第二延迟线33的第一叉指换能器

38.第二延迟线33的第二叉指换能器

39.SAW陀螺仪3的第二金属点阵

310.EWC/SPUDT的叉指对

311.EWC/SPUDT的反射电极

312.第一延迟线31的第一叉指换能器34的第一接地假指

313.第一延迟线31的第一叉指换能器34的梳齿

314.第二延迟线33的第二叉指换能器38的梳齿

315.吸声胶

316.第二延迟线33的第二叉指换能器38的第二接地假指

317.金属点阵元

具体实施方式

为了更全面的理解本发明，并为了解本发明另外的目的和优点，现在结合相应附图对本发明进行详细说明。

本发明提供的新型行波模式的SAW陀螺仪，包括：两组设置于同一绕Y旋转112°切割且沿X方向传播的LiTaO₃压电基片上的采用EWC/SPUDT和梳状换能器的第一SAW延迟线31和第二延迟线33，设置于第一延迟线31和第二延迟线33的叉指换能器之间的第一金属点阵36和第二金属点阵39，以及设置于第一延迟线31和第二延迟线33两端的吸声胶，具体结构如图3所示。

所述的第一延迟线31和第二延迟线33制作在同一压电基片上，通过差分结构以最大程度的消除外围环境特别是温度的影响，并实现检测灵敏度的倍增。

参考图3，制作一个新型行波模式的SAW陀螺仪3，该陀螺仪由两组制作在同一压电基片32的平行反向设置且具有相同结构的第一延迟线31和第二延迟线33、分布于第一延迟线31和第二延迟线33的第一金属点阵36和第二金属点阵39、分布于第一延迟线31和第二延迟线33两端的吸声胶315组成。所述的压电基片32采用绕Y旋转112°切割且沿X方向传播的LiTaO₃压电基片。所述的第一延迟线31和第二延迟线33的叉指换能器均采用铝电极，电极膜厚为1%～1.5%λ_x。所述的第一金属点阵36和第二金属点阵39采用金材料，金膜的膜厚为250nm～350nm，为改善金的镀膜附着性，在金点阵镀膜之前，镀上一层较薄的铬膜，膜厚在20nm～40nm。第一金属点阵36与第一延迟线31的第一叉指换能器34和第二叉指换能器35的边缘间隔l₅和l₆以及第二金属点阵39与第二延迟线33的第一叉指换能器37和第二叉指换能器38的边缘间隔l₇和l₈均为N×λ_x，N为整数，一般为3到10之间。第一金属点阵36和第二金属点阵39沿y向的高度小于第一延迟线31和第二延迟线33的声孔径。金属点阵的存在将大大增强哥氏力作用，从而增强了陀螺效应，大幅改善陀螺仪的检测灵敏度。

参见图4，所述的SAW陀螺仪3的第一延迟线31和第二延迟线33的叉指换能器之间分布的第一金属点阵36和第二金属点阵39的结构如下：金点阵元317沿x方向宽度l₁为1/4λ_x，y方向宽度l₂为1/4λ_y，其中λ_y为垂直于声波传播方向（y方向）的声波波长。点阵元317之间的x方向的间距l₃为λ_x，y方向的间距l₄为λ_y。

参见图5，第一延迟线31和第二延迟线33均采用EWC/SPUDT结构，用以降低器件的插入损耗和实现单一振荡模式特点。参见图3，应用于第一延迟线31的第一叉指换能器34和第二延迟线33的第二叉指换能器38的EWC/SPUDT结构由叉指对310和分布于叉指对310之间的反射电极311构成。叉指对电极宽度为1/8λ_x，且电极之间边缘间距为1/8λ_x，反射电极311的宽度为1/4λ_x，且反射电极311与叉指对310的边缘距离为3/16λ_x。考虑到所述的SAW陀螺仪3采用绕Y向旋转112°切割且沿X方向传播的LiTaO₃压电基片，且所述的第一延迟线31和第二延迟线33的叉指换能器均采用铝电极，在第一延迟线31的第一叉指换能器34和第二延迟线33的第二叉指换能器38中，反射电极311置于叉指对310的右边。与之相反的是，应用于第一延迟线31的第二叉指换能器35和第二延迟线33的第一叉指换能器37的EWC/SPUDT结构中反射电极311置于叉指对310的左侧。

参见图3，所述的第一延迟线31的第一叉指换能器34和第二延迟线33的第二叉指换能器38同时采用梳状结构，即叉指换能器被周期性的抽走部分叉指电极，分成了若干组（从3到5组不等）被称为梳齿313（314）的结构单元。针对第一延迟线31而言，梳齿313之间的中心间隔与第二叉指换能器36的长度相等，同时第一叉指换能器34和第二叉指换能器35之间的中心间距与第一叉指换能器34的长度相同；针对第二延迟线33而言，梳齿314之间的中心间隔与第一叉指换能器37的长度相等，同时第二叉指换能器38和第一叉指换能器37之间的中心间距与第二叉指换能器38的长度相同。同时，在第一延迟线31的第一叉指换能器34的梳齿313之间填充电极宽度及边缘间距均为1/8λ_x的接地假指312，同样，第二延迟线33的第二叉指换能器38的梳齿314之间也填充电极宽度及边缘间距均为1/8λ_x的接地假指316，以保持在声传播路径上声波速度的均一性。

如图3所示的实施例，制备了行波模式的SAW陀螺仪的样品，其中，SAW陀螺仪的工作频率为80MHz，基片材料采用绕Y旋转112°切割且沿X方向传播的LiTaO₃压电基片，铝电极膜厚为200nm。第一延迟线的第一叉指换能器长度为130λ_x，并分为4组，每组包含梳齿和梳齿之间分布的接地假指，梳齿由EWC/SPUDT构成，其长度为10λ_x，假指为1/8λ_x；第一延迟线的第二叉指换能器的长度为40λ_x。第一叉指换能器与第二叉指换能器之间的中心距离为60λ_x。在两叉指换能器之间分布的金点阵，点阵元的膜厚为：金300nm，铬为20nm。金点阵与延迟线的第一叉指换能器和第二叉指换能器的边缘间距均为5λ_x，金点阵的分布大小为50λ_x×50λ_y。第一延迟线的声孔径为60λ_y。此外，SAW陀螺仪的第二延迟线结构与第一延迟线相同，所不同的是第二延迟线与第一延迟线在同一压电基片上平行且反向设置。这样，就获得了一种新型行波模式的SAW陀螺仪，所制备样品大小为10mm×5mm。

图6示出了本发明实施例的SAW陀螺仪的第一延迟线的频响曲线，从图中可以看出，器件具有低损耗（<6dB）和单一振荡模式的特点，也就是说，在作为振荡器的频率控制元中，如果器件最低损耗对应频率点满足振荡器起振要求，对应相位为A。如果相位偏移180度到B和C频率点，此时B和C频率点对应器件的损耗比A点对应频率点的损耗大了超过10dB，这就使B和C对应频率点不能满足振荡要求，从而使得振荡器比较稳定的在A点起振，实现了振荡器的单一振动模式。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种基于行波模式的SAW陀螺仪，所述的SAW陀螺仪（3）包括一块压电基片（32）、置于压电基片（32）表面的第一延迟线（31）和第二延迟线（33）、以及分布于第一延迟线（31）和第二延迟线（33）两端的吸声胶（315）；其特征在于：所述的第一延迟线（31）的两个叉指换能器之间分布有第一金属点阵（36），所述的第二延迟线（33）的两个叉指换能器之间分布有第二金属点阵（39）；所述的第一延迟线（31）和第二延迟线（33）为平行且反向设置，并且具有相同结构。

2.按权利要求1所述的SAW陀螺仪，其特征在于，所述的压电基片（32）为绕Y向旋转112°切割且沿X方向传播的LiTaO₃压电基片。

3.按权利要求1或2所述的SAW陀螺仪，其特征在于，所述的第一延迟线（31）和第二延迟线（33）中的叉指换能器电极采用铝材料，铝电极膜厚为1%～1.5%λ_x，λ_x为沿声波传播方向的声波波长。

4.按权利要求3所述的SAW陀螺仪，其特征在于，所述的第一延迟线（31）和第二延迟线（33）中的叉指换能器采用EWC/SPUDT结构，在叉指对（310）之间设置反射电极（311）；所述的叉指对（310）由两个宽度为1/8λ_x的电极组成，λ_x为沿声波传播方向的声波波长，且该两个电极之间间距为1/8λ_x，反射电极（311）的宽度为1/4λ_x，且反射电极（311）与叉指对（310）的边缘距离为3/16λ_x；

所述的第一延迟线（31）的第一叉指换能器（34）和第二延迟线（33）的第二叉指换能器（38）中的反射电极（311）置于电极对（310）的右边；所述的第一延迟线（31）的第二叉指换能器（35）和第二延迟线（33）的第一叉指换能器（37）中的反射电极（311）置于叉指对（310）的左侧。

5.按权利要求1所述的SAW陀螺仪，其特征在于，所述的第一延迟线（31）的第一叉指换能器（34）和第二延迟线（33）的第二叉指换能器（38）采用梳状结构，叉指换能器被周期性的抽走部分叉指电极，分成了若干组梳齿结构单元；

所述的第一延迟线（31）和第二延迟线（33）上的梳齿（313）/梳齿（314）之间的中心间距与第二叉指换能器（36）/第一叉指换能器（37）的长度相等，同时，第一延迟线（31）/第二延迟线（33）的两个叉指换能器之间的中心间距与第一叉指换能器（34）/第二叉指换能器（38）的长度相同。

6.按权利要求5所述的SAW陀螺仪，其特征在于，所述的第一延迟线（31）的第一叉指换能器（34）的梳齿（313）之间填充电极宽度及边缘间距均为1/8λ_x的第一接地假指（312），所述的第二延迟线（33）的第二叉指换能器（38）的梳齿（314）之间也填充电极宽度及边缘间距均为1/8λ_x的第二接地假指（316），以保持在声传播路径上声波速度的均一性。

7.按权利要求1所述的SAW陀螺仪，其特征在于，所述的第一金属点阵（36）和第二金属点阵（39）采用膜厚为250nm～350nm的金材料。

8.按权利要求7所述的SAW陀螺仪，其特征在于，为改善金在压电基片（32）上的附着性，所述的第一金属点阵（36）和第二金属点阵（39）在镀金之前先在压电基片（32）上镀上一层膜厚为20～30nm的铬。

9.按权利要求1、7或8所述的SAW陀螺仪，其特征在于，所述的第一金属点阵（36）/第二金属点阵（39）与其两侧的两个叉指换能器之间的边缘间隔l₅、l₆、l₇和l₈均同时为N×λ_x，N为整数，取值为3到10之间。

10.按权利要求9所述的SAW陀螺仪，其特征在于，所述的第一金属点阵（36）和第二金属点阵（39）的点阵元（317）沿x方向宽度l₁为1/4λ_x，y方向宽度l₂为1/4λ_y，其中，λ_x为沿声波传播方向的声波波长，λ_y为垂直于声波传播方向的声波波长，点阵元（317）之间x方向的中心间距l₃为λ_x，y方向的中心间距l₄为λ_y。

11.按权利要求9所述的SAW陀螺仪，其特征在于，所述的第一金属点阵（36）和第二金属点阵（39）沿y向的中心间距的高度小于第一延迟线（31）和第二延迟线（33）的声孔径。

12.按权利要求1所述的SAW陀螺仪，其特征在于，所述的第一延迟线（31）的第一叉指换能器（34）和第二延迟线（33）的第二叉指换能器（38）的长度为100λ_x～600λ_x；所述的第一延迟线（31）的第二叉指换能器（35）和第二延迟线（33）的第一叉指换能器（37）为很短的宽带换能器，长度为30λ_x～100λ_x。