CN103697875B - 管脚式压电固体波动模态匹配陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种管脚式压电固体波动模态匹配陀螺，包括一个顶面为正方形的长方体谐振子、一个当中镂空的回柱形框架、四根连接长方体谐振子和回柱形框架的细梁、两个对称分布于长方体谐振子顶面中央的驱动电极、四个对称分布于长方体谐振子顶面四角的检测电极、六个沿回柱形框架外延分布的管脚，其中：长方体谐振子处于回柱形框架镂空部分中央，靠四根细梁与回柱形框架连接；驱动电极和检测电极通过金属连接线经过细梁连接到管脚上。本发明具有结构简单、加工方便、小体积、具有高Q值等特点，且利于封装。
Description
技术领域
本发明涉及一种微机电技术领域的固体波动模态匹配陀螺，具体地，涉及一种管脚式压电固体波动模态匹配陀螺。
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，Mochida Y,Tamura M,Ohwada K在Sensors andActuators A:Physical的2000年80(2)期的第170-178页发表的A micromachinedvibrating rate gyroscope with independent beams for the drive and detection modes文章中，提到了一种以弹簧质量系统为原理的微陀螺，这种陀螺主要通过利用两个旋转振荡模式对z轴的角速度进行检测。当位于x轴的驱动电极输入信号时，器件被激励，沿x轴振荡，在科里奥利力的作用下，器件产生沿y轴的振荡。通过位于y轴的检测电极产生输出信号对z轴的角速度进行检测。
此技术存在如下不足：该弹簧质量系统微陀螺谐振体的结构脆弱，限制了其在很多必须在抗冲击条件下的应用；陀螺的加工工艺比较复杂，加工成本较高，不适合大批量生产和进行封装；陀螺驱动模态和检测模态频率分裂较大，致使陀螺的带宽较大，品质因数很难提高；陀螺噪声较大，产生的信号较小，不便于提高检测的精度。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种管脚式压电固体波动模态匹配陀螺，该陀螺结构简单、加工方便、小体积、、抗冲击能力好、在大气压或者接近大气压下维持高Q值，且利于封装从而降低了制造成本。
为实现以上目的，本发明提供一种管脚式压电固体波动模态匹配陀螺，包括：
一个顶面为正方形的长方体谐振子；
一个当中镂空的回柱形框架；
四根连接长方体谐振子和回柱形框架的细梁；
两个对称分布于长方体谐振子顶面中央的驱动电极；
四个对称分布于长方体谐振子顶面四角的检测电极；
六个沿回柱形框架外延分布的管脚；
其中：所述长方体谐振子设置于所述回柱形框架的镂空部分中央位置，在所述长方体谐振子的上下正方形面四组对称边中点连线位置通过四根所述细梁与所述回柱形框架连接固定；所述驱动电极和所述检测电极通过金属连接线经过所述细梁连接到所述管脚上。
优选地，四个所述驱动电极材料均为金属，形状均为长方形；所述驱动电极对称分布于长方体谐振子顶面中央的正方形区域中，用于激励长方体谐振子产生驱动模态振型。
优选地，四个所述检测电极材料均为金属，形状均为Γ形；所述检测电极对称分布于长方体谐振子顶面四角，且检测电极的Γ形两边分别与长方体谐振子顶面的一边平行，同时分别与驱动电极长方形的两边平行，用于检测垂直于长方体谐振子底面平面方向即z轴方向的角速度引起的长方体谐振子上电压变化。
优选地，所述长方体谐振子材料为硅衬底AlN，使用压电效应进行驱动和检测。
优选地，六个所述管脚材料均为金属，形状均为长方形；在后期封装时六个管脚可以作为集成芯片的引脚。
优选地，所述驱动电极所对应的管脚被施加交流电压时，由逆压电效应产生长方体谐振子在驱动模态振动；当存在输入角速度时，长方体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通过检测电极所对应的管脚输出进行信号检测；上述驱动模态和检测模态互相匹配。
本发明利用长方体谐振子的特殊模态作为参考振动，在该模态下长方体谐振子顶部四角沿顶面四边方向振动；通过在两个驱动电极所对应的管脚上施加正弦交流电压，由逆压电效应产生长方体谐振子在驱动模态振动；当有垂直于长方体谐振子底部的角速度输入时，在科氏力的作用下，长方体谐振子的谐振方式会从驱动模态向检测模态变化，检测模态的沿顶面四边方向谐振振幅与输入角速度的大小成正比；通过检测电极所对应的管脚检测长方体谐振子的四个检测电极上的电压变化，就可检测垂直于长方体谐振子底面平面角速度的大小。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、利用长方体谐振器宽度方向的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、长方体结构，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、基体采用硅衬底AlN，加工工艺为平面微细加工工艺，加工方便，利于批量生产；
5、在加工过程中只需要通过掩模、刻蚀就可以形成用于支撑谐振子的四根细梁，无需另外考虑支撑方式；
6、陀螺的驱动电极与检测电极均通过连接线与外部管脚导通，利于后期将器件集成为芯片。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本实施例的立体结构示意图；
图2为本实施例的俯视示意图；
图3为本实施例的侧视示意图；
图4为本实施例用于刻蚀通孔部分的掩模板示意图；
图5为本实施例用于溅射金属部分的掩模板示意图；
图6为本实施例通过有限元分析的方法得到长方体谐振子1的驱动模态振型仿真示意图；
图7为图6的驱动模态振型的简化示意图；
图8为本实施例长方体谐振子1的检测模态振型仿真示意图；
图9为本实施例通过有限元分析的方法得到长方体谐振子1的检测模态振型仿真图；
图10为图9的检测模态振型的简化示意图：
图11为本实施例的驱动模态的电压分布ANSYS仿真示意图；
图12为本实施例的检测模态的电压分布ANSYS仿真示意图。
图中：1为长方体谐振子，2为回柱形框架，3为细梁，4为驱动电极；5为检测电极，6为管脚，7为连接线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1、2所示，本实施例提供一种管脚式压电固体波动模态匹配陀螺，包括：
一个顶面为正方形的长方体谐振子1；
一个当中镂空的回柱形框架2；
四根连接长方体谐振子1和回柱形框架2的细梁3；
两个对称分布于长方体谐振子1顶面中央的驱动电极4；
四个对称分布于长方体谐振子1顶面四角的检测电极5；
六个沿回柱形框架2外延分布的管脚6；
六根连接电极和管脚的连接线7；
其中：所述长方体谐振子1设置于所述回柱形框架2的镂空部分中央位置，在所述长方体谐振子1的上下正方形面四组对称边中点连线位置通过四根所述细梁3与所述回柱形框架2连接固定；所述驱动电极4和所述检测电极5通过所述连接线7经过所述细梁3连接到所述管脚6上。
如图3所示，本实施例中，所述长方体谐振子1、所述回柱形框架2、所述细梁3的材料均为硅衬底AlN；所述驱动电极4、所述检测电极5、所述管脚6、所述连接线7的材料均为金属。
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。而通过压电薄膜的逆压电效应将电能量转换成波动而形成谐振的方式，称为固体波动谐振技术。
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）、AlN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、具有优异压电和表声波特性的AlN作为振动体。
本实施例中，长方体谐振子1上下正方形面的四组对称边中点连线位置通过四根细梁3与回柱形框架2连接，以此实现长方体谐振子1与回柱形框架2固定。
本实施例中，两个驱动电极4形状为长方形，对称分布于长方体谐振子1顶面中央的正方形区域中，用于激励长方体谐振子1产生驱动模态振型。
本实施例中，四个检测电极5形状为Γ形，对称分布于长方体谐振子1顶面四角，且检测电极5的Γ形两边分别与长方体谐振子1顶面的一边平行，同时分别与驱动电极4长方形的两边平行，用于检测垂直于底面平面方向即z轴方向的角速度引起的长方体谐振子1上的电压变化。
本实施例中，六个管脚6形状为长方形，沿回柱形框架2外延分布，且驱动电极4和检测电极5分别通过金属连接线7经过细梁3连接到管脚6上；在后期封装时六个管脚6可以作为集成芯片的引脚。
如图4所示为本实施例用于刻蚀通孔部分的掩模板示意图：先利用牺牲层工艺在基板旋涂厚光刻胶如SU-8，再利用制作好的掩模板进行光刻，之后显影（图中阴影部分）、图形化，进行刻蚀，得到长方体谐振子1、回柱形框架2、细梁3的结构。
如图5所示为本实施例溅射金属部分的掩模板示意图：在制作完成的结构上图形化光刻胶掩模的基础上（显影图中阴影部分），在表面溅射金属，形成驱动电极4、检测电极5、管脚6和连接线7。
如图6所示为本实施例通过有限元分析的方法得到长方体谐振子1的驱动模态振型仿真示意图，如图7所示为图6的驱动模态振型的简化示意图：通过在两个驱动电极4所对应的管脚6上施加频率、幅值相同、相位相差180°的正弦电压信号，使得长方体谐振子1由于逆压电效应产生驱动模态振动，此时长方体谐振子1的四角沿其顶面四边方向振动；当有垂直于长方体谐振子1底面平面的z轴方向角速度输入时，陀螺在振动方向上的受力如图8所示；在科氏力的作用下，长方体谐振子1的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9所示为本实施例通过有限元分析的方法得到长方体谐振子1的检测模态振型仿真示意图，如图10所示为图9的检测模态振型的简化示意图：当有垂直于长方体谐振子1底面平面的z轴方向角速度输入时，长方体谐振子1产生检测模态振型的振动，通过检测电极5对应的管脚6，测量四个检测电极5产生的压电效应电压，可检测垂直于长方体谐振子1底面平面的z轴方向的角速度的大小。
如图6和图9所示的长方体谐振子1的驱动模态和检测模态互相匹配，其含义是：驱动模态和检测模态的振型相似，只互相相差一定的角度；驱动模态和检测模态当中不含其它振动模态，频率分裂小；当本实施例中的长方体谐振子1的顶部面空间对称时形成模态匹配；当本实施例中的长方体谐振子1的顶部面空间不对称时模态匹配无法形成。
如图11所示为本实施例的驱动模态的电压分布ANSYS仿真示意图；如图12所示为本实施例的检测模态的电压分布ANSYS仿真示意图。图11、12说明了在驱动模态和检测模态下，回柱形谐振子1由于压电效应而产生的电荷分布情况。
本实施例所述的管脚式压电固体波动模态匹配陀螺，利用硅衬底AlN基体，采用MEMS平面微细加工工艺，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，得到长方体振子1、回柱形框架2、细梁3；再在图形化的光刻胶掩模上溅射金属，形成驱动电极4、检测电极5、管脚6、连接线7；最后，为长方体谐振子1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 (6)
1.一种管脚式压电固体波动模态匹配陀螺，包括谐振子、驱动电极和检测电极，其特征在于，还包括：框架、细梁以及管脚；
所述谐振子为一个顶面为正方形的长方体谐振子；
所述框架为一个当中镂空的回柱形框架；
所述细梁为四根连接长方体谐振子和回柱形框架的细梁；
所述驱动电极为两个对称分布于长方体谐振子顶面中央的驱动电极；
所述检测电极为四个对称分布于长方体谐振子顶面四角的检测电极；
所述管脚为六个沿回柱形框架外延分布的管脚；
其中：所述长方体谐振子设置于所述回柱形框架的镂空部分中央位置，在所述长方体谐振子的上下正方形面四组对称边中点连线位置通过四根所述细梁与所述回柱形框架连接固定；所述驱动电极和所述检测电极通过金属连接线经过所述细梁连接到所述管脚上；
利用长方体谐振子的特殊模态作为参考振动，所述特殊模态是指模态匹配的驱动模态与检测模态，在该特殊模态下长方体谐振子顶部四角沿顶面四边方向振动；通过在两个驱动电极所对应的管脚上施加正弦交流电压，由逆压电效应产生长方体谐振子在驱动模态振动；当有垂直于长方体谐振子底部的角速度输入时，在科氏力的作用下，长方体谐振子的谐振方式会从驱动模态向检测模态变化，检测模态的沿顶面四边方向谐振振幅与输入角速度的大小成正比；通过检测电极所对应的管脚检测长方体谐振子的四个检测电极上的电压变化，就可检测垂直于长方体谐振子底面平面角速度的大小。
2.根据权利要求1所述的一种管脚式压电固体波动模态匹配陀螺，其特征在于，四个所述驱动电极材料均为金属，形状均为长方形；所述驱动电极对称分布于长方体谐振子顶面中央的正方形区域中，用于激励长方体谐振子产生驱动模态振型。
3.根据权利要求1所述的一种管脚式压电固体波动模态匹配陀螺，其特征在于，四个所述检测电极材料均为金属，形状均为Γ形；所述检测电极对称分布于长方体谐振子顶面四角，且检测电极的Γ形两边分别与长方体谐振子顶面的一边平行，同时分别与驱动电极长方形的两边平行，用于检测垂直于长方体谐振子底面平面方向即z轴方向的角速度引起的长方体谐振子上电压变化。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种管脚式压电固体波动模态匹配陀螺，其特征在于，所述长方体谐振子材料为硅衬底AlN，使用压电效应进行驱动和检测。
5.根据权利要求1-3任一项所述的一种管脚式压电固体波动模态匹配陀螺，其特征在于，六个所述管脚材料均为金属，形状均为长方形，沿回柱形框架外延分布，在后期封装时六个管脚作为集成芯片的引脚。
6.根据权利要求1-3任一项所述的一种管脚式压电固体波动模态匹配陀螺，其特征在于，所述驱动电极所对应的管脚被施加交流电压时，由逆压电效应产生长方体谐振子在驱动模态振动；当存在输入角速度时，长方体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通过检测电极所对应的管脚输出进行信号检测；上述驱动模态和检测模态互相匹配。
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