CN105043369B - 一种外缘固定式激光加工压电驱动多环陀螺及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种外缘固定式激光加工压电驱动多环陀螺及其制备方法，包括：一个含有五到八环的多环谐振器；一个支撑多环谐振器的固定滑槽；位于所述多环谐振器的两相邻环之间的多组辐条，用于连接所述多环谐振器的环与环，相邻两组辐条的位置有一角度差；位于多环谐振器上表面的电极；其中：所述多环谐振器的最外一圈环固定，仅保留径向振动自由。电极为压电材料，陀螺工作时采用压电驱动方式。本发明由于多环谐振器外缘固定，电极内置于环中央，具有体积小、结构稳定，响应灵敏等优点，具有良好的对称性，因而可以达到较高的性能。

Description

一种外缘固定式激光加工压电驱动多环陀螺及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种微机电技术领域的固体波动模态匹配陀螺，具体地，涉及一种外缘固定式压电驱动多环陀螺及其制备方法。

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“微型半球谐振陀螺及其制备方法”(专利申请号：CN201310022146.1)通过刻蚀得到半球谐振子空腔，背面ICP刻蚀得到支撑体空腔，在空腔表面沉积二氧化硅绝缘层，在二氧化硅表面沉积多晶硅，得到半球谐振子和支撑体，去除多余多晶硅并刻蚀二氧化硅，得到可动的半球谐振子。

此技术存在如下不足：半球形谐振陀螺由于涉及球面加工，加工难度大，工艺误差难以控制；半球谐振子空腔通过刻蚀得到，球形度不够高，半球谐振子球形度很大程度依赖于半球谐振子空腔，这对陀螺工作的性能有很大影响；该陀螺半球谐振子和支撑体接触面积小，在高频振动下存在断裂的可能，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

本发明的目的是提供一种外缘固定式激光加工压电驱动多环陀螺及其制备方法，具有体积小、结构稳定，响应灵敏等优点，具有良好的对称性，因而可以达到较高的性能。

根据本发明的一个方面，提供一种外缘固定式激光加工压电驱动多环陀螺，包括：

一个含有五到八环的多环谐振器；

一个支撑多环谐振器的固定滑槽；

位于所述多环谐振器的两相邻环之间的多组辐条，用于连接所述多环谐振器的环与环，相邻两组辐条的位置有一角度差；

位于多环谐振器上表面的电极；

其中：所述多环谐振器的最外一圈环固定(即外缘具有固定特征)，仅保留径向振动自由。在一实施例中，最外一圈环可以安置在固定滑槽中。

本发明中，所述固定滑槽由两个半圆形滑槽拼接组成一个圆形，半圆形滑槽截面是半个工字型，中间形成空腔容纳多环谐振器，半圆形滑槽在端部引出一小长方形块，用于拧紧固定。

本发明中，每组辐条均沿所述多环谐振器的环的圆周均匀排列，每组辐条的个数为n，则每组辐条的间隔角度为360°/n。相邻两组辐条的位置有一定角度差θ，其中θ＝360°/2n。

本发明中，所述电极有两圈环，环与环之间以辐条形式连接，这两圈环与所述多环谐振器最内两个环位置刚好重合，即所述电极的中心轴与所述多环谐振器中心轴重合。

本发明中，所述电极有三部分组成，中间一层为压电薄膜，上下两层为金属电极，从下至上依次形成下电极层-压电薄膜-上电极层的三层结构。其中所述下电极层贴在所述多环谐振器最内侧两个环上表面，所述上电极层位于所述压电薄膜上表面。

本发明中，所述上电极层包括m个扇形电极(m>＝8,且m为偶数)，为m/2个驱动电极和m/2个检测电极。

本发明中，所述下电极层与所述多环谐振器接地，保证同电势为0V；利用所述多环谐振器的平面四波腹振动模态(即多环谐振器在平面内振动，其中有四个方向达到最大振动幅度)作为参考振动，所述压电薄膜的驱动电极被施加交流电压时，由逆压电效应产生径向振动，从而带动所述多环谐振器振动；当有所述多环谐振器中心轴方向的角速度输入时，在科氏力的作用下，所述多环谐振器的振型向检测模态转变，带动所述压电薄膜振动，由正压电效应在检测电极上得到电信号，从而得到多环谐振器在检测模态的振幅，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，该方法具体为：

采用MEMS微细加工工艺，将金属圆片键合在圆盘形石英块，其中金属圆片的直径小于圆盘形石英块的直径；

采用MEMS微细加工工艺，将压电薄膜圆片键合在金属圆片，其中金属圆片的直径等于压电薄膜的直径；

采用激光加工方法，对键合一体的压电薄膜-金属-圆盘形石英块进行激光开孔，激光开槽，得到中心镂空的多环体，其中圆盘形石英块被加工成五到八个环(含有辐条)的所述多环谐振器，金属片和压电薄膜片被加工成两个环(含有辐条)且与多环谐振器最内两圈环重合，即为所述下电极层和所述压电薄膜；

采用MEMS微细加工工艺，将另一金属圆片加工成扇形电极，得到所述上电极层，键合在压电薄膜上，其中该另一金属圆片的直径等于压电薄膜圆片的直径；

采用精密机械加工的方法得到固定滑槽；

陀螺装配时，多环谐振器安装在固定滑槽上，拧紧固定滑槽，从而将多环谐振器最外一圈环固定，电极布置在多环谐振器上表面。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、加工工艺步骤简洁，采用成熟的微机械加工方法，利于批量生产；

2、激光加工精度高，且可以得到侧壁垂直度高的槽，使得所加工的多环谐振器(包括下电极层和压电薄膜)具有理想的环结构；

3、多环谐振器外缘固定，可使封装后的陀螺结构稳定，抗冲击，减少外界干扰对陀螺正常工作的影响；

4、多环谐振器具有高度对称性，可以使多环陀螺达到优良的性能，工作时通过电极检测多环谐振器内环振动，振动幅度大，响应灵敏。

5、电极设置在多环谐振器上表面，较其他驱动方式的优点是不占据多环谐振器外围空间，利于陀螺小型化，方便安装和携带。

本发明电极为压电材料，陀螺工作时采用压电驱动方式。由于多环谐振器外缘固定，电极内置于环中央，具有体积小、结构稳定，响应灵敏等优点，具有良好的对称性，因而可以达到较高的性能。

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1A为本发明一实施例的外缘固定式激光加工压电驱动多环陀螺的俯视图；

图1B为本发明一实施例的外缘固定式激光加工压电驱动多环陀螺的三维视图；

图2A为本发明一实施例的多环谐振器的俯视图；

图2B为本发明一实施例的多环谐振器的三维视图；

图2C为本发明一实施例的多环谐振器的主视图；

图3A为本发明一实施例的固定滑槽的俯视图；

图3B为本发明一实施例的固定滑槽的三维视图；

图3C为本发明一实施例的固定滑槽的剖视图；

图4A为本发明一实施例的电极的俯视图；

图4B为本发明一实施例的电极的三维视图；

图4C为本发明一实施例的电极的剖视图；

图5A为本发明一实施例的多环谐振器与电极位置关系俯视图；

图5B为本发明一实施例的多环谐振器与电极位置关系三维视图；

图5C为本发明一实施例的多环谐振器与电极相对位置的剖视图；

图6A为外缘固定式激光加工压电驱动多环陀螺工作时多环谐振器所做四波腹振动的驱动振型图；

图6B为外缘固定式激光加工压电驱动多环陀螺工作时多环谐振器所做四波腹振动的检测振型图；

图中：1为多环谐振器，1.1为多环谐振器上表面，1.2为多环谐振器下表面，2为固定滑槽，3为辐条，4为电极，5为下电极层，6为压电薄膜，6.1为压电薄膜上表面，6.2为压电薄膜下表面，7为上电极层。

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。

实施例

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1A、1B所示，本实施例提供一种外缘固定式压电驱动多环陀螺，包括：

一个含有五到八环的多环谐振器1；

一个支撑多环谐振器的固定滑槽2；

位于所述多环谐振器的两相邻环之间的四到七组的辐条3，用于连接所述多环谐振器的环与环，相邻两组辐条的位置有一角度差；

一圈位于多环谐振器1上表面的电极4。

其中：所述多环谐振器1外缘具有固定特征，可安置在固定滑槽2中。所述多环谐振器的最外一圈环可以采用不同方式进行固定，如通过增加机械部件将所述多环谐振器最外一圈环固定住，或者在微加工过程中设计特定的工艺，使得所述多环谐振器最外一圈环固连在基体上。

以下实施例描述中涉及的关于长度、宽度、高度等说明：

图2A中，所述多环谐振器每个环在所述多环谐振器径向的长度称为所述多环谐振器环的宽度，所述辐条在垂直于所述多环谐振器径向方向的长度称为所述辐条的宽度，所述多环谐振器相邻位置的环在所述多环谐振器径向的间隙长度称为所述多环谐振器相邻位置环之间的间隙距离；

图2C中，所述多环谐振器的长度称为所述多环谐振器的高度；

图3C中，所述固定滑槽的空腔在所述多环谐振器径向的长度称为所述固定滑槽空腔的深度，所述固定滑槽的空腔在平行于所述多环谐振器的高度方向的长度称为所述固定滑槽空腔的高度；

图4A中，所述电极每个环在所述多环谐振器径向的长度称为所述电极环的宽度，所述电极的辐条在垂直于所述多环谐振器径向方向的长度称为所述电极辐条的宽度，所述电极的环在所述多环谐振器径向的间隙长度称为所述电极环之间的间隙距离。

如图2A、2B、2C所示，本实施例中所述多环谐振器1中心是镂空结构，所述多环谐振器1的每个环宽度W₁相同，所述多环谐振器1相邻环之间的间隙距离W₃也相同，并且W₁与W₃相等。

本实施例中，所述辐条3每组均匀圆周排列，每组辐条的个数为n，则每组辐条的间隔角度为360°/n。相邻两组辐条的位置有一定角度差θ，其中θ＝360°/2n。

如图3A、3B、3C所示，本实施例中所述固定滑槽2由两个半圆形滑槽拼接组成一个圆形，半圆形滑槽截面是半个工字型，空腔刚好容纳所述多环谐振器1最外一圈环。半圆形滑槽在端部引出较短的长方形块，并且打有螺孔，用于拧紧固定。所述固定滑槽2空腔的深度W₄与所述多环谐振器1每个环的宽度W₁相同，所述固定滑槽2的高度h₂与所述多环谐振器1每个环的高度h₁相同，所述固定滑槽2恰好容纳所述多环谐振器1最外一圈环，达到固定和支撑作用，使得所述多环谐振器1仅保留径向振动自由。

如图4A、4B、4C所示，本实施中所述电极4有两圈环，环与环之间以辐条形式连接，这两圈环与所述多环谐振器1最内两个环位置刚好重合，所述电极4由三层构成，中间一层为压电薄膜6，外侧两层为金属电极，形成下电极层-压电薄膜-上电极层的三层结构。

本实施例中，所述上电极层7为8个扇形工字型，均匀圆周排列，每个扇形工字型的扇形度数为30°，扇形工字型之间空隙的扇形角度为15°。

本实施例中，所述上电极层7包括4个驱动电极和4个检测电极，驱动电极和检测电极均匀间隔排布，相邻驱动电极的位置间隔90度，相邻检测电极的位置间隔90度，相邻驱动电极和检测电极的位置间隔45度。

如图5A、5B、5C所示，本实施例中所述电极4位于所述多环谐振器1最内两圈环上表面，所述电极4的辐条与所述多环谐振器1的辐条位置重合。

本实施例中，所述电极4每个环的宽度W₅等于所述多环谐振器1每个环的宽度W₁，所述电极4的辐条的宽度W₆等于所述多环谐振器1的辐条3的宽度W₂，所述电极4环之间的间隙距离W₇等于所述多环谐振器1相邻环之间的间隙距离W₃，所述电极4的中心轴与所述多环谐振器1中心轴重合。

如图6A、6B所示，本实施例中所述多环谐振器1的平面四波腹振动模态作为参考振动，在该模态下所述多环谐振器1径向振动。具体的工作原理为所述下电极层9与所述多环谐振器1接地，保证同电势为0V；利用所述多环谐振器1的平面四波腹振动模态作为参考振动，所述压电薄膜10的驱动电极被施加交流电压时，由逆压电效应产生径向振动，从而带动所述多环谐振器1振动；当有所述多环谐振器1中心轴方向的角速度输入时，在科氏力的作用下，所述多环谐振器1的振型向检测模态转变，带动所述压电薄膜10振动，由正压电效应在检测电极上得到电信号，从而得到多环谐振器在检测模态的振幅，进而可以得到输入角速度的大小。

本实施例中，所述多环谐振器1每个环的宽度W₁、所述辐条3的宽度W₂以及辐条间的角度差θ在加工时可以适当调节以达到理想的模态匹配。

本实施例中，所述多环谐振器1材料是石英，石英材料具有耐高温、热膨胀系数小、耐腐蚀、谐振等特性，满足谐振器四波腹振动对材料要求的谐振特性和机械强度，并且使陀螺仪成品能在恶劣环境下工作。

本实施例中，所述固定滑槽2使用机械性能好的金属材料，如钢，利用成熟的精密机械加工方法得到，支撑所述多环谐振器1。

本实施例中，采用MEMS微细加工工艺，将金属圆片键合在圆盘形石英块，其中金属圆片的直径小于圆盘形石英块的直径；

本实施例中，采用MEMS微细加工工艺，将压电薄膜圆片键合在金属圆片，其中金属圆片的直径等于压电薄膜的直径；

本实施例中，采用激光加工方法，对键合一体的压电薄膜-金属-圆盘形石英块进行激光开孔，激光开槽，得到中心镂空的多环体，其中圆盘形石英块被加工成五到八个环(含有辐条)的所述多环谐振器1，金属片和压电薄膜片被加工成两个环(含有辐条)且与多环谐振器最内两圈环重合，即为所述下电极层5和所述压电薄膜6；

本实施例中，采用MEMS微细加工工艺，将另一金属圆片加工成扇形电极，得到所述上电极层7，键合在压电薄膜上，其中该另一金属圆片的直径等于压电薄膜圆片的直径；

本实施例陀螺最终封装时，所述固定滑槽2安装在所述多环谐振器1外，所述固定滑槽2可固定在封装外壳上，以保障各部件的相对稳定性，并使得所述多环谐振器1外缘固定，仅保留径向振动自由。

上述实施例陀螺是一种高频固体波陀螺，陀螺仪工作时所述多环谐振器做径向四波腹振动，当有所述多环谐振器中心轴方向的角速度输入时，在科氏力的作用下，所述多环谐振器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。通过检测电极中的电信号变化得到所述多环谐振器在检测模态的振幅，进而可以得到输入角速度的大小。本实施例陀螺的优点：1、较小的尺寸；2、良好的性能；3、抗冲击能力好；4、工艺步骤简单，利于批量生产，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 (11)

1.一种外缘固定式激光加工压电驱动多环陀螺，其特征在于，包括：

一个含有五到八环的多环谐振器；

一个支撑多环谐振器的固定滑槽；

位于所述多环谐振器的两相邻环之间的多组辐条，用于连接所述多环谐振器的环与环，相邻两组辐条的位置有一角度差；

位于多环谐振器上表面的电极；

其中：所述多环谐振器的最外一圈环固定，仅保留径向振动自由。

2.根据权利要求1所述的外缘固定式激光加工压电驱动多环陀螺，其特征在于，所述多环谐振器的中心是镂空结构，所述多环谐振器的每个环的宽度W₁相同，所述多环谐振器每个环与环之间的间隙距离W₃也相同，并且每个环宽度W₁与每个环与环之间的间隙距离W₃相等；

所述多环谐振器每个环在所述多环谐振器径向的长度称为所述多环谐振器环的宽度，即宽度W₁；

所述多环谐振器相邻位置的环在所述多环谐振器径向的间隙长度称为所述多环谐振器相邻位置环之间的间隙距离，即间隙距离W₃。

3.根据权利要求1所述的外缘固定式激光加工压电驱动多环陀螺，其特征在于，所述固定滑槽由两个半圆形滑槽拼接组成一个圆形，半圆形滑槽截面是半个工字型，中间形成空腔容纳多环谐振器，半圆形滑槽在端部引出一小长方形块，用于拧紧固定。

4.根据权利要求3所述的外缘固定式激光加工压电驱动多环陀螺，其特征在于，所述固定滑槽的空腔的深度W₄与所述多环谐振器每个环的宽度W₁相同，所述固定滑槽的空腔的高度h₂与所述多环谐振器每个环的高度h₁相同，所述固定滑槽恰好容纳所述多环谐振器最外一圈环，达到固定和支撑作用，使得所述多环谐振器仅保留径向振动自由；

所述多环谐振器每个环在所述多环谐振器径向的长度称为所述多环谐振器的环的宽度，即宽度W₁；

所述固定滑槽的空腔在所述多环谐振器径向的长度称为所述固定滑槽的空腔的深度即W₄；

所述多环谐振器的每个环在平行于所述多环谐振器轴向的高度称为所述多环谐振器的环的高度，即高度h₁；

所述固定滑槽的空腔在平行于所述多环谐振器轴向的高度称为所述固定滑槽的空腔的高度，即高度h₂。

5.根据权利要求1所述的外缘固定式激光加工压电驱动多环陀螺，其特征在于，每组辐条沿所述多环谐振器的环的圆周均匀排列，每组辐条的个数为n，则每组辐条的间隔角度为360°/n；相邻两组辐条的位置有一定角度差θ，其中θ＝360°/2n。

6.根据权利要求1-5任一项所述的外缘固定式激光加工压电驱动多环陀螺，其特征在于，所述电极有两圈环，环与环之间以辐条形式连接，这两圈环与所述多环谐振器最内两个环位置刚好重合，即所述电极的中心轴与所述多环谐振器中心轴重合。

7.根据权利要求6所述的外缘固定式激光加工压电驱动多环陀螺，其特征在于，所述电极由三部分组成，中间一层为压电薄膜，外侧两层为金属电极，即下电极层、上电极层，其中所述下电极层一面贴在所述多环谐振器上表面，另一面和所述压电薄膜紧贴，所述上电极层贴在所述压电薄膜上表面，所述电极的三层沿所述多环谐振器的轴向依次排列，形成下电极层-压电薄膜-上电极层的三层结构。

8.根据权利要求7所述的外缘固定式激光加工压电驱动多环陀螺，其特征在于，所述上电极层为m个扇形电极，包括m/2个驱动电极和m/2个检测电极，m>＝8且m为偶数，驱动电极和检测电极均匀间隔排布，贴在所述压电薄膜上表面。

9.根据权利要求8所述的外缘固定式激光加工压电驱动多环陀螺，其特征在于，所述电极每个环的宽度W₅等于所述多环谐振器每个环的宽度W₁，所述电极的辐条的宽度W₆等于所述多环谐振器的辐条的宽度W₂，所述电极的环之间的间隙距离W₇等于所述多环谐振器的相邻环之间的间隙距离W₃；

所述多环谐振器每个环在所述多环谐振器径向的长度称为所述多环谐振器的环的宽度，即环宽度W₁；

所述辐条在垂直于所述多环谐振器径向方向的长度称为所述多环谐振器的辐条的宽度W₂；

所述电极每个环在所述多环谐振器径向的长度称为所述电极环的宽度W₅；

所述电极的辐条在垂直于所述多环谐振器径向方向的长度称为所述电极的辐条的宽度W₆；

所述多环谐振器相邻位置的环在所述多环谐振器径向的间隙长度称为所述多环谐振器相邻位置环之间的间隙距离，即间隙距离W₃；

所述电极的环在所述多环谐振器径向的间隙长度称为所述电极环之间的间隙距离W₇。

10.根据权利要求9所述的外缘固定式激光加工压电驱动多环陀螺，其特征在于，所述下电极层与所述多环谐振器接地，保证同电势为0V；利用所述多环谐振器的平面四波腹振动模态作为参考振动，所述压电薄膜的驱动电极被施加交流电压时，由逆压电效应产生径向振动，从而带动所述多环谐振器振动；当有所述多环谐振器中心轴方向的角速度输入时，在科氏力的作用下，所述多环谐振器的振型向检测模态转变，带动所述压电薄膜振动，由正压电效应在检测电极上得到电信号，从而得到多环谐振器在检测模态的振幅，进而得到输入角速度的大小。

11.一种权利要求1-10任一项所述的外缘固定式激光加工压电驱动多环陀螺的制备方法，其特征在于，该方法具体为：

采用MEMS微细加工工艺，将金属圆片键合在圆盘形石英块，其中金属圆片的直径小于圆盘形石英块的直径；

采用MEMS微细加工工艺，将压电薄膜圆片键合在金属圆片，其中金属圆片的直径等于压电薄膜的直径；

采用激光加工方法，对键合一体的压电薄膜-金属-圆盘形石英块进行激光开孔，激光开槽，得到中心镂空的多环体，其中圆盘形石英块被加工成五到八个环且含有辐条的多环谐振器，金属片和压电薄膜片被加工成含有辐条的两个环且与多环谐振器最内两圈环重合，即为下电极层和压电薄膜；

采用MEMS微细加工工艺，将另一金属圆片加工成扇形电极，得到上电极层，键合在压电薄膜上，其中该另一金属圆片的直径等于压电薄膜圆片的直径；

采用精密机械加工的方法得到固定滑槽；

陀螺装配时，多环谐振器安装在固定滑槽上，拧紧固定滑槽，从而将多环谐振器最外一圈环固定，电极布置在多环谐振器上表面。