CN107014366B - 一种基于静电激励与检测的圆柱壳体振动陀螺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于哥氏振动陀螺领域，尤其涉及一种基于静电激励与检测的圆柱壳体振动陀螺。所述振动陀螺包括一体式圆柱壳体石英谐振子、电极底座、长导电插针、短导电插针、金属罩、和封装底座。本发明的目的是改善现有的在谐振子底面或侧面粘贴压电陶瓷片激励与检测的方法对石英圆柱壳体谐振子品质因数、振动陀螺的检测灵敏度以及陀螺漂移误差影响较大的问题，改善现有的半球谐振陀螺静电激励与检测方案复杂、加工和装配难度大等问题，提出一种基于静电激励与检测的圆柱壳体振动陀螺。该陀螺具有结构简洁，加工容易，有利于提高信噪比，能实现陀螺高精度等优点。

Description

一种基于静电激励与检测的圆柱壳体振动陀螺
技术领域
本发明属于哥氏振动陀螺领域，尤其涉及一种基于静电激励与检测的圆柱壳体振动陀螺。
背景技术
陀螺是一种检测惯性空间中物体角运动的传感器，是惯性导航、制导与姿态控制的关键器件。圆柱壳体振动陀螺基于哥氏原理敏感角速度，是一种有别于传统机械转子陀螺的无转子陀螺。圆柱壳体振动陀螺通过利用谐振子振动时产生的驻波进动代替了转子的高速转动，从而避免了机械摩擦，从根本上减小了漂移误差，具有精度高、寿命长、可靠性好、体积小、重量轻、功耗低等优点，在惯性技术领域尤其是空间导航领域受到高度重视，具有广泛的应用前景。
圆柱壳体振动陀螺的工作方式一般为：在圆柱壳体谐振子底面或侧面粘贴压电电极，分别作为压电驱动电极与压电检测电极。在谐振子底面或侧面相对的压电驱动电极施加交流电压，压电驱动电极在逆压电效应作用下振动并激发谐振子振动于二阶模态，即谐振子的激励模态。轴向角速度输入使谐振子产生检测模态，其振动通过与驱动电极成45°夹角的压电检测电极检测，压电检测电极由于压电效应产生的敏感信号经过电路和软件处理即可得到输入角速度。
采用压电激励与检测方法时，压电陶瓷材料自身的损耗比较大，品质因数低，而且压电陶瓷片与谐振子之间用胶粘接时也会带来较大的损耗，因此即便是高品质因数的石英谐振子粘上压电陶瓷材料后，最终的品质因数也会大幅降低。另一方面，压电陶瓷粘贴过程中定位精度难以保证，位置重复性较差；粘胶溢出也可能导致谐振子整体质量、刚度分布不均匀，影响陀螺的质心及振动主轴位置，引入额外的漂移误差。这些因素直接限制了陀螺的漂移性能。此外，圆柱壳体谐振子质量、刚度及阻尼的各向异性直接影响陀螺的漂移误差。合金材料及压电材料内部各向异性明显，由它们制作的圆柱壳体谐振子用于哥氏陀螺时频率裂解较大，因而漂移误差较大。熔融石英具有比金属及压电材料更高的Q值(可达千万级)以及近乎为零的热膨胀系数(10-7量级)，采用石英材料制作圆柱壳体谐振子，可显著提高谐振子的Q值，使陀螺具备较高的稳定性和可靠性，进一步提高陀螺性能。
静电激励与检测技术是解决以上问题的有效途径，通过在谐振子上镀制金属膜，与激励和检测电极间形成电容，通过静电力实现激励和控制，通过电容变化实现信号检测。因为电极间是非接触的，因此对谐振子品质因数的影响很小。高精度的半球谐振陀螺都是采用静电激励与检测方式，例如Northrop Grumman公司的“三件套”结构，由内外镀金属膜的谐振子，外部激励电极，内部检测电极三部分组成[美国专利US 4951508]。类似的还有通过侧壁激励与检测的“三件套”结构圆柱壳体振动陀螺，这些陀螺结构相对复杂，对于精密加工和装配的要求极高。参考半球谐振陀螺的“三件套”结构，Sagem公司的平面电极结构相对简洁[美国专利US6474161B1]，它是通过在谐振子唇沿上镀金属膜，与底座上的平面电极间形成电容，实现静电激励与检测，但缺点是电容器极板间距很小，对精密装配提出了很高的要求，而且谐振子唇沿面积很小，电容信号不强。
发明内容
本发明的目的是改善现有的在谐振子底面或侧面粘贴压电陶瓷片激励与检测的方法对石英圆柱壳体谐振子品质因数、振动陀螺的检测灵敏度以及陀螺漂移误差影响较大等问题，改善现有的半球谐振陀螺静电激励与检测方案复杂、加工和装配难度大等问题，提出一种基于静电激励与检测的圆柱壳体振动陀螺。该陀螺具有结构简洁，加工容易，有利于提高信噪比，能实现陀螺高精度等优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于静电激励与检测的圆柱壳体振动陀螺，包括一体式圆柱壳体石英谐振子100、电极底座200、长导电插针300、短导电插针400、金属罩500和封装底座600；
所述一体式圆柱壳体石英谐振子100由高纯度石英材料一体化加工而成，包括谐振环110、导振环120、底盘130、固定柱140，四者共轴放置，从下而上依次为谐振环110、导振环120和底盘130，固定柱140位于底盘130靠近导振环120一侧的中心，所述底盘130上开有2N个底盘孔150，1≤N≤8(具体参见国家发明专利：基于一体式圆柱壳体石英谐振子和压电薄膜的振动陀螺，公开日：2016/05/04)；
所述底盘130上下两侧的表面除固定柱140一端外表面对应的光胶区域160以外的其他区域及底盘孔150的内侧表面和固定柱140的外侧表面均镀制有金属薄膜电极170；
所述金属薄膜电极170包含两层：过渡层和导电层，所述过渡层通常选择Cr、Ni或者Ti等金属材料，厚度控制在5nm～30nm；所述导电层可以是任何具有良好导电性和稳定性的薄膜材料，通常的选择为铂金(Pt)、金(Au)或者银(Ag)等金属材料，厚度控制在100nm～500nm；金属薄膜电极170的镀制过程如下：首先在底盘130(为石英材料)表面镀制一层过渡层，然后在过渡层上镀制导电层；镀制方法为磁控溅射法；
所述电极底座200的主体是一个石英底盘210，所述石英底盘210的上表面分为四个区域：中央区域为用于光胶的SiO2台阶层220，所述SiO2台阶层220的大小与光胶区域160的大小一致，直径为6mm～12mm，厚度为5μm～30μm；中央区域往外为一个面积较大的环形电极230，面积较大的环形电极230往外为8个“凸”字形电极240，8个“凸”字形电极240往外为面积较小的环形电极250；所述面积较大的环形电极230和面积较小的环形电极250分别带有四个均匀分布且相互错开的外凸起231和内凸起251，将8个“凸”字形电极240分隔成独立的部分；所述面积较大的环形电极230和面积较小的环形电极250均用于接地形成零电位，隔离8个“凸”字形电极，避免电极间信号的串扰，另外也可以防止环形电极区域内电荷积累产生噪声信号；
所述面积较大的环形电极230、“凸”字形电极240和面积较小的环形电极250的膜层结构及镀制方法与金属薄膜电极170相同；电极的不同形状和分布通过掩模光刻等方法实现；
所述金属罩500、封装底座600均为一端封闭一端开口的圆柱筒，在所述金属罩500封闭端面的中心设置有一个抽气孔510，所述抽气孔510用于将封装完毕的圆柱壳体振动陀螺抽真空；在所述封装底座600封闭端面的中心开有一个小孔用于焊接并固定长导电插针300，以所述小孔的圆心为中心，半径大于电极底座200的半径为半径，沿封装底座600封闭端面的圆周处均匀开有10个小孔用于焊接并固定10根短导电插针400；所述长导电插针300的上端通过铜线与固定柱140外侧表面镀制的金属薄膜电极170相连，其下端接地；10根短导电插针中，一根短导电插针400a的上端通过铜线与面积较大的环形电极230的一个外凸起231连接，其下端接地，另外一根短导电插针400b的上端通过铜线与面积较小的环形电极250连接，其下端接地；其余的8根短导电插针分别与8个“凸”字形电极240相连，并与“凸”字形电极240沿直径方向对应的两个电极组成一组，共分为四组——400c，400d，400e，400f，一组电极用于谐振子的激励，一组电极用于信号检测，另外两组电极用于稳频、稳幅、正交控制、力平衡控制等。
所述电极(金属薄膜电极170、面积较大的环形电极230、“凸”字形电极240和面积较小的环形电极250)镀制方法也可以是离子束镀膜法、溶胶-凝胶法、真空蒸镀法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法等适宜的薄膜镀制方法。
所述金属罩500、封装底座600采用的材料为铝或不锈钢等金属。
在如上所述的技术方案中，通过在一体式圆柱壳体石英谐振子100底盘130的外表面(也即“杯底”)镀制的金属薄膜电极170与电极底座200上的8个“凸”字形电极240之间形成的8个电容来实现静电激励、检测与控制；所述金属薄膜电极170也可以镀制于圆柱壳体谐振子100杯口的圆环平面，杯口方向朝向石英底盘210，通过圆柱壳体谐振子100内部的固定柱140与石英底盘210上的SiO2台阶层220实现光胶，通过谐振子杯口的圆环平面与石英底盘210上的8个“凸”字形电极240之间形成的8个电容来实现静电激励、检测与控制。
所述一体式圆柱壳体石英谐振子100与电极底盘200的固定方式也可以是铟焊、锡焊、胶粘或螺钉固定等方式。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明的圆柱壳体振动陀螺的石英谐振子采用静电激励与检测方案，金属薄膜很薄，而且被直接镀制到谐振子底面上，避免了传统技术方案中粘接用胶和压电陶瓷片的使用，可以最大程度地避免谐振子品质因数的降低；石英基座上的金属薄膜电极采用光刻和镀膜等微技术，定位精度高；上下金属电极之间非接触，避免了对品质因数的影响，而且极大地降低了因驱动、检测电极的粘贴带来的漂移误差；
2.谐振子和石英底座之间通过镀膜(SiO2台阶层)和光胶的方式实现精密装配，该方法非常简洁巧妙，不需要复杂的精密定位装置，装配方便而且精度高，深度光胶后连结牢固，避免了传统的胶粘或钎焊等方式带来的残留物；
3.与传统的半球谐振陀螺相比，如图6所示,圆柱壳体谐振子加工相对容易，底面是平面结构方便抛光和镀膜，且谐振子与石英基座间形成的电容面积大，驱动和检测信号更强；平面结构更适合镀膜和光胶；
4.本发明的圆柱壳体振动陀螺的石英谐振子采用高纯度熔融石英材料加工制作，谐振子为一体式石英结构，其品质因数相比传统圆柱壳体谐振子更高，基于此种谐振子的圆柱壳体振动陀螺的角速度检测灵敏度更高、漂移误差更小、功耗更小。
综上，本发明提出的一种基于静电激励与检测的圆柱壳体振动陀螺，具有结构简洁、品质因数高、精度高、加工成本低、灵敏度高、漂移误差小、功耗低等显著优点。
附图说明
图1本发明所述基于静电激励与检测的圆柱壳体振动陀螺的整体结构图；
图2镀制有薄膜电极的一体式圆柱壳体谐振子结构图；
图3薄膜电极膜层结构图；
图4石英底盘及其表面薄膜电极分布示意图；
图5短导电插针的分布与接线方式；
图6本发明所述圆柱壳体振动陀螺的静电激励结构与Sagem公司半球谐振陀螺的静电激励结构对比；
图7是本发明基于静电激励与检测的圆柱壳体振动陀螺的真空封装结构图；
图8是本发明基于静电激励与检测的圆柱壳体振动陀螺工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如附图1所示，一种基于静电激励与检测的圆柱壳体振动陀螺，包括一体式圆柱壳体石英谐振子100、电极底座200、长导电插针300、短导电插针400、金属罩500和封装底座600。
所述一体式圆柱壳体谐振子100及电极底座200的底盘210均使用具有高纯度的熔融石英材料制作，材料内部损耗极小并具有极好的各向同性，因而可保证谐振子的高品质因数与物理对称性，从而保证圆柱壳体振动陀螺的高灵敏度、高信噪比、低漂移误差和低功耗特性。
本发明各个组成部件的加工及安装过程如下：
如附图2所示，首先分别在底盘130上表面与固定柱140外表面对应的中心区域和电极底座200上表面的中心区域留出直径为6mm～12mm的圆环形光胶区域，分别制作合适的掩模板，通过磁控溅射镀膜的方式在底盘130上下两侧的表面除固定柱140一端外表面对应的光胶区域160以外的其他区域及底盘孔150的内侧表面和固定柱140的外侧表面以及石英底盘210的上表面镀制金属薄膜。为了提高金属薄膜的附着力，如附图3所示，首先在石英材料表面镀制一层过渡层，这类过渡层通常为Cr、Ni或者Ti等金属材料，膜层厚度控制在5nm～30nm；然后再在过渡层上镀制金属导电层，所述金属导电层通常采用铂金(Pt)、金(Au)、银(Ag)等金属材料，膜层厚度控制在100nm～500nm。
接着在石英底盘210上先用掩模板遮挡，只留中心的圆环形区域，用离子束镀膜技术在圆环区域镀制厚度约5μm～30μm的SiO2膜层220，形成一个用于光胶的SiO2台阶层；接着再通过掩模遮挡，如附图4所示，在电极底座210上镀制过渡层和导电层，形成面积较大的环形电极230、“凸”字形电极240、面积较小的环形电极250等电极形状。
将一体式圆柱壳体石英谐振子100中心的圆环形光胶区域160和电极底座200中心的SiO2台阶层220进行光胶(或采用其它固定方式，例如铟焊、锡焊、胶粘或螺钉固定等)，这样便在一体式圆柱壳体石英谐振子100与电极底座200之间形成了宽约5μm～30μm的均匀间隙(间隙宽度由SiO2台阶层的厚度保证)，即静电激励与检测电容之间的极板间距；
将光胶好的一体式圆柱壳体石英谐振子100和电极底座200一起放到烤炉中，在300℃～500℃的氧气氛围中退火5小时～10小时，实现“深度光胶”和应力释放。
将退火后的一体式圆柱壳体石英谐振子100和电极底座200安装在封装底座600上，沿封装底座600上的开孔插入长导电插针300、10根短导电插针400并在开孔处对导电插针进行焊接固定，如图5所示。
将长导电插针300的上端通过铜线连接到固定柱140外侧表面镀制的金属薄膜电极170上，其下端接地，10根短导电插针400分别通过铜线连接到面积较大的圆环形电极230、8个“凸”字形电极240和面积较小的环形电极250上。
如图7所示，将金属罩500、光胶好一体式圆柱壳体谐振子100的电极底座200以及封装底座600同轴依次排列组装，最后将金属罩500通过法兰与封装底座600连接固定，完成石英圆柱壳体振动陀螺的封装。
通过抽真空，密封和吸气剂控制封装体内部石英圆柱壳体谐振子的真空环境，最后将封装底座下面的导电插针接入控制电路。
本发明的圆柱壳体振动陀螺的工作过程为：首先通过短导电插针400c对电极240a施加交流电压，在静电力的作用下，激励谐振子振动于二阶模态，如图8所示，该二阶振动模态即是谐振子第一模态1，由薄膜电极组240c检测，模态方向与驱动电极组240a方向一致。当谐振子存在轴向输入的角速度Ω时，在哥氏力作用下，谐振子将产生第二模态2，该振动模态通过薄膜电极组240b检测，经过电路和算法处理，得出的信号作为补偿信号通过薄膜电极组240d施加于谐振子上，用于抑制第二模态2的振动；由于抑制振动所需的电压幅值与角速度Ω成正比，因此将该信号输出可得到角速度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并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围。

Claims (5)

1.一种基于静电激励与检测的圆柱壳体振动陀螺，其特征在于：所述振动陀螺包括一体式圆柱壳体石英谐振子(100)、电极底座(200)、长导电插针(300)、短导电插针(400)、金属罩(500)、和封装底座(600)；
所述一体式圆柱壳体石英谐振子(100)由高纯度石英材料一体化加工而成，包括谐振环(110)、导振环(120)、底盘(130)、固定柱(140)，四者共轴放置，从下而上依次为谐振环(110)、导振环(120)和底盘(130)，固定柱(140)位于底盘(130)靠近导振环(120)一侧的中心，所述底盘(130)上开有2N个底盘孔(150)，1≤N≤8；
所述底盘(130)上下两侧的表面除固定柱(140)一端外表面对应的光胶区域(160)以外的其他区域及底盘孔(150)的内侧表面和固定柱(140)的外侧表面均镀制有金属薄膜电极(170)；
所述金属薄膜电极(170)包含两层：过渡层和导电层，所述过渡层选择金属Cr，厚度控制在5nm～30nm；所述导电层是任何具有良好导电性和稳定性的金属薄膜材料，厚度控制在100nm～500nm；金属薄膜电极170的镀制过程如下：首先在底盘(130)表面镀制一层过渡层，然后在过渡层上镀制导电层；镀制方法均为磁控溅射法；
所述电极底座(200)的主体是一个石英底盘(210)，所述石英底盘(210)的上表面分为四个区域：中央区域为用于光胶的SiO2台阶层(220)，所述SiO2台阶层(220)的大小与光胶区域(160)的大小一致，直径为6mm～12mm，厚度约5μm～30μm；中央区域往外为一个面积较大的环形电极(230)，面积较大的环形电极(230)往外为8个“凸”字形电极(240)；8个“凸”字形电极(240)往外为面积较小的环形电极(250)；所述面积较大的环形电极(230)和面积较小的环形电极(250)分别带有四个均匀分布且相互错开的外凸起(231)和内凸起(251)，将8个“凸”字形电极(240)分隔成独立的部分；所述面积较大的环形电极(230)和面积较小的环形电极(250)均用于接地形成零电位，隔离8个“凸”字形电极，避免电极间信号的串扰，另外也可以防止环形电极区域内电荷积累产生噪声信号；
所述面积较大的环形电极(230)、“凸”字形电极(240)和面积较小的环形电极(250)的膜层结构及镀制方法与金属薄膜电极(170)相同；电极的不同形状和分布通过掩模光刻法实现；
所述金属罩(500)、封装底座(600)均为一端封闭一端开口的圆柱筒，在所述金属罩(500)封闭端面的中心设置有一个抽气孔(510)，所述抽气孔(510)用于将封装完毕的圆柱壳体振动陀螺抽真空；在所述封装底座(600)封闭端面的中心开有一个小孔用于焊接并固定长导电插针(300)，以所述小孔的圆心为中心，半径大于电极底座(200)的半径为半径，沿封装底座(600)封闭端面的圆周处均匀开有10个小孔用于焊接并固定10根短导电插针(400)；所述长导电插针(300)的上端通过铜线与固定柱(140)外侧表面镀制的金属薄膜电极(170)相连，其下端接地；10根短导电插针中，一根短导电插针(400a)的上端通过铜线与面积较大的环形电极(230)的一个外凸起(231)连接，其下端接地，另外一根短导电插针(400b)的上端通过铜线与面积较小的环形电极(250)连接，其下端接地；其余的8根短导电插针分别与8个“凸”字形电极(240)相连，并与“凸”字形电极(240)沿直径方向对应的两个电极组成一组，共分为四组(400c，400d，400e，400f)，一组电极用于谐振子的激励，一组电极用于信号检测，另外两组电极用于稳频、稳幅、正交控制、力平衡控制。
2.根据权利要求1所述基于静电激励与检测的圆柱壳体振动陀螺，其特征在于：所述过渡层为Ni或者Ti；所述导电层为Pt、Au或者Ag。
3.根据权利要求1所述基于静电激励与检测的圆柱壳体振动陀螺，其特征在于：所述金属罩(500)、封装底座(600)采用的材料为铝或不锈钢。
4.根据权利要求1所述基于静电激励与检测的圆柱壳体振动陀螺，其特征在于：所述薄膜电极(170)可以镀制于圆柱壳体谐振子(100)杯口的圆环平面，杯口方向朝向石英底盘(210)，通过圆柱壳体谐振子(100)内部的固定柱(140)与石英底盘(210)上的SiO2台阶层(220)实现光胶，通过谐振子杯口的圆环平面与石英底盘(210)上的8个“凸”字形电极(240)之间形成的8个电容来实现静电激励、检测与控制。
5.根据权利要求1 至 4 任一条所述基于静电激励与检测的圆柱壳体振动陀螺，其特征在于：所述一体式圆柱壳体石英谐振子(100)与电极底座 (200)的固定方式是铟焊、锡焊、胶粘或螺钉固定。
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