CN108413953B - 一种基于石墨烯薄膜的增益可调控声表面波微陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯薄膜的增益可调控声表面波微陀螺仪，包括压电基片、声表面波谐振器和声表面波检测器；声表面波谐振器包括叉指换能器，在叉指换能器之间有金属点阵，在叉指换能器外侧有反射器和吸声胶；声表面波检测器包括对称设在声表面波谐振器两侧的延迟线且延迟线与声表面波谐振器平行；延迟线包括一对单相单向叉指换能器、石墨烯薄膜、金属电极Ⅰ和金属电极Ⅱ，在单相单向叉指换能器之间有石墨烯薄膜，石墨烯薄膜上设金属电极Ⅰ和金属电极Ⅱ，且金属电极Ⅰ和金属电极Ⅱ与声表面波谐振器的声波传播方向垂直。本发明通过在电极上施加电压形成电场，对哥氏效应二次声表面波增益进行调控，有效提高微陀螺仪的灵敏度、准确性和稳定性。

Description

一种基于石墨烯薄膜的增益可调控声表面波微陀螺仪

技术领域

本发明属于压电晶体及微机械陀螺仪设计制造领域，具体涉及一种基于石墨烯薄膜的增益可调控声表面波微陀螺仪。

背景技术

声表面波微陀螺仪是一种全固态的二维平面结构微陀螺仪，由于没有悬浮质量块或悬浮转子，与传统微机械振动或转动陀螺仪相比，可以承受强振动、大冲击等高加速度环境干扰；采用标准二维工艺加工工艺，结构简单，制作难度小，节省成本；由压电晶体和半导体材料加工制作，工作寿命长。因此，声表面波微陀螺仪具有潜在的发展优势，发展前景十分广阔。

现有的声表面波微陀螺仪，主要有交叉检测型、行波叠加型和声波干涉型等几种。Varadan V K等设计了交叉检测型声表面波微陀螺仪，主要由交叉垂直的两对叉指换能器构成，其中一对叉指换能器作为声波谐振器，通过外部施加周期性的电信号激励产生声表面波，另外一对叉指换能器用来检测哥氏效应产生的垂直方向的声表面波，该结构简单，灵敏度低，性能较差；Lee Sang Woo等设计了行波干涉型声表面波微陀螺仪，主要由平行且反向传播的双延迟线振荡器构成，在外界交变电压作用下，两延迟线都产生声表面波。当有角速度输入时，一个延迟线振荡器频率增加，另外一个延迟线频率减小，两个延迟线构成差分信号，感应载体旋转引起的哥氏声波信号大小，该微陀螺仪具有较好的线性度和温度性能，但是灵敏度低。Haekwan Oh等设计了声波干涉型声表面波微陀螺仪，包含并行排列的驻波谐振器、检测声波延迟线和参考声波延迟线三个部分，当沿驻波声波传播方向有角速度输入时，哥氏效应产生的二次声波的一半与平行检测声波延迟线叠加，导致声波频率发生变化，通过与参考延迟线比较得到频率的变化。该方法虽然性能有了较大提高，但是与传统微陀螺仪相比，仍然存在一定差距。

归纳起来，三种形式的微陀螺仪性能低下主要是由于二次声表面波信号过于微弱，导致灵敏度低，测量准确性差，稳定性低。因此，提高二次声表面波信号强度成为了首要解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术中描述的不足，本发明提供一种基于石墨烯薄膜的增益可调控声表面波微陀螺仪，实现微陀螺仪具有较高的检测灵敏度、准确性和稳定性等特点；本发明通过利用电场调控石墨烯薄膜上声表面波增益，在结构上通过构建轴向对称结构布局，检测在两个相反方向传播的哥氏效应二次声表面波，从而提高二次声表面波的振幅大小。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于石墨烯薄膜的增益可调控声表面波微陀螺仪，包括压电基片和设置在压电基片上的声表面波谐振器和声表面波检测器；所述声表面波谐振器包括两个对称设置的叉指换能器，在两个叉指换能器之间分布有均匀排列的金属点阵，在每个叉指换能器的外侧均设置有一个反射器和一个吸声胶，且吸声胶平行设置在反射器外侧；所述声表面波检测器包括两个对称设置在声表面波谐振器两侧的延迟线且两延迟线的设置方向与声表面波谐振器的设置方向平行；所述延迟线包括一对单相单向叉指换能器、石墨烯薄膜、金属电极Ⅰ和金属电极Ⅱ，在两个单相单向叉指换能器之间设有石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜上平行设置有金属电极Ⅰ和金属电极Ⅱ，且金属电极Ⅰ和金属电极Ⅱ与声表面波谐振器的声波传播方向垂直；且在每个单相单向叉指换能器的外侧均设置有一个吸声胶。

所述延迟线关于声表面波谐振器呈轴对称分布。

所述金属点阵包括若干行金属点组，每行金属点组包括若干个间隔分布的矩形金属点；每个矩形金属点在x方向的长度为x方向声表面波波长λx的1/4，在y方向上的宽度为y方向声表面波波长λy的1/4；且同一行的矩形金属点与矩形金属点在x方向上的中心间隔为1/2λx；相邻两行的矩形金属点与矩形金属点在y方向上的中心间距为1/2λy；并且相邻两行的矩形金属点在x方向位置错开1/4λx。隔行的金属点组之间位置相同。

本发明利用电场对石墨烯载流子的作用改变载流子的运动速度和方向，从而调控声表面波的增益。在两个延迟线的声波传播的垂直方向设置电极，通过施加可调控电压，形成可控电场，调节哥氏效应二次声表面波的增益，提高二次声表面波检测的灵敏度。并且本发明通过在谐振器之间设置金属点阵，增加点阵处振动质点质量，增大哥氏力，提高哥氏效应产生的二次声波的振动幅值；鉴于在不同位置谐振器声表面波的振动方向不同，将产生沿相反方向传播的二次声波，构建两个声表面波延迟线关于谐振器完全轴向对称的结构，同时检测不同方向的二次声波，从而增加二次声波检测的大小、准确性和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中驻波波形示意图。

图3为本发明中石墨烯薄膜和金属电极示意图。

图4为本发明中电场调控声表面波增益示意图。

图5为本发明中金属点阵示意图。

图6为本发明中轴对称结构检测原理示意图。

其中，1.压电基片；2.声表面波谐振器；2-1.叉指换能器；2-2.金属点阵；2-3.反射器；3.声表面波检测器；3-1.延迟线；3-1-1.单相单向叉指换能器；3-1-2.石墨烯薄膜；3-1-3.金属电极Ⅰ；3-1-4.金属电极Ⅱ；4.吸声胶；5.延迟线声波；6.为二次声波，其中实线为原始二次声波，虚线为有增益的二次声波。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于石墨烯薄膜的增益可调控声表面波微陀螺仪，包括压电基片1和设置在压电基片1上的声表面波谐振器2和声表面波检测器3；所述声表面波谐振器2包括两个对称设置的叉指换能器2-1，在两个叉指换能器之间分布有均匀排列的金属点阵2-2，所述金属点阵2-2包括若干行金属点组，每行金属点组包括若干个间隔分布的矩形金属点；每个矩形金属点在x方向的长度为x方向声表面波波长λx的1/4，在y方向上的宽度为y方向声表面波波长λy的1/4；且同一行的矩形金属点与矩形金属点在x方向上的中心间隔为1/2λx；相邻两行的矩形金属点与矩形金属点在y方向上的中心间距为1/2λy；并且相邻两行的矩形金属点在x方向位置错开1/4λx。隔行的金属点组之间位置相同。

并且在每个叉指换能器2-1的外侧均设置有一个反射器2-3和一个吸声胶4，且吸声胶4平行设置在反射器2-3外侧。

所述声表面波检测器3包括两个对称设置在声表面波谐振器2两侧的延迟线3-1且两延迟线3-1的设置方向与声表面波谐振器2的设置方向平行；所述延迟线3-1包括一对单相单向叉指换能器3-1-1、石墨烯薄膜3-1-2、金属电极Ⅰ3-1-3和金属电极Ⅱ3-1-4，在两个单相单向叉指换能器3-1-1之间设有石墨烯薄膜3-1-2，在石墨烯薄膜3-1-2上平行设置有金属电极Ⅰ3-1-3和金属电极Ⅱ3-1-4，且金属电极Ⅰ3-1-3和金属电极Ⅱ3-1-4与声表面波谐振器2的声波传播方向垂直；且在每个单相单向叉指换能器3-1-1的外侧均设置有一个吸声胶4。

具体地，由于不同位置谐振器声表面波的振动方向不同，将产生沿相反方向传播的二次声波，所以为了增加二次声波检测的准确性，所述延迟线3-1关于声表面波谐振器2呈轴对称分布。

下面对本发明的原理进行进一步阐述说明

如图2所示，本发明选用驻波型声表面波谐振器作为声表面波驱动器。驻波型声表面波具有质点静止的节点和运动位移最大的反节点，而且节点和反节点相对位置稳定，相邻节点或相邻反节点之间的距离为λx。利用反节点处质点振动位移最大且位置相对稳定的特点，本发明对反节点处的哥氏效应二次声波振动进行优化和求解。

如图3所示，本发明选用单相单向叉指换能器组成的声表面波延迟线作为二次声波的检测器。在声表面波延迟线的中间区域沉积石墨烯薄膜，并在与延迟线垂直的延迟线两侧设置电极，电极位于石墨烯上。

如图4所示，对于哥氏效应产生的二次声表面波在与延迟线垂直方向进入延迟线，并与延迟线进行叠加，改变延迟线的传播速度和频率。对于微弱的二次声表面波信号，采用基于石墨烯薄膜的电场对声表面波增益调控机理进行处理，提高声表面波增益，增大声表面波幅值。通过在电极上施加可调节电压U形成电场，可对石墨烯薄膜上传播的声表面波增益进行调控。合理调节电场，在声表面波幅值线性放大区域内，选择最优的增益系数，得到放大幅值的声表面波。图中，5为延迟线声波，6实线为原始二次声波，虚线为有增益的二次声波。二次声表面波在传播过程中与延迟线声波垂直正交相遇，声波参数矢量相互叠加，延迟线的传播速度和频率发生改变，改变的大小与二次声波幅值成比例关系。

如图5所示，由于哥氏力的大小与振动粒子质量成比例，在反节点处粒子振幅最大处设置金属点阵，增加振动粒子的质量，以增大哥氏力，提高哥氏二次声波的振动幅值。金属点阵的尺寸和距离与波长有关，在x方向金属点的长度为λx/4，在y方向金属点的宽度为λ y/4，保证金属点上的振动粒子能量不小于两个节点间波形能量的一半。金属点阵之间的距离在x方向间距为λx，在y方向间距为λy，保证反节点处粒子落在金属点的中心位置。相邻行金属点错开λx/2，隔行金属点对齐，使同一束波只加强y或–y方向的哥氏力，减小同一束波在相邻波节产生不同方向哥氏力的相互干扰。

如图6所示，当有沿x轴方向的轴向转动时，驻波模式声表面波谐振器振动声波在隔行金属点处加强相同方向的哥氏力，邻行金属点处加强相反方向的哥氏力，由于哥氏力作用在垂直方向产生二次声表面波沿相反方向传播。当二次声波传播到延迟线区域进入石墨烯薄膜时，受到可调控电场作用，二次声波增益被加强，二次声波与延迟线作用的效果也将加强，成比例地增加延迟线的速度和频率变化。另外，两个方向传播的二次声波能够同时被谐振器两侧的延迟线所接收，将两个方向的频率变化相加，得到谐振器振动声波全部节点产生的二次声波，进一步加强了二次声波对检测器的作用效果。根据微陀螺仪原理，通过检测频率变化，得到转动角速度的大小。因此，本发明提出的基于石墨烯薄膜的声表面波增益可调控方法，对提高微陀螺仪性能的灵敏度、稳定性和准确性等性能具有重要意义。

上面所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于石墨烯薄膜的增益可调控声表面波微陀螺仪，其特征在于：包括压电基片（1）和设置在压电基片（1）上的声表面波谐振器（2）和声表面波检测器（3）；所述声表面波谐振器（2）包括两个对称设置的叉指换能器（2-1），在两个叉指换能器之间分布有均匀排列的金属点阵（2-2），在每个叉指换能器（2-1）的外侧均设置有一个反射器（2-3）和一个吸声胶（4），且吸声胶（4）平行设置在反射器（2-3）外侧；所述声表面波检测器（3）包括两个对称设置在声表面波谐振器（2）两侧的延迟线（3-1）且两延迟线（3-1）的设置方向与声表面波谐振器（2）的设置方向平行；所述延迟线（3-1）包括一对单相单向叉指换能器（3-1-1）、石墨烯薄膜（3-1-2）、金属电极Ⅰ（3-1-3）和金属电极Ⅱ（3-1-4），在两个单相单向叉指换能器（3-1-1）之间设有石墨烯薄膜（3-1-2），在石墨烯薄膜（3-1-2）上平行设置有金属电极Ⅰ（3-1-3）和金属电极Ⅱ（3-1-4），且金属电极Ⅰ（3-1-3）和金属电极Ⅱ（3-1-4）与声表面波谐振器（2）的声波传播方向垂直；且在每个单相单向叉指换能器（3-1-1）的外侧均设置有一个吸声胶（4）。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯薄膜的增益可调控声表面波微陀螺仪，其特征在于：所述延迟线（3-1）关于声表面波谐振器（2）呈轴对称分布。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯薄膜的增益可调控声表面波微陀螺仪，其特征在于：所述金属点阵（2-2）包括若干行金属点组，每行金属点组包括若干个间隔分布的矩形金属点；每个矩形金属点在x方向的长度为x方向声表面波波长λx的1/4，在y方向上的宽度为y方向声表面波波长λy的1/4；且同一行的矩形金属点与矩形金属点在x方向上的中心间隔为λx/2；相邻两行的矩形金属点与矩形金属点在y方向上的中心间距为λy/2；并且相邻两行的矩形金属点在x方向位置错开λx /4。

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