CN108828253B - 一种双轴声表面波角速率传感器 - Google Patents

一种双轴声表面波角速率传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双轴声表面波角速率传感器，所述传感器由一块压电基片和置于压电基片表面的四个声表面波延迟线构成，第一和第三声表面波延迟线结构相同呈平行且反向设置；第二和第四声表面波延迟线结构相同呈平行且反向设置而且与第一和第三声表面波延迟线呈垂直分布；在四个声表面波延迟线的输入/和输出换能器之间分布有金属栅条阵列；第一和第三声表面波延迟线构成差分传感结构以检测沿y轴方向的旋转角速率，第二和第四声表面波延迟线构成差分传感结构以检测沿x轴方向的旋转角速率；当传感器以一定的角速率旋转时，金属栅条阵列受哥氏力作用使得声表面波的传播相速度发生改变，以实现对角速率的检测。

Description

一种双轴声表面波角速率传感器
技术领域
本发明涉及一种声表面波角速率传感器，特别是涉及一种基于分布金属栅阵的双轴行波模式声表面波角速率传感器。
背景技术
目前市场上应用的角速率传感器主要有激光式、光纤式、静电式及MEMS振动式等，但由于存在体积大、成本高或抗振能力差等缺陷限制了他们在军事领域的应用。
行波模式的声表面波(SAW)角速率传感器主要是基于SAW陀螺效应：垂直于声波传播方向的旋转矢量通过哥氏力(Coriolis力)激发一具有一定相位差的伪声波并与初始声表面波相互耦合，从而引起声波传播相速度发生改变，结合相应的振荡器结构，以振荡器输出频率的变化来表征角速率的变化。传感器核心构件采用SAW光刻工艺，制作简单、体积小、成本低，使用寿命长，同时由于不采用内部悬浮式器件而具有较高的抗振能力，在民用乃至军用领域具有广阔的应用前景。
现有技术中的行波模式SAW角速率传感器由一对平行且反向设置的具有相同结构的第一延迟线和第二延迟线构成，在第一延迟线和第二延迟线的声传播路径上分布有金属点阵，传感器旋转时，哥氏力作用于随声波振动的金属点阵，导致声波相速度发生改变，再结合振荡器结构的频率变化实现对旋转角速率的检测。这种结构的SAW角速率传感器利用声传播路径上的金属点阵改善传感器的检测灵敏度性能，但由于金属点阵的尺寸限制，工艺上很难将其厚度做到足以将SAW陀螺效应强度提升到满足实用需求的程度。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于分布金属栅阵的双轴声表面波角速率传感器，利用声传播路径上的金属栅阵进一步提升行波模式声表面角速率传感器的检测灵敏度，并通过传感器的垂直分布结构实现双轴角速率检测。
为实现上述发明目的，本申请提出了一种双轴声表面波角速率传感器，所述双轴声表面波角速率传感器包括压电基片、四组沿压电基片圆周方向置于压电基片表面的第一声表面波延迟线、第二声表面波延迟线、第三表面波延迟线和第四表面波延迟线，所述第一声表面波延迟线、第二声表面波延迟线、第三表面波延迟线和第四表面波延迟线的两个叉指换能器之间均分布有金属栅条阵列，所述第一声表面波延迟线和第三表面波延迟线结构相同呈平行且反向设置，第一声表面波延迟线和第三表面波延迟线构成一差分传感器，用于检测沿y轴方向的旋转角速率，所述第二声表面波延迟线和第四表面波延迟线结构相同呈平行且反向设置，第二声表面波延迟线和第四表面波延迟线构成另一差分传感器，用于检测沿x轴方向的旋转角速率；所述第二声表面波延迟线和第四表面波延迟线分别垂直于所述第一声表面波延迟线和第三表面波延迟线。当传感器以一定的角速率旋转时，各个金属栅条阵列受哥氏力作用使得声表面波的传播速度发生改变，以实现对角速率的检测。
作为上述技术方案的一种改进，所述压电基片为绕Y向旋转128°切割且沿X方向传播的LiNbO3压电基片。所述压电基片能激发声表面波。
作为上述技术方案的一种改进，所述第一声表面波延迟线、第二声表面波延迟线、第三表面波延迟线和第四表面波延迟线中的输入叉指换能器和输出叉指换能器电极采用铝材料制成，铝电极厚度为250nm～350nm。
作为上述技术方案的一种改进，所述第一声表面波延迟线、第二声表面波延迟线、第三表面波延迟线和第四表面波延迟线中的输入叉指换能器和输出叉指换能器采用单向单相叉指换能器，在输入叉指换能器和输出叉指换能器的相邻叉指电极对之间均设置反射电极，所述叉指电极对由两个叉指电极组成，所述反射电极由厚度为250nm～350nm的铝材料制成。所述叉指电极对和反射电极构成叉指电极-反射电极组合以保证声表面波的单向单相传播。
作为上述技术方案的一种改进，在所述第一声表面波延迟线、第二声表面波延迟线、第三表面波延迟线和第四表面波延迟线的输入叉指换能器中每隔若干组叉指电极对和反射电极后布置若干梳状接地假指，以保证声表面波传播的均匀性；接地假指宽度与其所在输入叉指换能器中的叉指电极宽度一致，接地假指之间以及接地假指与其临近的叉指电极之间的边缘距离等于接地假指宽度。
作为上述技术方案的一种改进，所述第一声表面波延迟线和第三表面波延迟线的输入叉指换能器沿x轴方向长度均为100～600λx，输出叉指换能器沿x轴方向的长度均为30～100λx；所述第二声表面波延迟线和第四表面波延迟线的输入叉指换能器沿y轴方向的长度均为100～600λy，输出叉指换能器沿y轴方向的长度均为30～100λy，其中λx是声表面波沿x轴方向传播的声波长，λy是声表面波沿y轴方向传播的声波长。
作为上述技术方案的一种改进，所述金属栅条阵列采用膜厚为100nm～900nm的金材料；所述金属栅条阵列在镀金之前先在压电基片上镀一层厚度为20nm～100nm的铬。改善金材料在压电基片上的附着性。
作为上述技术方案的一种改进，所述第一声表面波延迟线和第三表面波延迟线的金属栅条阵列中每根金属栅条的宽度为1/4λx，相邻金属栅条的边缘距离为1/4λx，每根金属栅条的长度与叉指换能器的声孔径一致，其中声孔径为50λx。
作为上述技术方案的一种改进，所述第二声表面波延迟线和第四表面波延迟线的金属栅条阵列中每根金属栅条的宽度为1/4λy，相邻金属栅条的边缘距离为1/4λy，每根金属栅条的长度与叉指换能器的声孔径一致，其中声孔径为50λx。
作为上述技术方案的一种改进，所述金属栅条阵列分别与其两侧的叉指换能器边缘的距离为声波长的整数倍。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用声传播路径上的金属栅条阵列提升旋转引起的哥氏力的作用强度，大大改善传感器的检测灵敏度，有效解决当前SAW角速率传感器存在的检测灵敏度低的问题，同时利用传感器的垂直分布结构实现双轴角速率检测。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的具体实施方案所提供的双轴声表面波角速率传感器结构示意图；
图2是应用于本发明的双轴声表面波角速率传感器中单向单相叉指换能器的平面结构示意图；
图3是应用于本发明的声表面波角速率传感器芯片中分布梳状电极的单向单相叉指换能器的平面结构示意图；
图中，1、压电基片，2、第一声表面波延迟线，21、第一声表面波延迟线2的输入叉指换能器，211、梳状接地假指，22、第一声表面波延迟线2的输出叉指换能器，221、叉指电极对，222、反射电极，23、第一金属栅条阵列，3、第三声表面波延迟线，31、第三声表面波延迟线3的输入叉指换能器，32、第三声表面波延迟线3的输出叉指换能器，33、第三金属栅条阵列，4、第二声表面波延迟线，41、第二声表面波延迟线4的输入叉指换能器，42、第二声表面波延迟线4的输出叉指换能器，43、第二金属栅条阵列，5、第四声表面波延迟线，51、第四声表面波延迟线5的输入叉指换能器，52、第四声表面波延迟线4的输出叉指换能器，53、第四金属栅条阵列。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中的行波模式SAW角速率传感器利用声传播路径上的金属点阵改善传感器的检测灵敏度性能，但由于金属点阵的尺寸限制，工艺上很难将其厚度做到足以将SAW陀螺效应强度提升到满足实用需求的程度，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种双轴声表面波角速率传感器，利用声传播路径上的金属栅阵进一步提升行波模式SAW角速率传感器的检测灵敏度，并通过传感器的垂直分布结构实现双轴角速率检测。
如图1所示，本发明提供了一种双轴声表面波角速率传感器，该传感器包括：压电基片1；四组设置于压电基片表面的第一声表面波延迟线2、第二声表面波延迟线4、第三声表面波延迟线3和第四声表面波延迟线5；分布于第一声表面波延迟线2的声传播路径上的第一金属栅条阵列23、分布于第二声表面波延迟线4的声传播路径上的第二金属栅条阵列43、分布于第三声表面波延迟线3的声传播路径上的第三金属栅条阵列33和分布于第四声表面波延迟线5的声传播路径上的第四金属栅条阵列53。
声表面波延迟线激发声表面波在压电基片表面传播，垂直于声波传播方向的旋转矢量通过哥氏力激发一具有一定相位差的伪声波并与初始声表面波相互耦合，从而引起声波传播相速度发生改变，结合相应的振荡器结构，以振荡器输出频率的变化来表征旋转角速率的变化。由于哥氏力的作用强度正比于振动质点的质量，因此在声波传播路径上分布金属栅阵可以大幅度提高哥氏力的作用强度，有效改善传感器的检测灵敏度性能。
具体的，所述第一声表面波延迟线2和第三声表面波延迟线3结构相同呈平行且反向设置在压电基片1上，构成一差分传感器结构用以检测沿y轴方向的旋转角速率；所述第二声表面波延迟线4和第四声表面波延迟线5结构相同呈平行且反向设置在压电基片1上，构成另一差分传感器结构用以检测沿x轴方向的旋转角速率，利用差分结构去除温度等因素的干扰并提高检测灵敏度；并且第二声表面波延迟线4和第四声表面波延迟线5垂直于第一声表面波延迟线2和第三声表面波延迟线3。所述压电基片为绕Y向旋转128°切割且沿X方向传播的LiNbO3压电基片；所述压电基片为能激发声表面波的压电单晶、压电薄膜、压电陶瓷或弛豫铁电单晶。
第一金属栅条阵列23分布于第一声表面波延迟线2的输入叉指换能器21和输出叉指换能器22之间；第三金属栅条阵列33分布于第三声表面波延迟线3的输入叉指换能器31和输出叉指换能器32之间；第二金属栅条阵列43分布于第二声表面波延迟线4的输入叉指换能器41和输出叉指换能器42之间；第四金属栅条阵列53分布于第四声表面波延迟线5的输入叉指换能器51和输出叉指换能器52之间。
本发明提出的双轴声表面波角速率传感器，当传感器以一定的角速率旋转时，各个金属栅条阵列受哥氏力作用使得声表面波的传播速度发生改变，以实现对角速率的检测。
本发明提出的双轴声表面波角速率传感器的工作频率在10MHz～100MHz之间。优选地，双轴声表面波角速率传感器的工作频率为80MHz。
在本实施例中，所述第一声表面波延迟线2的输入叉指换能器21和输出叉指换能器22、第三声表面波延迟线3的输入叉指换能器31和输出叉指换能器32、第三声表面波延迟线3的输入叉指换能器31和输出叉指换能器32以及第四声表面波延迟线5的输入叉指换能器51和输出叉指换能器52电极均采用铝电极，电极膜厚300nm。
如图2所示，上述的四组声表面波延迟线的输入叉指换能器21、31、41、51和输出叉指换能器22、32、42、52均采用单向单相叉指换能器，在输入叉指换能器21、31、41、51和输出叉指换能器22、32、42、52的相邻叉指电极对221之间均设置反射电极222构成叉指电极-反射电极组合以保证声表面波的单向单相传播。对于第一声表面波延迟线2的输入叉指换能器21和输出叉指换能器22以及第三声表面波延迟线3的输入叉指换能器31和输出叉指换能器32中的叉指电极对221由两个宽度为1/8λx的电极组成，叉指对的两个电极之间间距1/8λx，所述反射电极222宽度为1/4λx，反射电极222与相邻的叉指对221边缘的距离为3/16λx。第三声表面波延迟线3的输入叉指换能器31和输出叉指换能器32以及第四声表面波延迟线5的输入叉指换能器51和输出叉指换能器52中的叉指电极对221由两个宽度为1/8λy的电极组成，叉指电极的两电极之间间距1/8λy，所述的反射电极222宽度为1/4λy，反射电极222与相邻的叉指电极221边缘的距离为3/16λy，其中λx为沿x轴方向传播的声表面波的波长，λy为沿y轴方向传播的声表面波的波长。所述反射电极222由厚度为300nm的铝材料制成。
如图3所示，上述的四组声表面波延迟线的输入叉指换能器21、31、41、51中每隔5组叉指电极对和反射电极后布置梳状接地假指211，以保证声表面波传播的均匀性。所述第一声表面波延迟线2和第三声表面波延迟线3的输入叉指换能器21和31中的梳状接地假指211宽1/8λx，每根假指之间距离1/8λx，假指与临近的叉指电极之间距离1/8λx。所述第二声表面波延迟线4和第四声表面波延迟线5的叉指换能器41和51中的梳状假指211宽1/8λy，每根假指之间距离1/8λy，假指与临近的叉指电极之间距离1/8λy。
在本实施例中，所述第一声表面波延迟线2的输入叉指换能器21和第三声表面波延迟线3的输入叉指换能器31沿x轴方向长度均为125λx，所述第一声表面波延迟线2的输出叉指换能器22和第三声表面波延迟线3的输出叉指换能器32长度均为40λx。所述第二声表面波延迟线4的输入叉指换能器41和第四声表面波延迟线5的输入叉指换能器51沿y轴方向长度均为125λy，第四声表面波延迟线5的输出叉指换能器42和第四声表面波延迟线5的输出叉指换能器52长度均为40λy。
在本实施例中，所述第一金属栅条阵列23、第二金属栅条阵列43、第三金属栅条阵列33和第四金属栅条阵列53均采用金材料，金膜厚度为300nm，在镀金膜之前先镀一层厚度为50nm的铬以改善金材料在压电基片上的附着性。
所述第一金属栅条阵列23、第二金属栅条阵列43、第三金属栅条阵列33和第四金属栅条阵列53分别由61根金属栅条构成。所述第一金属栅条阵列23和第三金属栅条阵列33中每根金属栅条沿x轴方向的宽度为1/4λx，沿y轴方向的长度与叉指换能器的声孔径一致，其中声孔径为50λy。第二金属栅条阵列43和第四金属栅条阵列53中每根金属栅条沿y轴方向的宽度为1/4λy，沿x轴方向的长度与叉指换能器的声孔径一致，其中声孔径为50λx。
所述第一金属栅条阵列23和第三金属栅条阵列33与其左右两侧的叉指换能器的距离均为6λx，第二金属栅条阵列43和第四金属栅条阵列53与其左右两侧的叉指换能器的距离均为6λy。金属栅条阵列的加入可以有效改善哥氏力的作用效果，大幅度提高传感器的检测灵敏度。
这样，获得了一种新型的分布金属栅阵的双轴声表面波角速率传感器，所制备的样品大小为2cm×2cm。
本发明利用声传播路径上的金属栅条阵列提升旋转引起的哥氏力的作用强度，大大改善传感器的检测灵敏度，有效解决当前SAW角速率传感器存在的检测灵敏度低的问题，同时利用传感器的垂直分布结构实现双轴角速率检测。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种双轴声表面波角速率传感器，其特征在于，包括压电基片和四组沿压电基片圆周方向置于压电基片表面的第一声表面波延迟线、第二声表面波延迟线、第三声表面波延迟线和第四声表面波延迟线，所述第一声表面波延迟线、第二声表面波延迟线、第三声表面波延迟线和第四声表面波延迟线的两个叉指换能器之间均分布有金属栅条阵列，所述第一声表面波延迟线和第三声表面波延迟线结构相同呈平行且反向设置，第一声表面波延迟线和第三声表面波延迟线构成一差分传感器，用于检测沿y轴方向的旋转角速率，所述第二声表面波延迟线和第四声表面波延迟线结构相同呈平行且反向设置，第二声表面波延迟线和第四声表面波延迟线构成另一差分传感器，用于检测沿x轴方向的旋转角速率；所述第二声表面波延迟线和第四声表面波延迟线分别垂直于所述第一声表面波延迟线和第三声表面波延迟线。
2.根据权利要求1所述的双轴声表面波角速率传感器，其特征在于，所述压电基片为绕Y向旋转128°切割且沿X方向传播的LiNbO3压电基片。
3.根据权利要求1所述的双轴声表面波角速率传感器，其特征在于，所述第一声表面波延迟线、第二声表面波延迟线、第三声表面波延迟线和第四声表面波延迟线中的输入叉指换能器和输出叉指换能器电极采用铝材料制成，铝电极厚度为250nm～350nm。
4.根据权利要求3所述的双轴声表面波角速率传感器，其特征在于，所述第一声表面波延迟线、第二声表面波延迟线、第三声表面波延迟线和第四声表面波延迟线中的输入叉指换能器和输出叉指换能器采用单向单相叉指换能器，在输入叉指换能器和输出叉指换能器的相邻叉指电极对之间均设置反射电极，所述叉指电极对由两个叉指电极组成，所述反射电极由厚度为250nm～350nm的铝材料制成。
5.根据权利要求3所述的双轴声表面波角速率传感器，其特征在于，在所述第一声表面波延迟线、第二声表面波延迟线、第三声表面波延迟线和第四声表面波延迟线的输入叉指换能器中每隔若干组叉指电极对和反射电极后布置若干梳状接地假指，接地假指宽度与其所在输入叉指换能器中的叉指电极宽度一致，接地假指之间以及接地假指与其临近的叉指电极之间的边缘距离等于接地假指宽度。
6.根据权利要求1、4或5所述的双轴声表面波角速率传感器，其特征在于，所述第一声表面波延迟线和第三声表面波延迟线的输入叉指换能器沿x轴方向长度均为100～600λx，输出叉指换能器沿x轴方向的长度均为30～100λx；所述第二声表面波延迟线和第四声表面波延迟线的输入叉指换能器沿y轴方向的长度均为100～600λy，输出叉指换能器沿y轴方向的长度均为30～100λy，其中λx是声表面波沿x轴方向传播的声波长，λy是声表面波沿y轴方向传播的声波长。
7.根据权利要求1所述的双轴声表面波角速率传感器，其特征在于，所述金属栅条阵列采用膜厚为100nm～900nm的金材料；所述金属栅条阵列在镀金之前先在压电基片上镀一层厚度为20nm～100nm的铬。
8.根据权利要求1所述的双轴声表面波角速率传感器，其特征在于，所述第一声表面波延迟线和第三声表面波延迟线的金属栅条阵列中每根金属栅条的宽度为1/4λx，相邻金属栅条的边缘距离为1/4λx，每根金属栅条的长度与叉指换能器的声孔径一致，其中声孔径为50λx。
9.根据权利要求1所述的双轴声表面波角速率传感器，其特征在于，所述第二声表面波延迟线和第四声表面波延迟线的金属栅条阵列中每根金属栅条的宽度为1/4λy，相邻金属栅条的边缘距离为1/4λy，每根金属栅条的长度与叉指换能器的声孔径一致，其中声孔径为50λx。
10.根据权利要求1所述的双轴声表面波角速率传感器，其特征在于，所述金属栅条阵列分别与其两侧的叉指换能器边缘的距离为声波长的整数倍。
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