CN115855011B - 一种芯片级高动态mems环形声表面驻波陀螺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种芯片级高动态MEMS环形声表面驻波陀螺，包括基底、声波驱动模块、声波敏感模块、环形金属质量点阵，声波驱动模块和声波敏感模块构成环形，环形金属质量点阵设置于声波驱动模块和声波敏感模块的中央，声波驱动模块包括相对设置的第一扇形叉指换能器和第二扇形叉指换能器，声波敏感模块包括相对设置的第三扇形叉指换能器和第四扇形叉指换能器，每一个叉指的一侧向外延伸出电极，电极上溅射金属电极层。本发明采用上述结构的一种芯片级高动态MEMS环形声表面驻波陀螺，排布了多环嵌套形式的声表面驻波驱动结构和声表面波敏感结构以构成圆环形状，提升陀螺检测的灵敏度和精度。

Description

一种芯片级高动态MEMS环形声表面驻波陀螺
技术领域
本发明涉及微传感器技术领域，尤其是涉及一种芯片级高动态MEMS环形声表面驻波陀螺。
背景技术
陀螺仪是一种用于测量惯性空间中物体运动的角速度和角位移的传感器，是惯性制导和惯性导航技术的核心敏感元件，在国民经济建设、工业和军事应用领域具有至关重要的作用。精度是衡量陀螺仪影响惯性制导系统性能的核心指标，当前在国内外已成为研究热点。
目前，环形MEMS谐振陀螺因对称拓扑特征结构而使其具有体积小、动态范围宽和易于实现模态匹配和高Q值进而提升陀螺性能等优势成为国际研究热点。然而由于受到其几何拓扑结构悬浮可动、精密加工修调以及微弱信号检测等技术因素的限制，使得环形MEMS谐振陀螺抗冲击性和稳定性受到影响，其精度受到严重限制。
声表面驻波MEMS陀螺作为一种全固态陀螺，内部无悬浮结构，因此其具有更好的抗冲击性能。但是传统的声表面驻波陀螺所采用的方形叉指换能器仅能利用向两侧传递的声表面波的一侧，能量利用率大大减小，从而极大的衰减了信号灵敏度。同时叉指换能器与反射器等结构采用十字型排布，导致这些结构分布较分散，没有充分利用陀螺器件层的物理空间，从而导致二次声表面波影响区域小，同样也会大幅衰减信号灵敏度。这些缺陷显著地制约了声表面驻波陀螺的精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种芯片级高动态MEMS环形声表面驻波陀螺，排布了多环嵌套形式的声表面驻波驱动结构和声表面波敏感结构以构成圆环形状，提升陀螺检测的灵敏度和精度。
为实现上述目的，本发明提供了一种芯片级高动态MEMS环形声表面驻波陀螺，包括基底、声波驱动模块、声波敏感模块、环形金属质量点阵，所述声波驱动模块和所述声波敏感模块构成环形，所述环形金属质量点阵设置于所述声波驱动模块和所述声波敏感模块的中央；所述声波驱动模块包括相对设置的第一扇形叉指换能器和第二扇形叉指换能器，所述声波敏感模块包括相对设置的第三扇形叉指换能器和第四扇形叉指换能器，所述第一扇形叉指换能器包括第一叉指和第二叉指，所述第二扇形叉指换能器包括第三叉指和第四叉指，所述第三扇形叉指换能器包括第五叉指和第六叉指，所述第四扇形叉指换能器包括第七叉指和第八叉指，每一个叉指的一侧向外延伸出电极，所述电极的一侧设置有两个矩形结构，所述电极上溅射金属电极层。
优选的，所述基底材料为石英晶体、铌酸锂晶体或钛酸钡晶体。
优选的，所述第一叉指和所述第二叉指交叉设置，所述第一叉指与第一电极一体连接，所述第二叉指与第二电极一体连接；
所述第三叉指和所述第四叉指交叉设置，所述第三叉指与第三电极一体连接，所述第四叉指与第四电极一体连接；
所述第五叉指和所述第六叉指交叉设置，所述第五叉指与第五电极一体连接，所述第六叉指与第六电极一体连接；
所述第七叉指和所述第八叉指交叉设置，所述第七叉指与第七电极一体连接，所述第八叉指与第八电极一体连接。
优选的，所述第一电极与所述第八电极相邻设置，所述第二电极与所述第五电极相邻设置，所述第三电极与所述第六电极相邻设置，所述第四电极与所述第七电极相邻设置。
优选的，所述环形金属质量点阵包括若干圈同心均匀排布的金属柱，每圈由若干个金属柱构成。
因此，本发明采用上述结构的一种芯片级高动态MEMS环形声表面驻波陀螺，具有以下有益效果：
第一，排布多环嵌套形式的声表面驻波驱动结构和声表面波敏感结构以构成圆环形状，从圆环四周径向向中心依次放置环形叉指换能器和环形金属质量点阵，利用圆环结构增大由科氏力导致的二次声表面波影响区域，提升陀螺检测的灵敏度。
第二，采用非直线型的环形叉指换能器形成声表面驻波驱动陀螺的激励模态。利用结构的几何特征将产生的声表面波聚集起来，提升能量利用率，从而提升环形声表面波驻波陀螺的精度。有助于突破传统的MEMS声表面驻波陀螺的动态精度极限。
第三，依赖结构的几何约束特性剥离一次及二次声表面波，避免信号混杂，有助于增强信号检测的信噪比。并将由二次声表面波振动引起器件晶体的机械应变利用非直线型的环形叉指换能器转化电信号，以便后续进行信号拾取与分析。
附图说明
图1为本发明一种芯片级高动态MEMS环形声表面驻波陀螺实施例的结构俯视图；
图2为本发明实施例的结构主视图；
图3为本发明实施例的三维结构示意图。
1-1、第一叉指；1-2、第二叉指；1-3、第三叉指；1-4、第四叉指；1-5、第五叉指；1-6、第六叉指；1-7、第七叉指；1-8、第八叉指；2-1、第一电极；2-2、第二电极；2-3、第三电极；2-4、第四电极；2-5、第五电极；2-6、第六电极；2-7、第七电极；2-8、第八电极；3、环形金属质量点阵；4、基底；4-1、铌酸锂薄膜层；4-2、二氧化硅晶体层；4-3、铌酸锂晶体层。
实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例
如图所示，一种芯片级高动态MEMS环形声表面驻波陀螺，包括基底4、声波驱动模块、声波敏感模块、环形金属质量点阵3，声波驱动模块、声波敏感模块、环形金属质量点阵3在基底4的最上层表面上溅射金属形成。
基底4采用铌酸锂晶体-绝缘体(LNOI），从上到下依次为铌酸锂薄膜层4-1、二氧化硅晶体层4-2、铌酸锂晶体层4-3。铌酸锂薄膜层4-1的厚度为500nm。基底4的作用是实现压电与逆压电效应，将材料所受的电信号转化为机械应变，同时将机械应变转化为电信号。
声波驱动模块和声波敏感模块构成环形，环形金属质量点阵设置于声波驱动模块和声波敏感模块的中央。声波驱动模块和声波敏感模块的内径为600mm，外径为900mm，厚度为300nm。
声波驱动模块包括相对设置的第一扇形叉指换能器和第二扇形叉指换能器，第一扇形叉指换能器包括第一叉指1-1和第二叉指1-2，第一叉指1-1和第二叉指1-2交叉设置；
第二扇形叉指换能器包括第三叉指1-3和第四叉指1-4，第三叉指1-3和第四叉指1-4交叉设置；
声波敏感模块包括相对设置的第三扇形叉指换能器和第四扇形叉指换能器，第三扇形叉指换能器包括第五叉指1-5和第六叉指1-6，第五叉指1-5和第六叉指1-6交叉设置；
第四扇形叉指换能器包括第七叉指1-7和第八叉指1-8，第七叉指1-7和第八叉指1-8交叉设置。
每一个叉指的一侧向外延伸出电极，电极的一侧设置有两个矩形结构，矩形结构的边长为100um。电极上溅射金属电极层，厚度为200nm。第一叉指1-1与第一电极2-1一体连接，第二叉指1-2与第二电极2-2一体连接，第三叉指1-3与第三电极2-3一体连接，第四叉指1-4与第四电极2-4一体连接，第五叉指1-5与第五电极2-5一体连接，第六叉指1-6与第六电极2-6一体连接，第七叉指1-7与第七电极2-7一体连接，第八叉指1-8与第八电极2-8一体连接。
第一电极2-1与第八电极2-8相邻设置，第二电极2-2与第五电极2-5相邻设置，第三电极2-3与第六电极2-6相邻设置，第四电极2-4与第七电极2-7相邻设置。
环形金属质量点阵3包括两圈同心均匀排布的金属柱，每圈由9个金属柱构成。内圈半径为450mm，外圈半径为500mm，金属柱的半径为5mm，高度为800nm。
通过在声波驱动模块中的第一电极2-1、第二电极2-2、第三电极2-3和第四电极2-4上施加外部激励信号产生交变电场，由于逆压电效应使得基底4的最上薄膜层表面激发生成用于陀螺仪驱动模态的声表面波，并沿着径向方向向外部传播过程中作用于环形金属质量点阵3。由于第一扇形叉指换能器和第二扇形叉指换能器产生的声表面波频率相同而方向相反，因此形成驻波使得金属点阵受到声表面波驻波的影响，其中环形金属质量点阵3位于声表面波驻波的波峰位置。
当陀螺仪沿着Z轴有外部角速度作用时，环形金属质量点阵3会受到科氏力作用，从而产生的二次声表面波会沿着与其径向传播的声表面波垂直的方向进行波动，从而使得基底4的晶体内部产生应力而发生周期性的应变，此波动方向作用于第五叉指1-5、第六叉指1-6、第七叉指1-7和第八叉指1-8，利用压电效应将机械应变转化为电信号，从而实现了角速度信号的拾取与检测。
本技术方案所设计的声波驱动模块和声波敏感模块无任何悬浮结构，具有抗冲击性强，鲁棒性强等特点；所设计的声表面驻波陀螺以圆环结构为基础，充分利用物理空间来增大二次声表面波的影响区域，在结构紧凑的基础上进一步地提高传感器的灵敏度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种芯片级高动态MEMS环形声表面驻波陀螺，其特征在于：包括基底、声波驱动模块、声波敏感模块、环形金属质量点阵，所述声波驱动模块和所述声波敏感模块构成环形，所述环形金属质量点阵设置于所述声波驱动模块和所述声波敏感模块的中央；所述声波驱动模块包括相对设置的第一扇形叉指换能器和第二扇形叉指换能器，所述声波敏感模块包括相对设置的第三扇形叉指换能器和第四扇形叉指换能器，所述第一扇形叉指换能器包括第一叉指和第二叉指，所述第二扇形叉指换能器包括第三叉指和第四叉指，所述第三扇形叉指换能器包括第五叉指和第六叉指，所述第四扇形叉指换能器包括第七叉指和第八叉指，每一个叉指的一侧向外延伸出电极，所述电极的一侧设置有两个矩形结构，所述电极上溅射金属电极层；
所述第一叉指和所述第二叉指交叉设置，所述第一叉指与第一电极一体连接，所述第二叉指与第二电极一体连接；
所述第三叉指和所述第四叉指交叉设置，所述第三叉指与第三电极一体连接，所述第四叉指与第四电极一体连接；
所述第五叉指和所述第六叉指交叉设置，所述第五叉指与第五电极一体连接，所述第六叉指与第六电极一体连接；
所述第七叉指和所述第八叉指交叉设置，所述第七叉指与第七电极一体连接，所述第八叉指与第八电极一体连接；
所述第一电极与所述第八电极相邻设置，所述第二电极与所述第五电极相邻设置，所述第三电极与所述第六电极相邻设置，所述第四电极与所述第七电极相邻设置。
2.根据权利要求1所述的一种芯片级高动态MEMS环形声表面驻波陀螺，其特征在于：所述基底材料为石英晶体、铌酸锂晶体或钛酸钡晶体。
3.根据权利要求1所述的一种芯片级高动态MEMS环形声表面驻波陀螺，其特征在于：所述环形金属质量点阵包括若干圈同心均匀排布的金属柱，每圈由若干个金属柱构成。
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