本發(fā)明涉及一種基于杯形波動陀螺的壓電電極及其設(shè)計(jì)方法，主要是結(jié)構(gòu)優(yōu)化、改進(jìn)以及工藝制作，屬于執(zhí)行器、傳感器設(shè)計(jì)制造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鋯鈦酸鉛(pzt)材料是一種具有高機(jī)電常數(shù)、高介電常數(shù)和高剩余極化強(qiáng)度的功能材料，因其具有介電、壓電、鐵電等優(yōu)異特性，目前已成為制備mems與納米器件的主要材料,同時(shí)pzt材料易于半導(dǎo)體工藝相集成，可用于制作傳感器、鐵電存儲器、微型壓電驅(qū)動裝置和聲表面波器件等。

pzt材料存在正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，也是壓電執(zhí)行傳感器的工作基礎(chǔ)。通過正壓電效應(yīng)，可以將材料的變形以材料表面產(chǎn)生的電荷輸出量來表征。利用材料的逆壓電效應(yīng)，可以將施加在材料的電信號轉(zhuǎn)化為材料本身的變形量。杯形波動陀螺是一種固體固體波動陀螺，利用杯形諧振諧振子固體彈性波動、以及壓電驅(qū)動和檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對角速度的測量。杯形波動陀螺具有精度高，能耗小，且使用壽命長，抗沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣泛。

經(jīng)過現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，組合式石英杯形波動陀螺諧振子(專利號：cn102353369a)詳細(xì)介紹了杯形波動陀螺諧振子的詳細(xì)組成情況，八個(gè)獨(dú)立的壓電電極貼附在石英諧振子的底面。在論文杯形陀螺壓電片粘結(jié)膠層對諧振子振動特性的影響規(guī)律研究(zhub.researchonadhensivelayeranditseffectsonvibtationcharacteristicsofresonatorandpztofcuppedgyro[j].chinesejournalofsensors&actuators,2011,24(9):1248-1252.)也詳細(xì)探討了粘結(jié)壓電片的膠層對杯形波動陀螺的影響。由于壓電電極與石英基底之間有膠層的存在，屬于柔性連接，膠層的位置、材料、厚度以及膠層的均勻性對諧振子的輸入增益以及能量傳遞有很大的影響，因此迫切需要一種新的壓電電極制作方法，使其避免或減少上述因素的對陀螺儀性能的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于杯形波動陀螺石英基底上的壓電電極的設(shè)計(jì)與制作方法，無需使用膠層黏貼壓電電極，避免上述因素對陀螺儀性能的影響。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種基于杯形波動陀螺的壓電電極，為三層結(jié)構(gòu)，從下到上依次為公共底電極、pzt層和頂電極；為了保證杯形波動陀螺諧振子的質(zhì)量平衡，同時(shí)也結(jié)合mems工藝中的相關(guān)尺寸補(bǔ)償，公共底電極主體為八個(gè)矩形電極塊，通過圓環(huán)結(jié)構(gòu)將八個(gè)矩形電極塊連為一體結(jié)構(gòu)，且材料、厚度均相同；pzt層的結(jié)構(gòu)與公共底電極的結(jié)構(gòu)相同，在pzt層的圓環(huán)結(jié)構(gòu)上設(shè)有8個(gè)引線孔，每兩矩形電極塊之間設(shè)有一引線孔；頂電極為八個(gè)矩形電極塊，其濺射于pzt層的對應(yīng)矩形電極塊處，矩形電極塊的端部設(shè)有頂電極引線位置。

杯形石英基底表面鏡面拋光，底電極通過端部pt連接，稱為公共電極，且位于pzt層和石英基底之間，pzt層的形狀與信號電極的形狀相同。

所述壓電電極的工作原理是，采用壓電材料的逆壓電效應(yīng)驅(qū)動，激勵(lì)石英諧振子進(jìn)入驅(qū)動模態(tài)，驅(qū)動模態(tài)與敏感模態(tài)相互匹配，采用壓電材料的正壓電效應(yīng)檢測。本專利的壓電材料是pzt層。

一種基于杯形波動陀螺的壓電電極的制備方法，步驟如下：

第一步，對杯形波動陀螺的諧振子底面進(jìn)行拋光、清洗、甩膠、光刻和顯影；

第二步，在諧振子底面先濺射一層30～50nmti層、再濺射一層150～200nmpt層，去膠并剝離濺射的ti、pt層，得到公共底電極；

第三步，清洗第二步制得的諧振子底面表面，并制備pzt前驅(qū)液；采用溶膠-凝膠法在諧振子底面制備pzt薄層，經(jīng)過多次重復(fù)操作，得到pzt層；

第四步，在pzt層表面進(jìn)行甩膠、光刻和顯影，并濺射pt層，去膠并剝離，去除電極之外多余的pt層，得到頂電極；

第五步，在頂電極的表面，甩膠、光刻和顯影，并利用pzt腐蝕液腐蝕多余的pzt，形成所需圖案的pzt層，同時(shí)露出底電極引線孔。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明中的杯形波動陀螺諧振子的壓電電極結(jié)合mems加工工藝進(jìn)行制作，在杯形波動陀螺儀諧振子的壓電電極加工制作中，改變原有的壓電電極采用膠粘的方式，將原來的柔性連接改為剛性連接，同時(shí)減小壓電電極尺寸和位置誤差，加工工藝可以重復(fù)進(jìn)行，避免膠層和壓電電極尺寸和位置精度對陀螺儀性能的影響，提高了壓電電極對振動的靈敏度和能量傳遞的可靠性。

附圖說明

圖1(a)是壓電電極的公共底電極。

圖1(b)是壓電電極的pzt層。

圖1(c)是壓電電極的頂電極。

圖2是壓電電極的結(jié)構(gòu)樣式圖。

圖3是實(shí)施例的制備流程圖。

具體實(shí)施方式

以下對本發(fā)明的實(shí)施方式做詳細(xì)的說明，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。

參閱圖1，圖1(a)表示的是杯形波動陀螺電極的底電極，底電極通過環(huán)形的結(jié)構(gòu)連接在一起，所有均布的底電極之間都互相導(dǎo)通，底電極的材料為pt。圖1(b)是壓電執(zhí)行傳感器的核心材料pzt，pzt單獨(dú)制備在石英基底上，會產(chǎn)生裂紋。需要制備在底電極表面上，才能保持其良好的壓電性能。圖1(c)是頂電極的結(jié)構(gòu)分布，頂電極的材料為pt。

參閱圖2，圖2是杯形波動陀螺電極的效果圖，共有8個(gè)矩形壓電條，同在一條直線上的為一對，即4對。每一對都可以作為壓電執(zhí)行器或者是壓電傳感器。在杯形波動陀螺的工作原理中，一對作為驅(qū)動模態(tài)的激勵(lì)電極，一對作為敏感模態(tài)的檢測電極，一對作為驅(qū)動模態(tài)的補(bǔ)償電極，一對作為敏感模態(tài)檢測電極的補(bǔ)償電極。其工作原理是，在激勵(lì)電極上施加交流電壓，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷產(chǎn)生周期性的變形振動，帶動基底產(chǎn)生微小變形，基底在以一定的速度旋轉(zhuǎn)，根據(jù)科里奧利力原理，微小變形會產(chǎn)生移動，帶動敏感模態(tài)的檢測電極變形，利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，輸出變形信號，從輸出的電荷信號中解算出基底轉(zhuǎn)動速度的大小。

圖3指的是杯形波動陀螺電極的mems制作工藝步驟:

第一步，如圖3所示，對杯形波動陀螺的諧振子底面進(jìn)行拋光、清洗、甩膠、光刻和顯影；

第二步，如圖3所示，濺射厚度約為150～200nm的pt，去膠并剝離濺射層，得到長度約為8mm，寬度約為1mm的矩形金屬層2，底電極整體形狀如圖1(a)所示。

第三步，如圖3所示，清洗第二步制得的金屬電極層表面，并制備pzt前驅(qū)液，采用溶膠-凝膠法在諧振子基底1底面制備pzt壓電層，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分。經(jīng)過多次重復(fù)操作，得到厚度為1～2μm的pzt壓電薄膜3。

第四步，如圖3所示，在pzt壓電薄膜3表面進(jìn)行甩膠、光刻和顯影，并濺射pt金屬層，厚度約為150～200nm，去膠并剝離，去除電極之外多余的濺射金屬層，得到pt頂電極金屬層4；

第五步，如圖3所示，在金屬層4的表面，甩膠、光刻和顯影，并利用pzt腐蝕液腐蝕多余的pzt，形成特定圖案的壓電層，同時(shí)露出底電極引線孔5，位置分布和圖案形狀如圖所示。

本發(fā)明中的杯形波動陀螺諧振子的壓電電極結(jié)合mems加工工藝進(jìn)行制作，在杯形波動陀螺儀諧振子的壓電電極加工制作中，改變原有的壓電電極采用膠粘的方式，將傳統(tǒng)的柔性連接改為剛性連接，采用mems加工工藝制作，加工精度高，同時(shí)，加工工藝可以重復(fù)進(jìn)行，如果壓電電極的尺寸和位置誤差較大，可以重復(fù)mems工藝，從而避免膠層和壓電電極尺寸和位置精度對陀螺儀性能的影響。提高了壓電電極對振動的靈敏度和能量傳遞的可靠性。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體/優(yōu)選的實(shí)施方式對本發(fā)明所做的進(jìn)一步的詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，其還可以對這些已描述的實(shí)施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應(yīng)當(dāng)視為屬于該發(fā)明的保護(hù)范圍。