專利名稱：帶有集中質(zhì)量塊的壓電式微固體模態(tài)陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的陀螺，具體地說，涉及的是一種 帶有集中質(zhì)量塊的壓電式微固體模態(tài)陀螺。
技術(shù)背景在過去的一個(gè)世紀(jì)里，陀螺技術(shù)經(jīng)歷了一系列的革命性發(fā)展歷程。20世紀(jì) 初，Elmer Sperry發(fā)明了陀螺羅經(jīng)，并將它應(yīng)用在航海導(dǎo)航中。20世紀(jì)50年代， 己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了采用框架陀螺和加速度計(jì)系統(tǒng)來感應(yīng)飛行器的六自由度運(yùn)動。這些早 期的陀螺系統(tǒng)只用于方位參考，因此對它們沒有較高的精度要求。由于框架式陀 螺系統(tǒng)的高復(fù)雜性和高費(fèi)用，20世紀(jì)70年代開始興起發(fā)展捷聯(lián)式慣性參考系統(tǒng)。 要想獲得足夠高的性能，捷聯(lián)式系統(tǒng)要求有較高的精度，它的陀螺精度漂移要低 于0.01deg/h。為了滿足這樣的精度需求，人們開發(fā)出了具有超高精度和高可靠 性的基于Sagnac效應(yīng)的光學(xué)陀螺。光學(xué)陀螺體積大、價(jià)格昂貴，因此主要應(yīng)用 于航天、航海和航空領(lǐng)域中。在過去的30多年里，隨著MEMS技術(shù)的出現(xiàn)和逐步 發(fā)展，國內(nèi)外科研人員一直在致力于微慣性傳感器的開發(fā)，力求制造出體積小、 價(jià)格便宜、功耗低的高性能MEMS微陀螺。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，日本神戶大學(xué)的K. Maenaka等人在2006伊 斯坦布爾的第19屆IEEE MEMS會議上發(fā)表了一篇論文，題為"新型固態(tài)微型陀 螺"，該論文被收錄在第634頁到第637頁。他們提出了一種基于壓電體特殊振 動模態(tài)的全固態(tài)微陀螺。他們對長方形壓電體振動模態(tài)的研究發(fā)現(xiàn)，在某高階振 動模態(tài)下，壓電體上的各質(zhì)點(diǎn)基本沿著同一個(gè)軸向振動(如x軸)，并且相鄰兩 棱邊周圍的質(zhì)點(diǎn)振動方向相反，即某一個(gè)棱邊為拉伸運(yùn)動時(shí)，則相鄰的棱邊為壓 縮運(yùn)動，他們以壓電體在這種特殊振動模態(tài)下的振動作為驅(qū)動振動(共振頻率約 為幾百KHz)，當(dāng)沿著某個(gè)特定軸向(如y軸)上有角速率輸入時(shí)，在壓電體極 化方向(如z軸)上感應(yīng)振動可以通過壓電體表面的感應(yīng)電壓檢測出來。經(jīng)過初 步的研究，他們驗(yàn)證了這種微陀螺方案的可行性。由于沒有采用傳統(tǒng)的彈簧質(zhì)量
振動系統(tǒng)，這種特殊的全固態(tài)微陀螺中沒有彈性支撐的柔性結(jié)構(gòu)，因此可以承受 較高的外界沖擊，抗沖擊抗震動能力強(qiáng)，并且它對真空封裝無特殊要求，可以工 作常壓下。壓電型全固態(tài)微陀螺的振動體是長方體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的質(zhì)量在長方體內(nèi)均 勻分布，運(yùn)動有效質(zhì)量在總質(zhì)量中所占比例較少，這不利于提高振動體的振動品 質(zhì)因子，改善微陀螺的角速度分辨率。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種帶有集中質(zhì)量塊的壓電 式微固體模態(tài)陀螺。本發(fā)明微固體模態(tài)陀螺利用彈性基體的特殊振動模態(tài)進(jìn)行工作，通過在壓電體上運(yùn)動幅度較大的部位引入集中質(zhì)量塊，來提高運(yùn)動有效質(zhì)量 在總質(zhì)量中所占的比例，進(jìn)而增強(qiáng)微固體模態(tài)陀螺的模態(tài)振動品質(zhì)，降低工作振 動模態(tài)的頻率，提高微陀螺的角速度分辨率和信噪比。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括壓電體、驅(qū)動電極、模態(tài) 檢測電極、集中質(zhì)量塊，其中，驅(qū)動電極、模態(tài)檢測電極、感應(yīng)電極、集中質(zhì)量 塊設(shè)置在壓電體的上下表面，和壓電體形成固定連接。所述壓電體是個(gè)長方體結(jié)構(gòu)，采用壓電材料制作而成，它是整個(gè)微陀螺的核 心傳感部件，也是整個(gè)振動結(jié)構(gòu)的主體。所述驅(qū)動電極，共有兩對，分別分布在壓電體上下表面的中央位置，通過在 驅(qū)動電極上施加一定頻率和幅值的交變驅(qū)動電壓，使壓電體以工作振動模態(tài)振 動，同一表面上的兩個(gè)電極的電壓極性相反，即相位相差180度。所述的模態(tài)檢測電極共有四個(gè)，分別分布在壓電體上下表面相對兩個(gè)棱邊附 近的中間位置。在實(shí)際工作條件下，不同壓電體存在尺寸或材料參數(shù)誤差，因此 工作振動模態(tài)的頻率會存在一定的偏差，當(dāng)以工作振動模態(tài)頻率進(jìn)行壓電體驅(qū)動 時(shí)，在頻域上模態(tài)檢測電極會出現(xiàn)電壓幅值的最大值，因此，模態(tài)檢測電極用來 檢測和跟蹤工作振動模態(tài)，使壓電體穩(wěn)定工作在工作振動模態(tài)下。所述的集中質(zhì)量塊共有八個(gè)，分別分布在壓電體上下表面的四個(gè)角上，為了 增強(qiáng)集中質(zhì)量塊和壓電體之間的結(jié)合力，首先在壓電體上刻蝕深槽，然后在深槽 中電鍍沉積集中質(zhì)量塊，集中質(zhì)量塊的高度和面積可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，集中 質(zhì)量塊采用大密度金屬材料，如銅、鎳、鉑金等。
本發(fā)明通過對上述帶有集中質(zhì)量塊壓電體的振動模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，在某階振動 模態(tài)下，當(dāng)某一瞬間壓電體上表面或下表面一個(gè)棱邊為拉伸運(yùn)動時(shí)，則和它相對 的那條邊為壓縮運(yùn)動，壓電體上表面另外兩個(gè)棱邊處于隨動狀態(tài)。本發(fā)明利用壓 電體的這種特殊振動模態(tài)下的振動作為參考振動，來敏感外界相應(yīng)方向上的角速 度。本發(fā)明提出的壓電式微固體模態(tài)陀螺，在壓電體上下表面引入了集中質(zhì)量 塊，增加了壓電體有效振動質(zhì)量，這一方面可以改善壓電體振動的品質(zhì)因子，提 高微陀螺角速度分辨率和抗噪聲能力，另一方面還可以降低工作振動模態(tài)的振動 頻率，工作振動頻率的降低有利于獲得大功率的交變驅(qū)動電壓，較低的工作振動 頻率還有益于濾除高頻噪聲干擾。壓電式微固體模態(tài)陀螺的提出，克服了背景技 術(shù)中壓電型全固態(tài)微陀螺的不足，它不但具有壓電型全固態(tài)微陀螺抗沖擊、抗震動能力強(qiáng)的特點(diǎn)，通過引入集中質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，可改善壓電體的振動品質(zhì)因子，降 低工作振動的頻率。


圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意圖一。圖2為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意圖二。圖3為本發(fā)明某一振動模態(tài)瞬間運(yùn)動示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于 下述的實(shí)施例。如圖1和圖2所示，本實(shí)施例包括壓電體5以及分布于壓電體5上下表面 的兩對驅(qū)動電極l、 10、 14、 15，四個(gè)模態(tài)檢測電極3、 12、 7、 16和八個(gè)集中 質(zhì)量塊2、 4、 6、 8、 11、 13、 9、 17。其中所述壓電體5是個(gè)長方體結(jié)構(gòu)；所述兩對驅(qū)動電極l、 10、 14、 15，分別分布在壓電體5上下表面的中央位 置，通過在驅(qū)動電極1、 10、 14、 15上以共振頻率施加交變電壓，使壓電體5 以工作振動模態(tài)振動，同一表面上的兩個(gè)電極的電壓極性相反，即相位相差180 度；
所述的四個(gè)模態(tài)檢測電極3、 12、 7、 16，分別分布在壓電體5上下表面相 對兩個(gè)棱邊附近的中間位置，模態(tài)檢測電極用來檢測和跟蹤工作振動模態(tài)，使壓 電體穩(wěn)定工作在工作振動模態(tài)下；所述的八個(gè)集中質(zhì)量塊2、 4、 6、 8、 11、 13、 9、 17，分別分布在壓電體5 上下表面的四個(gè)角上。本實(shí)施例中，壓電體5采用機(jī)電耦合性能較好的壓電材料制作，如PZT、石 英等。本實(shí)施例中，兩對驅(qū)動電極l、 10、 14、 15和四個(gè)模態(tài)檢測電極3、 12、 7、 16采用雙面光刻和電鍍工藝在壓電體5的上下表面制作而成。本實(shí)施例中，八個(gè)集中質(zhì)量塊2、 4、 6、 8、 11、 13、 9、 17的制備方法為 采用光刻工藝在壓電體5上下表面制作掩模，生成刻蝕集中質(zhì)量塊2、 4、 11、 13、 7、 8、 9、 17樁基的深槽，然后在深槽內(nèi)電鍍集中質(zhì)量塊2、 4、 11、 13、 7、 8、 9、 17，集中質(zhì)量塊2、 4、 11、 13、 7、 8、 9、 17采用密度較大的金屬制作， 如金、銅、鎳等。集中質(zhì)量塊2、 4、 11、 13、 7、 8、 9、 17采用樁基一方面可 以增強(qiáng)它們和壓電體之間的結(jié)合力，另一方面還可以增大集中質(zhì)量塊2、 4、 11、 13、 7、 8、 9、 17的體積。如圖1和圖2所示的壓電式微固體模態(tài)陀螺存在某階特殊振動模態(tài)，在該 振動模態(tài)下，壓電體5上各點(diǎn)都沿著某個(gè)軸向振動，如在圖3所示的瞬間，各點(diǎn) 都基本沿著y軸振動，并且該軸向上相對兩個(gè)棱邊同為拉伸或壓縮運(yùn)動，相鄰兩 個(gè)棱邊上的對應(yīng)點(diǎn)運(yùn)動方向相反。如圖3所示的瞬間，壓電體5的兩個(gè)棱邊18 和棱邊21同為壓縮運(yùn)動，對應(yīng)的另外兩個(gè)棱邊19和棱邊20同為拉伸運(yùn)動。利 用這種形式的特殊振動模態(tài)作為壓電式微固體模態(tài)陀螺的工作振動模態(tài)。此時(shí)， 壓電體5的極化方向和壓電體5工作振動模態(tài)下的振動方向相垂直。本實(shí)施例工作時(shí)，通過在壓電體5上下表面兩對驅(qū)動電極1、 10和14、 15 上施加工作振動模態(tài)頻率下的交變電壓，使壓電體5以工作振動模態(tài)振動。當(dāng)某 個(gè)運(yùn)動正交方向上有龜速度輸入的時(shí)候，由于哥氏角速度效應(yīng)，壓電體5會產(chǎn)生 感應(yīng)振動，感應(yīng)振動的方向和工作振動模態(tài)下的振動以及角速度輸入方向兩兩垂 直。由哥氏加速度效應(yīng)引起感應(yīng)振動的最終結(jié)果使得壓電體5表面的壓電電勢發(fā) 生變化，通過檢測八個(gè)集中質(zhì)量塊2、 4、 6、 8、 11、 13、 9、 17上壓電電壓的極
性改變情況和電壓改變量，可以對外界輸入角速度進(jìn)行測量。工作振動模態(tài)下振動時(shí)，四個(gè)模態(tài)檢測電極3、 12、 7、 16上輸出電壓在頻 域內(nèi)會出現(xiàn)峰值，通過檢測該峰值對應(yīng)的頻率值，用來確定兩對驅(qū)動電極l、 10 和14、 15上驅(qū)動電壓的頻率，使壓電體穩(wěn)定地在工作振動模態(tài)下振動。本實(shí)施例是一種具有不同于傳統(tǒng)微振動陀螺結(jié)構(gòu)的壓電式微固體模態(tài)陀螺。 在壓電式微固體模態(tài)陀螺中，無彈性支撐裝置或作整體運(yùn)動的部件，它是一種全 固態(tài)微陀螺。這種微固體模態(tài)陀螺主體結(jié)構(gòu)具有極大的剛度，因此抗沖擊抗震動 能力強(qiáng)。微固體模態(tài)陀螺利用壓電體的特殊振動模態(tài)來工作，質(zhì)點(diǎn)振動幅度較小， 因此空氣的阻尼效應(yīng)(滑膜或壓膜阻尼)的影響較傳統(tǒng)的微振動陀螺要小。壓電 式微固體模態(tài)陀螺對真空封裝無特殊要求，可以工作在常壓條件下，避免了真空 封裝所帶來的MEMS微陀螺產(chǎn)業(yè)化難題。在壓電式微固體模態(tài)陀螺中引入集中質(zhì) 量塊，增大了振動體的有效質(zhì)量,從而可降低噪聲信號的干擾。增加振動質(zhì)量可 降低工作振動模態(tài)的振動頻率，增強(qiáng)哥氏力的耦合效應(yīng),這對降低微陀螺驅(qū)動電 路和檢測電路的制作難度是有利的，同時(shí)還可以改善微陀螺的角速度分辨率。
權(quán)利要求
1、一種帶有集中質(zhì)量塊的壓電式微固體模態(tài)陀螺，包括壓電體、驅(qū)動電極、模態(tài)檢測電極，其特征在于，還包括集中質(zhì)量塊，所述集中質(zhì)量塊、驅(qū)動電極、模態(tài)檢測電極、感應(yīng)電極設(shè)置在壓電體的上下表面，并與壓電體形成固定連接，其中所述驅(qū)動電極，共有兩對，分別分布在壓電體上下表面的中央位置；所述的模態(tài)檢測電極共有四個(gè)，分別分布在壓電體上下表面相對兩個(gè)棱邊附近的中間位置；所述的集中質(zhì)量塊共有八個(gè)，分別分布在壓電體上下表面的四個(gè)角上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有集中質(zhì)量塊的壓電式微固體模態(tài)陀螺，其特 征是，所述壓電體是個(gè)長方體結(jié)構(gòu)，其材料為壓電材料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有集中質(zhì)量塊的壓電式微固體模態(tài)陀螺，其特 征是，所述的壓電體上刻蝕有槽，所述的集中質(zhì)量塊電鍍沉積在該槽中。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的帶有集中質(zhì)量塊的壓電式微固體模態(tài)陀螺， 其特征是，所述的集中質(zhì)量塊，其材料為銅、鎳或鉑金。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有集中質(zhì)量塊的壓電式微固體模態(tài)陀螺，其特 征是，所述驅(qū)動電極上以共振頻率施加交變電壓，使壓電體以工作振動模態(tài)振動， 同一表面上的兩個(gè)電極的電壓極性相反，即相位相差180度。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有集中質(zhì)量塊的壓電式微固體模態(tài)陀螺，其特 征是，所述的模態(tài)檢測電極用來檢測和跟蹤工作振動模態(tài)，使壓電體穩(wěn)定工作在 工作振動模態(tài)下。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有集中質(zhì)量塊的壓電式微固體模態(tài)陀螺，其特 征是，所述陀螺存在某階特殊振動模態(tài)，在該振動模態(tài)下，壓電體上各點(diǎn)都沿著 某個(gè)軸向振動，用這種形式的特殊振動模態(tài)作為壓電式微固體模態(tài)陀螺的工作振 動模態(tài)，壓電體的極化方向和壓電體工作振動方向相垂直。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的帶有集中質(zhì)量塊的壓電式微固體模態(tài)陀螺， 其特征是，所述壓電體由哥氏加速度效應(yīng)引起感應(yīng)振動的最終結(jié)果使得壓電體表 面的壓電電勢發(fā)生變化，通過檢測集中質(zhì)量塊上壓電電壓的極性改變情況和電壓 改變量，實(shí)現(xiàn)對外界輸入角速度的測量。
全文摘要
一種微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的帶有集中質(zhì)量塊的壓電式微固體模態(tài)陀螺，包括壓電體、驅(qū)動電極、模態(tài)檢測電極、集中質(zhì)量塊，其中，驅(qū)動電極、模態(tài)檢測電極、感應(yīng)電極、集中質(zhì)量塊設(shè)置在壓電體的上下表面，和壓電體形成固定連接。在壓電體某階特殊振動模態(tài)下，壓電體上各點(diǎn)都沿著某個(gè)軸向振動，用該特殊振動模態(tài)作為陀螺的工作振動模態(tài)，壓電體的極化方向和壓電體工作振動模態(tài)下的振動方向相垂直。由于旋轉(zhuǎn)耦合的哥氏加速度效應(yīng)導(dǎo)致壓電體表面電壓分布發(fā)生變化，通過檢測集中質(zhì)量塊上的電壓變化情況，來敏感外界輸入的角速度。本發(fā)明中通過引入集中質(zhì)量塊，降低工作振動模態(tài)頻率，同時(shí)也增加了振動體存儲的能量，以增強(qiáng)微陀螺的分辨率和抗干擾能力。
文檔編號G01C19/5656GK101398305SQ200810201928
公開日2009年4月1日 申請日期2008年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月30日
發(fā)明者吳校生, 陳文元 申請人:上海交通大學(xué)