專利名稱：壓電圓盤微機械陀螺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是ー種微機電技術領域的固體波陀螺，具體來說，它是一種基于固體波原理的壓電圓盤微機械陀螺。
背景技術：
陀螺儀是ー種能夠敏感載體角度或角速度的慣性器件，在姿態(tài)控制和導航定位等領域有著非常重要的作用。隨著國防科技和航空、航天工業(yè)的發(fā)展，慣性導航系統(tǒng)對于陀螺儀的要求也向低成本、小體積、高精度、多軸檢測、高可靠性、能適應各種惡劣環(huán)境的方向發(fā)展?；贛EMS技術的微陀螺儀采用微納批量制造技術加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而 且環(huán)境適應性、工作壽命、可靠性、集成度與傳統(tǒng)技術相比有極大的提高，因而MEMS微陀螺已經成為近些年來MEMS技術廣泛研究和應用開發(fā)的ー個重要方向。固體波是固體中的ー種機械波動，把固體中某一點或部分受カ或其他原因的擾動引起的形變，如體積形變或剪切形變，以波動的形式傳播到固體的其他部分。在波動傳播過程中，固體中的質點除在它原來的位置上有微小的振動外，并不產生永久性的位移。因為固體有弾性，弾性力有使擾動引起的形變恢復到無形變的狀態(tài)的能力，于是形成波動。彈性是固體中能形成波動的主要原因。經對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利“固體波動陀螺的諧振子及固體波動陀螺”(專利申請?zhí)朇N201010294912. 6)利用高性能的合金通過機械精密加工的方法制作出具有杯形振子的固體波動陀螺，杯形振子底盤上粘結有壓電片作為驅動和檢測電極，通過在驅動電極上施加一定頻率的電壓信號，對杯形振子施加壓電驅動力，激勵振子產生驅動模態(tài)下的固體波，當有杯形振子軸線方向角速度輸入時，振子在科氏力作用下向另ー簡并的檢測模態(tài)固體波轉化，兩個簡并模態(tài)的固體波之間相位相差一定的角度，通過檢測杯形振子底盤上檢測電極輸出電壓的變化即可檢測輸入角速度的變化。此技術存在如下不足該固體波動陀螺杯形諧振體體積過大，限制了其在很多必須小體積條件下的應用；杯形振子底盤的壓電電極是粘結到杯形振子上的，在高頻振動下存在脫落的可能，可靠性不高；陀螺的加工エ藝比較復雜，加工成本較高，不適合大批量生產。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對上述設計的不足，提供ー種結構簡單、小體積、抗沖擊、具有高Q值且不需要真空封裝的固體波陀螺。本發(fā)明所述的高頻固體波由于諧振頻率增加了
2-3個數(shù)量級(到IO-IOOkHz)而造成的機械(布朝)低噪降低；通過利用與擾曲模相比經受較少熱弾性阻尼的體聲波而造成的Q的顯著增加。此外，高頻體聲波陀螺儀的優(yōu)點還有
I、較小的尺寸；2、較大的帶寬；3、抗沖擊能力好；4、在大氣壓或者接近大氣壓下維持高的Q值，這簡化了陀螺儀的封裝從而降低了制造成本。為實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明所述的壓電驅動壓電檢測單軸微陀螺儀，包括
ー個具有支撐柱的圓盤諧振子；三個與圓盤端面方向平行的驅動電極；三個與圓盤端面方向平行的檢測電極；三個與圓盤端面平行的監(jiān)測電扱；以及三個與圓盤端面平行的平衡電極；所述三個驅動電極、三個檢測電極、三個監(jiān)測電極和三個平衡電極分別沿圓盤諧
振子端面一周分布配置。
本發(fā)明中，所述圓盤諧振子材料為PZT，使用壓電效應進行驅動和檢測，諧振子下表面通過ー圓柱形支撐柱與基底聯(lián)接。本發(fā)明中，所述三個驅動電極、三個檢測電極、三個監(jiān)測電極和三個平衡電極，其中每個電極為張角25°的圓環(huán)形。本發(fā)明中，所述三個驅動電極材料為金屬，均分端面圓環(huán)分布，用于激勵圓盤振子產生驅動模態(tài)振型。本發(fā)明中，所述三個檢測電極材料為金屬，均分圓盤振子端面，用于檢測垂直于基底平面方向即z軸方向的角速度引起的圓盤諧振子上電壓。本發(fā)明中，所述三個監(jiān)測電極材料為金屬，均分圓盤振子端面，用于監(jiān)控圓盤諧振子工作在驅動模態(tài)。本發(fā)明中，所述三個平衡電極材料為金屬，均分圓盤振子端面，用于恢復圓盤諧振子的驅動模態(tài)振型，使得陀螺儀工作在力平衡模式。本發(fā)明利用圓盤形振子的特殊模態(tài)作為參考振動，在該模態(tài)下圓盤邊緣沿圓盤軸方向做剪切振動。通過在驅動電極上施加正弦交流電壓，由逆壓電效應產生圓盤諧振子在驅動模態(tài)振動。當有垂直于圓盤平面內的角速度輸入時，在科氏力的作用下，圓盤振子的諧振方式會從驅動模態(tài)向檢測模態(tài)變化，檢測模態(tài)的剪切方向諧振振幅與輸入角速度的大小成正比。通過檢測圓盤諧振子的三個檢測電極電壓就可檢測垂直于基底平面角速度的大小。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于1、利用圓盤諧振器厚度方向的剪切運動作為驅動和檢測模態(tài)，諧振器剛度較大，具有較好的抗沖擊性；2、圓盤形結構，対稱性好，模態(tài)之間頻率差小，能夠增大陀螺的増益，提高靈敏度，這對輸出信號較弱的固態(tài)陀螺來講十分重要；3、采用振型完全一樣的驅動模態(tài)和檢測模態(tài)，使得溫度變化對于驅動模態(tài)和檢測模態(tài)的影響是一祥的，因此降低了溫度敏感性；4、由于PDMMG原理上采用面外駐波振動，因此可以通過在圓盤狀諧振器的上下表面制作電極來驅動和檢測，簡化了制作工藝；5、基體采用PZT wafer，加工エ藝為MEMSエ藝，利于批量生產。


通過參看下面結合附圖進行的本發(fā)明的詳細說明，可以很容易地理解本發(fā)明的各個特征和優(yōu)點，附圖中相同的標號表示相同的結構元件，其中圖I是本發(fā)明的立體結構示意圖，其中I代表以PZT為基體圓盤諧振子，2為支撐柱，3代表金屬驅動電扱，4代表金屬平衡電極，5代表金屬監(jiān)測電扱，6代表金屬檢測電扱。圖2是本發(fā)明的ANSYS仿真數(shù)據(jù)，是該發(fā)明圓盤諧振子的驅動模態(tài)振型示意圖3是本發(fā)明的工作原理，說明的是在輸入角速度的情況下，圓盤諧振子的振型由驅動模態(tài)向檢測模態(tài)轉變的立體振型示意圖；圖4是本發(fā)明的ANSYS仿真數(shù)據(jù)，是該發(fā)明圓盤諧振子的檢測模態(tài)振型示意圖；圖5a，5b分別是本發(fā)明的驅動模態(tài)和檢測模態(tài)的電壓分布ANSYS仿真示意圖；圖6是本發(fā)明的靈敏度曲線；
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例是在本發(fā)明技術方案前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖I所示，本實施例包括 一個基于PZT基體的圓盤諧振子I ;三個與圓盤諧振子端面平行的三個驅動電極3 ；三個與圓盤諧振子端面平行的三個檢測電極6 ；三個與圓盤諧振子端面平行的三個監(jiān)測電極5 ；三個與圓盤諧振子端面平行的三個平衡電極4 ；以及支撐圓盤諧振子的支撐柱2。本實施例中，所述諧振子材料為PZT壓電材料。壓電材料在外部力的作用下會產生電場，相反，當該晶體在外加電壓作用下會伸展或收縮，這種特性被稱為壓電效應。壓電效應是由于某些材料晶體原始単元中的電荷不対稱性，從而導致形成電偶極子，在整個晶體內，這些偶極子效應的疊加產生整個晶體的極化，從而在材料內部產生電場。只有缺少對稱中心的晶體才顯現(xiàn)出壓電特性。常用的壓電材料石英、壓電陶瓷(如LiNb03、BaTi03)、PZT (鋯鈦酸鉛)、ZnO、PVDF(聚偏氟こ稀)等。為了陀螺的力學性能指標和敏感度，要求壓電材料有高的壓電常數(shù)及高的機電耦合系數(shù)；為了防止壓電材料的破碎，要求壓電材料具有高的靜態(tài)和動態(tài)抗拉強度；為了保證振子溫度升高情況下的效率，要求壓電材料具有低的介質損耗因子和高的機械品質因數(shù)。根據(jù)以上分析本發(fā)明采用高激勵特性良好，耦合系數(shù)高的壓電陶瓷PZT作為振動體。本實施例中，三個驅動電極3材料為金屬，呈張角為25°的圓環(huán)形，均分圓盤振子端面(即位于位于圓盤三等分位置處)，用于激勵三角形振子產生驅動模態(tài)振型。本實施例中，三個檢測電極6材料為金屬，呈張角為25。的圓環(huán)形，均分圓盤振子端面(即位于位于圓盤三等分位置處)。每個檢測電極位于每個驅動電極的ー側，用于檢測垂直于圓盤平面方向(z軸)方向角速度的大小。本實施例中，三個監(jiān)測電極5材料為金屬，呈張角為25°的圓環(huán)形，均分圓盤振子端面(即位于位于圓盤三等分位置處)。每個監(jiān)測電極位于每個檢測電極的ー側，用于監(jiān)測圓盤振子在驅動電極的激勵下是否正常起振，如果在驅動模態(tài)下的振動不滿足設計要求，通過監(jiān)測電極進行調整。本實施例中，三個平衡電極4材料為金屬，呈張角為25。的圓環(huán)形，均分圓盤振子端面。每個平衡電極位于每個監(jiān)測電極的ー側，用于強迫減弱圓盤諧振子在有角速度輸入時檢測模態(tài)振型，使得圓盤諧振子只是在驅動模態(tài)振型振動。如圖2所示，通過有限元分析的方法得到圓盤振子I的驅動模態(tài)。通過在三個驅動電極3上施加相同的正弦電壓信號，使得壓電基體由于逆壓電效應產生驅動模態(tài)振動，此時圓盤振子在厚度剪切方向振動。如圖3所示，當有垂直于基底平面的z軸方向角速度輸入?yún)?，陀螺在剪切方向的振動下受力如示意圖所示。在科氏力的作用下，圓盤振子振動由驅動模態(tài)振型向檢測模態(tài)振型變化，振動的幅值和輸入角速度 成正比。如圖4所示，通過有限元分析的方法得到圓盤振子的檢測模態(tài)。當有垂直于基底平面的z軸方向角速度輸入時，圓盤振子產生檢測模態(tài)振型的振動，通過測量三個檢測電極產生的壓電效應電壓可檢測垂直于基底表面(Z軸)的方向角速度的大小。如圖5所示，通過有限元分析方法得到壓電圓盤微機械陀螺在驅動模態(tài)和檢測模態(tài)的電壓分布圖。圖5a顯示驅動模態(tài)振動時圓盤振子的電壓分布在驅動電極3和監(jiān)測電極5處，這是驅動電極和監(jiān)測電極分布的設計原因。圖5b顯示檢測模態(tài)振動時圓盤振子的電壓分布，在檢測電極6處電壓較高，在平衡電極4處電壓反向較大，這是檢測電極和平衡電極分布的設計原因。如圖6所示，通過ANSYS對壓電諧振子進行數(shù)據(jù)仿真，得到這ー發(fā)明結構的理想靈敏度直線。經過仿真計算，該發(fā)明對不同輸入角速度的輸出電壓較大，可以在大線性范圍內靈敏地測量輸入角速度。本實施例上述的壓電驅動壓電檢測單軸微陀螺儀，利用PZT基體，采用MEMS微細加工エ藝，利用犧牲層エ藝在基板旋涂厚光刻膠如SU-8，利用制作好的掩模板進行光刻，之后顯影、圖形化，得到基于PZT材料的圓盤振子；再圖形化的光刻膠掩模上濺射金屬，形成驅動電極3、檢測電極6、監(jiān)測電極5和平衡電極4。最后，為圓盤諧振子焊接外圍電路以及進行最終的封裝得到陀螺芯片成品。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術方案均屬于本發(fā)明的保護范疇。應當指出，對于本技術領域的技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也都應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種壓電圓盤微機械陀螺，其特征在于包括 一個具有支撐柱的圓盤諧振子； 三個與圓盤端面方向平行的驅動電極； 三個與圓盤端面方向平行的檢測電極； 三個與圓盤端面平行的監(jiān)測電極；以及 三個與圓盤端面平行的平衡電極； 所述三個驅動電極、三個檢測電極、三個監(jiān)測電極和三個平衡電極分別沿圓盤諧振子端面一周分布配置。
2.根據(jù)權利要求I所述的壓電圓盤微機械陀螺，其特征是所述圓盤諧振子材料為PZT，使用壓電效應進行驅動和檢測，諧振子下表面通過一圓柱形支撐柱與PZT基底聯(lián)接。
3.根據(jù)權利要求I所述的壓電圓盤微機械陀螺，其特征是所述三個驅動電極、三個檢測電極、三個監(jiān)測電極和三個平衡電極，其中每個電極為張角25。的圓環(huán)形。
4.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的壓電圓盤微機械陀螺，其特征是所述三個驅動電極材料為金屬，均分端面圓環(huán)分布，用于激勵圓盤振子產生驅動模態(tài)振型。
5.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的壓電圓盤微機械陀螺，其特征是所述三個檢測電極材料為金屬，均分圓盤振子端面，用于檢測垂直于基底平面方向即z軸方向的角速度引起的圓盤諧振子上電壓。
6.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的壓電圓盤微機械陀螺，其特征是所述三個監(jiān)測電極材料為金屬，均分圓盤振子端面，用于監(jiān)控圓盤諧振子工作在驅動模態(tài)。
7.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的壓電圓盤微機械陀螺，其特征是所述三個平衡電極材料為金屬，均分圓盤振子端面，用于恢復圓盤諧振子的驅動模態(tài)振型，使得陀螺儀工作在力平衡模式。
8.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的壓電圓盤微機械陀螺，其特征是所述圓盤諧振子上的三個驅動電極被施加交流電壓時，由逆壓電效應產生圓盤諧振子在驅動模態(tài)振動；當存在輸入角速度時，圓盤諧振子的振型向檢測模態(tài)轉變，利用檢測電極處壓電正效應產生的敏感信號。
全文摘要
本發(fā)明公開一種壓電圓盤微機械陀螺，包括一個具有支撐柱的圓盤諧振子；驅動電極、檢測電極、監(jiān)測電極和平衡電極各三個。所述三個驅動電極、三個檢測電極、三個監(jiān)測電極和三個平衡電極分別沿圓盤諧振子端面一周分布配置。本發(fā)明利用圓盤諧振子的特殊振動模態(tài)進行工作，給圓盤諧振子上的三個驅動電極施加交流電壓，由逆壓電效應產生圓盤諧振子在驅動模態(tài)振動。當存在輸入角速度時，圓盤諧振子的振型向檢測模態(tài)轉變，利用檢測電極處壓電正效應產生的敏感信號，經外圍電路處理得到輸入角速度信號。本發(fā)明結構簡單、小體積、具有高Q值等特點且不需要真空封裝。
文檔編號G01C19/5642GK102706337SQ20121015061
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月7日 優(yōu)先權日2012年5月7日
發(fā)明者關冉, 劉武, 吳校生, 崔峰, 張衛(wèi)平, 張弓, 成宇翔, 許仲興, 陳文元 申請人:上海交通大學