專利名稱：具有“回”型槽結(jié)構(gòu)壓電振子的全固態(tài)雙軸陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機電技術(shù)領(lǐng)域的微陀螺，具體地說，涉及的是一種具 有"回"型槽結(jié)構(gòu)壓電振子的全固態(tài)雙軸陀螺儀。
背景技術(shù)：
陀螺是姿態(tài)控制和慣性制導(dǎo)的核心器件，慣性技術(shù)的發(fā)展以及衛(wèi)星、導(dǎo)彈等 制導(dǎo)需求的提高、要求陀螺向功率小、壽命長、體積小、能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的 方向發(fā)展。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利"壓電陀螺元件和壓電陀螺儀"(專 利申請?zhí)枮?00510131905.3)提到可以通過壓電材料的棱柱狀振動體的結(jié)構(gòu)， 來檢測2軸方向上的角速度。截面為矩形的棱柱狀的壓電振動體一端固定，在其 第1側(cè)面上形成第1驅(qū)動電極，在第2側(cè)面上形成在寬度方向上分離的第2 第 4驅(qū)動電極，帶相位差地向各驅(qū)動電極施加驅(qū)動電流，使壓電振動體振動，其另 一端做圓周運動。在與其振動的旋轉(zhuǎn)中心軸正交的方向上作用有扭矩時，從壓電 振動體的第1側(cè)面上形成的第1檢測電極和第2側(cè)面上形成的第2檢測電極輸 出由此產(chǎn)生的壓電振動體的撓度，從而檢測2軸方向上的角速度。
此技術(shù)存在如下不足首先，驅(qū)動電路要求多次移相，有些驅(qū)動電路還包括 振幅檢測電路、AGC電路、對控制要求高，且電路復(fù)雜，干擾大，噪聲多、難以 得到理想的的驅(qū)動信號。其次，通過向四個不同的電極上施加相位不同的四相驅(qū) 動信號來使壓電體自身產(chǎn)生圓周運動作為參考運動，規(guī)則的圓周運動難以得到準 確的實現(xiàn)，增大了角速度檢測的誤差。要保證壓電體轉(zhuǎn)動得到高速圓周運動，功 耗大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)的不足，提出一種具有"回"型槽的全固態(tài)雙 軸壓電振子陀螺儀。它利用壓電振子特有的模態(tài)下的特殊振動方式，實現(xiàn)陀螺雙 軸敏感。用這種特殊振動作為振動陀螺的參考振動，工作時不需要精確的高速圓 周轉(zhuǎn)動，功耗低，且易準確實現(xiàn)。直接利用壓電振子的壓電效應(yīng)得到的電壓信號 作為外界角速度的檢測信號。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、不需真空封裝、抗沖擊性強、在 惡劣環(huán)境下能很好地工作、具有便于固定的節(jié)點、且加工工藝易實現(xiàn)。另外，本 發(fā)明設(shè)置模態(tài)檢測電極，可以檢測工作狀態(tài)是否準確，減小理論與實際器件的誤 差，驅(qū)動簡單便捷。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括壓電振子、驅(qū)動電極、輸出 電極、模態(tài)檢測電極、懸臂梁。
所述壓電振子材料為壓電材料，結(jié)構(gòu)是具有兩面正方形的長方體，兩正方形 的表面相互平行，為壓電振子上表面、下表面，在壓電振子上表面布置電極，直 接連接壓電振子上表面和壓電振子下表面的面為長方形，在壓電振子上表面和下 表面各設(shè)有一個"回"型？L，"回"型孔的內(nèi)外邊界為兩個正方形，兩個"回" 型孔為非通孔，分別在壓電振子上表面、壓電振子下表面構(gòu)成兩個槽形結(jié)構(gòu)，這 兩個槽形結(jié)構(gòu)的深度相同，位于壓電振子下表面的"回"型孔的內(nèi)外邊與壓電振 子下表面的相應(yīng)的四條最外邊平行。兩個懸臂梁分別設(shè)置在壓電振子上表面中心 處、壓電振子下表面中心處，位于"回"型孔的中心，兩個懸臂梁關(guān)于壓電振子 對稱。
壓電振子上表面最上側(cè)的邊為上表面第一邊，壓電振子上表面最右側(cè)的邊為 上表面第二邊，壓電振子上表面最下側(cè)的邊為上表面第三邊，壓電振子上表面最 左側(cè)的邊為上表面第四邊；上表面第一邊的中點與上表面第三邊的中點的連線為 上表面第一中心線，上表面第二邊的中點與上表面第四邊的中點的連線為上表面 第二中心線。
所述驅(qū)動電極，包括上表面左下側(cè)驅(qū)動電極、上表面右上側(cè)驅(qū)動電極。 所述輸出電極，包括上表面上側(cè)輸出電極、上表面右側(cè)輸出電極、上表面下 側(cè)輸出電極、上表面左側(cè)輸出電極。
所述上表面左下側(cè)驅(qū)動電極與上表面右上側(cè)驅(qū)動電極位于上表面外框形成 的正方形(即上表面第一邊、上表面第二邊、上表面第三邊、上表面第四邊組成 的正方形)的一條斜對角線上；上表面上側(cè)輸出電極與上表面下側(cè)輸出電極位于上表面第一中心線上、上表面上側(cè)輸出電極與上表面下側(cè)輸出電極關(guān)于上表面第 二中心線對稱分布；上表面右側(cè)輸出電極與上表面左側(cè)輸出電極位于上表面第二 中心線上、上表面右側(cè)輸出電極與上表面左側(cè)輸出電極關(guān)于上表面第一中心線對 稱分布；模態(tài)檢測電極位于上表面的外框形成的正方形的另一條斜對角線上接近 內(nèi)框(即壓電振子上表面"回"型結(jié)構(gòu)的內(nèi)四條邊構(gòu)成的結(jié)構(gòu))形成的正方形對 角線端點處。該壓電微陀螺儀結(jié)構(gòu)的上下兩側(cè)分別有一個懸臂梁，經(jīng)過分析驗證 在振動模態(tài)下其位移很小。因此選定兩個懸臂梁的端點作為本發(fā)明微陀螺的節(jié) 點，節(jié)點即為固定點。
本發(fā)明利用壓電振子在特殊模態(tài)下的壓電特性進行角速度的檢測。在驅(qū)動電 極之間加上一定頻率的交變電壓激勵(處于一定的模態(tài))。其中壓電振子在上表 面上側(cè)輸出電極與下表面上與上表面上側(cè)輸出電極所對應(yīng)的位置振動方向相反。 當外界受到與運動方向垂直的角速度時，所受到的柯氏力的方向相反，產(chǎn)生相向 運動，使得壓電振子產(chǎn)生拉伸或壓縮，形成內(nèi)應(yīng)力，最終使得上側(cè)輸出電極形成 一定的電勢。電勢的大小與外界角速度的大小成正比。因此可以通過上表面上側(cè) 輸出電極的電勢來檢測一個方向的角速度，進而上表面下側(cè)輸出電極的電勢也是 此方向外界角速度的檢測信號。同理將上表面左側(cè)輸出電極的電勢與下表面右側(cè) 輸出電極的電勢作為另外一個方向角速度的檢測信號。經(jīng)有限元分析，此階模態(tài) 的共振頻率為452640Hz，敏感兩個方向角速度的振動最大位移(布置輸出電極 處)分別為0. 150682E-08m、 0. 166103E-08m。
本發(fā)明由于采用塊狀壓電振子，結(jié)構(gòu)簡單，抗沖擊性強，具有便于固定的節(jié) 點，且加工工藝易實現(xiàn)，在惡劣環(huán)境下能很好地工作。本發(fā)明利用特殊模態(tài)下的 特殊振動作為工作狀態(tài)，高壓電系數(shù)的壓電體的正壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓信號作為 檢測信號，能夠準確地檢測外界雙軸方向的角速度。本發(fā)明可以應(yīng)用于在衛(wèi)星、 武器、民用導(dǎo)航等領(lǐng)域。


圖l為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，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1所示，本實施例由壓電振子l、上表面左下側(cè)驅(qū)動電極2、上表面右 上側(cè)驅(qū)動電極3、上表面上側(cè)輸出電極4、上表面右側(cè)輸出電極5、上表面下側(cè) 輸出電極6、上表面左側(cè)輸出電極7、模態(tài)檢測電極8、上表面懸臂梁9、下表 面懸臂梁組成。
壓電振子l材料為壓電材料，結(jié)構(gòu)為具有兩面正方形的長方體，壓電振子l 的最外圍的框架邊共有12條，其中一組4條邊構(gòu)成正方形形式的外框，另一組 4條邊也構(gòu)成正方形形式的外框，這兩個正方形形式的外框圍成的表面相互平行； 其中一個正方形所在的表面為壓電振子1上表面，在壓電振子1上表面布置電極， 與壓電振子1上表面平行的表面為壓電振子1的下表面，直接連接壓電振子1上 表面和壓電振子1下表面的面為長方形。在壓電振子1上表面、下表面各設(shè)置一 個"回"型？L，"回"型孔的內(nèi)外邊界為兩個正方形。兩個"回"型孔為非通孔， 分別在壓電振子1上表面、下表面構(gòu)成兩個槽形結(jié)構(gòu)，這兩個槽形結(jié)構(gòu)的深度相 同。位于壓電振子1下表面的"回"型孔的內(nèi)外邊與壓電振子1下表面的相應(yīng)的 四條最外邊平行。兩個懸臂梁分別設(shè)置在壓電振子l上表面中心處、壓電振子l 下表面中心處，位于"回"型孔的中心，兩個懸臂梁關(guān)于壓電振子1對稱。
在壓電振子1上表面上布置上表面左下側(cè)驅(qū)動電極2、上表面右上側(cè)驅(qū)動電 極3、上表面上側(cè)輸出電極4、上表面右側(cè)輸出電極5、上表面下側(cè)輸出電極6、 上表面左側(cè)輸出電極7、模態(tài)檢測電極8。壓電振子上表面最上側(cè)的邊上表面第 一邊，上表面最右側(cè)的邊為上表面第二邊，上表面最下側(cè)的邊為上表面第三邊， 上表面最左側(cè)的邊為上表面第四邊。上表面第一邊的中點與上表面第三邊的中點 的連線為上表面第一中心線，上表面第二邊的中點與上表面第四邊的中點的連線 為上表面第二中心線。
電極位置分布上表面左下側(cè)驅(qū)動電極2與上表面右上側(cè)驅(qū)動電極3位于上 表面外框形成的正方形(即即上表面第一邊、上表面第二邊、上表面第三邊、上 表面第四邊組成的正方形)的一條斜對角線上；上表面上側(cè)輸出電極4與上表面 下側(cè)輸出電極6位于上表面第一中心線上、上表面上側(cè)輸出電極4與上表面下側(cè)
輸出電極6關(guān)于上表面第二中心線對稱分布；上表面右側(cè)輸出電極5與上表面左 側(cè)輸出電極7位于上表面第二中心線上、上表面右側(cè)輸出電極5與上表面左側(cè)輸 出電極7關(guān)于上表面第一中心線對稱分布；模態(tài)檢測電極8位于上表面外框形成 的正方形的另外一條斜對角線上、接近內(nèi)框形成的正方形(俯視壓電振子輪廓所 見的三個嵌套正方形中的第二大的正方形)對角線端點處，不與驅(qū)動電極放在同 一個對角線上是為了減小驅(qū)動電勢對模態(tài)檢測電極電勢的影響)。本實施例壓電 微陀螺儀結(jié)構(gòu)的上下兩側(cè)有兩個懸臂梁-一上表面懸臂梁9與下表面懸臂梁關(guān)于 壓電振子l對稱，經(jīng)過分析驗證在振動模態(tài)下其位移很小，因此選定兩個懸臂梁 的端點作為本實施例微陀螺的節(jié)點，節(jié)點作為固定點。
本實施例的加工工藝簡單。首先采用粉末燒結(jié)法制備塊狀壓電體，將配比好 的試料置于坩堝中并將其壓實，置于高溫箱式電爐中，在所需的溫度下加熱一段 時間便可得到塊狀壓電體。對塊狀壓電體進行切割，研磨便得到壓電振子基體。
然后采用MEMS (微機電系統(tǒng))工藝利用濕法刻蝕得到兩個"回"型孔，再進行 電鍍得到電極。
本實施例利用壓電振子在特殊模態(tài)下的的振動作為振動陀螺的參考振動，將 壓電振子本身的壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓信號作為角速度的檢測信號。X軸為上表面 左側(cè)輸出電極7和上表面右側(cè)輸出電極5中心連線，Y軸上表面上側(cè)輸出電極4 和上表面下側(cè)輸出電極6中心連線，X軸、Y軸、Z軸符合右手定則。當在上表 面左下側(cè)驅(qū)動電極2與上表面右上側(cè)驅(qū)動電極3之間加上一定頻率的交變電壓激 勵時(處于一定的模態(tài))，壓電振子會產(chǎn)生特定模態(tài)振動，其中壓電振子在上表 面上側(cè)輸出電極4所在位置的振動方向為Y軸負方向，而在下表面上與上表面上 側(cè)輸出電極所對應(yīng)的位置振動方向為Y軸正方向。由于兩個位置的振動方向相 反，當外加受到水平X方向(即圖中左右方向)的角速度時，所受到的柯氏力的 方向相反。在Z軸方向上產(chǎn)生相向運動，使得壓電振子在上表面上側(cè)輸出電極4 與在下表面上與上表面上側(cè)輸出電極所對應(yīng)的位置之間的Z軸方向產(chǎn)生拉伸或 壓縮，形成內(nèi)應(yīng)力。最終使得上側(cè)輸出電極4形成一定的電勢。由于柯氏力的大 小與外界角速度人小成正比，外界角速度引起的電勢的大小與柯氏力成正比，可 知角速度引起的電勢的大小與外界角速度的大小成正比，因此可以通過上表面上側(cè)輸出電極4的電勢來檢測X方向的角速度；進而上表面下側(cè)輸出電極6的電勢 也與外界角速度的大小成正比。由于具有壓電效應(yīng)，在沒有外界角速度時輸出電 極也會有電勢。上表面上側(cè)輸出電極4與上表面下側(cè)輸出電極6由于振動所受應(yīng) 力相同，具有相同的電勢，但運動方向相反，外界角速度引起的電勢相反，因此
將上表面上側(cè)輸出電極4與上表面下側(cè)輸出電極6的電勢相減作為X方向角速度 的檢測信號即可消除振動引起的電勢。上表面右側(cè)輸出電極5、下表面左側(cè)輸出 電極7的運動方向與上表面上側(cè)輸出電極4、上表面下側(cè)輸出電極6的運動方向 垂直，同理將上表面左側(cè)輸出電極5的電勢與下表面右側(cè)輸出電極7的電勢相減 作為Y方向角速度的檢測信號。經(jīng)過分析驗證這兩個方向的加速度檢測耦合很
通過單片機向信號產(chǎn)生芯片輸入控制字，控制字可控制信號產(chǎn)生芯片產(chǎn)生信 號的頻率和相位。將產(chǎn)生的電壓信號分別進行正相和反相放大，作為微陀螺的驅(qū) 動源。通過分析研究發(fā)現(xiàn)在此模態(tài)下振動時模態(tài)檢測電極8電勢有一個極值，因 此利用這一特點來鑒定振動是否處于此模態(tài)下，以保證檢測角速度的準確性。根 據(jù)理論分析得到所需模態(tài)的共振頻率，在其附近進行掃頻。通過觀察模態(tài)檢測電 極8的信號確定壓電振子的振動是否處于工作模態(tài)，減小理論與實際器件的誤 差，提高角速度檢測的準確性。將輸出電極的輸出信號放大，最終得到X、 Y方 向角速度大小的檢測信號。
權(quán)利要求
1、一種具有“回”型槽結(jié)構(gòu)壓電振子的全固態(tài)雙軸陀螺儀，包括壓電振子、上表面左下側(cè)驅(qū)動電極、上表面右上側(cè)驅(qū)動電極、上表面上側(cè)輸出電極、上表面右側(cè)輸出電極、上表面下側(cè)輸出電極、上表面左側(cè)輸出電極、模態(tài)檢測電極，其特征在于，所述壓電振子結(jié)構(gòu)是具有兩面正方形的長方體，兩正方形的表面相互平行，為壓電振子上表面和下表面，直接連接壓電振子上表面和壓電振子下表面的面為長方形，在壓電振子上表面和下表面各設(shè)有一個“回”型孔，“回”型孔的內(nèi)外邊界為兩個正方形，兩個“回”型孔為非通孔，分別在壓電振子上表面、下表面構(gòu)成兩個槽形結(jié)構(gòu)，這兩個槽形結(jié)構(gòu)的深度相同，兩個懸臂梁分別設(shè)置在壓電振子上下表面中心處，位于“回”型孔的中心；壓電振子上表面最上側(cè)的邊為上表面第一邊，壓電振子上表面最右側(cè)的邊為上表面第二邊，壓電振子上表面最下側(cè)的邊為上表面第三邊，壓電振子上表面最左側(cè)的邊為上表面第四邊；上表面第一邊的中點與上表面第三邊的中點的連線為上表面第一中心線，上表面第二邊的中點與上表面第四邊的中點的連線為上表面第二中心線；所述上表面左下側(cè)驅(qū)動電極與上表面右上側(cè)驅(qū)動電極位于上表面外框形成的正方形即上表面第一邊、上表面第二邊、上表面第三邊、上表面第四邊組成的正方形的一條斜對角線上，上表面上側(cè)輸出電極與上表面下側(cè)輸出電極位于上表面第一中心線上，上表面上側(cè)輸出電極與上表面下側(cè)輸出電極關(guān)于上表面第二中心線對稱分布，上表面右側(cè)輸出電極與上表面左側(cè)輸出電極位于上表面第二中心線上，上表面右側(cè)輸出電極與上表面左側(cè)輸出電極關(guān)于上表面第一中心線對稱分布，模態(tài)檢測電極位于上表面外框形成的正方形的另外一條斜對角線上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有"回"型槽結(jié)構(gòu)壓電振子的全固態(tài)雙軸陀螺 儀，其特征是，所述兩個懸臂梁的端點為整個陀螺儀的固定的節(jié)點，兩個懸臂梁 關(guān)于磁致伸縮振子對稱，懸臂梁與磁致伸縮振子一體。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有"回"型柱狀體振子磁致伸縮壓電陀螺 儀，其特征是，所述磁致伸縮振子，其材料為磁致伸縮材料。
全文摘要
一種微機電技術(shù)領(lǐng)域的具有“回”型槽結(jié)構(gòu)壓電振子的全固態(tài)雙軸陀螺儀。本發(fā)明由壓電振子和驅(qū)動電極，輸出電極，模態(tài)檢測電極、懸臂梁組成。壓電振子結(jié)構(gòu)為在具有兩面正方形的長方體的正方形表面設(shè)置“回”型孔、“回”型的內(nèi)外邊界為兩個正方形。利用壓電體在一定頻率下的特殊模態(tài)下的特殊振動作為參考振動，此模態(tài)壓電振子在兩個方向上均有特殊位置在上下表面的運動方向相反。當外界有角速度時運動方向相反的位置產(chǎn)生方向相反的柯氏力，引發(fā)內(nèi)應(yīng)力，最終在輸出電極上產(chǎn)生電勢。通過輸出電極上的電勢檢測外界雙軸的角速度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，抗沖擊性強，不需要真空封裝，方便固定，雙軸檢敏感，加工工藝簡單，不需要高速轉(zhuǎn)動節(jié)省功耗。
文檔編號G01C19/5705GK101339028SQ200810041678
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月14日
發(fā)明者盧奕鵬, 吳校生, 峰 崔, 張衛(wèi)平, 陳文元 申請人:上海交通大學(xué)