一種外緣固定式激光加工壓電驅(qū)動多環(huán)陀螺及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域的固體波動模態(tài)匹配陀螺，具體地，涉及一種外緣固定式壓電驅(qū)動多環(huán)陀螺及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]陀螺儀是一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(dǎo)航定位等領(lǐng)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(dǎo)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(yīng)各種惡劣環(huán)境的方向發(fā)展。基于MEMS技術(shù)的微陀螺儀采用微納批量制造技術(shù)加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而且環(huán)境適應(yīng)性、工作壽命、可靠性、集成度與傳統(tǒng)技術(shù)相比有極大的提高，因而MEMS微陀螺已經(jīng)成為近些年來MEMS技術(shù)廣泛研究和應(yīng)用開發(fā)的一個重要方向。
[0003]固體波是固體中的一種機(jī)械波動，把固體中某一點(diǎn)或部分受力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(zhì)點(diǎn)除在它原來的位置上有微小的振動外，并不產(chǎn)生永久性的位移。因為固體有彈性，彈性力有使擾動引起的形變恢復(fù)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。
[0004]經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利“微型半球諧振陀螺及其制備方法”(專利申請?zhí)?CN201310022146.1)通過刻蝕得到半球諧振子空腔，背面ICP刻蝕得到支撐體空腔，在空腔表面沉積二氧化硅絕緣層，在二氧化硅表面沉積多晶硅，得到半球諧振子和支撐體，去除多余多晶硅并刻蝕二氧化硅，得到可動的半球諧振子。
[0005]此技術(shù)存在如下不足:半球形諧振陀螺由于涉及球面加工，加工難度大，工藝誤差難以控制；半球諧振子空腔通過刻蝕得到，球形度不夠高，半球諧振子球形度很大程度依賴于半球諧振子空腔，這對陀螺工作的性能有很大影響；該陀螺半球諧振子和支撐體接觸面積小，在高頻振動下存在斷裂的可能，可靠性不高；陀螺的加工工藝比較復(fù)雜，加工成本較高，不適合大批量生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種外緣固定式激光加工壓電驅(qū)動多環(huán)陀螺及其制備方法，具有體積小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，響應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的對稱性，因而可以達(dá)到$父尚的性能。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種外緣固定式激光加工壓電驅(qū)動多環(huán)陀螺，包括:
[0008]—個含有五到八環(huán)的多環(huán)諧振器；
[0009]—個支撐多環(huán)諧振器的固定滑槽；
[0010]位于所述多環(huán)諧振器的兩相鄰環(huán)之間的多組輻條，用于連接所述多環(huán)諧振器的環(huán)與環(huán)，相鄰兩組輻條的位置有一角度差；
[0011]位于多環(huán)諧振器上表面的電極；
[0012]其中:所述多環(huán)諧振器的最外一圈環(huán)固定(即外緣具有固定特征)，僅保留徑向振動自由。在一實施例中，最外一圈環(huán)可以安置在固定滑槽中。
[0013]本發(fā)明中，所述固定滑槽由兩個半圓形滑槽拼接組成一個圓形，半圓形滑槽截面是半個工字型，中間形成空腔容納多環(huán)諧振器，半圓形滑槽在端部引出一小長方形塊，用于擰緊固定。
[0014]本發(fā)明中，每組輻條均沿所述多環(huán)諧振器的環(huán)的圓周均勻排列，每組輻條的個數(shù)為n，則每組輻條的間隔角度為360° /η。相鄰兩組輻條的位置有一定角度差Θ，其中Θ=360。/2η ο
[0015]本發(fā)明中，所述電極有兩圈環(huán)，環(huán)與環(huán)之間以輻條形式連接，這兩圈環(huán)與所述多環(huán)諧振器最內(nèi)兩個環(huán)位置剛好重合，即所述電極的中心軸與所述多環(huán)諧振器中心軸重合。
[0016]本發(fā)明中，所述電極有三部分組成，中間一層為壓電薄膜，上下兩層為金屬電極，從下至上依次形成下電極層-壓電薄膜-上電極層的三層結(jié)構(gòu)。其中所述下電極層貼在所述多環(huán)諧振器最內(nèi)側(cè)兩個環(huán)上表面，所述上電極層位于所述壓電薄膜上表面。
[0017]本發(fā)明中，所述上電極層包括m個扇形電極(m> = 8，且m為偶數(shù))，為m/2個驅(qū)動電極和m/2個檢測電極。
[0018]本發(fā)明中，所述下電極層與所述多環(huán)諧振器接地，保證同電勢為OV ;利用所述多環(huán)諧振器的平面四波腹振動模態(tài)(即多環(huán)諧振器在平面內(nèi)振動，其中有四個方向達(dá)到最大振動幅度)作為參考振動，所述壓電薄膜的驅(qū)動電極被施加交流電壓時，由逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生徑向振動，從而帶動所述多環(huán)諧振器振動；當(dāng)有所述多環(huán)諧振器中心軸方向的角速度輸入時，在科氏力的作用下，所述多環(huán)諧振器的振型向檢測模態(tài)轉(zhuǎn)變，帶動所述壓電薄膜振動，由正壓電效應(yīng)在檢測電極上得到電信號，從而得到多環(huán)諧振器在檢測模態(tài)的振幅，進(jìn)而可以得到輸入角速度的大小。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種上述陀螺的制備方法，該方法具體為:
[0020]采用MEMS微細(xì)加工工藝，將金屬圓片鍵合在圓盤形石英塊，其中金屬圓片的直徑小于圓盤形石英塊的直徑；
[0021]采用MEMS微細(xì)加工工藝，將壓電薄膜圓片鍵合在金屬圓片，其中金屬圓片的直徑等于壓電薄膜的直徑；
[0022]采用激光加工方法，對鍵合一體的壓電薄膜-金屬-圓盤形石英塊進(jìn)行激光開孔，激光開槽，得到中心鏤空的多環(huán)體，其中圓盤形石英塊被加工成五到八個環(huán)(含有輻條)的所述多環(huán)諧振器，金屬片和壓電薄膜片被加工成兩個環(huán)(含有輻條)且與多環(huán)諧振器最內(nèi)兩圈環(huán)重合，即為所述下電極層和所述壓電薄膜；
[0023]采用MEMS微細(xì)加工工藝，將另一金屬圓片加工成扇形電極，得到所述上電極層，鍵合在壓電薄膜上，其中該另一金屬圓片的直徑等于壓電薄膜圓片的直徑；
[0024]采用精密機(jī)械加工的方法得到固定滑槽；
[0025]陀螺裝配時，多環(huán)諧振器安裝在固定滑槽上，擰緊固定滑槽，從而將多環(huán)諧振器最外一圈環(huán)固定，電極布置在多環(huán)諧振器上表面。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0027]1、加工工藝步驟簡潔，采用成熟的微機(jī)械加工方法，利于批量生產(chǎn)；
[0028]2、激光加工精度高，且可以得到側(cè)壁垂直度高的槽，使得所加工的多環(huán)諧振器(包括下電極層和壓電薄膜)具有理想的環(huán)結(jié)構(gòu)；
[0029]3、多環(huán)諧振器外緣固定，可使封裝后的陀螺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，抗沖擊，減少外界干擾對陀螺正常工作的影響；
[0030]4、多環(huán)諧振器具有高度對稱性，可以使多環(huán)陀螺達(dá)到優(yōu)良的性能，工作時通過電極檢測多環(huán)諧振器內(nèi)環(huán)振動，振動幅度大，響應(yīng)靈敏。
[0031]5、電極設(shè)置在多環(huán)諧振器上表面，較其他驅(qū)動方式的優(yōu)點(diǎn)是不占據(jù)多環(huán)諧振器外圍空間，利于陀螺小型化，方便安裝和攜帶。
[0032]本發(fā)明電極為壓電材料，陀螺工作時采用壓電驅(qū)動方式。由于多環(huán)諧振器外緣固定，電極內(nèi)置于環(huán)中央，具有體積小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，響應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的對稱性，因而可以達(dá)到較高的性能。
【附圖說明】
[0033]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯:
[0034]圖1A為本發(fā)明一實施例的外緣固定式激光加工壓電驅(qū)動多環(huán)陀螺的俯視圖；
[0035]圖1B為本發(fā)明一實施例的外緣固定式激光加工壓電驅(qū)動多環(huán)陀螺的三維視圖；
[0036]圖2A為本發(fā)明一實施例的多環(huán)諧振器的俯視圖；
[0037]圖2B為本發(fā)明一實施例的多環(huán)諧振器的三維視圖；
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