专利名称：具有“回”型槽结构压电振子的全固态双轴陀螺仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种微机电技术领域的微陀螺，具体地说，涉及的是一种具 有"回"型槽结构压电振子的全固态双轴陀螺仪。
背景技术：
陀螺是姿态控制和惯性制导的核心器件，惯性技术的发展以及卫星、导弹等 制导需求的提高、要求陀螺向功率小、寿命长、体积小、能适应各种恶劣环境的 方向发展。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利"压电陀螺元件和压电陀螺仪"(专 利申请号为200510131905.3)提到可以通过压电材料的棱柱状振动体的结构， 来检测2轴方向上的角速度。截面为矩形的棱柱状的压电振动体一端固定，在其 第1侧面上形成第1驱动电极，在第2侧面上形成在宽度方向上分离的第2 第 4驱动电极，带相位差地向各驱动电极施加驱动电流，使压电振动体振动，其另 一端做圆周运动。在与其振动的旋转中心轴正交的方向上作用有扭矩时，从压电 振动体的第1侧面上形成的第1检测电极和第2侧面上形成的第2检测电极输 出由此产生的压电振动体的挠度，从而检测2轴方向上的角速度。
此技术存在如下不足首先，驱动电路要求多次移相，有些驱动电路还包括 振幅检测电路、AGC电路、对控制要求高，且电路复杂，干扰大，噪声多、难以 得到理想的的驱动信号。其次，通过向四个不同的电极上施加相位不同的四相驱 动信号来使压电体自身产生圆周运动作为参考运动，规则的圆周运动难以得到准 确的实现，增大了角速度检测的误差。要保证压电体转动得到高速圆周运动，功 耗大。
发明内容
本发明的目的是针对已有技术的不足，提出一种具有"回"型槽的全固态双 轴压电振子陀螺仪。它利用压电振子特有的模态下的特殊振动方式，实现陀螺双 轴敏感。用这种特殊振动作为振动陀螺的参考振动，工作时不需要精确的高速圆 周转动，功耗低，且易准确实现。直接利用压电振子的压电效应得到的电压信号 作为外界角速度的检测信号。本发明结构简单、不需真空封装、抗冲击性强、在 恶劣环境下能很好地工作、具有便于固定的节点、且加工工艺易实现。另外，本 发明设置模态检测电极，可以检测工作状态是否准确，减小理论与实际器件的误 差，驱动简单便捷。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括压电振子、驱动电极、输出 电极、模态检测电极、悬臂梁。
所述压电振子材料为压电材料，结构是具有两面正方形的长方体，两正方形 的表面相互平行，为压电振子上表面、下表面，在压电振子上表面布置电极，直 接连接压电振子上表面和压电振子下表面的面为长方形，在压电振子上表面和下 表面各设有一个"回"型？L，"回"型孔的内外边界为两个正方形，两个"回" 型孔为非通孔，分别在压电振子上表面、压电振子下表面构成两个槽形结构，这 两个槽形结构的深度相同，位于压电振子下表面的"回"型孔的内外边与压电振 子下表面的相应的四条最外边平行。两个悬臂梁分别设置在压电振子上表面中心 处、压电振子下表面中心处，位于"回"型孔的中心，两个悬臂梁关于压电振子 对称。
压电振子上表面最上侧的边为上表面第一边，压电振子上表面最右侧的边为 上表面第二边，压电振子上表面最下侧的边为上表面第三边，压电振子上表面最 左侧的边为上表面第四边；上表面第一边的中点与上表面第三边的中点的连线为 上表面第一中心线，上表面第二边的中点与上表面第四边的中点的连线为上表面 第二中心线。
所述驱动电极，包括上表面左下侧驱动电极、上表面右上侧驱动电极。 所述输出电极，包括上表面上侧输出电极、上表面右侧输出电极、上表面下 侧输出电极、上表面左侧输出电极。
所述上表面左下侧驱动电极与上表面右上侧驱动电极位于上表面外框形成 的正方形(即上表面第一边、上表面第二边、上表面第三边、上表面第四边组成 的正方形)的一条斜对角线上；上表面上侧输出电极与上表面下侧输出电极位于上表面第一中心线上、上表面上侧输出电极与上表面下侧输出电极关于上表面第 二中心线对称分布；上表面右侧输出电极与上表面左侧输出电极位于上表面第二 中心线上、上表面右侧输出电极与上表面左侧输出电极关于上表面第一中心线对 称分布；模态检测电极位于上表面的外框形成的正方形的另一条斜对角线上接近 内框(即压电振子上表面"回"型结构的内四条边构成的结构)形成的正方形对 角线端点处。该压电微陀螺仪结构的上下两侧分别有一个悬臂梁，经过分析验证 在振动模态下其位移很小。因此选定两个悬臂梁的端点作为本发明微陀螺的节 点，节点即为固定点。
本发明利用压电振子在特殊模态下的压电特性进行角速度的检测。在驱动电 极之间加上一定频率的交变电压激励(处于一定的模态)。其中压电振子在上表 面上侧输出电极与下表面上与上表面上侧输出电极所对应的位置振动方向相反。 当外界受到与运动方向垂直的角速度时，所受到的柯氏力的方向相反，产生相向 运动，使得压电振子产生拉伸或压縮，形成内应力，最终使得上侧输出电极形成 一定的电势。电势的大小与外界角速度的大小成正比。因此可以通过上表面上侧 输出电极的电势来检测一个方向的角速度，进而上表面下侧输出电极的电势也是 此方向外界角速度的检测信号。同理将上表面左侧输出电极的电势与下表面右侧 输出电极的电势作为另外一个方向角速度的检测信号。经有限元分析，此阶模态 的共振频率为452640Hz，敏感两个方向角速度的振动最大位移(布置输出电极 处)分别为0. 150682E-08m、 0. 166103E-08m。
本发明由于采用块状压电振子，结构简单，抗冲击性强，具有便于固定的节 点，且加工工艺易实现，在恶劣环境下能很好地工作。本发明利用特殊模态下的 特殊振动作为工作状态，高压电系数的压电体的正压电效应产生的电压信号作为 检测信号，能够准确地检测外界双轴方向的角速度。本发明可以应用于在卫星、 武器、民用导航等领域。
图l为本发明结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例由压电振子l、上表面左下侧驱动电极2、上表面右 上侧驱动电极3、上表面上侧输出电极4、上表面右侧输出电极5、上表面下侧 输出电极6、上表面左侧输出电极7、模态检测电极8、上表面悬臂梁9、下表 面悬臂梁组成。
压电振子l材料为压电材料，结构为具有两面正方形的长方体，压电振子l 的最外围的框架边共有12条，其中一组4条边构成正方形形式的外框，另一组 4条边也构成正方形形式的外框，这两个正方形形式的外框围成的表面相互平行； 其中一个正方形所在的表面为压电振子1上表面，在压电振子1上表面布置电极， 与压电振子1上表面平行的表面为压电振子1的下表面，直接连接压电振子1上 表面和压电振子1下表面的面为长方形。在压电振子1上表面、下表面各设置一 个"回"型？L，"回"型孔的内外边界为两个正方形。两个"回"型孔为非通孔， 分别在压电振子1上表面、下表面构成两个槽形结构，这两个槽形结构的深度相 同。位于压电振子1下表面的"回"型孔的内外边与压电振子1下表面的相应的 四条最外边平行。两个悬臂梁分别设置在压电振子l上表面中心处、压电振子l 下表面中心处，位于"回"型孔的中心，两个悬臂梁关于压电振子1对称。
在压电振子1上表面上布置上表面左下侧驱动电极2、上表面右上侧驱动电 极3、上表面上侧输出电极4、上表面右侧输出电极5、上表面下侧输出电极6、 上表面左侧输出电极7、模态检测电极8。压电振子上表面最上侧的边上表面第 一边，上表面最右侧的边为上表面第二边，上表面最下侧的边为上表面第三边， 上表面最左侧的边为上表面第四边。上表面第一边的中点与上表面第三边的中点 的连线为上表面第一中心线，上表面第二边的中点与上表面第四边的中点的连线 为上表面第二中心线。
电极位置分布上表面左下侧驱动电极2与上表面右上侧驱动电极3位于上 表面外框形成的正方形(即即上表面第一边、上表面第二边、上表面第三边、上 表面第四边组成的正方形)的一条斜对角线上；上表面上侧输出电极4与上表面 下侧输出电极6位于上表面第一中心线上、上表面上侧输出电极4与上表面下侧
输出电极6关于上表面第二中心线对称分布；上表面右侧输出电极5与上表面左 侧输出电极7位于上表面第二中心线上、上表面右侧输出电极5与上表面左侧输 出电极7关于上表面第一中心线对称分布；模态检测电极8位于上表面外框形成 的正方形的另外一条斜对角线上、接近内框形成的正方形(俯视压电振子轮廓所 见的三个嵌套正方形中的第二大的正方形)对角线端点处，不与驱动电极放在同 一个对角线上是为了减小驱动电势对模态检测电极电势的影响)。本实施例压电 微陀螺仪结构的上下两侧有两个悬臂梁-一上表面悬臂梁9与下表面悬臂梁关于 压电振子l对称，经过分析验证在振动模态下其位移很小，因此选定两个悬臂梁 的端点作为本实施例微陀螺的节点，节点作为固定点。
本实施例的加工工艺简单。首先采用粉末烧结法制备块状压电体，将配比好 的试料置于坩埚中并将其压实，置于高温箱式电炉中，在所需的温度下加热一段 时间便可得到块状压电体。对块状压电体进行切割，研磨便得到压电振子基体。
然后采用MEMS (微机电系统)工艺利用湿法刻蚀得到两个"回"型孔，再进行 电镀得到电极。
本实施例利用压电振子在特殊模态下的的振动作为振动陀螺的参考振动，将 压电振子本身的压电效应产生的电压信号作为角速度的检测信号。X轴为上表面 左侧输出电极7和上表面右侧输出电极5中心连线，Y轴上表面上侧输出电极4 和上表面下侧输出电极6中心连线，X轴、Y轴、Z轴符合右手定则。当在上表 面左下侧驱动电极2与上表面右上侧驱动电极3之间加上一定频率的交变电压激 励时(处于一定的模态)，压电振子会产生特定模态振动，其中压电振子在上表 面上侧输出电极4所在位置的振动方向为Y轴负方向，而在下表面上与上表面上 侧输出电极所对应的位置振动方向为Y轴正方向。由于两个位置的振动方向相 反，当外加受到水平X方向(即图中左右方向)的角速度时，所受到的柯氏力的 方向相反。在Z轴方向上产生相向运动，使得压电振子在上表面上侧输出电极4 与在下表面上与上表面上侧输出电极所对应的位置之间的Z轴方向产生拉伸或 压縮，形成内应力。最终使得上侧输出电极4形成一定的电势。由于柯氏力的大 小与外界角速度人小成正比，外界角速度引起的电势的大小与柯氏力成正比，可 知角速度引起的电势的大小与外界角速度的大小成正比，因此可以通过上表面上侧输出电极4的电势来检测X方向的角速度；进而上表面下侧输出电极6的电势 也与外界角速度的大小成正比。由于具有压电效应，在没有外界角速度时输出电 极也会有电势。上表面上侧输出电极4与上表面下侧输出电极6由于振动所受应 力相同，具有相同的电势，但运动方向相反，外界角速度引起的电势相反，因此
将上表面上侧输出电极4与上表面下侧输出电极6的电势相减作为X方向角速度 的检测信号即可消除振动引起的电势。上表面右侧输出电极5、下表面左侧输出 电极7的运动方向与上表面上侧输出电极4、上表面下侧输出电极6的运动方向 垂直，同理将上表面左侧输出电极5的电势与下表面右侧输出电极7的电势相减 作为Y方向角速度的检测信号。经过分析验证这两个方向的加速度检测耦合很
通过单片机向信号产生芯片输入控制字，控制字可控制信号产生芯片产生信 号的频率和相位。将产生的电压信号分别进行正相和反相放大，作为微陀螺的驱 动源。通过分析研究发现在此模态下振动时模态检测电极8电势有一个极值，因 此利用这一特点来鉴定振动是否处于此模态下，以保证检测角速度的准确性。根 据理论分析得到所需模态的共振频率，在其附近进行扫频。通过观察模态检测电 极8的信号确定压电振子的振动是否处于工作模态，减小理论与实际器件的误 差，提高角速度检测的准确性。将输出电极的输出信号放大，最终得到X、 Y方 向角速度大小的检测信号。
权利要求
1、一种具有“回”型槽结构压电振子的全固态双轴陀螺仪，包括压电振子、上表面左下侧驱动电极、上表面右上侧驱动电极、上表面上侧输出电极、上表面右侧输出电极、上表面下侧输出电极、上表面左侧输出电极、模态检测电极，其特征在于，所述压电振子结构是具有两面正方形的长方体，两正方形的表面相互平行，为压电振子上表面和下表面，直接连接压电振子上表面和压电振子下表面的面为长方形，在压电振子上表面和下表面各设有一个“回”型孔，“回”型孔的内外边界为两个正方形，两个“回”型孔为非通孔，分别在压电振子上表面、下表面构成两个槽形结构，这两个槽形结构的深度相同，两个悬臂梁分别设置在压电振子上下表面中心处，位于“回”型孔的中心；压电振子上表面最上侧的边为上表面第一边，压电振子上表面最右侧的边为上表面第二边，压电振子上表面最下侧的边为上表面第三边，压电振子上表面最左侧的边为上表面第四边；上表面第一边的中点与上表面第三边的中点的连线为上表面第一中心线，上表面第二边的中点与上表面第四边的中点的连线为上表面第二中心线；所述上表面左下侧驱动电极与上表面右上侧驱动电极位于上表面外框形成的正方形即上表面第一边、上表面第二边、上表面第三边、上表面第四边组成的正方形的一条斜对角线上，上表面上侧输出电极与上表面下侧输出电极位于上表面第一中心线上，上表面上侧输出电极与上表面下侧输出电极关于上表面第二中心线对称分布，上表面右侧输出电极与上表面左侧输出电极位于上表面第二中心线上，上表面右侧输出电极与上表面左侧输出电极关于上表面第一中心线对称分布，模态检测电极位于上表面外框形成的正方形的另外一条斜对角线上。
2、 根据权利要求1所述的具有"回"型槽结构压电振子的全固态双轴陀螺 仪，其特征是，所述两个悬臂梁的端点为整个陀螺仪的固定的节点，两个悬臂梁 关于磁致伸縮振子对称，悬臂梁与磁致伸缩振子一体。
3、 根据权利要求1或2所述的具有"回"型柱状体振子磁致伸縮压电陀螺 仪，其特征是，所述磁致伸縮振子，其材料为磁致伸縮材料。
全文摘要
一种微机电技术领域的具有“回”型槽结构压电振子的全固态双轴陀螺仪。本发明由压电振子和驱动电极，输出电极，模态检测电极、悬臂梁组成。压电振子结构为在具有两面正方形的长方体的正方形表面设置“回”型孔、“回”型的内外边界为两个正方形。利用压电体在一定频率下的特殊模态下的特殊振动作为参考振动，此模态压电振子在两个方向上均有特殊位置在上下表面的运动方向相反。当外界有角速度时运动方向相反的位置产生方向相反的柯氏力，引发内应力，最终在输出电极上产生电势。通过输出电极上的电势检测外界双轴的角速度。本发明结构简单，抗冲击性强，不需要真空封装，方便固定，双轴检敏感，加工工艺简单，不需要高速转动节省功耗。
文档编号G01C19/5705GK101339028SQ200810041678
公开日2009年1月7日 申请日期2008年8月14日 优先权日2008年8月14日
发明者卢奕鹏, 吴校生, 峰 崔, 张卫平, 陈文元 申请人:上海交通大学