多驱动电极模态耦合微固体模态陀螺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种微机电技术领域的微陀螺，具体地说，涉及的是一种多驱动 电极模态耦合微固体模态陀螺。
【背景技术】
[0002] 微固体模态陀螺采用压电材料作为驱动和检测部件，是一种新型的全固态MEMS 微陀螺。与一般MEMS振动陀螺不同，微固体模态陀螺没有支撑或运动部件，因此具有抗过 载、抗冲击能力强、工作谐振频率高、不需要真空封装、启动时间按短等优越特性，在消费电 子产品、飞行器导航、智能炮弹与制导等领域具有广泛的应用前景。
[0003] 经对现有技术的文献检索发现，2006年1月，在土耳其Istanbul召开的MEMS2006 会议上，日本学者k.Maenaka等人发表了一篇题为"新型微固态陀螺"的论文，该论文被收 录在第634页到第637页，首次提出了一种基于压电体特殊振动模态的全固态微陀螺。研 宄人员发现，方形压电体质量块在某个频率下存在一种特殊的振动模态，在此振动模态下， 压电体质量块沿着同一个方向作拉伸或压缩运动，并且相邻两棱边的振动方向相反（一个 为拉伸时，则另一个为压缩）。以此特殊模态下的振动作为参考振动，假设压电体的极化方 向为Z方向，参考振动为X方向，当外界有Y方向的角速度输入时，由于科氏力的作用，压电 体在极化方向上产生感应振动。由于压电体的压电效应，垂直于Z方向的表面将产生感应 电荷或电压，且其量值与外界输入角速度成正比，通过检测外围电路放大后的电荷或电压 即可得到外界输入角速度的大小。
[0004] 此技术存在如下不足：首先，压电振子上下表面仅各有一对驱动电极，表面使用效 率不高，且驱动电极间距相对较大，电场强度较小，导致参考振动幅值较小；其次，压电振子 检测振动模态的共振频率与驱动模态频率并不一致，当以参考振动模态频率进行压电体驱 动时，检测振动幅值并未达到最大值，导致检测电极处电压幅值的减小，影响了微陀螺高灵 敏度的获得。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种多驱动电极模态耦合的微固体模 态陀螺，利用压电振子的特殊振动模态进行工作，利用科氏效应和压电材料的压电效应进 行检测；通过在压电振子上下表面引入多对驱动电极，来提高表面使用效率、增大电场强 度，进而增大参考振动速度幅值；另外，通过调整压电体的尺寸，使检测振动模态与参考振 动模态固有频率一致，可加强极化方向上的感应振动，提高微陀螺的灵敏度。
[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0007] 本发明提供一种多驱动电极模态親合微固体模态陀螺，包括：一个压电振子、多对 驱动电极、多个参考电极、多个信号检测电极和多个隔离电极，驱动电极、参考电极、信号检 测电极、隔离电极均位于压电振子的上、下表面，并和压电振子形成固定连接；
[0008] 所述驱动电极共有四对，其中两对驱动电极均匀分布在压电振子上表面的中央 处，另外两对驱动电极均匀分布在压电振子下表面的中央处；所述驱动电极用于激励压电 振子产生驱动模态振型；
[0009] 所述参考电极共有四个，其中两个参考电极分布在压电振子上表面相对两个棱边 附近的中间位置，另外两个参考电极分布在压电振子下表面相对两个棱边附近的中间位 置；所述参考电极用于监测压电振子在驱动电极的激励下是否正常起振，并跟踪工作振动 模态，使压电振子稳定工作在工作振动模态下；
[0010] 所述信号检测电极共有八个，其中四个信号检测电极分布在压电振子上表面的四 个角上，另外四个信号检测电极分布在压电振子下表面的四个角上；所述信号检测电极用 于检测压电振子极化方向上产生的感应电压；
[0011] 所述隔离电极共有四个，其中两个位于压电振子上表面的驱动电极与参考电极、 信号检测电极之间，另外两个位于压电振子下表面的驱动电极与参考电极、信号检测电极 之间；所述隔离电极用于隔离驱动电压对信号检测电极、参考电极输出电压或电荷的影响。
[0012] 优选地，当在所述驱动电极上以选定的共振频率施加交变电压时，所述压电振子 在交变电压的激励下存在某阶特殊振动模态，在该模态下压电振子各点以同样的频率基本 沿同一方向运动，且相邻两条边上的振动方向相反（一个为拉伸时，则另一个为压缩），相 对的两个边上的振动方向正好相同（同为拉伸或压缩），以此频率下的特殊振动作为参考 振动，且压电振子的极化方向与压电振子参考振动方向相垂直。
[0013] 优选地，当垂直于参考振动方向有角速度输入时，所述压电振子在科氏力的作用 下，极化方向会感应出检测振动，其幅值与外界输入角速度大小成正比，利用参考模态与检 测模态的耦合使得检测振动幅值达到该频率下的最大值，通过检测信号检测电极上压电电 压的极性改变情况和变化量，即得到外界输入角速度的大小。
[0014] 优选地，所述压电振子为长方体结构，材料为压电陶瓷或其它压电材料。
[0015] 优选地，所述压电振子长宽高的选定使得其参考振动模态频率与检测振动模态频 率相同。
[0016] 优选地，所述驱动电极工作时保证施加在压电振子同一面上相邻驱动电极的电压 具有相同的频率、幅值，但极性相反。
[0017] 优选地，所述驱动电极、所述参考电极、所述信号检测电极、所述隔离电极的材料 均为金属，结构均为矩形。
[0018] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0019] 本发明提供一种多驱动电极模态親合的微固体模态陀螺，在压电振子的上下表面 引入多对驱动电极，不仅能提高表面使用效率，还能增大电场强度，进而增大参考振动速度 幅值；微陀螺尺寸的重新选定保证了参考模态与检测模态固有频率的一致性，利用参考模 态与检测模态的相互耦合来增大检测振动幅值。本发明优化了微陀螺的尺寸，最终提高微 陀螺的输出灵敏度及性能。
【附图说明】
[0020] 图1、2为本发明的总体结构示意图；
[0021] 图3分别为本发明的驱动模态、检测模态振型仿真示意图，其中（a)为驱动模态振 型仿真示意图、3(b)为检测模态振型仿真示意图；
[0022] 图4为本发明在5个不同尺寸的高度下，驱动模态、检测模态耦合曲线图；
[0023] 图中：压电振子1，驱动电极6、7、8、9、18、19、20、21，参考电极3、12、15、24，信号检 测电极2、4、11、13、14、16、23、25和隔离电极5、10、17、22。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图对本发明的实施例做详细说明，本实施例以本发明技术方案为前 提，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。
[0025] 如图1、2所示，本实施例提供一种多驱动电极模态耦合的微固体模态陀螺，包括 压电振子1、驱动电极6、7、8、9、18、19、20、21，参考电极3、12、15、24，信号检测电极2、4、11、 13、 14、16、23、25 和隔离电极 5、10、17、22。
[0026] 本实施例中，所述压电振子1为长方体结构，材料为压电陶瓷或其他压电材料，长 宽高尺寸的选取使得参考振动模态频率与检测振动模态频率相同，具体如图4耦合曲线所 示，其极化方向沿Z轴。
[0027] 本实施例中，所述驱动电极6、7、8、9、18、19、20、21材料为金属，结构为矩形，其 中：驱动电极6、7、8、9均匀分布在压电振子1上表面的中央处，驱动电极18、19、20、21压电 振子1下表面的中央处，用于激励压电振子1产生驱动模态振型；工作时，在压电振子1同 一表面上相邻驱动电极上施加等幅、反相的驱动模态频率交变电压（如驱动电极6、7上的 电压极性相反，但6、8上的极性相同），下表面驱动电极上的情况与上表面类似。
[0028] 本实施例中，所述参考电极3、12、15、24材料为金属，结构为矩形，其中：参考电极 3、12分布在压电振子1上表面相对两个棱边附近的中间位置，参考电极15、24分布在压电 振子1下表面相对两个棱边附近的中间位置，用于监测压电振子1在驱动电极的激励下是 否正常起振，并跟踪工作振动模态，使压电振子1稳定工作在工作振动模态下。
[0029] 本实施例中，所述信号检测电极2、4、11、13、14、16、23、25材料为金属，结构为矩 形，其中：信号检测电极2、4、11、13分布在压电振子1上表面的四个角上，信号检测电极 14、 16、23、25分布在压电振子1下表面的四个角上，用于检测压电振子1极化方向上产生的 感应电压。
[0030] 本实施例中，所述隔离电极5、10、17、22材料为金属，结构为矩形，分别位于驱动 电极与参考电极、信号检测电极之间，用于隔离激励电压对输出电压的影响，减小共模信号 的影响。
[0031] 本实施例中，所有电极（包括驱动电极6、7、8、9、18、19、20、21，参考