一种内外环固定式压电驱动多环陀螺及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微机电技术领域的固体波动模态匹配陀螺，具体地，涉及一种内外环固定式压电驱动多环陀螺及其制备方法。
【背景技术】
[0002]陀螺仪是一种能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。随着国防科技和航空、航天工业的发展，惯性导航系统对于陀螺仪的要求也向低成本、小体积、高精度、多轴检测、高可靠性、能适应各种恶劣环境的方向发展。基于MEMS技术的微陀螺仪采用微纳批量制造技术加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而且环境适应性、工作寿命、可靠性、集成度与传统技术相比有极大的提高，因而MEMS微陀螺已经成为近些年来MEMS技术广泛研宄和应用开发的一个重要方向。
[0003]固体波是固体中的一种机械波动，把固体中某一点或部分受力或其他原因的扰动引起的形变，如体积形变或剪切形变，以波动的形式传播到固体的其他部分。在波动传播过程中，固体中的质点除在它原来的位置上有微小的振动外，并不产生永久性的位移。因为固体有弹性，弹性力有使扰动引起的形变恢复到无形变的状态的能力，于是形成波动。弹性是固体中能形成波动的主要原因。
[0004]经对现有技术的文献检索发现，中国专利“微型半球谐振陀螺及其制备方法”(专利申请号:CN201310022146.1)通过刻蚀得到半球谐振子空腔，背面ICP刻蚀得到支撑体空腔，在空腔表面沉积二氧化硅绝缘层，在二氧化硅表面沉积多晶硅，得到半球谐振子和支撑体，去除多余多晶硅并刻蚀二氧化硅，得到可动的半球谐振子。
[0005]此技术存在如下不足:半球形谐振陀螺由于涉及球面加工，加工难度大，工艺误差难以控制；半球谐振子空腔通过刻蚀得到，球形度不够高，半球谐振子球形度很大程度依赖于半球谐振子空腔，这对陀螺工作的性能有很大影响；该陀螺半球谐振子和支撑体接触面积小，在高频振动下存在断裂的可能，可靠性不高；陀螺的加工工艺比较复杂，加工成本较高，不适合大批量生产。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种内外环固定式压电驱动多环陀螺的结构，具有体积小、结构稳定，响应灵敏等优点，具有良好的对称性，因而可以达到较高的性能。
[0007]根据本发明的一个方面，提供一种内外环固定式压电驱动多环陀螺，包括:
[0008]一个含有五到八环的多环谐振器；
[0009]位于所述多环谐振器的两相邻环之间的多组辐条，相邻两组辐条的位置有一角度差;
[0010]一个支撑多环谐振器外环的固定滑槽；
[0011]一个支撑多环谐振器内环的阶梯式圆柱形支撑杆；
[0012]位于多环谐振器上表面的离散电极；
[0013]其中:所述多环谐振器的最外一圈环固定，最内一圈环由阶梯式圆柱形支撑杆固定，仅中间的环保留振动自由。比如在一实施例中，所述多环谐振器的最外一圈环安置在固定滑槽中。
[0014]本发明中，所述固定滑槽由两个半圆形滑槽拼接组成一个圆形，半圆形滑槽截面是半个工字型，中间形成空腔容纳多环谐振器，半圆形滑槽在端部引出一小长方形块，用于拧紧固定。
[0015]本发明中，所述固定滑槽空腔的深度W4与所述多环谐振器每个环的宽度W1相同，所述固定滑槽的高度h2与所述多环谐振器每个环的高度h i相同，所述固定滑槽恰好容纳所述多环谐振器最外一圈环，达到固定和支撑作用，使得所述多环谐振器仅保留径向振动自由。
[0016]本发明中，每组辐条沿所述多环谐振器的环的圆周均匀排列，每组辐条的个数为n，则每组辐条的间隔角度为360° /η?相邻两组辐条的位置有一角度差Θ，其中Θ =360。/2n0
[0017]本发明中，所述固定滑槽由两个半圆形滑槽拼接组成，半圆形滑槽截面是半个工字型，空腔刚好容纳多环谐振器最外一圈环。半圆形滑槽在端部引出较短的长方形块，用于拧紧固定。
[0018]本发明中，所述阶梯式圆柱形支撑杆分为上圆柱和下圆柱两部分，所述上圆柱刚好嵌在所述多环谐振器内环中，所述下圆柱半径较大，用于支撑所述多环谐振器。
[0019]本发明中，所述离散电极包括m个扇形电极(m> = 8，且m为偶数)，为m/2个驱动电极和m/2个检测电极。所述离散电极的宽度等于所述多环谐振器高度，并且所述离散电极的中心轴与所述多环谐振器中心轴重合。
[0020]本发明中，所述离散电极有三部分组成，中间一层为压电薄膜，上下两层为金属电极，从下至上依次形成下电极层-压电薄膜-上电极层的三层结构。其中所述下电极层贴在所述多环谐振器最外侧两个未固定环上表面，所述上电极层位于所述压电薄膜上表面。
[0021]陀螺工作时，所述多环谐振器安装在所述固定滑槽上，所述固定滑槽拧紧从而将所述多环谐振器外环固定；所述多环谐振器内环安置在所述阶梯式圆柱形支撑杆上，从而所述多环谐振器内环固定；所述离散电极紧贴在所述多环谐振器外侧两个未固定环的上表面，且所述离散电极的辐条与所述多环谐振器的所述辐条位置重合。
[0022]本发明中，所述下电极层与所述多环谐振器接地，保证同电势为0V;利用所述多环谐振器的平面四波腹振动模态(即多环谐振器在平面内振动，其中有四个方向达到最大振动幅度)作为参考振动，所述压电薄膜的驱动电极被施加交流电压时，由逆压电效应产生径向振动，从而带动所述多环谐振器振动；当有所述多环谐振器中心轴方向的角速度输入时，在科氏力的作用下，所述多环谐振器的振型向检测模态转变，带动所述压电薄膜振动，由正压电效应在检测电极上得到电信号，从而得到多环谐振器在检测模态的振幅，进而可以得到输入角速度的大小。
[0023]根据本发明的另一个方面，提供一种上述陀螺的制备方法，该方法具体为:
[0024]采用MEMS微细加工工艺，对圆盘形石英块进行蚀刻，得到所述多环谐振器；
[0025]采用精密机械加工的方法得到所述固定滑槽和所述阶梯式圆柱形支撑杆；
[0026]用导电胶作为所述下电极层，将所述压电薄膜固定在所述多环谐振器最外侧两个环上表面，所述上电极层键合在所述压电薄膜上表面，构成所述离散电极；
[0027]将多环谐振器安装在所述固定滑槽上，拧紧固定滑槽，从而将多环谐振器最外一圈环固定；阶梯式圆柱形支撑杆的上圆柱嵌在所述多环谐振器内环中，阶梯式圆柱形支撑杆的所述下圆柱支撑所述多环谐振器；
[0028]将离散电极紧贴在所述多环谐振器最外侧两个未固定环上表面，所述多环谐振器的辐条位置与所述离散电极的辐条的位置重合，所述离散电极与所述多环谐振器的中心轴重合。
[0029]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0030]1、加工工艺步骤简洁，采用成熟的微机械加工方法，利于批量生产；
[0031]2、多环谐振器内外环固定，可使封装后的陀螺结构稳定，抗冲击，减少外界干扰对陀螺正常工作的影响；
[0032]3、多环谐振器具有高度对称性，可以使多环陀螺达到优良的性能，工作时通过电极检测多环谐振器内环振动，振动幅度大，响应灵敏。
[0033]4、离散电极设置在多环谐振器上表面，较其他驱动方式的优点是不占据多环谐振器外围空间，利于陀螺小型化，方便安装和携带。
[0034]本发明由于多环谐振器内外环固定，电极布置在多环谐振器上表面，具有体积小、结构稳定，响应灵敏等优点，具有良好的对称性，因而可以达到较高的性能。
【附图说明】
[0035]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0036]图1A为本发明一实施例的内外环固定式压电驱动多环陀螺仪的俯视图；
[0037]图1B为本发明一实施例的内外环固定式压电驱动多环陀螺仪的三维视图；
[0038]图1C为本发明一实施例的多环谐振器，离散电极，阶梯式圆柱形支撑杆相对位置的剖视图；
[0039]图2A为本发明一实施例的多环谐振器的俯视图；
[0040]图2B为本