一种压电振动陀螺仪谐振子、其制作方法及压电振动陀螺的制作方法
【专利摘要】本发明属于惯性导航器件领域，具体涉及一种压电振动陀螺仪谐振子、其制作方法及镀制BFO薄膜作为驱动与检测电极的压电振动陀螺仪。本发明的目的是针对当前压电振动陀螺仪压电电极材料以及粘胶的使用对陀螺仪的Q值造成抑制，降低陀螺仪Q值、精度及灵敏度等问题，利用生长在LAO单晶材料上的具有单轴各向异性的BFO薄膜的强压电特性以及镀制薄膜材料可以避免固定压电电极时粘胶的使用，制作出一种镀制BFO薄膜作为驱动与检测电极的压电振动陀螺仪，将镀制BFO薄膜降低压电电极对陀螺仪品质因数抑制、BFO薄膜的压电灵敏度较高和避免使用粘胶对压电电极进行固定导致Q值降低等优势相结合，实现陀螺仪Q值提高、灵敏度提高、精度提高。
【专利说明】
一种压电振动陀螺仪谐振子、其制作方法及压电振动陀螺
技术领域
[0001] 本发明属于惯性导航器件领域，具体涉及一种压电振动陀螺仪谐振子、其制作方 法及镀制铁酸铋(BiFe〇3、BFO)薄膜作为驱动与检测电极的压电振动陀螺仪。
【背景技术】
[0002] 陀螺仪是一种在惯性空间测量运动物体旋转角度或角速度的装置，其基本功能是 敏感角位移和角速度，在航空、航天、航海、兵器以及民用领域中有着广泛和重要的应用。在 飞机、舰船、导弹、航天飞行器等运载体的惯性导航系统和惯性制导系统中，陀螺仪是极其 重要的敏感器。
[0003] 陀螺仪可以分为两类:一类以经典力学为基础，如刚体转子陀螺、振动陀螺仪等； 另一类以近代物理学为基础，如激光陀螺仪。陀螺仪的发展是从刚体转子陀螺仪开始的，由 于需要高速旋转的转子和相应的支承系统，刚体转子陀螺仪的性能稳定性较低、体积较大； 激光陀螺仪系统稳定性较高，被认为是捷联式系统理想的敏感元件，然而其精度严格受到 体积制约，抗辐射能力较差，工作时功率瞬变或电源断电将停止工作，成本也相应较高；而 振动陀螺仪的主体是一个作高频振动的构件，具有性能稳定、结构简单、体积较小、成本较 低、抗辐射性强、短时断电仍可继续工作等特点。因此，振动陀螺仪性能在许多方面均优于 激光陀螺仪，这种陀螺仪的出现犹如"异军突起"，成为激光陀螺仪的强有力竞争者。
[0004] 振动陀螺仪常见的有音叉振动陀螺仪、壳体振动陀螺仪，通常使用压电激励或静 电激励两种方式对振动陀螺仪进行激励与检测。其中利用压电电极进行激励与检测的方式 最为常见，发展也最为成熟。因此陀螺仪最终的整体Q值是谐振子与压电电极综合的效果。 但压电电极材料的Q值一般较低，往往导致陀螺Q值的下降。此外，常用的压电电极与陀螺仪 谐振子须通过粘胶进行固定，粘胶的Q值很低，其使用也将对陀螺仪的Q值造成抑制，降低陀 螺仪精度及灵敏度。
[0005] BF0是目前报道的唯一一种在室温条件下铁电性和反铁磁性共存的多铁材料，铁 电极化理论上可达lOOuC/cm2。室温下拥有单相多铁的特性为实际应用提供可行性。BF0是 典型的铁电晶体，在一定温度范围内存在自发极化，而且自发极化方向能随外加电压而转 向，铁电体可以看作是由许多铁电畴组成，在没有外电场作用下，由于组成铁电畴的晶胞中 原子内正负电荷重心发生相对位移使得每个电畴内形成电偶极矩(产生自发极化），但相邻 电畴自发极化方向不同，所以整个晶体宏观极化强度为零，对外不呈现极化状态。在外电场 作用下，铁电畴极化方向转向外加电场方向，具有电滞回线现象。BF0的存在基态为R3c菱形 扭曲态，可以用字母R作简要表示;此外还存在一种P4mm对称的具有高自发极化特性的正方 形扭曲态，可以用字母T作简要表示。R与T两种形态可以在BF0薄膜中共存，此时材料具有很 强的压电效应。BF0薄膜材料的逆压电系数可达11 δρπΛΓ1，约为压电陶瓷薄膜的4倍，能有效 驱动谐振子起振。因此室温下，BF0材料具有强铁电性与压电性。使用铝酸镧(LaA10 3、LA0) 单晶材料作为基底，在其上生长BF0薄膜，其压电信号相对变化更大，在室温下具有很好的 铁电特性和压电特性。一般合金材料的压电效压电信号相对变化更大，在室温下具有很好 的铁电特性和压电特性。一般合金材料的压电效应的力学响应可以达到ο. 5 %至8 %，而 BFO/LAO结构可以达到14%，因此可以将LAO单晶材料制作成为压电振动陀螺仪的谐振子并 在谐振子的外表面镀制BFO薄膜作为压电振动陀螺仪的驱动及检测电极，既减少了压电材 料、粘胶对陀螺仪Q值的抑制，其强压电特性也将提高陀螺仪的精度及灵敏度。
[0006] 总之，在LAO单晶材料谐振子表面镀制BFO薄膜作为压电振动陀螺仪的驱动及检测 电极，可以有效提高压电振动陀螺仪Q值、精度及灵敏度。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是针对当前压电振动陀螺仪压电电极材料以及粘胶的使用对陀螺 仪的Q值造成抑制，降低陀螺仪Q值、精度及灵敏度等问题，利用生长在LAO单晶材料上的具 有单轴各向异性的BFO薄膜的强压电特性以及镀制薄膜材料可以避免固定压电电极时粘胶 的使用，制作出一种镀制BFO薄膜作为驱动与检测电极的压电振动陀螺仪，将镀制BFO薄膜 降低压电电极对陀螺仪品质因数(Q值)抑制的优势、BFO薄膜的压电灵敏度较高的优势和避 免使用粘胶对压电电极进行固定导致Q值降低的优势相结合，实现陀螺仪Q值提高、灵敏度 提尚、精度提尚。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0009] 一种压电振动陀螺仪的谐振子，所述谐振子为一横截面为正方形的长方体，在所 述长方体的四个侧面上分别镀制有BFO薄膜作为压电电极。
[0010] 所述长方体采用由"00Γ朝向的LAO单晶材料制成，所述LAO单晶材料具有较大的 品质因数，长方体的截面积为9mm2,长度为(25~150)mm。
[0011] 所述由BFO薄膜制成的压电电极为长条形，面积小于长方体侧面积，优选为20 X 2mm2 〇
[0012] 所述由BFO薄膜制成的压电电极共有4块，分成2组镀制在长方体的四个侧面上，一 组分别作为驱动换能器和反馈换能器，另一组分别作为读出换能器和阻尼换能器。
[0013] 所述BF0薄膜为单轴各向异性的BF0薄膜，厚度为（50-100)nm，其上下表面均镀制 有一层厚度约为5nm的镧锶锰氧(LaSrMn0 3、LSM0)薄膜作为激励电极。
[0014] 所述由LSM0薄膜制成的激励电极在所述长方体的长度方向边沿处比BF0薄膜层边 沿伸出约2mm，方便在LSM0薄膜边沿进行点焊，在不接触BF0薄膜层的前提下引出导线与压 电振动陀螺仪的信号控制电路相连接。
[0015] 本发明还提供一种上述压电振动陀螺仪谐振子的制作方法：
[0016] 首先，将"001"朝向的LA0单晶材料制成尺寸符合要求的横截面为正方形的长方 体;然后在长方体的四个侧面上进行BF0薄膜压电电极的镀制:首先将一层LSM0薄膜分别镀 制在长方体的四个侧面上作为底电极，厚度约为5nm;然后使用脉冲激光沉积技术在LSM0薄 膜材料上镀制T形态与R形态共存的约为(50-100)nm厚的BF0薄膜，所述BF0薄膜边沿在长方 体的长度方向上较LSM0薄膜边沿缩短约2mm;最后在BF0薄膜上再镀制一层与第一层LSM0薄 膜尺寸相同的LSM0薄膜作为上部电极，获得所需要的BF0薄膜压电电极，如图2所示。
[0017] BF0薄膜压电电极生产时生长温度保持在700°C，氧气压强为100mTorr，BF0薄膜生 长速度设定为2.5nm/min，冷却速度设定为氧气下5 °C/min，脉冲激光沉积过程中能量密度 设定为1 · 2J/cm2，重复频率设定为5Hz 〇
[0018] 本发明最后提供一种基于BF0薄膜压电电极的压电振动陀螺仪，所述陀螺仪由长 方体谐振子、BF0薄膜压电电极、节点支撑结构、支撑面、信号控制电路、驱动电源和计算机 组成;其中，镀制有BF0薄膜压电电极的长方体谐振子为振动构件，由节点支撑结构进行支 撑并被固定在支撑面上;BF0薄膜压电电极通过导线与信号控制电路相连接，驱动电源为信 号控制电路提供电源，信号控制电路通过信号线与计算机连接，在计算机中通过Labview软 件对压电振动陀螺仪进行激励与检测。
[0019] 所述节点支撑结构采用的是节点支撑方式:在所述带有BF0薄膜压电电极的长方 体谐振子前后对称的2个基频波节处插入两根细支撑柱，所述细支撑柱材料与长方体谐振 子材料相同，以使安装处的热应力最小，细支撑柱的一端与支撑面相连，所述支撑面为一用 于给长方体谐振子的两根细支撑柱提供固定和支撑的平面。
[0020] 所述信号控制电路由幅度增益控制电路、锁相环控制电路、正交控制电路和力平 衡控制电路四个部分组成;所述幅度增益控制电路用于对压电振动陀螺仪的输入信号进行 调控，以及对压电振动陀螺仪的输出信号进行检测，所述锁相环控制电路用于实现对压电 振动陀螺仪信号的相位控制，所述正交控制电路用于控制压电振动陀螺仪信号的正交误 差，实现零输入时的输出信号为零，所述力平衡电路用于实现压电振动陀螺仪的力平衡工 作模式;其中四个BF0薄膜压电电极中的一组(驱动换能器、反馈换能器)与所述幅度增益控 制电路相连接，所述驱动换能器用于实现幅度增益控制电路对压电振动陀螺仪的激励;所 述反馈换能器用于保持谐振子的振幅恒定（由于反馈换能器的正压电效应，将产生一个电 压信号反馈至驱动换能器，以保持谐振子的振幅恒定）；四个BF0薄膜压电电极中的另外一 组(读出换能器、阻尼换能器)与幅度增益控制电路、锁相环控制电路、正交控制电路和力平 衡控制电路相连接，所述读出换能器通过正压电效应产生与输入角速度成正比的电压信号 作为压电振动陀螺仪的输出，所述阻尼换能器通过逆压电效应控制阻尼保持在给定值上， 从而使压电振动陀螺仪的输出具有良好的动态特性。
[0021] 本发明具有以下有益效果：
[0022] 1.根据本发明设计的一种镀制BF0薄膜作为驱动与检测电极的压电振动陀螺仪， 使用LA0单晶材料作为谐振子主体及基底材料，在此基底上生长BF0薄膜在室温下具有很好 的铁电特性和压电特性，一般合金材料的压电效应的力学响应可以达到〇 . 5 %至8 %，而 LA0/BF0结构可以达到14%，提高陀螺仪的灵敏度与精度；
[0023] 2.压电电极材料的Q值一般较低，往往导致陀螺Q值的下降。镀制BF0薄膜压电电极 可以有效减少压电电极材料用量，因此具有降低压电电极对陀螺仪品质因数(Q值)抑制的 优势；
[0024] 3.常用的压电电极与陀螺仪谐振子须通过粘胶进行固定，粘胶的使用也将对陀螺 仪的Q值造成抑制，镀制BF0压电薄膜可以避免使用粘胶对压电电极进行固定，提高陀螺仪 品质因数。
【附图说明】
[0025] 图1是镀制BF0薄膜压电电极后长方体谐振子的整体结构示意图(a)和其横截面示 意图（b);
[0026] 其中图（a)中1为由LAO单晶材料制成的谐振子主体、2为BF0薄膜压电电极、3为节 点支撑结构，4为支撑面;图（b)中2a为阻尼换能器、2b为反馈换能器、2c为读出换能器、2d为 驱动换能器；
[0027]图2是本发明提出的BF0薄膜压电电极的结构示意图；
[0028] 其中201、203为LSM0薄膜层、202为BF0薄膜层；
[0029]图3是一种镀制BF0薄膜作为驱动与检测电极的压电振动陀螺仪的结构示意图； [0030] (a)长方体谐振子安装在支撑面上的示意图；（b)压电振动陀螺仪的电路结构示意 图；
[0031]其中1为长方体谐振子、2为BF0薄膜压电电极、3为节点支撑结构、4为支撑面、5为 信号控制电路(包括幅度增益控制电路、锁相环控制电路、正交控制电路和力平衡控制电 路）、6为驱动电源、7为计算机。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明。
[0033]本发明的核心部件为镀制了 BF0薄膜压电电极后的长方体谐振子，如图1(a)所示。 图1(b)则清楚地表明了长方体谐振子各个表面所镀制的BF0薄膜压电电极的具体作用，其 中驱动换能器2a和反馈换能器2b镀制在长方体谐振子的驱动平面上，而读出换能器2c和阻 尼换能器2d则镀制在长方体谐振子的读出平面上。谐振子的工作过程如下:首先，利用驱动 换能器2a的逆压电效应产生激振力使长方体谐振子起振，激振力沿z轴作用在长方体谐振 子的上部表面并作简谐交变。由于长方体谐振子上各质点沿着X轴(振动轴)作简谐振动时 受到方向交变的哥氏惯性力的作用，质点的振动轨迹从直线变成椭圆，即质点在沿振动轴X 轴振动的同时，还出现了沿输出轴y轴的振动。显然，输入角速度越大，哥氏惯性力越大，亦 即质点沿输出轴振动的振幅与输入角速度成正比。当谐振子在读出平面弯曲振动时，读出 换能器2c随之弯曲振动，由于读出换能器2c的正压电效应，它将产生与输入角速度成正比 的电压信号，作为陀螺仪的输出。读出换能器2c的电压信号还反馈至阻尼换能器2d，利用阻 尼换能器2d的逆压电效应控制阻尼保持在给定值上，从而使陀螺仪的输出具有良好的动态 特性。此外，当谐振子在驱动平面弯曲振动时，由于反馈换能器2b的正压电效应，亦将产生 一个电压信号反馈至驱动换能器2a，以保持谐振子的振幅恒定。
[0034]本发明所述的一种镀制BiFe03薄膜作为驱动与检测电极的压电振动陀螺仪其工 作原理如下：当交流电压施加在驱动换能器2a上时，驱动换能器2a所产生激振力的作用线 与谐振子基频节点间有一距离，形成绕节点的转矩Τα
[0035]
Π 0
[0036] 式中1和b分别为驱动换能器的长度与宽度;ka为驱动换能器的压电系数;ke为换能 器粘接方法有关的传输系数;UAm和ω A分别为外加电压的幅值与角频率，h为谐振子弯曲方 向的厚度，L为谐振子长度，t为谐振子起振后持续时间。
[0037] 在简谐变化转矩Τα的作用下，谐振子在驱动平面的弯曲振动情况为
[0038]
(1,2)
[0039] 式中JA为谐振子绕y轴对固定点转动惯量的一半;CA为谐振子在驱动平面弯曲的阻 力系数;k A为谐振子在驱动平面的刚性系数;Tm为转矩Τα的幅值，ΘΑ为谐振子绕固定点偏离 平衡位置的偏转角。
[0040] 当激振角频率ω a与谐振子在驱动平面的固有角频率w (= ψ,/J；)相同的情况 下，稳态时谐振子的强迫振动最大偏角为
[0041]
(1-3)
[0042] 这里Qa称为驱动平面品质因数，ζΑ为阻尼振动的相对阻尼系数
[0043]
(1 4)
[0044] 在驱动平面内谐振子的最大挠度XAffi与最大偏转角Θαμ的关系为
[0045]
(15)
[0046] 当沿着输入轴ζ有角速度ω输入时，将产生沿着输出轴y的哥氏惯性力作用在谐振 子上。作用在谐振子单位长度(单位长度的质量设为叫)上的哥氏惯性力的量值为
[0047]
(1 -6)
[0048] 其中t为沿振动轴X的振动速度，
[0049]
(1-7)
[0050] 因为哥氏惯性力的作用线与节点（固定点）之间有一距离，所以形成绕节点的转 矩。该转矩为
[0051]
(1.8) νυ 7Γ^ 4
[0052]其中m为谐振子的质量，m = Lmj。
[0053] 在简谐变化转矩TB的作用下，谐振子在读出平面的弯曲振动情况为
[0054]
(1.9)
[0055] 式中JB为谐振子绕X轴对固定点转动惯量的一半;CB为谐振子在读出平面弯曲的阻 力系数;k B为谐振子在读出平面的刚性系数;1^为哥氏惯性力矩TB的幅值。
[0056] 当谐振子在读出平面的固有角频率％。(=^7^)与谐振子在驱动平面的固有角 频率ωΑ〇相差不大的情况下，稳态时谐振子的强迫振动最大偏角可近似为
[0057]
0-10)
[0058]这里Qb称为读出平面品质因数，
[0059]
(1.11)
[0060] 在读出平面内谐振子的最大烧度XBm与最大偏转角Θβμ的关系为
[0061]
(1.12)
[0062]当谐振子在读出平面弯曲振动时，读出换能器将产生正比于弯曲挠度的电压信 号。读出换能器输出电压幅值UBm与偏转角幅值0Bm之间的关系为
[0063]
(1 13) 一 b：y:c
[0064] 式中d为读出换能器厚度;kb为读出换能器的压电系数;ke为与换能器粘接方法有 关的传输系数。因此有
[0065]
(I 14)
[0066] 可见读出换能器的输出电压幅值UBm与谐振子输入角速度ω成正比。这里κ称为压 电振动陀螺标度系数，
[0067]
(丨.15)
[0068] 由上可知，谐振子在驱动平面的弯曲振动将导致读出平面作弯曲振动，因此在长 方体的四个侧面上镀制两组薄膜压电电极，一组分别作为驱动换能器、反馈换能器，另一组 分别作为读出换能器、阻尼环能器，并将该长方体作为压电振动陀螺仪的谐振子的方案是 可行的。
【主权项】
1. 一种压电振动陀螺仪的谐振子，其特征在于:所述谐振子为一横截面为正方形的长 方体，在所述长方体的四个侧面上分别镀制有BFO薄膜作为压电电极。2. 根据权利要求1所述压电振动陀螺仪的谐振子，其特征在于：所述长方体采用由 "001"朝向的LAO单晶材料制成，长方体的截面积为9mm 2，长度为(25~150 )mm。3. 根据权利要求1所述压电振动陀螺仪的谐振子，其特征在于:所述由BFO薄膜制成的 压电电极为长条形，面积小于长方体侧面积。4. 根据权利要求3所述压电振动陀螺仪的谐振子，其特征在于:所述由BF0薄膜制成的 压电电极面积为20 X 2mm2。5. 根据权利要求1所述压电振动陀螺仪的谐振子，其特征在于:所述由BFO薄膜制成的 压电电极共有4块，分成2组镀制在长方体的四个侧面上，一组分别作为驱动换能器和反馈 换能器，另一组分别作为读出换能器和阻尼换能器。6. 根据权利要求1、3、4或5所述压电振动陀螺仪的谐振子，其特征在于:所述BF0薄膜为 单轴各向异性的BF0薄膜，厚度为（50-100)nm，其上下表面均镀制有一层厚度约为5nm的 LSM0薄膜作为激励电极。7. 根据权利要求6所述压电振动陀螺仪的谐振子，其特征在于:所述由LSM0薄膜制成的 激励电极在所述长方体的长度方向边沿处比BF0薄膜层边沿伸出约2_。8. -种根据权利要求1所述压电振动陀螺仪谐振子的制作方法，其特征在于该方法包 括如下步骤： 首先，将"001"朝向的LA0单晶材料制成尺寸符合要求的横截面为正方形的长方体； 然后在长方体的四个侧面上进行BF0薄膜压电电极的镀制：首先将一层LSM0薄膜分别 镀制在长方体的四个侧面上作为底电极，厚度约为5nm;然后使用脉冲激光沉积技术在LSM0 薄膜材料上镀制T形态与R形态共存的约为(50-100)nm厚的BF0薄膜，所述BF0薄膜边沿在长 方体的长度方向上较LSM0薄膜边沿缩短约2mm;最后在BF0薄膜上再镀制一层与第一层LSM0 薄膜尺寸相同的LSM0薄膜作为上部电极，获得所需要的BF0薄膜压电电极。9. 一种根据权利要求8所述压电振动陀螺仪谐振子的制作方法，其特征在于:所述BF0 薄膜压电电极生产时生长温度保持在700°C，氧气压强为100mTorr，BF0薄膜生长速度设定 为2.5nm/min，冷却速度设定为氧气下5 °C /min，脉冲激光沉积过程中能量密度设定为1.2 J/ cm2,重复频率设定为5Hz 〇10. -种基于BFO薄膜压电电极的压电振动陀螺仪，其特征在于:所述陀螺仪由长方体 谐振子(1)、BF0薄膜压电电极(2)、节点支撑结构(3)、支撑面(4)、信号控制电路(5)、驱动电 源(6)和计算机(7)组成；其中，镀制有BF0薄膜压电电极(2)的长方体谐振子（1)为振动构 件，由节点支撑结构(3)进行支撑并被固定在支撑面(4)上;BF0薄膜压电电极(2)通过导线 与信号控制电路(5)相连接，驱动电源(6)为信号控制电路(5)提供电源，信号控制电路(5) 通过信号线与计算机(7)连接，在计算机(7)中通过Labview软件对压电振动陀螺仪进行激 励与检测； 所述节点支撑结构（3)采用的是节点支撑方式:在所述带有BF0薄膜压电电极(2)的长 方体谐振子(1)前后对称的2个基频波节处插入两根细支撑柱，所述细支撑柱材料与长方体 谐振子（1)材料相同，以使安装处的热应力最小，细支撑柱的一端与支撑面(4)相连，所述支 撑面(4)为一用于给长方体谐振子(1)的两根细支撑柱提供固定和支撑的平面； 所述信号控制电路(5)由幅度增益控制电路、锁相环控制电路、正交控制电路和力平衡 控制电路四个部分组成;所述幅度增益控制电路用于对压电振动陀螺仪的输入信号进行调 控，以及对压电振动陀螺仪的输出信号进行检测，所述锁相环控制电路用于实现对压电振 动陀螺仪信号的相位控制，所述正交控制电路用于控制压电振动陀螺仪信号的正交误差， 实现零输入时的输出信号为零，所述力平衡电路用于实现压电振动陀螺仪的力平衡工作模 式;其中四个BFO薄膜压电电极中的驱动换能器和反馈换能器与所述幅度增益控制电路相 连接，所述驱动换能器用于实现幅度增益控制电路对压电振动陀螺仪的激励;所述反馈换 能器用于保持谐振子的振幅恒定；四个BFO薄膜压电电极中的读出换能器和阻尼换能器与 幅度增益控制电路、锁相环控制电路、正交控制电路和力平衡控制电路相连接，所述读出换 能器通过正压电效应产生与输入角速度成正比的电压信号作为压电振动陀螺仪的输出，所 述阻尼换能器通过逆压电效应控制阻尼保持在给定值上，从而使压电振动陀螺仪的输出具 有良好的动态特性。
【文档编号】G01C19/5677GK105973216SQ201610286388
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】黄云, 肖鹏博, 曲天良
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学