回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺，包括一个顶端四角含正方体突出的回柱形谐振子、四个在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近沿谐振子侧面分布的驱动电极、四个在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近沿谐振子侧面分布的检测电极，四个驱动电极的空间位置与四个检测电极互相垂直。本发明利用回柱形谐振子的驱动模态和检测模态互相匹配进行工作；给回柱形谐振子上的两个驱动电极施加交流电压，由逆压电效应或电容感应效应产生回柱形谐振子在驱动模态振动；当存在输入角速度时，回柱形谐振子的振型向检测模态转变，利用检测电极处压电正效应或电容感应效应产生的敏感信号，经外围电路处理得到输入角速度信号。
【专利说明】回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺
【技术领域】
[0001]本发明涉及微机电【技术领域】的固体波动模态匹配陀螺，具体地，涉及一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺。
【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技术广泛研究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，Mochida Y, Tamura M, Ohwada K在Sensors andActuators A:Physical 的 2000 年 80(2)期的第 170-178 页发表的 A micromachinedvibrating rate gyroscope with independent beams for the drive and detectionmodes文章中，提到了一种以弹簧质量系统为原理的微陀螺，这种陀螺主要通过利用两个旋转振荡模式对ζ轴的角速度进行检测。当位于X轴的驱动电极输入信号时，器件被激励，沿X轴振荡，在科里奥利力的作用下，器件产生沿I轴的振荡。通过位于I轴的检测电极产生输出信号对Z轴的角速度进行检测。
[0005]此技术存在如下不足:该弹簧质量系统微陀螺谐振体的结构脆弱，限制了其在很多必须在抗冲击条件下的应用；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；陀螺驱动模态和检测模态频率分裂较大，致使陀螺的带宽较大，品质因数很难提高；陀螺噪声较大，产生的信号较小，不便于提高检测的精度。
【发明内容】
[0006]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺，该陀螺有较小的尺寸、较大的带宽、抗冲击能力好、在大气压或者接近大气压下维持高的Q值，简化了陀螺仪的封装从而降低了制造成本。
[0007]为实现以上目的，本发明提供一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺，包括:
[0008]一个顶端四角含正方体突出的回柱形谐振子；
[0009]四个在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近，沿回柱形谐振子侧面分布的驱动电极；[0010]四个在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近，沿回柱形谐振子侧面分布的检测电极；
[0011]其中:驱动电极根据驱动方法的不同与回柱形谐振子接触或非接触，检测电极根据检测方法的不同与回柱形谐振子接触或非接触，且四个驱动电极的空间位置与四个检测电极的空间位置互相垂直。
[0012]优选地，所述回柱形谐振子于底部即与含四个正方形突出的顶部面相对的平面施加固定，或于所述回柱形谐振子四个侧壁即与顶面和底面相异的平面垂直中心线上施加固定。
[0013]优选地，所述回柱形谐振子的材料为PZT或多晶硅，当回柱形谐振子为PZT时使用压电效应进行驱动和检测，当回柱形谐振子为多晶硅时使用电容感应效应进行驱动和检测。
[0014]优选地，四个所述驱动电极的材料为金属，在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近、沿谐振子侧面、互相平行地呈2*2阵列式分布，用于激励回柱形谐振子产生驱动模态振型。
[0015]优选地，四个所述检测电极的材料为金属，在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近、沿谐振子侧面、互相平行地呈2*2阵列式分布且与四个驱动电极在空间上互相垂直，用于检测垂直于回柱形谐振子底面平面方向即ζ轴方向的角速度引起的回柱形谐振子上电压变化或回柱形谐振子与检测电极上由于电容感应效应产生的电容变化。
[0016]优选地，四个所述驱动电极中的两个相对的驱动电极被施加交流电压时，由逆压电效应或电容感应效应产生回柱形谐振子在驱动模态振动；当存在输入角速度时，回柱形谐振子的振型向检测模态转变，利用检测电极处压电正效应或电容感应效应产生的敏感信号进行信号检测；上述驱动模态和检测模态互相匹配。
[0017]本发明利用回柱形谐振子的特殊模态即驱动模态与检测模态模态匹配作为参考振动，在该模态下回柱形谐振子顶端四角上的正方体突出沿回形四边方向振动；通过在四个驱动电极中的一对驱动电极上施加正弦交流电压，由逆压电效应或电容感应效应产生回柱形谐振子在驱动模态振动；当有垂直于回柱形谐振子底面平面的角速度输入时，在科氏力的作用下，回柱形谐振子的谐振方式会从驱动模态向检测模态变化，检测模态的沿回形四边方向谐振振幅与输入角速度的大小成正比；通过检测回柱形谐振子的四个检测电极上的电压或四个检测电极与回柱形谐振子间感应电容的变化，就可检测出垂直于回柱形谐振子底面平面角速度的大小。
[0018]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0019]1、利用回柱形谐振器宽度方向的运动作为驱动和检测模态，谐振器刚度较大，具有较好的抗冲击性；
[0020]2、回柱形结构对称性好、模态之间频率差小，能够增大陀螺的增益，提高灵敏度，这对输出信号较弱的固态陀螺来讲十分重要；
[0021]3、采用振型完全一样的驱动模态和检测模态，使得温度变化对于驱动模态和检测模态的影响是一样的，因此降低了温度敏感性；
[0022]4、由于回柱形谐振子的振动集中在其顶部突起，故固定方式和突起各自的振动不会对驱动检测造成影响；[0023]5、回柱形谐振子基底无论采用PZT或是多晶硅，加工工艺均为微细加工工艺，利于批量生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]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:
[0025]图1为本发明一实施例立体结构示意图；
[0026]图2为本发明另一实施例立体结构示意图；
[0027]图3为本发明回柱形谐振子的驱动模态振型仿真图；
[0028]图4为图3驱动模态振型简化示意图；
[0029]图5是本发明回柱形谐振子的振型由驱动模态向检测模态转变的立体振型示意图；
[0030]图6是本发明回柱形谐振子的检测模态振型仿真图；
[0031]图7是图6检测模态振型简化示意图；
[0032]图8是本发明的驱动模态的电压分布ANSYS仿真示意图；
[0033]图9为本发明的检测模态的电压分布ANSYS仿真示意图；
[0034]图中:I为回柱形谐振子，2为正方体突起，3为接触式金属驱动电极，4为接触式金属检测电极，5为非接触式金属驱动电极，6为非接触式金属检测电极。
【具体实施方式】
[0035]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0036]如图1所不,第一实施例提供一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺,包括:
[0037]一个回柱形谐振子I ;
[0038]四个位于回柱形谐振子I顶端四角的正方体突起2 ；
[0039]四个沿正方体突起2排布的接触式金属驱动电极3 ；
[0040]四个沿正方体突起2排布的接触式金属检测电极4。
[0041]本实施例中，四个驱动电极3的材料为金属，四个驱动电极3在回柱形谐振子I顶端正方体突出2上，沿回柱形谐振子I侧面、互相平行的呈2*2阵列式分布，用于采用压电效应激励回柱形谐振子I产生驱动模态振型。
[0042]本实施例中，四个检测电极4的材料为金属，四个检测电极4在回柱形谐振子I顶端正方体突出2上，沿回柱形谐振子I侧面、互相平行地呈2*2阵列式分布，且每个检测电极4位于每个驱动电极3的一侧，四个检测电极4与四个驱动电极3在空间位置上互相垂直，用于采用压电效应检测垂直于回柱形谐振子I底面平面方向(z轴)方向角速度的大小。
[0043]常用的压电材料有:石英、压电陶瓷(如LiNb03、BaTi03)、PZT (锆钛酸铅)、ZnO,PVDF (聚偏氟乙稀)等。为了陀螺的力学性能指标和敏感度，要求压电材料有高的压电常数及高的机电耦合系数；为了防止压电材料的破碎，要求压电材料具有高的静态和动态抗拉强度；为了保证振子温度升高情况下的效率，要求压电材料具有低的介质损耗因子和高的机械品质因数。根据以上分析，第一实施例采用高激励特性良好、耦合系数高的压电材料PZT作为振动体。
[0044]如图2所示，第二实施例提供一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺，包括:
[0045]一个回柱形谐振子I ;
[0046]四个位于回柱形谐振子I顶端四角的正方体突起2 ；
[0047]四个与正方体突起2靠近、与正方体突起2平行排布的非接触式金属驱动电极5 ；
[0048]四个与正方体突起2靠近、与正方体突起2平行排布的非接触式金属检测电极6。
[0049]第二实施例中，所述回柱形谐振子I的材料为多晶硅。
[0050]如图2所示，四个驱动电极5的材料为金属，四个驱动电极5在回柱形谐振子I顶端正方体突出2附近，沿回柱形谐振子I侧面，与正方体突起2平行、互相平行地呈2*2阵列式分布，用于采用电容感应效应激励回柱形谐振子I产生驱动模态振型。
[0051]如图2所示，四个检测电极6的材料为金属，四个检测电极6在回柱形谐振子I顶端正方体突出2附近，沿回柱形谐振子I侧面，与正方体突起2平行、互相平行地呈2*2阵列式分布，且每个检测电极6位于每个驱动电极5的一侧，四个检测电极6与四个驱动电极5在空间位置上互相垂直，用于电容感应效应检测垂直于回柱形谐振子I底面平面方向(ζ轴)方向角速度的大小。
[0052]第一实施例与第二实施例中，所述回柱形谐振子I均于底面，即与含四个正方形突出2的顶部面相对的平面施加固定；或者在四个侧壁，即与顶面和底面相异的平面的垂直中心线上施加固定。
[0053]压电材料在外部力的作用下会产生电场，相反，当该晶体在外加电压作用下会伸展或收缩，这种特性被称为压电效应。压电效应是由于某些材料晶体原始单元中的电荷不对称性，从而导致形成电偶极子，在整个晶体内，这些偶极子效应的叠加产生整个晶体的极化，从而在材料内部产生电场。只有缺少对称中心的晶体才显现出压电特性。而通过压电薄膜的逆压电效应将电能量转换成波动而形成谐振的方式，称为固体波动谐振技术。
[0054]变间隙驱动力指的是静电驱动力在垂直于电极平面方向产生的力分量。如果我们令垂直于电极平面方向为标准，则电极平面在此方向上的作用力与两电极平面上所被施加的电压平方成正比，从而可以利用此效应对振动体进行驱动。
[0055]把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的效应称为电容感应效应。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εΑ/δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积，δ为两电极之间的距离。δ、Α、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类，其中:极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化(见电容式压力传感器)；面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移；介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。第一实施例和第二实施例采用的就是极距变化型的电容感应。
[0056]如图3所示为通过有限元分析的方法得到回柱形谐振子I的驱动模态振型仿真图；如图4所示为图3的驱动模态振型的简化示意图:通过在四个驱动电极3中非对角的任意两个相对的驱动电极3上施加相同的正弦电压信号，或通过在四个驱动电极5中非对角的任意两个相对的驱动电极5上施加相同的正弦电压信号，使得回柱形谐振子I由于逆压电效应产生驱动模态振动，此时回柱形谐振子I的四个正方形突起2在回形四边方向上振动。
[0057]当有垂直于回柱形谐振子I底面平面的z轴方向角速度输入时，陀螺在振动方向上的受力如图5所示。在科氏力的作用下，回柱形谐振子I振动由驱动模态振型向检测模态振型变化，振动的幅值和输入角速度成正比。
[0058]如图6所示为通过有限元分析的方法得到回柱形谐振子I的检测模态振型仿真图；如图7所示为图6的检测模态振型的简化示意图:当有垂直于回柱形谐振子I底面平面的z轴方向角速度输入时，回柱形谐振子I产生检测模态振型的振动，通过测量四个检测电极4产生的压电效应电压，或通过测量四个检测电极6产生的电容感应效应电容变化，可检测处垂直于回柱形谐振子I基底表面(z轴)的方向角速度的大小。
[0059]如图3和图6所示，回柱形谐振子I的驱动模态和检测模态互相匹配，其含义是:驱动模态和检测模态的振型相似，只互相相差一定的角度；驱动模态和检测模态当中不含其它振动模态，频率分裂小。当第一实施例和第二实施例中的回柱形谐振子I的顶部面空间对称时，形成模态匹配；当第一实施例和第二实施例中的回柱形谐振子I的顶部面空间不对称时，模态匹配无法形成。
[0060]如图8所示是本发明的驱动模态的电压分布ANSYS仿真示意图；如图9所示是本发明的检测模态的电压分布ANSYS仿真示意图。图8、9说明了在驱动模态和检测模态下，回柱形谐振子由于压电效应而产生的电荷分布情况。
[0061]第一实施例和第二实施例所述的压电驱动压电检测单轴微陀螺仪，或电容感应驱动电容感应检测单轴微陀螺仪，利用PZT或多晶硅为基体，采用MEMS微细加工工艺，利用牺牲层工艺在基板旋涂厚光刻胶如SU-8，利用制作好的掩模板进行光刻，之后显影、图形化，得到回柱形振子I ;再在图形化的光刻胶掩模上溅射金属，形成驱动电极3、检测电极4 ;或单独制作驱动电极5、检测电极6 ;最后，为回柱形谐振子I焊接外围电路以及进行最终的封装得到陀螺芯片成品。
[0062]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【权利要求】
1.一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺，其特征在于，包括: 一个顶端四角含正方体突出的回柱形谐振子； 四个在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近，沿回柱形谐振子侧面分布的驱动电极； 四个在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近，沿回柱形谐振子侧面分布的检测电极； 其中:驱动电极根据驱动方法的不同与回柱形谐振子接触或非接触，检测电极根据检测方法的不同与回柱形谐振子接触或非接触，且四个驱动电极的空间位置与四个检测电极的空间位置互相垂直； 利用回柱形谐振子的特殊模态即驱动模态与检测模态模态匹配作为参考振动，在该模态下回柱形谐振子顶端四角上的正方体突出沿回形四边方向振动；通过在四个驱动电极中的一对驱动电极上施加正弦交流电压，由逆压电效应或电容感应效应产生回柱形谐振子在驱动模态振动；当有垂直于回柱形谐振子底面平面的角速度输入时，在科氏力的作用下，回柱形谐振子的谐振方式会从驱动模态向检测模态变化，检测模态的沿回形四边方向谐振振幅与输入角速度的大小成正比；通过检测回柱形谐振子的四个检测电极上的电压或四个检测电极与回柱形谐振子间感应电容的变化，就可检测出垂直于回柱形谐振子底面平面角速度的大小。
2.根据权利要求1所述的一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺，其特征在于，所述回柱形谐振子于底部即与含四个正方形突出的顶部面相对的平面施加固定，或于所述回柱形谐振子四个侧壁即与顶面和底面相异的平面垂直中心线上施加固定。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺，其特征在于，所述回柱形谐振子的材料为PZT或多晶硅，当回柱形谐振子为PZT时使用压电效应进行驱动和检测，当回柱形谐振子为多晶硅时使用电容感应效应进行驱动和检测。
4.根据权利要求1所述的一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺，其特征在于，四个所述驱动电极的材料为金属，在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近、沿谐振子侧面、互相平行地呈2*2阵列式分布，用于激励回柱形谐振子产生驱动模态振型。
5.根据权利要求1所述的一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺，其特征在于，四个所述检测电极的材料为金属，在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近、沿谐振子侧面、互相平行地呈2*2阵列式分布且与四个驱动电极在空间上互相垂直，用于检测垂直于回柱形谐振子的底部平面方向即z轴方向的角速度引起的回柱形谐振子上电压变化或回柱形谐振子与检测电极上由于电容感应效应产生的电容变化。
6.根据权利要求4所述的一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺，其特征在于，四个所述驱动电极中的两个相对的驱动电极被施加交流电压时，由逆压电效应或电容感应效应产生回柱形谐振子在驱动模态振动；当存在输入角速度时，回柱形谐振子的振型向检测模态转变，利用检测电极处压电正效应或电容感应效应产生的敏感信号进行信号检测；上述驱动模态和检测模态互相匹配。
【文档编号】G01C19/56GK103697873SQ201310686913
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月13日 优先权日:2013年12月13日
【发明者】张卫平, 汪濙海, 刘亚东, 成宇翔, 唐健, 张弓, 许仲兴, 孙殿竣, 陈文元 申请人:上海交通大学