專利名稱：具有“回”型槽結構壓電振子的全固態雙軸陀螺儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種微機電技術領域的微陀螺，具體地說，涉及的是一種具 有"回"型槽結構壓電振子的全固態雙軸陀螺儀。
背景技術：
陀螺是姿態控制和慣性制導的核心器件，慣性技術的發展以及衛星、導彈等 制導需求的提高、要求陀螺向功率小、壽命長、體積小、能適應各種惡劣環境的 方向發展。
經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利"壓電陀螺元件和壓電陀螺儀"(專 利申請號為200510131905.3)提到可以通過壓電材料的棱柱狀振動體的結構， 來檢測2軸方向上的角速度。截面為矩形的棱柱狀的壓電振動體一端固定，在其 第1側面上形成第1驅動電極，在第2側面上形成在寬度方向上分離的第2 第 4驅動電極，帶相位差地向各驅動電極施加驅動電流，使壓電振動體振動，其另 一端做圓周運動。在與其振動的旋轉中心軸正交的方向上作用有扭矩時，從壓電 振動體的第1側面上形成的第1檢測電極和第2側面上形成的第2檢測電極輸 出由此產生的壓電振動體的撓度，從而檢測2軸方向上的角速度。
此技術存在如下不足首先，驅動電路要求多次移相，有些驅動電路還包括 振幅檢測電路、AGC電路、對控制要求高，且電路復雜，干擾大，噪聲多、難以 得到理想的的驅動信號。其次，通過向四個不同的電極上施加相位不同的四相驅 動信號來使壓電體自身產生圓周運動作為參考運動，規則的圓周運動難以得到準 確的實現，增大了角速度檢測的誤差。要保證壓電體轉動得到高速圓周運動，功 耗大。
發明內容
本發明的目的是針對已有技術的不足，提出一種具有"回"型槽的全固態雙 軸壓電振子陀螺儀。它利用壓電振子特有的模態下的特殊振動方式，實現陀螺雙 軸敏感。用這種特殊振動作為振動陀螺的參考振動，工作時不需要精確的高速圓 周轉動，功耗低，且易準確實現。直接利用壓電振子的壓電效應得到的電壓信號 作為外界角速度的檢測信號。本發明結構簡單、不需真空封裝、抗沖擊性強、在 惡劣環境下能很好地工作、具有便于固定的節點、且加工工藝易實現。另外，本 發明設置模態檢測電極，可以檢測工作狀態是否準確，減小理論與實際器件的誤 差，驅動簡單便捷。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括壓電振子、驅動電極、輸出 電極、模態檢測電極、懸臂梁。
所述壓電振子材料為壓電材料，結構是具有兩面正方形的長方體，兩正方形 的表面相互平行，為壓電振子上表面、下表面，在壓電振子上表面布置電極，直 接連接壓電振子上表面和壓電振子下表面的面為長方形，在壓電振子上表面和下 表面各設有一個"回"型？L，"回"型孔的內外邊界為兩個正方形，兩個"回" 型孔為非通孔，分別在壓電振子上表面、壓電振子下表面構成兩個槽形結構，這 兩個槽形結構的深度相同，位于壓電振子下表面的"回"型孔的內外邊與壓電振 子下表面的相應的四條最外邊平行。兩個懸臂梁分別設置在壓電振子上表面中心 處、壓電振子下表面中心處，位于"回"型孔的中心，兩個懸臂梁關于壓電振子 對稱。
壓電振子上表面最上側的邊為上表面第一邊，壓電振子上表面最右側的邊為 上表面第二邊，壓電振子上表面最下側的邊為上表面第三邊，壓電振子上表面最 左側的邊為上表面第四邊；上表面第一邊的中點與上表面第三邊的中點的連線為 上表面第一中心線，上表面第二邊的中點與上表面第四邊的中點的連線為上表面 第二中心線。
所述驅動電極，包括上表面左下側驅動電極、上表面右上側驅動電極。 所述輸出電極，包括上表面上側輸出電極、上表面右側輸出電極、上表面下 側輸出電極、上表面左側輸出電極。
所述上表面左下側驅動電極與上表面右上側驅動電極位于上表面外框形成 的正方形(即上表面第一邊、上表面第二邊、上表面第三邊、上表面第四邊組成 的正方形)的一條斜對角線上；上表面上側輸出電極與上表面下側輸出電極位于上表面第一中心線上、上表面上側輸出電極與上表面下側輸出電極關于上表面第 二中心線對稱分布；上表面右側輸出電極與上表面左側輸出電極位于上表面第二 中心線上、上表面右側輸出電極與上表面左側輸出電極關于上表面第一中心線對 稱分布；模態檢測電極位于上表面的外框形成的正方形的另一條斜對角線上接近 內框(即壓電振子上表面"回"型結構的內四條邊構成的結構)形成的正方形對 角線端點處。該壓電微陀螺儀結構的上下兩側分別有一個懸臂梁，經過分析驗證 在振動模態下其位移很小。因此選定兩個懸臂梁的端點作為本發明微陀螺的節 點，節點即為固定點。
本發明利用壓電振子在特殊模態下的壓電特性進行角速度的檢測。在驅動電 極之間加上一定頻率的交變電壓激勵(處于一定的模態)。其中壓電振子在上表 面上側輸出電極與下表面上與上表面上側輸出電極所對應的位置振動方向相反。 當外界受到與運動方向垂直的角速度時，所受到的柯氏力的方向相反，產生相向 運動，使得壓電振子產生拉伸或壓縮，形成內應力，最終使得上側輸出電極形成 一定的電勢。電勢的大小與外界角速度的大小成正比。因此可以通過上表面上側 輸出電極的電勢來檢測一個方向的角速度，進而上表面下側輸出電極的電勢也是 此方向外界角速度的檢測信號。同理將上表面左側輸出電極的電勢與下表面右側 輸出電極的電勢作為另外一個方向角速度的檢測信號。經有限元分析，此階模態 的共振頻率為452640Hz，敏感兩個方向角速度的振動最大位移(布置輸出電極 處)分別為0. 150682E-08m、 0. 166103E-08m。
本發明由于采用塊狀壓電振子，結構簡單，抗沖擊性強，具有便于固定的節 點，且加工工藝易實現，在惡劣環境下能很好地工作。本發明利用特殊模態下的 特殊振動作為工作狀態，高壓電系數的壓電體的正壓電效應產生的電壓信號作為 檢測信號，能夠準確地檢測外界雙軸方向的角速度。本發明可以應用于在衛星、 武器、民用導航等領域。
圖l為本發明結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護 范圍不限于下述的實施例。
如圖1所示，本實施例由壓電振子l、上表面左下側驅動電極2、上表面右 上側驅動電極3、上表面上側輸出電極4、上表面右側輸出電極5、上表面下側 輸出電極6、上表面左側輸出電極7、模態檢測電極8、上表面懸臂梁9、下表 面懸臂梁組成。
壓電振子l材料為壓電材料，結構為具有兩面正方形的長方體，壓電振子l 的最外圍的框架邊共有12條，其中一組4條邊構成正方形形式的外框，另一組 4條邊也構成正方形形式的外框，這兩個正方形形式的外框圍成的表面相互平行； 其中一個正方形所在的表面為壓電振子1上表面，在壓電振子1上表面布置電極， 與壓電振子1上表面平行的表面為壓電振子1的下表面，直接連接壓電振子1上 表面和壓電振子1下表面的面為長方形。在壓電振子1上表面、下表面各設置一 個"回"型？L，"回"型孔的內外邊界為兩個正方形。兩個"回"型孔為非通孔， 分別在壓電振子1上表面、下表面構成兩個槽形結構，這兩個槽形結構的深度相 同。位于壓電振子1下表面的"回"型孔的內外邊與壓電振子1下表面的相應的 四條最外邊平行。兩個懸臂梁分別設置在壓電振子l上表面中心處、壓電振子l 下表面中心處，位于"回"型孔的中心，兩個懸臂梁關于壓電振子1對稱。
在壓電振子1上表面上布置上表面左下側驅動電極2、上表面右上側驅動電 極3、上表面上側輸出電極4、上表面右側輸出電極5、上表面下側輸出電極6、 上表面左側輸出電極7、模態檢測電極8。壓電振子上表面最上側的邊上表面第 一邊，上表面最右側的邊為上表面第二邊，上表面最下側的邊為上表面第三邊， 上表面最左側的邊為上表面第四邊。上表面第一邊的中點與上表面第三邊的中點 的連線為上表面第一中心線，上表面第二邊的中點與上表面第四邊的中點的連線 為上表面第二中心線。
電極位置分布上表面左下側驅動電極2與上表面右上側驅動電極3位于上 表面外框形成的正方形(即即上表面第一邊、上表面第二邊、上表面第三邊、上 表面第四邊組成的正方形)的一條斜對角線上；上表面上側輸出電極4與上表面 下側輸出電極6位于上表面第一中心線上、上表面上側輸出電極4與上表面下側
輸出電極6關于上表面第二中心線對稱分布；上表面右側輸出電極5與上表面左 側輸出電極7位于上表面第二中心線上、上表面右側輸出電極5與上表面左側輸 出電極7關于上表面第一中心線對稱分布；模態檢測電極8位于上表面外框形成 的正方形的另外一條斜對角線上、接近內框形成的正方形(俯視壓電振子輪廓所 見的三個嵌套正方形中的第二大的正方形)對角線端點處，不與驅動電極放在同 一個對角線上是為了減小驅動電勢對模態檢測電極電勢的影響)。本實施例壓電 微陀螺儀結構的上下兩側有兩個懸臂梁-一上表面懸臂梁9與下表面懸臂梁關于 壓電振子l對稱，經過分析驗證在振動模態下其位移很小，因此選定兩個懸臂梁 的端點作為本實施例微陀螺的節點，節點作為固定點。
本實施例的加工工藝簡單。首先采用粉末燒結法制備塊狀壓電體，將配比好 的試料置于坩堝中并將其壓實，置于高溫箱式電爐中，在所需的溫度下加熱一段 時間便可得到塊狀壓電體。對塊狀壓電體進行切割，研磨便得到壓電振子基體。
然后采用MEMS (微機電系統)工藝利用濕法刻蝕得到兩個"回"型孔，再進行 電鍍得到電極。
本實施例利用壓電振子在特殊模態下的的振動作為振動陀螺的參考振動，將 壓電振子本身的壓電效應產生的電壓信號作為角速度的檢測信號。X軸為上表面 左側輸出電極7和上表面右側輸出電極5中心連線，Y軸上表面上側輸出電極4 和上表面下側輸出電極6中心連線，X軸、Y軸、Z軸符合右手定則。當在上表 面左下側驅動電極2與上表面右上側驅動電極3之間加上一定頻率的交變電壓激 勵時(處于一定的模態)，壓電振子會產生特定模態振動，其中壓電振子在上表 面上側輸出電極4所在位置的振動方向為Y軸負方向，而在下表面上與上表面上 側輸出電極所對應的位置振動方向為Y軸正方向。由于兩個位置的振動方向相 反，當外加受到水平X方向(即圖中左右方向)的角速度時，所受到的柯氏力的 方向相反。在Z軸方向上產生相向運動，使得壓電振子在上表面上側輸出電極4 與在下表面上與上表面上側輸出電極所對應的位置之間的Z軸方向產生拉伸或 壓縮，形成內應力。最終使得上側輸出電極4形成一定的電勢。由于柯氏力的大 小與外界角速度人小成正比，外界角速度引起的電勢的大小與柯氏力成正比，可 知角速度引起的電勢的大小與外界角速度的大小成正比，因此可以通過上表面上側輸出電極4的電勢來檢測X方向的角速度；進而上表面下側輸出電極6的電勢 也與外界角速度的大小成正比。由于具有壓電效應，在沒有外界角速度時輸出電 極也會有電勢。上表面上側輸出電極4與上表面下側輸出電極6由于振動所受應 力相同，具有相同的電勢，但運動方向相反，外界角速度引起的電勢相反，因此
將上表面上側輸出電極4與上表面下側輸出電極6的電勢相減作為X方向角速度 的檢測信號即可消除振動引起的電勢。上表面右側輸出電極5、下表面左側輸出 電極7的運動方向與上表面上側輸出電極4、上表面下側輸出電極6的運動方向 垂直，同理將上表面左側輸出電極5的電勢與下表面右側輸出電極7的電勢相減 作為Y方向角速度的檢測信號。經過分析驗證這兩個方向的加速度檢測耦合很
通過單片機向信號產生芯片輸入控制字，控制字可控制信號產生芯片產生信 號的頻率和相位。將產生的電壓信號分別進行正相和反相放大，作為微陀螺的驅 動源。通過分析研究發現在此模態下振動時模態檢測電極8電勢有一個極值，因 此利用這一特點來鑒定振動是否處于此模態下，以保證檢測角速度的準確性。根 據理論分析得到所需模態的共振頻率，在其附近進行掃頻。通過觀察模態檢測電 極8的信號確定壓電振子的振動是否處于工作模態，減小理論與實際器件的誤 差，提高角速度檢測的準確性。將輸出電極的輸出信號放大，最終得到X、 Y方 向角速度大小的檢測信號。
權利要求
1、一種具有“回”型槽結構壓電振子的全固態雙軸陀螺儀，包括壓電振子、上表面左下側驅動電極、上表面右上側驅動電極、上表面上側輸出電極、上表面右側輸出電極、上表面下側輸出電極、上表面左側輸出電極、模態檢測電極，其特征在于，所述壓電振子結構是具有兩面正方形的長方體，兩正方形的表面相互平行，為壓電振子上表面和下表面，直接連接壓電振子上表面和壓電振子下表面的面為長方形，在壓電振子上表面和下表面各設有一個“回”型孔，“回”型孔的內外邊界為兩個正方形，兩個“回”型孔為非通孔，分別在壓電振子上表面、下表面構成兩個槽形結構，這兩個槽形結構的深度相同，兩個懸臂梁分別設置在壓電振子上下表面中心處，位于“回”型孔的中心；壓電振子上表面最上側的邊為上表面第一邊，壓電振子上表面最右側的邊為上表面第二邊，壓電振子上表面最下側的邊為上表面第三邊，壓電振子上表面最左側的邊為上表面第四邊；上表面第一邊的中點與上表面第三邊的中點的連線為上表面第一中心線，上表面第二邊的中點與上表面第四邊的中點的連線為上表面第二中心線；所述上表面左下側驅動電極與上表面右上側驅動電極位于上表面外框形成的正方形即上表面第一邊、上表面第二邊、上表面第三邊、上表面第四邊組成的正方形的一條斜對角線上，上表面上側輸出電極與上表面下側輸出電極位于上表面第一中心線上，上表面上側輸出電極與上表面下側輸出電極關于上表面第二中心線對稱分布，上表面右側輸出電極與上表面左側輸出電極位于上表面第二中心線上，上表面右側輸出電極與上表面左側輸出電極關于上表面第一中心線對稱分布，模態檢測電極位于上表面外框形成的正方形的另外一條斜對角線上。
2、 根據權利要求1所述的具有"回"型槽結構壓電振子的全固態雙軸陀螺 儀，其特征是，所述兩個懸臂梁的端點為整個陀螺儀的固定的節點，兩個懸臂梁 關于磁致伸縮振子對稱，懸臂梁與磁致伸縮振子一體。
3、 根據權利要求1或2所述的具有"回"型柱狀體振子磁致伸縮壓電陀螺 儀，其特征是，所述磁致伸縮振子，其材料為磁致伸縮材料。
全文摘要
一種微機電技術領域的具有“回”型槽結構壓電振子的全固態雙軸陀螺儀。本發明由壓電振子和驅動電極，輸出電極，模態檢測電極、懸臂梁組成。壓電振子結構為在具有兩面正方形的長方體的正方形表面設置“回”型孔、“回”型的內外邊界為兩個正方形。利用壓電體在一定頻率下的特殊模態下的特殊振動作為參考振動，此模態壓電振子在兩個方向上均有特殊位置在上下表面的運動方向相反。當外界有角速度時運動方向相反的位置產生方向相反的柯氏力，引發內應力，最終在輸出電極上產生電勢。通過輸出電極上的電勢檢測外界雙軸的角速度。本發明結構簡單，抗沖擊性強，不需要真空封裝，方便固定，雙軸檢敏感，加工工藝簡單，不需要高速轉動節省功耗。
文檔編號G01C19/5705GK101339028SQ200810041678
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月14日 優先權日2008年8月14日
發明者盧奕鵬, 吳校生, 峰 崔, 張衛平, 陳文元 申請人:上海交通大學