基于一體式圓柱殼體石英諧振子和壓電薄膜的振動陀螺的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及振動陀螺領域，尤其涉及一種基于一體式圓柱殼體石英諧振子和壓電薄膜驅動檢測的振動陀螺。
【背景技術】
[0002]陀螺是一種檢測慣性空間中物體角運動的傳感器，是慣性導航、制導與姿態控制的關鍵器件。圓柱殼體振動陀螺基于哥氏原理敏感角速度，是一種有別于傳統的機械轉子陀螺的無轉子陀螺，通過利用諧振子振動時產生的駐波進動代替了轉子的高速轉動，從而避免了機械摩擦，從根本上減小了漂移誤差。圓柱殼體振動陀螺具有精度高、壽命長、可靠性好、體積小、重量輕、功耗低等優點，在慣性技術領域尤其是空間導航領域受到高度重視，具有廣泛的應用前景。
[0003]圓柱殼體振動陀螺的諧振子敏感角速度的原理為:以一定方式驅動圓柱殼體振動于n = 2本征模態(η表示振動模態的環向階數)，模態駐波振型如圖1所示。其中11為圓柱殼體初始未變形狀態，駐波12為振動主模態，其在圓周分布有四個波腹與四個波節，波腹連線方向為振動主軸方向。繞圓柱殼體軸向的角速度將使圓柱殼體受到哥氏力的作用，使駐波位置相對殼體移動;如果角速度Ω由圖1所示方向為順時針，則由角速度引起的哥氏力將激發出由圖1中模態13所示45°方向的η = 2正交模態，其振動幅度可反映角速度。
[0004]圓柱殼體振動陀螺的工作方式一般為:在圓柱殼體諧振子底面或側面粘貼壓電電極，在諧振子底面或側面相對的壓電驅動電極施加交流電壓，壓電驅動電極在逆壓電效應作用下振動并激發諧振子振動于圖1所示的模態12。軸向角速度輸入使諧振子產生模態13，其振動通過與驅動電極夾角45°的壓電檢測電極檢測，壓電檢測電極由于壓電效應產生的敏感信號經過電路和軟件處理即可得到輸入角速度。
[0005]圓柱殼體諧振子的品質因數是指諧振子儲存的總能量與諧振子振動一個周期耗散的能量之比。圓柱殼體諧振子的品質因數越高，相應的振動陀螺的角速度檢測靈敏度越好。另外，圓柱殼體諧振子的品質因數越高，維持諧振子振動所需的能量越小，系統功耗越小。實際中，由于加工工藝問題，圓柱殼體諧振陀螺一般采用壓電材料或合金材料制作，材料內部損耗較大，因此品質因數普遍較低。采用壓電陶瓷制作的圓柱殼體諧振子品質因數一般不超過103，例如美國Watson公司的壓電陶瓷圓柱陀螺[參考文獻1:Watson ff S1HenkeT J.Cor1lis gyro configurat1n effects on noise and drift performance[C]//SYMPOSIUM GYRO TECHNOLOGY.2002:1.1-1.1.]。而采用合金材料制作的圓柱殼體諧振子品質因數也被限制在14量級，例如英國GEC-Marconi公司的START圓柱陀螺[GB 2061502]美國Innalab公司的合金材料圓柱殼體陀螺[專利US 7281425B2]。另外，圓柱殼體振動陀螺一般采用壓電陶瓷片驅動和檢測，壓電陶瓷片較厚，其機械品質因數很低(一般小于13)，將導致諧振子整體的品質因數降低;而且壓電陶瓷片采用環氧膠粘或其他某種方式粘貼于諧振環或底盤上[參考文獻2:Anders J T.START vibrating gyroscope[C]//MeasurementUsing Resonant Sensing , IEE Colloquium on.IET，1993: 4/1-4/8.][參考文獻3:Chikovani V VjYatsenko Y AjBarabashov A S，et al.1mproved accuracy metallicresonator CVG[J].Aerospace and Electronic Systems Magazine，IEEE，2009，24(5):40-43.]，粘膠材料將導致諧振子品質因數進一步降低，而且膠層也會對陀螺激勵和檢測帶來不利影響。
[0006]另外，圓柱殼體諧振子的質量、剛度及阻尼的各向異性直接影響陀螺的漂移誤差。合金材料及壓電材料內部各向異性明顯，由它們制作的圓柱殼體諧振子用于哥氏陀螺時頻率裂解較大，因而漂移誤差較大。壓電陶瓷粘貼過程中定位精度難以保證，位置重復性較差;粘膠溢出也可能導致諧振子整體質量、剛度分布不均勻，影響陀螺的質心及振動主軸位置，引入額外的漂移誤差。這些因素直接限制了陀螺的漂移性能。另外，圓柱殼體諧振子質量、剛度及阻尼的各向異性直接影響陀螺的漂移誤差。合金材料及壓電材料內部各向異性明顯，由它們制作的圓柱殼體諧振子用于哥氏陀螺時頻率裂解較大，因而漂移誤差較大。壓電陶瓷粘貼過程中定位精度難以保證，位置重復性較差;粘膠溢出也可能導致諧振子整體質量、剛度分布不均勻，影響陀螺的質心及振動主軸位置，引入額外的漂移誤差。這些因素直接限制了陀螺的漂移性能。
【發明內容】
[0007]本發明要解決的技術問題是:改善現有圓柱殼體振動陀螺的諧振子品質因數普遍較低的問題，以及現有膠粘的壓電陶瓷片驅動檢測方案進一步降低振動陀螺檢測靈敏度、增大漂移誤差的問題，提出一種基于一體式圓柱殼體石英諧振子和壓電薄膜驅動檢測的圓柱殼體振動陀螺。
[0008]本發明采用的技術方案為:一種基于一體式圓柱殼體石英諧振子和壓電薄膜的振動陀螺，由一體式圓柱殼體石英諧振子和壓電薄膜組成，所述一體式圓柱殼體石英諧振子由高純度石英材料一體化加工而成，包括諧振環、導振環、底盤、固定柱，四者共軸放置，從下而上依次為諧振環、導振環和底盤，固定柱位于底盤靠近導振環一側的中心;所述諧振環和導振環均為空心圓柱殼體，諧振環的外徑為R1，內徑為Π，高度為H1，導振環的外徑為R2,內徑為?，高度為H2,滿足ROR2 =諧振環和導振環的這種設計可以提高諧振子的品質因數，從而提高振動陀螺的檢測靈敏度、減小漂移誤差，同時還能減小對導振環的加工精度要求，降低加工成本。所述固定柱為中心開孔的圓柱體，高度為H3,外徑為R3,內徑為r3，在固定柱外壁采用銦封或膠粘的方式使諧振子整體固定于外部基座上;所述底盤為厚度為H4的圓盤，外徑R4,內徑為r4，其中R4 = R2,r4 = r3，底盤厚度H4通常采用有限元軟件通過仿真確定，一般來說，H4越小，底盤對振動就越敏感，圓柱殼體振動陀螺的檢測靈敏度就越高;距離底盤中心半徑為R5的圓周處，以圓周所在位置為圓心均勻開有2N個半徑為r的底盤孔，滿足(1?3+^2)〈1?5《1?41/2)，1<1^8;所述壓電薄膜為鍍制于底盤上的2~條長度為1^，寬度為W，厚度為H的長方體薄膜，位于2N個底盤孔之間，長度方向沿徑向排列，滿足L〈(r1-R3)，寬度W和厚度H按振動陀螺所需檢測靈敏度擇優選取，將所述2N條壓電薄膜分為兩組，一組為驅動電極，用于激勵圓柱殼體諧振子振動于n = 2本征模態，另一組為檢測電極，用于檢測由輸入角速度導致的45°方向的n = 2正交模態。
[0009]上述介紹圓柱殼體諧振子的過程中將其分為四個組成部分進行介紹只是為了方便描述諧振子的組成，在實際加工中，諧振子的四個組成部分為一體加工而成，這樣可以提高由諧振環和導振環組成的圓柱殼體與固定柱、底盤之間的同心度，從而減小圓柱殼體振動陀螺的漂移誤差。
[0010]所述底盤孔可以為圓形、橢圓形、扇形，其形狀影響陀螺的靈敏度、信噪比與帶寬，實際實施中應考慮加工難易程度和所需工作性能折衷選擇。
[0011 ]所述底盤孔從加工角度考慮優選為圓形。
[0012]所述底盤孔個數優選為八個。
[0013]所述壓電薄膜可以是任何具有壓電效應的薄膜材料，如鋯鈦酸鉛(PZT)、氧化鋅(ZnO),氮化鋁(AlN)、鐵酸鉍(BFO)薄膜，優選為PZT薄膜。
[0014]所述壓電薄膜也可以鍍制于諧振環或導振環外壁，沿所述諧振環或導振環的外壁圓周方向均勻排列，長度方向沿諧振環或導振環的軸線方向。
[0015]所述壓電薄膜的鍍制方法可以是溶膠-凝膠法、磁控濺射法、真空蒸鍍法、化學氣相沉積法、脈沖激光沉積法等適宜的薄膜鍍制方法。
[0016]所述壓電薄膜長度L和寬度W的選取優選為盡可能覆蓋所述底盤可利用的面積，這樣可以增大驅動力與提高檢測靈敏度。
[0017]與現有技術相比，本發明的優點在于:
[0018]1.本發明的圓柱殼體振動陀螺的石英諧振子采用高純度熔融石英材料加工制作，諧振子為一體式石英結構，其品質因數相比傳統圓柱殼體諧振子更高，基于此種諧振子的圓柱殼體振動陀螺的角速度檢測靈敏度更高、漂移誤差更小、功耗更小；
[0019]2.本發明的圓柱殼體振動陀螺的石英諧振子采用內部固定結構，使諧振子可以一次裝夾加工成型，提高了諧振子的同心度水平，降低了諧振子的各向異性，基于此種諧振子得到圓柱殼體振動陀螺的漂移誤差更小；
[0020]3.本發明的圓柱殼體振動陀螺的石英諧振子采用壓電薄膜驅動方案，壓電陶瓷薄膜很薄，而且被直接鍍制到底面上，避免了傳統技術方案中粘接用膠和壓電陶瓷片的使用，可以最大程度地避免諧振子品質因數的降低;相對于傳統技術方案，采用光刻和鍍膜等微技術后，壓電薄膜鍍制的定位精度高，極大地降低了因驅動、檢測電極的粘貼帶來的漂移誤差。
[0021]綜上，本發明的基于一體式圓柱殼體石英諧振子和壓電薄膜驅動檢測的圓柱殼體振動陀螺具有精度高、加工成本低、靈敏度高、漂移誤差小、功耗低等顯著優點。
【附圖說明】
[0022]圖1是圓柱殼體陀螺諧振子的工作原理示意圖；
[0023]圖2(a)是本發明實施例中的圓柱殼體陀螺石英諧振子及壓電薄膜驅動方案的整體結構示意圖；(b)是其局部剖視圖；
[0024]圖3是本發明實施例中的圓柱殼體陀螺石英諧振子及壓電薄膜驅動方案的沿軸向的剖視圖；
[0025]圖4是本發明實施例中的壓電薄膜電極分布示意圖；
[0026]圖5是本發明實施例中壓電薄膜電極膜層結構示意圖；