[發明專利]壓電驅動電容檢測微固體模態陀螺

有效

• 申請號: 201110206937.0
• 申請日: 2011-07-22
• 公開（公告）號: CN102353370A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發明（設計）人: 吳校生;王錚;胡小駿;陳文元;張衛平;崔峰;劉武
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01C19/56
• 分類號: G01C19/56
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發明涉及的是一種微機電技術領域的微陀螺，具體是一種壓電驅動電容檢測微固體模態陀螺。

背景技術

在過去的一個世紀里，陀螺技術經歷了一系列的革命性發展歷程。20世紀初，Elmer?Sperry發明了陀螺羅經，并將它應用在航海導航中。20世紀50年代，已經實現了采用框架陀螺和加速度計系統來感應飛行器的六自由度運動。這些早期的陀螺系統只用于方位參考，因此對它們沒有較高的精度要求。由于框架式陀螺系統的高復雜性和高費用，20世紀70年代開始興起發展捷聯式慣性參考系統。要想獲得足夠高的性能，捷聯式系統要求有較高的精度，它的陀螺精度漂移要低于0.01deg/h。為了滿足這樣的精度需求，人們開發出了具有超高精度和高可靠性的基于Sagnac效應的光學陀螺。光學陀螺體積大、價格昂貴，因此主要應用于航天、航海和航空領域中。在過去的30多年里，隨著MEMS技術的出現和逐步發展，國內外科研人員一直在致力于微慣性傳感器的開發，力求制造出體積小、價格便宜、功耗低的高性能MEMS微陀螺。

經對現有技術的文獻檢索發現，日本神戶大學的K.Maenaka等人在2006伊斯坦布爾的第19屆IEEE?MEMS會議上發表了一篇論文，題為“新型固態微型陀螺”，該論文被收錄在第634頁到第637頁。他們提出了一種基于壓電體特殊振動模態的全固態微陀螺。他們對長方形壓電體振動模態的研究發現，在某高階振動模態下，壓電體上的各質點基本沿著同一個軸向振動（如x軸），并且相鄰兩棱邊周圍的質點振動方向相反，即某一個棱邊為拉伸運動時，則相鄰的棱邊為壓縮運動，他們以壓電體在這種特殊振動模態下的振動作為驅動振動（共振頻率約為幾百KHz），當沿著某個特定軸向（如y軸）上有角速率輸入時，在壓電體極化方向（如z軸）上感應振動可以通過壓電體表面的感應電壓檢測出來。經過初步的研究，他們驗證了這種微陀螺方案的可行性。由于沒有采用傳統的彈簧質量振動系統，這種特殊的全固態微陀螺中沒有彈性支撐的柔性結構，因此可以承受較高的外界沖擊，抗沖擊抗震動能力強，并且它對真空封裝無特殊要求，可以工作常壓下。由于工作在較高的工作頻率下，有利于提高微陀螺的測量帶寬。

壓電型全固態微陀螺的振動體是壓電體，通常可用的壓電效應較強的壓電體材料為PZT壓電陶瓷。壓電陶瓷的彈性和可微細加工性能有限，并且壓電陶瓷的材料和電學特性對溫度較敏感，這限制了這種微陀螺的制造精度的提高，它的材料選擇性有限，微細加工批量化制造的可行性不高。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種基于彈性基體的微固體模態陀螺。微固體模態陀螺是一種新型的MEMS角速率傳感器，這種微固體模態陀螺利用彈性基體的特殊振動模態進行工作，這種新型微陀螺利用靜電力進行彈性體的工作振動模態激振，利用電容來檢測由科氏力激勵的感應振動。靜電力驅動電容檢測是在微機電系統中廣泛應用的驅動及檢測方法，尤其在微陀螺中是發展比較成熟的技術，它能獲得較大的驅動力及較高的檢測精度，并已于CMOS電路進行集成，便于批量化生產，降低這種類型微陀螺的制造成本。微固體模態陀螺的振子可以采用結構阻尼較小的材料進行制作，有利于提高振子的品質因子，從而進一步提高微固體模態陀螺的檢測精度。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括：彈性微振子、壓電驅動電極、參考振動感應電極、科氏力感應電極，其中彈性微振子、參考振動感應電極、科氏力感應電極都是通過下表面固定，壓電驅動電極位于彈性微振子上表面，和彈性微振子形成固定聯結，參考振動感應電極、科氏力感應電極位于方形彈性微振子側面，且它們的側壁和相鄰方形彈性微振子側壁之間有微小的間隙，形成參考振動檢測和感應振動檢測的極間距可變電容。

所述彈性微振子是個方形結構，它是整個微固體模態陀螺的振動部件。彈性振子的下表面固定，四個側面和周圍的參考振動感應電極、科氏力感應電極形成檢測電容，這些電容完成微固體模態陀螺的參考振動的檢測以及感應振動的檢測。彈性微振子采用彈性特性較好的材料制作而成，這種彈性材料的結構阻尼較小，它具有極高的振動品質因子，這種特性有利于提高微固體模態陀螺的檢測靈敏度。

所述的壓電驅動電極共有兩個，它們位于彈性微振子的上表面，和彈性微振子形成固定聯結。壓電驅動電極采用壓電材料制作，通常為PZT。當在壓電驅動電極上施加彈性微振子工作模態頻率的交變信號時，產生彈性微振子參考振動的激勵力，使彈性微振子在參考振動模態下振動。