[發(fā)明專利]搖動質(zhì)量塊壓電雙軸微陀螺

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210139878.4
• 申請日: 2012-05-07
• 公開（公告）號: CN102679967A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發(fā)明（設計）人: 張衛(wèi)平;許仲興;關冉;張弓;成宇翔;陳文元;吳校生;劉武;崔峰
• 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(chǎn)權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發(fā)明涉及的是一種微機電技術領域的微陀螺，具體地說，涉及的是一種利用壓電驅(qū)動和檢測、并以搖動質(zhì)量塊為諧振子的雙軸陀螺儀。

背景技術

陀螺儀是一種能夠敏感載體角度或角速度的慣性器件，在姿態(tài)控制和導航定位等領域有著非常重要的作用。隨著國防科技和航空、航天工業(yè)的發(fā)展，慣性導航系統(tǒng)對于陀螺儀的要求也向低成本、小體積、高精度、多軸檢測、高可靠性、能適應各種惡劣環(huán)境的方向發(fā)展。基于MEMS技術的微陀螺儀采用微納批量制造技術加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而且環(huán)境適應性、工作壽命、可靠性、集成度與傳統(tǒng)技術相比有極大的提高，因而MEMS微陀螺已經(jīng)成為近些年來MEMS技術廣泛研究和應用開發(fā)的一個重要方向。

經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，2011年Xiong?Wang等人在Advanced?Materials?Research期刊上發(fā)表的“Vibration?Frequency?Analytical?Formula?and?Parameter?Sensitivity?Analysis?for?Rocking?Mass?Gyroscope”介紹了一種具有搖動質(zhì)量塊陀螺。該搖動質(zhì)量塊陀螺包括四根細長支撐梁、一個搖動質(zhì)量塊、四片驅(qū)動壓電片和四片檢測壓電片構成。搖動質(zhì)量塊通過四根支撐梁連接在基座上，驅(qū)動和檢測壓電片使用粘片工藝分別粘合在四根支撐軸上。通過在驅(qū)動電極壓電片上施加一定頻率的交流電壓信號，由于逆壓電效應，搖動質(zhì)量塊產(chǎn)生驅(qū)動模態(tài)振動；有角速度輸入時，搖動質(zhì)量塊的振動在科氏力作用下向另一簡并的模態(tài)振型轉(zhuǎn)化，兩個簡并振動模態(tài)之間相位差為90°，檢測壓電片因而產(chǎn)生變形。由于壓電效應，通過檢測檢測壓電片電極的電壓變化即可檢測輸入角速度的變化。

此技術存在如下不足：首先，這種搖動質(zhì)量塊陀螺體積較大，限制了自身的使用范圍；其次，該陀螺使用機械工藝加工，不能進行批量化生產(chǎn)，成本較高；最后，此技術最主要的不足在于驅(qū)動和檢測電極是與采用粘片工藝進行組裝在支撐梁上，在高頻諧振工作時，驅(qū)動和檢測電極容易出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，從而影響微陀螺的工作可靠性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種結(jié)構簡單，加工工藝易于實現(xiàn)，能夠同CMOS工藝兼容，抗沖擊，不需要真空封裝，適用于批量化生產(chǎn)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：

本發(fā)明所述的具有搖動質(zhì)量塊雙軸微陀螺儀，它包括：

一個具有搖動質(zhì)量塊的諧振子，通過基板支撐；

四個與基板邊平行的驅(qū)動電極；以及

四個與基板邊平行的檢測電極。

所述基板為正方形，四邊固定，其余部分不施加限制。這樣的固定方式保證壓電材料的拉伸收縮最明顯，因而該發(fā)明對輸入角速度靈敏。

所述搖動質(zhì)量塊的材料為金屬，基板的材料為PZT壓電材料。

所述搖動質(zhì)量塊振子為長方體，基板為等邊薄板，搖動質(zhì)量塊在基板正中處。

所述四個驅(qū)動電極和四個與檢測電極分別沿基板四邊的方向配置，且與搖動質(zhì)量塊之間有間隙，每個驅(qū)動電極外側(cè)是與基板邊平行的檢測電極，驅(qū)動電極和檢測電極都固定在基板上。

所述四個驅(qū)動電極材料為金屬，形狀為長方形，分別沿正方形基板邊緣平行布置，在檢測電極的內(nèi)側(cè)并且兩者之間存在間隙，用于激勵搖動質(zhì)量塊工作在驅(qū)動模態(tài)。

所述四個檢測電極材料為金屬，形狀為長方形，分別沿正方形基板邊緣平行布置，在驅(qū)動電極的外側(cè)并且兩者之間存在間隙，用于檢測搖動質(zhì)量塊在檢測模態(tài)振型的振動，從而檢測外界輸入角速度的大小。

本發(fā)明利用具有搖動質(zhì)量塊的基板諧振子的特殊模態(tài)作為參考振動，在該模態(tài)下?lián)u動質(zhì)量塊沿垂直于基板一邊的方向振動（X或Y方向）。通過在其中不相鄰的兩個驅(qū)動電極（X或Y方向）上施加交變電壓（X方向和Y方向的驅(qū)動電壓相位相差90°），使得搖動質(zhì)量塊產(chǎn)生驅(qū)動模態(tài)振動。當有基底平面內(nèi)（x軸或y軸）的角速度輸入時，在科氏效應的作用下，搖動質(zhì)量塊和基板受到一個Z方向的科氏力作用，搖動質(zhì)量塊會產(chǎn)生垂直于基板平面的振動，其中x軸和y軸角速度輸入時搖動質(zhì)量塊沿垂直于基底平面方向的振動相位不同（相位相差90°）。通過檢測電鍍在壓電晶體上的檢測電極電壓輸出的變化可檢測基板平面內(nèi)（x軸或y軸）的角速度的大小。

本發(fā)明具有搖動質(zhì)量塊的雙軸壓電微陀螺的制作方法可以采用MEMS微細加工工藝，以PZT材料為基體，利用濺射、電鍍等方法加工得到。