[發明專利]搖擺質量增強壓電體聲波固體波動圓盤微陀螺

有效

• 申請號: 201310473448.0
• 申請日: 2013-10-11
• 公開（公告）號: CN103575262A
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發明（設計）人: 張衛平;張弓;唐健;成宇翔;許仲興;陳文元;汪濙海
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01C19/5684
• 分類號: G01C19/5684
• 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固體波陀螺，具體來說，它是一種基于固體波原理的壓電驅動壓電檢測圓盤微機械陀螺。

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的發展，慣性導航系統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、能適應各種惡劣環境的方向發展。基于MEMS（Micro?Electro?Mechanical?Systems，微光機電系統）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，而且環境適應性、工作壽命、可靠性、集成度與傳統技術相比有極大的提高，因而MEMS微陀螺已經成為近些年來MEMS技術廣泛研究和應用開發的一個重要方向。

固體波是固體中的一種機械波動，把固體中某一點或部分受力或其他原因的擾動引起的形變，如體積形變或剪切形變，以波動的形式傳播到固體的其他部分。在波動傳播過程中，固體中的質點除在它原來的位置上有微小的振動外，并不產生永久性的位移。因為固體有彈性，彈性力有使擾動引起的形變恢復到無形變的狀態的能力，于是形成波動。彈性是固體中能形成波動的主要原因。

經對現有技術的文獻檢索發現，2012年Ran?Guan在Key?Engineering?Materials期刊上發表的文章Design?and?Fabrication?of?a?Novel?Biaxial?Piezoelectric?Micro-Gyroscope介紹了一種方形的具有搖擺質量體的壓電微陀螺。文章利用MEMS微加工工藝制作出這種壓電微陀螺。方形四周分布八個電極，分為四個驅動電極和四個檢測電極，四個驅動電極在外側，四個檢測電極在內側。通過在驅動電極上施加一定頻率的電壓信號，激勵方形壓電片產生驅動模態下的振動。當存在垂直搖擺質量體方向的加速度輸入時（即原文的x或y方向，搖擺質量體沿z方向），搖擺質量體在柯氏效應的作用下將產生簡并的檢測模態振動，帶動方形壓電片產生同頻振動，檢測電極上將因這個振動存在電信號的輸出，電信號的大小正比于外加角速度的大小。通過外圍電路的信號處理，就可以得到外加角速度。

此技術存在如下不足：該含有搖擺質量體的微陀螺對加工對稱性的要求極高，一旦存在一點誤差，工作模態將大大偏離預期；驅動模態和檢測模態的振動總是沿剛度最大的方向進行振動，因此這兩個模態的振動波腹不在方形的邊處，而是在四角，這十分不利于驅動和檢測；另外，這種雙軸檢測方式十分不利于解耦，一旦兩個方向的角速度耦合在一起，由于模態振動的波腹在方形四角，檢測電極上是無法區分并檢測出各個方向的分量；還有，該陀螺體積過大，限制了其在很多必須小體積條件下的應用。

發明內容

本發明的目的是針對上述設計的不足，提供一種結構簡單、小體積、抗沖擊、且不需要真空封裝的搖擺質量增強壓電體聲波固體波動圓盤微陀螺。

為實現上述的目的，本發明所述的搖擺質量增強壓電體聲波固體波動圓盤微陀螺，包括：

一個壓電圓盤；

一個搖擺質量體，該搖擺質量體固定在所述壓電圓盤中心；

四個均勻分布于所述壓電圓盤四周的電極，所述四個電極包括兩個驅動電極和兩個檢測電極，并且驅動電極與檢測電極間隔放置；

一個固定夾緊裝置，該裝置在所述壓電圓盤四周外側均勻間隔處對圓盤進行固定。

本發明中，所述圓盤材料為壓電體，搖擺質量體材料為金屬，利用驅動方向上壓電圓盤的逆壓電效應進行驅動，利用檢測方向上搖擺質量體導致的壓電圓盤形變而產生的正壓電效應進行檢測。

本發明中，所述的四個電極為金屬材料都是通過電鍍的方式均勻制作在壓電圓盤四周上。

本發明中，固定夾緊裝置裝置材料為有機玻璃，固定夾緊裝置的小塊同四個電極均勻間隔放置。

本發明中，所述的四個電極中的兩個驅動電極材料為金屬，對向分布在壓電圓盤上，用于施加交變電壓驅動陀螺，使壓電圓盤在驅動電極位置上產生垂直圓盤方向上驅動模態的振動。

本發明中，所述的四個電極中的兩個檢測電極材料為金屬，對向分布在壓電圓盤上，用于檢測在檢測模態下陀螺輸出的信號。