壓電驅動電容檢測的雙軸陀螺儀的製作方法

2023-10-04 23:24:44 1

專利名稱：壓電驅動電容檢測的雙軸陀螺儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種微機電系統技術領域的微陀螺，具體地說，涉及的是一種壓電驅動電容檢測雙軸陀螺儀。
背景技術：
陀螺儀是一種能夠精確地測量運動物體轉動的角度或角速度的儀器，是空間物體姿態控制和慣性制導的核心部件。隨著國防科技和航空、航天工業的發展，慣性導航系統對於陀螺儀的要求也向體積小、多軸檢測、功耗低、可靠性高、壽命長、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，2006年1月，在土耳其Istanbul召開的IEEE MEMS 2006會議上，日本神戶大學的K. Maenaka等人發表了一篇題為「新型微固態陀螺」的論文，該論文被收錄在第634頁到第637頁，首次提出了一種壓電式全固態微型陀螺，利用方形壓電體質量塊在某個振動頻率下存在一種特殊的振動模態，在該振動模態下，壓電體質量塊上各質點都沿著同一個軸向運動，使得壓電體的稜邊沿著某個軸向作拉伸或壓縮運動。以此特殊模態下的振動作為參考振動，假設壓電體的極化方向為Z方向，參考振動方向為X方向，當外界輸入Y方向上的角速度時，由於科氏力的作用，壓電質量塊會在其極化方向上(即Z軸方向上)產生拉伸或壓縮運動。由於壓電體的壓電效應，Z方向的振動會在壓電體垂直於Z方向的表面產生感應電荷或電壓，感應電荷或電壓的量值和外界輸入角速度成正比，通過檢測外圍電路放大之後的電荷或電壓來測量外界輸入角速度的大小。中國專利「具有正方形表面長方體壓電振子的全固態陀螺儀」(專利申請號 200810041675. 5)，是在日本微固態陀螺的基礎上利用新的高階模態，新型的結構，發明的基於正方體壓電塊的雙軸檢測固態陀螺儀，其基本原理為利用壓電體質量塊在某個振動頻率下存在的一種特殊的高階振動模態，在該振動模態下，壓電體質量塊上下表面的特殊位置在X軸向和Y軸向分別產生方向相反的運動。以此特殊模態下的振動作為參考振動，當有外界角速度輸入時，運動方向相反的位置產生相反的科氏力，引起壓電體Z方向的振動。 由於壓電效應，Z方向的振動會在壓電體垂直於Z方向的表面產生感應電荷或電壓，感應電荷或電壓的量值和外界輸入角速度成正比，通過檢測外圍電路放大之後的電荷或電壓來測量外界輸入角速度的大小。此技術存在如下不足第一，由於其上下表面都有多個電極，其加工工藝複雜，雙面電極定位精度要求高，多個電極的引線對陀螺性能也會產生影響；第二，壓電振子為方形壓電塊，其剛度較大，產生的有效振動幅值較小；第三，由於壓電振子為方形壓電塊，其存在直角邊，在受力過程中會產生應力集中現象，在高頻工作狀態下，影響陀螺的可靠性和壽命。

發明內容
本發明的目的是針對已有技術的不足，提供一種壓電驅動電容檢測的雙軸陀螺儀，該陀螺儀具有圓盤狀、輪輻狀或蜂窩狀的陀螺振子，結構上採用帶有圓柱體支撐的圓盤狀陀螺振子，採用壓電驅動和電容檢測的方式，利用圓盤狀、輪輻狀或蜂窩狀陀螺振子特有模態下的特殊振動方式，實現陀螺儀雙軸敏感的功能。壓電薄膜驅動電極只分布在陀螺振子的上表面，加工工藝相對簡單，不需雙面對準，陀螺電極引線較少。陀螺振子為圓盤狀、輪輻狀或蜂窩狀，剛度相對較小，振動幅值較大，靈敏度較高，且受力過程中減少了應力集中現象，具有較好的可靠性和較長的壽命。信號檢測方式採用電容檢測，測量靈敏度高，溫度漂移小，響應時間短，易於實現閉環反饋控制。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括陀螺振子，支撐圓柱，壓電薄膜驅動電極，上極板，下極板，上極板信號檢測電極，下極板信號檢測電極。陀螺振子上表面設有壓電薄膜驅動電極，陀螺振子下表面和支撐圓柱相連，支撐圓柱另一端固定在下極板上，下極板固定在載體上，上極板信號檢測電極位於上極板的內端面，下極板信號檢測電極位於下極板內端面，上極板、下極板和陀螺振子裝配形成差分電容用於檢測輸出信號。所述陀螺振子的材料為金屬材料，形狀可以為圓盤狀、輪輻狀或蜂窩狀，優選實施例的結構為圓盤狀，圓盤的一端為上表面，另一端為下表面，其中下表面通過圓柱形支撐固定在下極板上，陀螺振子上表面和下表面平行。所述支撐圓柱為金屬結構材料，支撐圓柱體上端同圓盤的下表面垂直，支撐圓柱體下端固定在下極板上。所述壓電薄膜驅動電極為壓電材料，極化方向垂直於圓盤狀陀螺振子的上下表面，結構為圓弧狀，共有四個，位於圓盤狀陀螺振子的上表面，相隔一定角度，均勻的分布在和圓形表面同心的圓周上。
所述上極板為玻璃等非金屬材料，結構為圓盤狀，其中位於圓盤結構下端的一個端面為下端面，位於圓盤結構上端的另外一個端面為上端面，上下端面平行。所述下極板為玻璃等非金屬材料，結構為圓盤狀，其中位於圓盤結構下端的一個端面為下端面，位於圓盤結構上端的另外一個端面為上端面，上下端面平行。所述上極板信號檢測電極為金屬電極，結構為圓弧狀，共有四個，位於上極板的下端面上，相隔一定角度，均勻的分布在下端面圓周上。所述下極板信號檢測電極為金屬電極，結構為圓弧狀，共有四個，位於下極板的上端面上，相隔一定角度，均勻的分布在上端面圓周上。本發明利用圓盤狀陀螺振子在特殊模態下的振動作為參考振動，同時利用壓電材料的壓電效應驅動圓盤狀陀螺振子運動，當在壓電薄膜驅動電極上施加與選定模態頻率匹配的交變電壓激勵時，圓盤形振子會產生一種特殊模態的振動。圓盤形振子沿上表面第一、 第二中心線的方向分別做拉伸或壓縮運動，當沿上表面第一中心線方向拉伸時，沿上表面第二中心線方向壓縮，當沿上表面第一中心線方向壓縮時，沿上下表面第二中心線方向拉伸。假設圓盤狀陀螺振子上表面第一中心線方向為X軸方向，圓盤狀陀螺振子上表面第一中心線方向為Y軸方向，垂直於圓盤狀陀螺振子上下表面的方向設為Z軸方向，振子沿X軸向和Y軸向拉伸和壓縮，當外界輸入與X軸向或Y軸向的角速度時，具有相同中心線的壓電薄膜驅動電極對應的振子質量產生的科氏力方向相反，產生一個力矩，在Z方向上的振動發生變化。振子在Z方向振動的變化會引起對應的上下極板上信號檢測電極同陀螺振子間電容的變化，電容的變化和輸入角速度間有固定的函數關係，且在不同的方向上同時有角速度輸出時，在不同的信號檢測電極和陀螺振子間的電容都會產生變化，因此可通過檢測上下極板不同信號檢測電極同陀螺振子間的電容變化來檢測兩個軸上角速度的輸出。以上為優選實施例結構，在某實施例中，陀螺振子的結構還可以為輪輻狀，其在圓盤的半徑方向分布有輻射狀的輻條。在另一實施例中，陀螺振子的結構還可以為蜂窩狀，通過在圓盤狀陀螺振子表面添加阻尼孔減小空氣阻尼的影響。本發明能實現雙軸檢測，加工工藝易於實現，可靠性高，功耗低，抗衝擊性強，在惡劣的環境下能夠很好的工作。本發明利用金屬圓盤狀陀螺振子特殊模態下的特殊振動作為參考振動，高壓電係數的壓電薄膜驅動電極驅動振子運動，上下極板上的金屬電極和陀螺振子組成的電容器來檢測輸出信號，能夠準確的檢測外界輸入的雙軸方向上的角速度。本發明可用於衛星、武器、民用導航等領域。


圖1為本發明圓盤狀陀螺振子的結構示意圖。圖2為本發明圓盤狀陀螺振子和上下極板信號檢測電極裝配示意圖。圖3為本發明所有元件裝配後的外觀圖。圖4為本發明圓盤狀陀螺振子所選用的工作模態總位移變化雲圖。圖5為本發明圓盤狀陀螺振子在驅動狀態下X方向位移變化雲圖。圖6為本發明圓盤狀陀螺振子在驅動狀態下Y方向位移變化雲圖。圖7為本發明另一實施例中的輪輻狀陀螺振子結構示意圖。圖8為本發明另一實施例中的蜂窩狀陀螺振子結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的一個優選實施例進行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，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。如圖1、圖2、圖3所示，本實施例包括陀螺振子1，支撐圓柱2，壓電薄膜驅動電極3，上極板信號檢測電極4，下極板信號檢測電極5，上極板6，下極板7。陀螺振子1材料為金屬材料，結構為圓盤形，圓盤狀陀螺振子1其中一端為上表面，另一端與之平行的面為下表面。支撐圓柱2材料為金屬材料，結構為圓柱體，支撐圓柱一端同圓盤狀陀螺振子的下表面相連，另一端固定在下極板上，圓柱體垂直於圓盤狀陀螺振子的上下表面。壓電薄膜驅動電極3的材料為PZT，ZnO等壓電材料，結構為圓弧形，共四個，沿X 軸分布的一對弧形壓電薄膜驅動電極和沿Y軸分布的一對弧形壓電薄膜驅動電極，對稱的分布在與圓盤狀陀螺振子1圓形上表面同心的圓周上。上極板信號檢測電極4材料為金屬材料銅，結構為圓弧狀，共四個，對稱的分布在上極板的下表面。下極板信號檢測電極5材料為金屬材料銅，結構為圓弧狀，共四個，對稱的分布在下極板的上表面。上極板材料6為玻璃等非金屬材料，結構為圓盤狀，上極板的下端面上關於圓形表面的圓心對稱的分布四個上極板信號檢測電極4。下極板材料7為玻璃等非金屬材料，結構為圓盤狀，下極板的上端面上關於圓形表面的圓心對稱的分布四個下極板信號檢測電極5，下極板的下端面固定在載體上。圓盤狀陀螺振子1上表面壓電薄膜驅動電極3在圓盤上的分布關于振子上表面圓心對稱。關於圓心對稱的兩對壓電薄膜驅動電極3的中心連線經過圓盤狀陀螺振子1上表面圓心，分別為上表面第一中心線和上表面第二中心線，上表面第一中心線和上表面第二中心線垂直。支撐圓柱2的上端同圓盤狀陀螺振子1聯接，下端同下極板7聯接，下極板7 的外端面固定在載體上。上極板6和下極板7配合組裝為一個空心且兩端密封的圓柱體。 關於圓心對稱的兩對上極板6信號檢測電極4的中心連線經過上極板6內端面圓心，分別為上極板6下端面第一中心線和上極板6下端面第二中心線，上極板6下端面第一中心線和上極板6下端面第二中心線垂直。關於圓心對稱的兩對下極板7信號檢測電極5的中心連線經過下極板7上端面圓心，分別為下極板7上端面第一中心線和下極板7上端面第二中心線，下極板7上端面第一中心線和下極板7上端面第二中心線垂直。上極板6下端面第一中心線、下極板7上端面第一中心線和陀螺振子1表面第一中心線平行且位於同一平面內。上極板6下端面第二中心線、下極板7上端面極板第二中心線和振子上表面第二中心線平行且位於同一平面內。上極板6信號檢測電極4和圓盤狀陀螺振子，下極板7信號檢測電極5和圓盤狀陀螺振子構成差分電容。如圖4所示，通過模擬仿真發現圓盤狀陀螺振子存在某階特殊的振動模態，在該階振動模態下，圓盤狀陀螺振子分別沿著X軸或Y軸做拉伸或壓縮運動，且當振子沿著X軸拉伸時，沿著Y軸方向壓縮，當振子沿著X軸壓縮時，沿著Y軸方向拉伸。通過在圓盤狀陀螺振子上表面X軸上的一對壓電薄膜驅動電極7、12和Y軸上的一對壓電薄膜驅動電極5、 10分別施加頻率同所選特殊模態頻率匹配且反相的電壓信號時，就可激勵圓盤狀陀螺振子產生特殊模態振動。如圖5和圖6示，由於圓盤狀陀螺振子1沿X軸或沿Y軸的運動方向相反，因此當外界輸入的χ軸向的角速度時，沿Y軸方向伸長或壓縮的振子質量會受到方向相反的科氏力，產生一個力矩，在力矩的作用下，金屬圓盤狀陀螺振子1振動中心會發生偏離，引起對應的上下極板內端面第二中心線上的金屬檢測電極同圓盤狀陀螺振子間電容發生改變， 通過檢測電容值的變化即可檢測輸入X軸向角速度的大小。同樣，當外界輸入Y軸方向的角速度時，沿X軸方向伸長或壓縮的振子質量會受到方向相反的科氏力，產生一個力矩，在力矩的作用下，壓電圓盤狀陀螺振子1振動中心會發生偏離，引起對應的上下極板內端面第一中心線上的金屬檢測電極同圓盤狀陀螺振子間電容發生改變，通過檢測電容值的變化即可檢測輸入Y軸向角速度的大小。由於未加載角速度時，上下極板信號檢測電極4、5和圓盤狀陀螺振子1間的電容就在做周期性的變化，而上極板信號檢測電極4和圓盤狀陀螺振子1，下極板信號檢測電極5和圓盤狀陀螺振子1構成差分電容，上下極板內端面第一中心線上的兩對金屬檢測電極同圓盤狀陀螺振子1間構成差分電容，上下極板內端面第二中心線上的兩對金屬檢測電極同圓盤狀陀螺振子1間構成差分電容，輸出信號的變化正負相反，因此可通過信號的相減來去除驅動振動的信號影響。本實施例中的所有部件都可以通過MEMS (微機電系統)工藝實現。上下玻璃極板可以通過對玻璃基底進行光刻膠掩模之後的溼法刻蝕工藝製作。上下極板上的電極通過在上下極板的內端面上旋塗光刻膠，光刻，顯影，電鍍金屬電極實現。金屬支撐柱和金屬圓盤狀陀螺振子可通過犧牲層工藝，利用厚SU-8膠作為犧牲層，光刻，濺射金屬材料，製作支撐柱和振子。振子上的壓電薄膜驅動電極可通過溶膠-凝膠法沉積，計劃方向垂直於圓盤狀陀螺振子的上表面。由於圓盤狀陀螺振子1材料本身的必然存在的缺陷和製造過程中不可避免的一些誤差的影響，這就可能導致陀螺產生特殊振動模態的實際頻率同激勵信號頻率不匹配， 從而使陀螺的性能受到影響。通過仿真分析發現，在此模態振動時上下極板信號檢測電極電容值輸出存在一個極值，這一特點可用來檢測陀螺是否工作在與選定的特殊模態匹配的共振頻率下，減少理論和實際器件之間的誤差，以保證陀螺的性能。以上，對本發明的優選實例進行了詳細說明，但本發明可以通過對上述實施例進行各種變形或變更而實施。例如，如圖7和圖8所示，陀螺振子的結構還可以為輪輻狀和蜂窩狀，其結構相對複雜。另外，如音叉陀螺一樣，其還可以在四個驅動電極的下方添加質量塊，增大慣性力作用所產生的振幅，提高陀螺的靈敏度和檢測效率。以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍不僅局限於上述實施例，凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範疇。應當指出，對於本技術領域的技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也都應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種壓電驅動電容檢測雙軸陀螺儀，其特徵在於包括陀螺振子，支撐圓柱，壓電薄膜驅動電極，上極板，下極板，上極板信號檢測電極以及下極板信號檢測電極；所述陀螺振子為圓盤狀、輪輻狀或蜂窩狀，陀螺振子上表面設有壓電薄膜驅動電極，陀螺振子下表面和支撐圓柱相連，支撐圓柱另一端固定在下極板上，下極板固定在載體上，上極板信號檢測電極位於上極板的內端面，下極板信號檢測電極位於下極板內端面，上極板、下極板和陀螺振子裝配形成差分電容用於檢測輸出信號。
2.根據權利要求1所述的壓電驅動電容檢測雙軸陀螺儀，其特徵是，所述陀螺振子上表面的壓電薄膜驅動電極在圓盤上的分布關于振子上表面圓心對稱；關於圓心對稱的兩對壓電薄膜驅動電極的中心連線經過圓盤狀陀螺振子上表面圓心，分別為上表面第一中心線和上表面第二中心線，上表面第一中心線和上表面第二中心線垂直；關於圓心對稱的兩對所述上極板信號檢測電極的中心連線經過上極板內端面圓心，分別為上極板內端面第一中心線和上極板內端面第二中心線，上極板內端面第一中心線和上極板內端面第二中心線垂直；關於圓心對稱的兩對下極板信號檢測電極的中心連線經過下極板內端面圓心，分別為下極板內端面第一中心線和下極板內端面第二中心線，下極板內端面第一中心線和下極板內端面第二中心線垂直；上極板內端面第一中心線、下極板內端面第一中心線和陀螺振子上表面第一中心線平行且位於同一平面內；上極板內端面第二中心線、下極板內端面第二中心線和陀螺振子上表面第二中心線平行且位於同一平面內；上極板信號檢測電極和圓盤狀陀螺振子，下極板信號檢測電極和圓盤狀陀螺振子構成差分電容。
3.根據權利要求1或2所述的壓電驅動電容檢測雙軸陀螺儀，其特徵是，所述陀螺振子的材料為金屬材料，陀螺振子上表面和下表面平行。
4.根據權利要求1或2所述的壓電驅動電容檢測雙軸陀螺儀，其特徵是，所述上極板為非金屬材料，結構為圓盤狀，其中位於圓盤結構下端的一個端面為下端面，位於圓盤結構上端的另外一個端面為上端面，上下端面平行。
5.根據權利要求1或2所述的壓電驅動電容檢測雙軸陀螺儀，其特徵是，所述下極板為非金屬材料，結構為圓盤狀，其中位於圓盤結構下端的一個端面為下端面，位於圓盤結構上端的另外一個端面為上端面，上下端面平行。
6.根據權利要求1或2所述的壓電驅動電容檢測雙軸陀螺儀，其特徵是，所述上極板信號檢測電極為金屬電極，結構為圓弧狀，共有四個，位於上極板的下端面上，均勻的分布在下端面圓周上。
7.根據權利要求1或2所述的壓電驅動電容檢測雙軸陀螺儀，其特徵是，所述下極板信號檢測電極為金屬電極，結構為圓弧狀，共有四個，位於下極板的上端面上，均勻的分布在上端面圓周上。
8.根據權利要求1所述的壓電驅動電容檢測雙軸陀螺儀，其特徵是，所述支撐圓柱為金屬結構材料，支撐圓柱體上端同圓盤的下表面垂直，支撐圓柱體下端固定在下極板上。
9.根據權利要求1所述的壓電驅動電容檢測雙軸陀螺儀，其特徵是，所述壓電薄膜驅動電極為壓電材料，極化方向垂直於圓盤狀陀螺振子的上下表面，結構為圓弧狀，共有四個，位於圓盤狀陀螺振子的上表面，均勻的分布在和圓形表面同心的圓周上。
全文摘要
本發明涉及一種微機電技術領域的壓電驅動電容檢測雙軸陀螺儀，其中圓盤狀、輪輻狀或蜂窩狀的陀螺振子下表面和支撐圓柱相連，支撐圓柱另一端固定在下極板上，下極板固定在載體上。上極板信號檢測電極位於上極板的下端面，下極板信號檢測電極位於下極板上端面。上極板、下極板和陀螺振子裝配形成差分電容用於檢測輸出信號。本發明採用圓盤狀、輪輻狀或蜂窩狀的陀螺振子的特殊模態，利用壓電效應驅動，電容檢測，來敏感平行於陀螺振子上下表面內的角速度。本發明採用MEMS微細加工技術，能實現雙軸檢測，加工工藝易於實現，可靠性高，功耗低，抗衝擊性強，在惡劣的環境下能很好的工作。
文檔編號G01C19/56GK102297690SQ20111020695
公開日2011年12月28日 申請日期2011年7月22日 優先權日2011年7月22日
發明者關冉, 劉武, 吳校生, 崔峰, 張衛平, 陳文元 申請人:上海交通大學