一种压电振动陀螺仪谐振子、其制作方法及压电振动陀螺技术

本发明专利技术属于惯性导航器件领域，具体涉及一种压电振动陀螺仪谐振子、其制作方法及镀制BFO薄膜作为驱动与检测电极的压电振动陀螺仪。本发明专利技术的目的是针对当前压电振动陀螺仪压电电极材料以及粘胶的使用对陀螺仪的Q值造成抑制，降低陀螺仪Q值、精度及灵敏度等问题，利用生长在LAO单晶材料上的具有单轴各向异性的BFO薄膜的强压电特性以及镀制薄膜材料可以避免固定压电电极时粘胶的使用，制作出一种镀制BFO薄膜作为驱动与检测电极的压电振动陀螺仪，将镀制BFO薄膜降低压电电极对陀螺仪品质因数抑制、BFO薄膜的压电灵敏度较高和避免使用粘胶对压电电极进行固定导致Q值降低等优势相结合，实现陀螺仪Q值提高、灵敏度提高、精度提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于惯性导航器件领域，具体涉及一种压电振动陀螺仪谐振子、其制作方法及镀制铁酸铋(BiFeO3、BFO)薄膜作为驱动与检测电极的压电振动陀螺仪。
技术介绍
陀螺仪是一种在惯性空间测量运动物体旋转角度或角速度的装置，其基本功能是敏感角位移和角速度，在航空、航天、航海、兵器以及民用领域中有着广泛和重要的应用。在飞机、舰船、导弹、航天飞行器等运载体的惯性导航系统和惯性制导系统中，陀螺仪是极其重要的敏感器。陀螺仪可以分为两类：一类以经典力学为基础，如刚体转子陀螺、振动陀螺仪等；另一类以近代物理学为基础，如激光陀螺仪。陀螺仪的发展是从刚体转子陀螺仪开始的，由于需要高速旋转的转子和相应的支承系统，刚体转子陀螺仪的性能稳定性较低、体积较大；激光陀螺仪系统稳定性较高，被认为是捷联式系统理想的敏感元件，然而其精度严格受到体积制约，抗辐射能力较差，工作时功率瞬变或电源断电将停止工作，成本也相应较高；而振动陀螺仪的主体是一个作高频振动的构件，具有性能稳定、结构简单、体积较小、成本较低、抗辐射性强、短时断电仍可继续工作等特点。因此，振动陀螺仪性能在许多方面均优于激光陀螺仪，这种陀螺仪的出现犹如“异军突起”，成为激光陀螺仪的强有力竞争者。振动陀螺仪常见的有音叉振动陀螺仪、壳体振动陀螺仪，通常使用压电激励或静电激励两种方式对振动陀螺仪进行激励与检测。其中利用压电电极进行激励与检测的方式最为常见，发展也最为成熟。因此陀螺仪最终的整体Q值是谐振子与压电电极综合的效果。但压电电极材料的Q值一般较低，往往导致陀螺Q值的下降。此外，常用的压电电极与陀螺仪谐振子须通过粘胶进行固定，粘胶的Q值很低，其使用也将对陀螺仪的Q值造成抑制，降低陀螺仪精度及灵敏度。BFO是目前报道的唯一一种在室温条件下铁电性和反铁磁性共存的多铁材料，铁电极化理论上可达100uC/cm2。室温下拥有单相多铁的特性为实际应用提供可行性。BFO是典型的铁电晶体，在一定温度范围内存在自发极化，而且自发极化方向能随外加电压而转向，铁电体可以看作是由许多铁电畴组成，在没有外电场作用下，由于组成铁电畴的晶胞中原子内正负电荷重心发生相对位移使得每个电畴内形成电偶极矩(产生自发极化)，但相邻电畴自发极化方向不同，所以整个晶体宏观极化强度为零，对外不呈现极化状态。在外电场作用下，铁电畴极化方向转向外加电场方向，具有电滞回线现象。BFO的存在基态为R3c菱形扭曲态，可以用字母R作简要表示；此外还存在一种P4mm对称的具有高自发极化特性的正方形扭曲态，可以用字母T作简要表示。R与T两种形态可以在BFO薄膜中共存，此时材料具有很强的压电效应。BFO薄膜材料的逆压电系数可达115pmV-1，约为压电陶瓷薄膜的4倍，能有效驱动谐振子起振。因此室温下，BFO材料具有强铁电性与压电性。使用铝酸镧(LaAlO3、LAO)
单晶材料作为基底，在其上生长BFO薄膜，其压电信号相对变化更大，在室温下具有很好的铁电特性和压电特性。一般合金材料的压电效压电信号相对变化更大，在室温下具有很好的铁电特性和压电特性。一般合金材料的压电效应的力学响应可以达到0.5％至8％，而BFO/LAO结构可以达到14％，因此可以将LAO单晶材料制作成为压电振动陀螺仪的谐振子并在谐振子的外表面镀制BFO薄膜作为压电振动陀螺仪的驱动及检测电极，既减少了压电材料、粘胶对陀螺仪Q值的抑制，其强压电特性也将提高陀螺仪的精度及灵敏度。总之，在LAO单晶材料谐振子表面镀制BFO薄膜作为压电振动陀螺仪的驱动及检测电极，可以有效提高压电振动陀螺仪Q值、精度及灵敏度。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对当前压电振动陀螺仪压电电极材料以及粘胶的使用对陀螺仪的Q值造成抑制，降低陀螺仪Q值、精度及灵敏度等问题，利用生长在LAO单晶材料上的具有单轴各向异性的BFO薄膜的强压电特性以及镀制薄膜材料可以避免固定压电电极时粘胶的使用，制作出一种镀制BFO薄膜作为驱动与检测电极的压电振动陀螺仪，将镀制BFO薄膜降低压电电极对陀螺仪品质因数(Q值)抑制的优势、BFO薄膜的压电灵敏度较高的优势和避免使用粘胶对压电电极进行固定导致Q值降低的优势相结合，实现陀螺仪Q值提高、灵敏度提高、精度提高。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种压电振动陀螺仪的谐振子，所述谐振子为一横截面为正方形的长方体，在所述长方体的四个侧面上分别镀制有BFO薄膜作为压电电极。所述长方体采用由“001”朝向的LAO单晶材料制成，所述LAO单晶材料具有较大的品质因数，长方体的截面积为9mm2，长度为(25～150)mm。所述由BFO薄膜制成的压电电极为长条形，面积小于长方体侧面积，优选为20×2mm2。所述由BFO薄膜制成的压电电极共有4块，分成2组镀制在长方体的四个侧面上，一组分别作为驱动换能器和反馈换能器，另一组分别作为读出换能器和阻尼换能器。所述BFO薄膜为单轴各向异性的BFO薄膜，厚度为(50-100)nm，其上下表面均镀制有一层厚度约为5nm的镧锶锰氧(LaSrMnO3、LSMO)薄膜作为激励电极。所述由LSMO薄膜制成的激励电极在所述长方体的长度方向边沿处比BFO薄膜层边沿伸出约2mm，方便在LSMO薄膜边沿进行点焊，在不接触BFO薄膜层的前提下引出导线与压电振动陀螺仪的信号控制电路相连接。本专利技术还提供一种上述压电振动陀螺仪谐振子的制作方法：首先，将“001”朝向的LAO单晶材料制成尺寸符合要求的横截面为正方形的长方体；然后在长方体的四个侧面上进行BFO薄膜压电电极的镀制：首先将一层LSMO薄膜分别镀制在长方体的四个侧面上作为底电极，厚度约为5nm；然后使用脉冲激光沉积技术在LSMO薄膜材料上镀制T形态与R形态共存的约为(50-100)nm厚的BFO薄膜，所述BFO薄膜边沿在长方体的长度方向上较LSMO薄膜边沿缩短约2mm；最后在BFO薄膜上再镀制一层与
第一层LSMO薄膜尺寸相同的LSMO薄膜作为上部电极，获得所需要的BFO薄膜压电电极，如图2所示。BFO薄膜压电电极生产时生长温度保持在700℃，氧气压强为100mTorr，BFO薄膜生长速度设定为2.5nm/min，冷却速度设定为氧气下5℃/min，脉冲激光沉积过程中能量密度设定为1.2J/cm2，重复频率设定为5Hz。本专利技术最后提供一种基于BFO薄膜压电电极的压电振动陀螺仪，所述陀螺仪由长方体谐振子、BFO薄膜压电电极、节点支撑结构、支撑面、信号控制电路、驱动电源和计算机组成；其中，镀制有BFO薄膜压电电极的长方体谐振子为振动构件，由节点支撑结构进行支撑并被固定在支撑面上；BFO薄膜压电电极通过导线与信号控制电路相连接，驱动电源为信号控制电路提供电源，信号控制电路通过信号线与计算机连接，在计算机中通过Labview软件对压电振动陀螺仪进行激励与检测。所述节点支撑结构采用的是节点支撑方式：在所述带有BFO薄膜压电电极的长方体谐振子前后对称的2个基频波节处插入两根细支撑柱，所述细支撑柱材料与长方体谐振子材料相同，以使安装处的热应力最小，细支撑柱的一端与支撑面相连，所述支撑面为一用于给长方体谐振子的两根细支撑柱提供固定和支撑的平面。所述信号控制电路由幅度增益控制电路、锁相环控制电路、正交控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电振动陀螺仪的谐振子，其特征在于：所述谐振子为一横截面为正方形的长方体，在所述长方体的四个侧面上分别镀制有BFO薄膜作为压电电极。

【技术特征摘要】
1.一种压电振动陀螺仪的谐振子，其特征在于：所述谐振子为一横截面为正方形的长方体，在所述长方体的四个侧面上分别镀制有BFO薄膜作为压电电极。2.根据权利要求1所述压电振动陀螺仪的谐振子，其特征在于：所述长方体采用由“001”朝向的LAO单晶材料制成，长方体的截面积为9mm2，长度为(25～150)mm。3.根据权利要求1所述压电振动陀螺仪的谐振子，其特征在于：所述由BFO薄膜制成的压电电极为长条形，面积小于长方体侧面积。4.根据权利要求3所述压电振动陀螺仪的谐振子，其特征在于：所述由BFO薄膜制成的压电电极面积为20×2mm2。5.根据权利要求1所述压电振动陀螺仪的谐振子，其特征在于：所述由BFO薄膜制成的压电电极共有4块，分成2组镀制在长方体的四个侧面上，一组分别作为驱动换能器和反馈换能器，另一组分别作为读出换能器和阻尼换能器。6.根据权利要求1、3、4或5所述压电振动陀螺仪的谐振子，其特征在于：所述BFO薄膜为单轴各向异性的BFO薄膜，厚度为(50-100)nm，其上下表面均镀制有一层厚度约为5nm的LSMO薄膜作为激励电极。7.根据权利要求6所述压电振动陀螺仪的谐振子，其特征在于：所述由LSMO薄膜制成的激励电极在所述长方体的长度方向边沿处比BFO薄膜层边沿伸出约2mm。8.一种根据权利要求1所述压电振动陀螺仪谐振子的制作方法，其特征在于该方法包括如下步骤：首先，将“001”朝向的LAO单晶材料制成尺寸符合要求的横截面为正方形的长方体；然后在长方体的四个侧面上进行BFO薄膜压电电极的镀制：首先将一层LSMO薄膜分别镀制在长方体的四个侧面上作为底电极，厚度约为5nm；然后使用脉冲激光沉积技术在LSMO薄膜材料上镀制T形态与R形态共存的约为(50-100)nm厚的BFO薄膜，所述BFO薄膜边沿在长方体的长度方向上较LSMO薄膜边沿缩短约2mm；最后在BFO薄膜上再镀制一层与第一层LSMO薄膜尺寸相同的LSMO薄膜作为上部电极，获得所需要的BFO薄膜压电电极。9.一种根据权利要求8所述压电振动陀螺仪谐振子的制作方法，其特征在于：所述BFO薄膜压电电极生产时生长温度保持在700℃，氧气压强为100mTorr，BFO薄膜生长速度设定为2.5nm/min...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄云，肖鹏博，曲天良，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43