具有磁致伸缩振子的双轴压电检测陀螺仪制造技术

一种微机电技术领域的具有磁致伸缩振子的双轴压电检测陀螺仪，包括磁致伸缩振子和驱动线圈，输出电极、悬臂梁。磁致伸缩振子结构为在具有两面正方形的长方体的正方形表面设置“回”型孔，“回”型的内外边界为两个正方形。利用磁致伸缩体特殊模态下的特殊振动作为参考振动，此模态磁致伸缩振子在两个方向上均有特殊位置在上下表面的运动方向相反。当外界有角速度时运动方向相反的位置产生方向相反的柯氏力，压电薄膜变形产生内应力，最终在输出电极上产生电势。通过输出电极上的电势检测外界双轴的角速度。本发明专利技术结构简单，不用真空封装，抗冲击性强，方便固定，双轴检敏感，参考振动和检测信号之间的耦合干扰少，不需要高速转动节省功耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种微机电
的微陀螺，具体地说，涉及的是一种具 有磁致伸縮振子的双轴压电检测陀螺仪。
技术介绍
陀螺是姿态控制和惯性制导的核心器件，惯性技术的发展以及卫星、导弹等 制导需求的提高、要求陀螺向功率小、寿命长、体积小、能适应各种恶劣环境的 方向发展。经对现有技术的文献检索发现，中国专利"压电陀螺元件和压电陀螺仪"(专 利申请号为200510131905.3)提到可以通过压电材料的棱柱状振动体的结构， 来检测2轴方向上的角速度。截面为矩形的棱柱状的压电振动体一端固定，在其 第1侧面上形成第1驱动电极，在第2侧面上形成在宽度方向上分离的第2 第 4驱动电极，带相位差地向各驱动电极施加驱动电流，使压电振动体振动，其另 一端做圆周运动。在与其振动的旋转中心轴正交的方向上作用有扭矩时，从压电 振动体的第1侧面上形成的第1检测电极和第2侧面上形成的第2检测电极输 出由此产生的压电振动体的挠度，从而检测2轴方向上的角速度。此技术存在如下不足首先，驱动电路要求多次移相，有些驱动电路还包括 振幅检测电路、AGC电路、对控制要求高，且电路复杂，干扰大，噪声多、难以 得到理想的的驱动信号。其次，通过向四个不同的电极上施加相位不同的四相驱 动信号来使压电体自身产生圆周运动作为参考运动，规则的圆周运动难以得到准 确的实现，增大了角速度检测的误差。要保证压电体转动得到高速圆周运动，功 耗大。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对已有技术的不足，提出一种具有磁致伸縮振子的双轴压 电检测陀螺仪。本专利技术结构上采用具有"回"型槽结构的磁致伸縮振子，在振子 上下"回"型表面压电薄膜分别设置一层压电薄膜，利用磁致伸縮振子特有的模态下的特殊振动方式作为激励，压电薄膜的压电效应进行检测，实现陀螺双轴敏 感。用这种特殊振动作为工作状态，工作时不需要精确的高速圆周转动，且易准 确实现。检测直接利用压电薄膜的压电效应，检测电压信号即可。本专利技术结构简 单，抗冲击性强，不需要真空封装，具有便于固定的节点，参考振动和检测信号 之间的耦合干扰少，并且是双轴检测，且加工工艺易实现，在恶劣环境下能很好 地工作。另外驱动简单便捷，且功耗微。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括磁致伸縮振子、上表面压电 薄膜、左下侧驱动线圈、右上侧驱动线圈、上表面上侧输出电极、上表面右侧输 出电极、上表面下侧输出电极、上表面左侧输出电极、上表面悬臂梁、下表面悬 臂梁。磁致伸縮振子材料为导电的磁致伸縮材料，结构为具有两面正方形表面的长 方体，两正方形表面相互平行，为磁致伸縮振子的上下表面，直接连接磁致伸縮 振子上下表面的面为长方形，在磁致伸縮振子上下表面各设置一个"回"型孔， 这两个"回"型孔为非通孔，分别在磁致伸縮振子上下表面构成两个槽形结构， 两个悬臂梁分别设置在磁致伸縮振子上下表面中心处，位于磁致伸縮振子两个 "回"型孔的中心，两个悬臂梁及磁致伸縮振子两个"回"型表面关于磁致伸縮 振子对称分布，磁致伸縮振子其他的表面为长方形(即其他表面不能是正方形)。磁致伸縮振子上表面布置上表面压电薄膜，上表面压电薄膜上设置一个"回" 型孔，上表面压电薄膜上的"回"型孔为通孔，上表面压电薄膜"回"型的最外 边与磁致伸縮振子的"回"型孔的最外边尺寸和形状一致，上述所有的"回"型 的内外边界为两个正方形。上表面压电薄膜与磁致伸縮振子接触的表面为上表面压电薄膜下表面，则上 表面压电薄膜另外的与上表面压电薄膜下表面平行的面，即自由的表面(即没有 与磁致伸縮振子接触的表面)为上压电薄膜上表面；上表面压电薄膜的上表面外 框形成正方形("回"型表面的最外侧组成的正方形)上侧的边为上表面第一边、 上表面压电薄膜的上表面外框形成正方形右侧的边为上表面第二边、上表面压电 薄膜的上表面外框形成正方形下侧的边为上表面第三边、上表面压电薄膜的上表 面外框形成正方形左侧的边为上表面第四边。上表面第一边的中点与上表面第三 边的中点的连线为上表面第一中心线，上表面第二边的中点与上表面第四边的中 点的连线为上表面第二中心线。所述上表面压电薄膜上表面上布置左下侧驱动线圈、右上侧驱动线圈、上表 面上侧输出电极、上表面右侧输出电极、上表面下侧输出电极、上表面左侧输出 电极。其中左下侧驱动线圈与右上侧驱动线圈位于上表面压电薄膜上表面外框形 成的正方形的一条斜对角线上；上表面上侧输出电极与上表面下侧输出电极关于 上表面第二中心线对称分布、位于上表面第一中心线上、上表面右侧输出电极与 上表面左侧输出电极关于上表面第一中心线对称分布、位于上表面第二中心线 上。本专利技术微陀螺仪结构的上下两侧有两个悬臂梁上表面悬臂梁与下表面悬臂 梁，经过分析验证在振动模态下其位移很小，因此选定两个悬臂梁的端点作为本 专利技术微陀螺的节点，节点作为固定点，两个悬臂梁与磁致伸縮振子一体。本专利技术利用磁致伸縮体的在特殊模态下的振动作为参考振动，利用压电效应 得到输出信号进行检测外界的角速度。驱动线圈通入一定频率的交变电流激励磁 致伸缩振子处于一定的模态。其中磁致伸縮振子在上表面上侧输出电极所在位置 的振动方向为Y轴负方向，而在下表面上与上表面上侧输出电极所对应的位置振 动方向为Y轴正方向。由于两个位置的振动方向相反，当外加受到水平X方向的 角速度时，所受到的柯氏力的方向相反，使得磁致伸縮振子Z轴方向产生拉伸或 压縮，进而上面压电薄膜产生弯曲，形成内应力，最终使得上侧输出电极形成一 定的电势，电势的大小与外界角速度的大小成正比。因此可以通过上表面上侧输 出电极的电势来检测X方向的角速度；进而上表面下侧输出电极的电势也是外界 角速度的检测信号。上表面右侧输出电极、下表面左侧输出电极的运动方向与上 表面上侧输出电极、上表面下侧输出电极的运动方向垂直，同理将上表面左侧输 出电极的电势与下表面右侧输出电极的电势作为Y方向角速度的检测信号。本专利技术由于采用块状磁致伸縮振子，结构简单，抗冲击性强，具有便于固定 的节点，且加工工艺易实现，在恶劣环境下能很好地工作。本专利技术利用特殊模态 下的特殊振动作为工作状态，参考振动采用磁致伸縮原理产生，高压电系数的压 电薄膜的正压电效应产生的电压信号作为检测信号，参考振动与检测信号之间的 耦合干扰少，能够准确地检测外界双轴方向的角速度。本专利技术可以应用在卫星、 武器、民用导航等领域。附图说明图l为本专利技术结构示意图。 具体实施例方式下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明本实施例在以本专利技术技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护 范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例由磁致伸縮振子1、上表面压电薄膜2、左下侧驱动线圈3、右上侧驱动线圈4、上表面上侧输出电极5、上表面右侧输出电极6、上 表面下侧输出电极7、上表面左侧输出电极8、上表面悬臂梁9、下表面悬臂梁 组成。磁致伸縮振子1材料为导电的磁致伸縮材料，结构为具有两面正方形表面的 长方体，磁致伸缩振子1的最外围的框架边共有12条，其中一组4条边构成正 方形形式的外框，另一组4条边也构成正方形形式的外框，这两个正方形形式的 外框围成的表面相互平行；其中一个正方形所在的表面为磁致伸縮振子1上表 面，与磁致伸縮振子1上表面平行的正方形表面为磁致伸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有磁致伸缩振子的双轴压电检测陀螺仪，包括磁致伸缩振子、上表面压电薄膜、左下侧驱动线圈、右上侧驱动线圈、上表面上侧输出电极、上表面右侧输出电极、上表面下侧输出电极、上表面左侧输出电极、上表面悬臂梁、下表面悬臂梁，其特征在于，所述磁致伸缩振子结构为具有两面正方形表面的长方体，两正方形表面相互平行，为磁致伸缩振子的上下表面，直接连接磁致伸缩振子上下表面的面为长方形，在磁致伸缩振子上下表面各设置一个“回”型孔，这两个“回”型孔为非通孔，分别在磁致伸缩振子上下表面构成两个槽形结构，两个悬臂梁分别设置在磁致伸缩振子上下表面中心处，位于磁致伸缩振子两个“回”型孔的中心；　所述磁致伸缩振子上表面布置上表面压电薄膜，上表面压电薄膜上设置一个“回”型孔，上表面压电薄膜上的“回”型孔为通孔，上表面压电薄膜“回”型的最外边与磁致伸缩振子的“回”型孔的最外边尺寸和形状一致，上述所有的“回”型的内外边界为两个正方形；　上表面压电薄膜与磁致伸缩振子接触的表面为上表面压电薄膜下表面，则上表面压电薄膜与上表面压电薄膜下表面平行的面为上压电薄膜上表面，上表面压电薄膜的上表面外框形成正方形上侧的边为上表面第一边、上表面压电薄膜的上表面外框形成正方形右侧的边为上表面第二边、上表面压电薄膜的上表面外框形成正方形下侧的边为上表面第三边、上表面压电薄膜的上表面外框形成正方形左侧的边为上表面第四边，上表面第一边的中点与上表面第三边的中点的连线为上表面第一中心线，上表面第二边的中点与上表面第四边的中点的连线为上表面第二中心线；　所述上表面压电薄膜上表面上设有左下侧驱动线圈、右上侧驱动线圈、上表面上侧输出电极、上表面右侧输出电极、上表面下侧输出电极、上表面左侧输出电极，其中左下侧驱动线圈与右上侧驱动线圈位于上表面压电薄膜上表面外框形成的正方形的一条斜对角线上，上表面上侧输出电极与上表面下侧输出电极关于上表面第二中心线对称分布、位于上表面第一中心线上，上表面右侧输出电极与上表面左侧输出电极关于上表面第一中心线对称分布、位于上表面第二中心线上。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫平，卢奕鹏，陈文元，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]