静电驱动压电检测闭环控制微固体模态陀螺制造技术

本发明专利技术公开一种微机电技术领域的静电驱动压电检测闭环控制微固体模态陀螺，包括弹性微振子以及位于其周围的静电驱动电极、参考振动感应电极、压电科氏力感应电极、静电力反馈电极，利用弹性微振子的两个兼并的特殊振动模态进行工作，即参考振动和感应振动模态，采用静电力进行驱动，可变电容机理来检测参考振动，利用压电电极检测科氏力感应振动，采用静电力进行反馈控制，使微固体模态陀螺工作在闭环工作模式下。本发明专利技术中无独立的质量弹簧结构，具有高的抗冲击、抗震动能力；工作频率高，利于增大微陀螺的测量带宽和降噪；可工作在大气环境下，提高可靠性，降低生产成本。采用闭环工作模式有利于提高微固体模态陀螺量程、线性度和动态特性。

【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，具体是一种静电驱动压电检测闭环控制微固体模态陀螺。
技术介绍
在过去的一个世纪里，陀螺技术经历了一系列的革命性发展历程。20世纪初， Elmer Sperry专利技术了陀螺罗经，并将它应用在航海导航中。20世纪50年代，已经实现了采用框架陀螺和加速度计系统来感应飞行器的六自由度运动。这些早期的陀螺系统只用于方位参考，因此对它们没有较高的精度要求。由于框架式陀螺系统的高复杂性和高费用，20世纪70年代开始兴起发展捷联式惯性参考系统。要想获得足够高的性能，捷联式系统要求有较高的精度，它的陀螺精度漂移要低于0. 01deg/ho为了满足这样的精度需求，人们开发出了具有超高精度和高可靠性的基于^gnac效应的光学陀螺。光学陀螺体积大、价格昂贵， 因此主要应用于航天、航海和航空领域中。在过去的30多年里，随着MEMS技术的出现和逐步发展，国内外科研人员一直在致力于微惯性传感器的开发，力求制造出体积小、价格便宜、功耗低的高性能MEMS微陀螺。经对现有技术的文献检索发现，日本神户大学的K. Maenaka等人在2006伊斯坦布尔的第19届IEEE MEMS会议上发表了一篇论文，题为“新型固态微型陀螺”，该论文被收录在第634页到第637页。他们提出了一种基于压电体特殊振动模态的全固态微陀螺。他们对长方形压电体振动模态的研究发现，在某高阶振动模态下，压电体上的各质点基本沿着同一个轴向振动(如χ轴)，并且相邻两棱边周围的质点振动方向相反，即某一个棱边为拉伸运动时，则相邻的棱边为压缩运动，他们以压电体在这种特殊振动模态下的振动作为驱动振动(共振频率约为几百KHz)，当沿着某个特定轴向(如y轴)上有角速率输入时，在压电体极化方向(如ζ轴)上感应振动可以通过压电体表面的感应电压检测出来。经过初步的研究，他们验证了这种微陀螺方案的可行性。由于没有采用传统的弹簧质量振动系统，这种特殊的全固态微陀螺中没有弹性支撑的柔性结构，因此可以承受较高的外界冲击，抗冲击抗震动能力强，并且它对真空封装无特殊要求，可以工作常压下。由于工作在较高的工作频率下，有利于提高微陀螺的测量带宽。压电型全固态微陀螺的振动体是压电体，通常可用的压电效应较强的压电体材料为PZT压电陶瓷。压电陶瓷的弹性和可微细加工性能有限，并且压电陶瓷的材料和电学特性对温度较敏感，这限制了这种微陀螺的制造精度的提高，它的材料选择性有限，微细加工批量化制造的可行性不高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于弹性基体的微固体模态陀螺。微固体模态陀螺是一种新型的MEMS角速率传感器，这种微固体模态陀螺利用弹性基体的特殊振动模态进行工作，这种新型微陀螺利用静电力进行弹性体的工作振动模态激振，利用压电电极来检测由科氏力激励的感应振动。静电力驱动电容检测是在微机电系统中广泛应用的驱动及检测方法，尤其在微陀螺中是发展比较成熟的技术，它能获得较大的驱动力及较高的检测精度，并已于CMOS电路进行集成，便于批量化生产，降低这种类型微陀螺的制造成本。微固体模态陀螺的振子可以采用结构阻尼较小的材料进行制作，有利于提高振子的品质因子，从而进一步提高微固体模态陀螺的检测精度。本专利技术还引入了静电力闭环反馈控制环节。闭环反馈式微固体模态陀螺具有线性度好，量程及带宽大，等优点。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括弹性微振子、静电驱动电极、参考振动感应电极、压电科氏力感应电极、静电力反馈电极，其中弹性微振子、静电驱动电极、 参考振动感应电极、静电力反馈电极都是通过下表面固定，压电科氏力感应电极位于弹性微振子上表面，和弹性微振子形成固定联结；静电驱动电极、参考振动感应电极、静电力反馈电极位于弹性微振子周围，且侧壁均和弹性微振子侧壁之间有间隙，形成参考振动的驱动及检测，静电力反馈以抵消由科氏力激励的感应振动。所述弹性微振子是个方形结构，它是整个微固体模态陀螺的振动部件。弹性振子的下表面固定，四个侧面和周围的参考振动感应电极、科氏力感应电极形成检测电容，这些电容完成微固体模态陀螺的参考振动的检测以及感应振动的检测。弹性微振子的侧面和参考振动驱动电极形成驱动电容，以激励弹性微振子的参考振动。弹性微振子的侧面和静电力反馈电极形成驱动电容，产生的静电力以抵消科氏力激励的感应振动。弹性微振子采用弹性特性较好的材料制作而成，这种弹性材料的结构阻尼较小，它具有极高的振动品质因子，这种特性有利于提高微固体模态陀螺的检测灵敏度。所述的参考振动驱动电极共有二个，它们通过下表面固定，位于弹性微振子参考振动方向的两侧，当在参考振动驱动电极上施加直流电压叠加的交流电时，交流电的频率和参考振动模态频率相同时，弹性微振子产生参考振动。所述的参考振动感应电极共有四个，它们通过下表面固定，两两分布在弹性微振子周围相对的两侧，它们分别与弹性微振子相邻的一侧形成两对差动的参考振动检测电容。参考振动感应电极用来检测弹性微振子的参考振动的状态。参考振动感应电极用于驱动振动的闭环控制，使弹性微振子稳定工作在参考振动模态频率点，并保持恒定的振动频率。所述的压电科氏力感应电极共有二个，它们位于弹性微振子的上表面，和弹性微振子形成固定联结，压电科氏力感应电极的长度方向和科氏力感应振动方向相平行。根据科氏力感应振动模态的特征，两个压电科氏力感应电极上的感应电压相位相差180度，两者感应电压做差分处理，可消除共模干扰电压，同时科氏力感应电压增倍。科氏力感应电压和外界在敏感方向上输入的角速率成正比。所述的静电力反馈电极共有四个，位于弹性微振子的感应振动方向两侧。当压电电极检测到在感应振动方向上有振动时，在静电反馈电极上施加电压，以抵消科氏力产生的感应振动，这样在静电反馈电极上施加的反馈电压就会和微固体模态陀螺敏感轴上输入的角速率成正比。通过检测反馈电压大小就会获得外界输入的角速率。本专利技术通过对上述弹性微振子的振动模态分析发现，在某阶特殊振动模态下，弹性微振子上表面一个边为拉伸运动时，则和它相对的那条边为压缩运动，而且在这个特殊振动模态下，弹性微振子上各质点基本都沿着相同的轴向运动。对于方形弹性微振子来说，这种特殊振动模态还具有一个共振频率相同简并模态。这样的一对简并模态可以用作为微固体模态陀螺的参考振动模态和感应振动模态。本专利技术提出的静电驱动压电检测闭环控制微固体模态陀螺，由于采用弹性材料振子的特殊振动模态进行工作，而并非压电体，这一方面增大了微陀螺制作材料的选择自由度，允许基体利用弹性较大的材料来制作，并可获得极大的振动品质因子，另一方面利用静电力反馈控制可增大微固体模态陀螺的量程和线性度。同时，采用微加工工艺可以实现极其微小的电容间距，这有利于提高检测电容的检测灵敏度。微固体模态陀螺的核心部件和载体之间形成固接，这种结构更便于陀螺芯片的安装。微固体模态陀螺的提出，克服了
技术介绍
中压电型全固态微陀螺的不足，有利于获得抗冲击、抗振动能力强，对真空封装无特殊要求的全固态微型MEMS陀螺。附图说明图1为本专利技术总体结构及驱动检测信号示意图； 图2是本专利技术微固体模态陀螺的结构三维视图； 图3是本专利技术微固体模态陀螺弹性微振子的三维视图； 图4是本专利技术微固体模态陀螺电容检测及静电力反馈电极的三维视图； 本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种静电驱动压电检测闭环控制微固体模态陀螺，包括：弹性微振子、静电驱动电极、参考振动感应电极、压电科氏力感应电极、静电力反馈电极，其中弹性微振子、静电驱动电极、参考振动感应电极、静电力反馈电极都是通过下表面固定，压电科氏力感应电极位于弹性微振子上表面，和弹性微振子形成固定联结；静电驱动电极、参考振动感应电极、静电力反馈电极位于弹性微振子周围，且侧壁均和弹性微振子侧壁之间有间隙，形成参考振动的驱动及检测，静电力反馈以抵消由科氏力激励的感应振动。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴校生，王铮，胡小骏，陈文元，张卫平，崔峰，刘武，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31