回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺制造技术

本发明专利技术提供了一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺，包括一个顶端四角含正方体突出的回柱形谐振子、四个在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近沿谐振子侧面分布的驱动电极、四个在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近沿谐振子侧面分布的检测电极，四个驱动电极的空间位置与四个检测电极互相垂直。本发明专利技术利用回柱形谐振子的驱动模态和检测模态互相匹配进行工作；给回柱形谐振子上的两个驱动电极施加交流电压，由逆压电效应或电容感应效应产生回柱形谐振子在驱动模态振动；当存在输入角速度时，回柱形谐振子的振型向检测模态转变，利用检测电极处压电正效应或电容感应效应产生的敏感信号，经外围电路处理得到输入角速度信号。

【技术实现步骤摘要】
回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺
本专利技术涉及微机电
的固体波动模态匹配陀螺，具体地，涉及一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺。
技术介绍
陀螺仪是一种能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。随着国防科技和航空、航天工业的发展，惯性导航系统对于陀螺仪的要求也向低成本、小体积、高精度、多轴检测、高可靠性、能适应各种恶劣环境的方向发展。基于MEMS技术的微陀螺仪采用微纳批量制造技术加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而且环境适应性、工作寿命、可靠性、集成度与传统技术相比有极大的提高，因而MEMS微陀螺已经成为近些年来MEMS技术广泛研究和应用开发的一个重要方向。固体波是固体中的一种机械波动，把固体中某一点或部分受力或其他原因的扰动引起的形变，如体积形变或剪切形变，以波动的形式传播到固体的其他部分。在波动传播过程中，固体中的质点除在它原来的位置上有微小的振动外，并不产生永久性的位移。因为固体有弹性，弹性力有使扰动引起的形变恢复到无形变的状态的能力，于是形成波动。弹性是固体中能形成波动的主要原因。经对现有技术的文献检索发现，MochidaY,TamuraM,OhwadaK在SensorsandActuatorsA:Physical的2000年80(2)期的第170-178页发表的Amicromachinedvibratingrategyroscopewithindependentbeamsforthedriveanddetectionmodes文章中，提到了一种以弹簧质量系统为原理的微陀螺，这种陀螺主要通过利用两个旋转振荡模式对z轴的角速度进行检测。当位于x轴的驱动电极输入信号时，器件被激励，沿x轴振荡，在科里奥利力的作用下，器件产生沿y轴的振荡。通过位于y轴的检测电极产生输出信号对z轴的角速度进行检测。此技术存在如下不足：该弹簧质量系统微陀螺谐振体的结构脆弱，限制了其在很多必须在抗冲击条件下的应用；陀螺的加工工艺比较复杂，加工成本较高，不适合大批量生产；陀螺驱动模态和检测模态频率分裂较大，致使陀螺的带宽较大，品质因数很难提高；陀螺噪声较大，产生的信号较小，不便于提高检测的精度。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺，该陀螺有较小的尺寸、较大的带宽、抗冲击能力好、在大气压或者接近大气压下维持高的Q值，简化了陀螺仪的封装从而降低了制造成本。为实现以上目的，本专利技术提供一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺，包括：一个顶端四角含正方体突出的回柱形谐振子；四个在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近，沿回柱形谐振子侧面分布的驱动电极；四个在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近，沿回柱形谐振子侧面分布的检测电极；其中：驱动电极根据驱动方法的不同与回柱形谐振子接触或非接触，检测电极根据检测方法的不同与回柱形谐振子接触或非接触，且四个驱动电极的空间位置与四个检测电极的空间位置互相垂直。优选地，所述回柱形谐振子于底部即与含四个正方形突出的顶部面相对的平面施加固定，或于所述回柱形谐振子四个侧壁即与顶面和底面相异的平面垂直中心线上施加固定。优选地，所述回柱形谐振子的材料为PZT或多晶硅，当回柱形谐振子为PZT时使用压电效应进行驱动和检测，当回柱形谐振子为多晶硅时使用电容感应效应进行驱动和检测。优选地，四个所述驱动电极的材料为金属，在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近、沿谐振子侧面、互相平行地呈2*2阵列式分布，用于激励回柱形谐振子产生驱动模态振型。优选地，四个所述检测电极的材料为金属，在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近、沿谐振子侧面、互相平行地呈2*2阵列式分布且与四个驱动电极在空间上互相垂直，用于检测垂直于回柱形谐振子底面平面方向即z轴方向的角速度引起的回柱形谐振子上电压变化或回柱形谐振子与检测电极上由于电容感应效应产生的电容变化。优选地，四个所述驱动电极中的两个相对的驱动电极被施加交流电压时，由逆压电效应或电容感应效应产生回柱形谐振子在驱动模态振动；当存在输入角速度时，回柱形谐振子的振型向检测模态转变，利用检测电极处压电正效应或电容感应效应产生的敏感信号进行信号检测；上述驱动模态和检测模态互相匹配。本专利技术利用回柱形谐振子的特殊模态即驱动模态与检测模态模态匹配作为参考振动，在该模态下回柱形谐振子顶端四角上的正方体突出沿回形四边方向振动；通过在四个驱动电极中的一对驱动电极上施加正弦交流电压，由逆压电效应或电容感应效应产生回柱形谐振子在驱动模态振动；当有垂直于回柱形谐振子底面平面的角速度输入时，在科氏力的作用下，回柱形谐振子的谐振方式会从驱动模态向检测模态变化，检测模态的沿回形四边方向谐振振幅与输入角速度的大小成正比；通过检测回柱形谐振子的四个检测电极上的电压或四个检测电极与回柱形谐振子间感应电容的变化，就可检测出垂直于回柱形谐振子底面平面角速度的大小。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1、利用回柱形谐振器宽度方向的运动作为驱动和检测模态，谐振器刚度较大，具有较好的抗冲击性；2、回柱形结构对称性好、模态之间频率差小，能够增大陀螺的增益，提高灵敏度，这对输出信号较弱的固态陀螺来讲十分重要；3、采用振型完全一样的驱动模态和检测模态，使得温度变化对于驱动模态和检测模态的影响是一样的，因此降低了温度敏感性；4、由于回柱形谐振子的振动集中在其顶部突起，故固定方式和突起各自的振动不会对驱动检测造成影响；5、回柱形谐振子基底无论采用PZT或是多晶硅，加工工艺均为微细加工工艺，利于批量生产。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术一实施例立体结构示意图；图2为本专利技术另一实施例立体结构示意图；图3为本专利技术回柱形谐振子的驱动模态振型仿真图；图4为图3驱动模态振型简化示意图；图5是本专利技术回柱形谐振子的振型由驱动模态向检测模态转变的立体振型示意图；图6是本专利技术回柱形谐振子的检测模态振型仿真图；图7是图6检测模态振型简化示意图；图8是本专利技术的驱动模态的电压分布ANSYS仿真示意图；图9为本专利技术的检测模态的电压分布ANSYS仿真示意图；图中：1为回柱形谐振子，2为正方体突起，3为接触式金属驱动电极，4为接触式金属检测电极，5为非接触式金属驱动电极，6为非接触式金属检测电极。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。如图1所示，第一实施例提供一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺，包括：一个回柱形谐振子1；四个位于回柱形谐振子1顶端四角的正方体突起2；四个沿正方体突起2排布的接触式金属驱动电极3；四个沿正方体突起2排布的接触式金属检测电极4。本实施例中，四个驱动电极3的材料为金属，四个驱动电极3在回柱形谐振子1顶端正方体突出2上，沿回柱形谐振子1侧面、互相平行的呈2*2阵列式分布，用于采用压电效应激励回柱形谐振子1产生驱动模态振型。本实施例中，四个检本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺，其特征在于，包括：一个顶端四角含正方体突出的回柱形谐振子；四个在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近，沿回柱形谐振子侧面分布的驱动电极；四个在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近，沿回柱形谐振子侧面分布的检测电极；其中：驱动电极根据驱动方法的不同与回柱形谐振子接触或非接触，检测电极根据检测方法的不同与回柱形谐振子接触或非接触，且四个驱动电极的空间位置与四个检测电极的空间位置互相垂直；利用回柱形谐振子的特殊模态即驱动模态与检测模态模态匹配作为参考振动，在该模态下回柱形谐振子顶端四角上的正方体突出沿回形四边方向振动；通过在四个驱动电极中的一对驱动电极上施加正弦交流电压，由逆压电效应或电容感应效应产生回柱形谐振子在驱动模态振动；当有垂直于回柱形谐振子底面平面的角速度输入时，在科氏力的作用下，回柱形谐振子的谐振方式会从驱动模态向检测模态变化，检测模态的沿回形四边方向谐振振幅与输入角速度的大小成正比；通过检测回柱形谐振子的四个检测电极上的电压或四个检测电极与回柱形谐振子间感应电容的变化，就可检测出垂直于回柱形谐振子底面平面角速度的大小。

【技术特征摘要】
1.一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺，包括：驱动电极和检测电极，其特征在于，还包括：一个顶端四角含正方体突出的回柱形谐振子；所述驱动电极为四个在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近，沿回柱形谐振子侧面分布的驱动电极；所述检测电极为四个在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近，沿回柱形谐振子侧面分布的检测电极；其中：驱动电极根据驱动方法的不同与回柱形谐振子接触或非接触，检测电极根据检测方法的不同与回柱形谐振子接触或非接触，且四个驱动电极的空间位置与四个检测电极的空间位置互相垂直；利用回柱形谐振子的特殊模态作为参考振动，所述特殊模态是指模态匹配的驱动模态和检测模态，在该特殊模态下回柱形谐振子顶端四角上的正方体突出沿回形四边方向振动；通过在四个驱动电极中的一对驱动电极上施加正弦交流电压，由逆压电效应或电容感应效应产生回柱形谐振子在驱动模态振动；当有垂直于回柱形谐振子底面平面的角速度输入时，在科氏力的作用下，回柱形谐振子的谐振方式会从驱动模态向检测模态变化，检测模态的沿回形四边方向谐振振幅与输入角速度的大小成正比；通过检测回柱形谐振子的四个检测电极上的电压或四个检测电极与回柱形谐振子间感应电容的变化，就可检测出垂直于回柱形谐振子底面平面角速度的大小。2.根据权利要求1所述的一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺，其特征在于，所述回柱形谐振子于底部即与含四个正方形突出的顶部面相对的平面施加固定，或于所述回柱形谐振子...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫平，汪濙海，刘亚东，成宇翔，唐健，张弓，许仲兴，孙殿竣，陈文元，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31