[发明专利]压电圆盘微机械陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的固体波陀螺，具体来说，它是一种基于固体波原理的压电圆盘微机械陀螺。

背景技术

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，中国专利“固体波动陀螺的谐振子及固体波动陀螺”（专利申请号：CN201010294912.6）利用高性能的合金通过机械精密加工的方法制作出具有杯形振子的固体波动陀螺，杯形振子底盘上粘结有压电片作为驱动和检测电极，通过在驱动电极上施加一定频率的电压信号，对杯形振子施加压电驱动力，激励振子产生驱动模态下的固体波，当有杯形振子轴线方向角速度输入时，振子在科氏力作用下向另一简并的检测模态固体波转化，两个简并模态的固体波之间相位相差一定的角度，通过检测杯形振子底盘上检测电极输出电压的变化即可检测输入角速度的变化。

此技术存在如下不足：该固体波动陀螺杯形谐振体体积过大，限制了其在很多必须小体积条件下的应用；杯形振子底盘的压电电极是粘结到杯形振子上的，在高频振动下存在脱落的可能，可靠性不高；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。

发明内容

本发明的目的是针对上述设计的不足，提供一种结构简单、小体积、抗冲击、具有高Q值且不需要真空封装的固体波陀螺。本发明所述的高频固体波：由于谐振频率增加了2-3个数量级（到10-100kHz）而造成的机械（布朗）低噪降低；通过利用与扰曲模相比经受较少热弹性阻尼的体声波而造成的Q的显著增加。此外，高频体声波陀螺仪的优点还有：1、较小的尺寸；2、较大的带宽；3、抗冲击能力好；4、在大气压或者接近大气压下维持高的Q值，这简化了陀螺仪的封装从而降低了制造成本。

为实现上述的目的，本发明所述的压电驱动压电检测单轴微陀螺仪，包括：

一个具有支撑柱的圆盘谐振子；

三个与圆盘端面方向平行的驱动电极；

三个与圆盘端面方向平行的检测电极；

三个与圆盘端面平行的监测电极；以及

三个与圆盘端面平行的平衡电极；

所述三个驱动电极、三个检测电极、三个监测电极和三个平衡电极分别沿圆盘谐振子端面一周分布配置。

本发明中，所述圆盘谐振子材料为PZT，使用压电效应进行驱动和检测，谐振子下表面通过一圆柱形支撑柱与基底联接。

本发明中，所述三个驱动电极、三个检测电极、三个监测电极和三个平衡电极，其中每个电极为张角25°的圆环形。

本发明中，所述三个驱动电极材料为金属，均分端面圆环分布，用于激励圆盘振子产生驱动模态振型。

本发明中，所述三个检测电极材料为金属，均分圆盘振子端面，用于检测垂直于基底平面方向即z轴方向的角速度引起的圆盘谐振子上电压。

本发明中，所述三个监测电极材料为金属，均分圆盘振子端面，用于监控圆盘谐振子工作在驱动模态。

本发明中，所述三个平衡电极材料为金属，均分圆盘振子端面，用于恢复圆盘谐振子的驱动模态振型，使得陀螺仪工作在力平衡模式。

本发明利用圆盘形振子的特殊模态作为参考振动，在该模态下圆盘边缘沿圆盘轴方向做剪切振动。通过在驱动电极上施加正弦交流电压，由逆压电效应产生圆盘谐振子在驱动模态振动。当有垂直于圆盘平面内的角速度输入时，在科氏力的作用下，圆盘振子的谐振方式会从驱动模态向检测模态变化，检测模态的剪切方向谐振振幅与输入角速度的大小成正比。通过检测圆盘谐振子的三个检测电极电压就可检测垂直于基底平面角速度的大小。