[发明专利]磁致伸缩固体振子双轴微陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的装置，具体是一种磁致伸缩固体振子双轴微陀螺。

背景技术

目前报道的MEMS（微机电系统）陀螺仪绝大多数为振动式微陀螺，它基本上都是利用弹性梁支悬检测质量，基于科氏加速度（Coriolis acceleration）引起的结构驱动振动模态和检测振动模态之间能量的转移来检测角速度的。这种检测质量通过连附于衬底上的挠性支撑梁支悬的振动式微陀螺，由于存在活动质量，其工作性能精度易受微制造缺陷和工作环境变化的影响。近年来出现了一类新的全固态微陀螺，如光学微陀螺、微型表面波陀螺、压电固体模态微陀螺等；由于其陀螺结构中不存在作整体运动的部件和弹性支撑结构，因此抗冲击，抗振动能力强。

以稀土-铁系合金Terfenol-D（铽镝铁合金）为代表的超磁致伸缩材料（简称GMM）是近年来发展起来的可以实现电磁能－机械能高效转换的新型功能材料。GMM除了在室温下的应变高达1500～2000ppm以外，还具有输出功率大、能量密度高、响应速度快等特点，在国防、航空航天和高技术领域表现出极好的应用前景。借助于磁致伸缩材料的优异特性尤其是大伸缩性来增大驱动振动模态的幅值，能提高振动微陀螺的检测灵敏度。

经文献检索，Jin-Hyeong Yoo等人在SPIE国际会议论文集上发表的“用于磁致弹性陀螺传感器设计的机电网络建模”（Proc.of SPIE,Vol.7647:76472s-1～9，Electromechanical Network Modeling Applied to Magnetoelastic Gyro Sensor Design）一文中，阐述了一种将片条状Galfenol（铁镓合金）磁致伸缩材料用于驱动和检测的振动音叉式陀螺仪。该陀螺仪音叉的两叉指（即驱动叉指和检测叉指）及其基座均由铝制成，叉指下放置永磁体提供偏置磁场。驱动用Galfenol磁致伸缩条贴于驱动叉指的内侧面，由环绕的驱动线圈激励音叉在平面内以驱动模态振动，当沿音叉主轴方向输入角速度时，由科氏加速度引起音叉以检测模态振动，并使贴于检测叉指侧面的Galfenol磁致伸缩条发生应变变形，从而由于压磁效应产生正比于输入角速度的磁场强度变化，该变化信号由检测线圈敏感。该陀螺仪为单输入轴角速率传感器；由于采用两片长条形磁致伸缩材料分别贴于两个铝音叉指上，且驱动和检测线圈采用绕线结构，其整体尺寸较大，不易微加工集成制造，工作时的抗冲击抗震能力有限。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种磁致伸缩固体振子双轴微陀螺，利用磁致伸缩材料整体作为固体振子，借助磁致伸缩效应（Joule效应）驱动产生参考振动，并利用逆磁致伸缩效应（Villari效应）通过巨磁阻（GMR）磁敏传感器来检测双输入轴角速率。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：上、下端面为正方形的长方体形状的固体振子、用于驱动固体振子振动的下定子、上定子以及三个磁敏传感器，其中：下定子和上定子对称设置于固体振子的上端面和下端面，设固体振子的中心为惯性坐标系OXYZ的原点O，OZ方向垂直于上定子或下定子所在的平面，三个磁敏传感器分别设置于固体振子的三个侧面上且分别感应固体振子的X轴向磁场变化、Y轴向磁场变化和Z轴向磁场变化，输出相应的电信号以对应实现微陀螺的Y轴向输入角速率的测量、X轴向输入角速率的测量和Z轴向参考振动的监测；

所述的下定子和上定子的结构相同，包括：对固体振子产生偏置静磁场的永磁体和对固体振子产生叠加的变化磁场的驱动平面线圈。

所述的下定子和上定子的端面形状与固体振子的端面形状相同，配合固体振子使其发挥最大功能。

所述的固体振子由单晶或多晶磁致伸缩材料铽镝铁合金Terfenol-D或铁镓合金Galfenol加工而成，或由磁致伸缩材料经粉末冶金工艺烧结制成。固体振子同时具有在激励磁场下伸缩变形和受外部应力变形产生磁导率变化的特性，其最大磁致伸缩量方向是沿固体振子的高度方向即OZ方向。

作为优选的方案，所述的驱动平面线圈设置于方形的衬底上，永磁体设置于驱动平面线圈的外侧。

作为另一种方案，所述的驱动平面线圈集成于固体振子的上、下端面上，永磁体设置于驱动平面线圈的外侧。

永磁体分布于微陀螺Z轴向的最外侧，双侧布置的永磁体产生的偏置静磁场保证固体振子工作在线性振动范围，两个永磁体之间产生的磁场吸力又可对固体振子产生一定的预紧力。