[发明专利]带有集中质量块的压电式微固体模态陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的陀螺，具体地说，涉及的是一种带有集中质量块的压电式微固体模态陀螺。

背景技术

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发明了陀螺罗经，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/h。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Sagnac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x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z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。

压电型全固态微陀螺的振动体是长方体结构，这种结构的质量在长方体内均匀分布，运动有效质量在总质量中所占比例较少，这不利于提高振动体的振动品质因子，改善微陀螺的角速度分辨率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种带有集中质量块的压电式微固体模态陀螺。本发明微固体模态陀螺利用弹性基体的特殊振动模态进行工作，通过在压电体上运动幅度较大的部位引入集中质量块，来提高运动有效质量在总质量中所占的比例，进而增强微固体模态陀螺的模态振动品质，降低工作振动模态的频率，提高微陀螺的角速度分辨率和信噪比。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：压电体、驱动电极、模态检测电极、集中质量块，其中，驱动电极、模态检测电极、感应电极、集中质量块设置在压电体的上下表面，和压电体形成固定连接。

所述压电体是个长方体结构，采用压电材料制作而成，它是整个微陀螺的核心传感部件，也是整个振动结构的主体。

所述驱动电极，共有两对，分别分布在压电体上下表面的中央位置，通过在驱动电极上施加一定频率和幅值的交变驱动电压，使压电体以工作振动模态振动，同一表面上的两个电极的电压极性相反，即相位相差180度。

所述的模态检测电极共有四个，分别分布在压电体上下表面相对两个棱边附近的中间位置。在实际工作条件下，不同压电体存在尺寸或材料参数误差，因此工作振动模态的频率会存在一定的偏差，当以工作振动模态频率进行压电体驱动时，在频域上模态检测电极会出现电压幅值的最大值，因此，模态检测电极用来检测和跟踪工作振动模态，使压电体稳定工作在工作振动模态下。

所述的集中质量块共有八个，分别分布在压电体上下表面的四个角上，为了增强集中质量块和压电体之间的结合力，首先在压电体上刻蚀深槽，然后在深槽中电镀沉积集中质量块，集中质量块的高度和面积可以根据需要进行调整，集中质量块采用大密度金属材料，如：铜、镍、铂金等。

本发明通过对上述带有集中质量块压电体的振动模态分析发现，在某阶振动模态下，当某一瞬间压电体上表面或下表面一个棱边为拉伸运动时，则和它相对的那条边为压缩运动，压电体上表面另外两个棱边处于随动状态。本发明利用压电体的这种特殊振动模态下的振动作为参考振动，来敏感外界相应方向上的角速度。