[发明专利]摇动质量块压电双轴微陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的微陀螺，具体地说，涉及的是一种利用压电驱动和检测、并以摇动质量块为谐振子的双轴陀螺仪。

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。

经对现有技术的文献检索发现，2011年Xiong Wang等人在Advanced Materials Research期刊上发表的“Vibration Frequency Analytical Formula and Parameter Sensitivity Analysis for Rocking Mass Gyroscope”介绍了一种具有摇动质量块陀螺。该摇动质量块陀螺包括四根细长支撑梁、一个摇动质量块、四片驱动压电片和四片检测压电片构成。摇动质量块通过四根支撑梁连接在基座上，驱动和检测压电片使用粘片工艺分别粘合在四根支撑轴上。通过在驱动电极压电片上施加一定频率的交流电压信号，由于逆压电效应，摇动质量块产生驱动模态振动；有角速度输入时，摇动质量块的振动在科氏力作用下向另一简并的模态振型转化，两个简并振动模态之间相位差为90°，检测压电片因而产生变形。由于压电效应，通过检测检测压电片电极的电压变化即可检测输入角速度的变化。

此技术存在如下不足：首先，这种摇动质量块陀螺体积较大，限制了自身的使用范围；其次，该陀螺使用机械工艺加工，不能进行批量化生产，成本较高；最后，此技术最主要的不足在于驱动和检测电极是与采用粘片工艺进行组装在支撑梁上，在高频谐振工作时，驱动和检测电极容易出现脱落现象，从而影响微陀螺的工作可靠性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单，加工工艺易于实现，能够同CMOS工艺兼容，抗冲击，不需要真空封装，适用于批量化生产。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的具有摇动质量块双轴微陀螺仪，它包括：

一个具有摇动质量块的谐振子，通过基板支撑；

四个与基板边平行的驱动电极；以及

四个与基板边平行的检测电极。

所述基板为正方形，四边固定，其余部分不施加限制。这样的固定方式保证压电材料的拉伸收缩最明显，因而该发明对输入角速度灵敏。

所述摇动质量块的材料为金属，基板的材料为PZT压电材料。

所述摇动质量块振子为长方体，基板为等边薄板，摇动质量块在基板正中处。

所述四个驱动电极和四个与检测电极分别沿基板四边的方向配置，且与摇动质量块之间有间隙，每个驱动电极外侧是与基板边平行的检测电极，驱动电极和检测电极都固定在基板上。

所述四个驱动电极材料为金属，形状为长方形，分别沿正方形基板边缘平行布置，在检测电极的内侧并且两者之间存在间隙，用于激励摇动质量块工作在驱动模态。

所述四个检测电极材料为金属，形状为长方形，分别沿正方形基板边缘平行布置，在驱动电极的外侧并且两者之间存在间隙，用于检测摇动质量块在检测模态振型的振动，从而检测外界输入角速度的大小。

本发明利用具有摇动质量块的基板谐振子的特殊模态作为参考振动，在该模态下摇动质量块沿垂直于基板一边的方向振动（X或Y方向）。通过在其中不相邻的两个驱动电极（X或Y方向）上施加交变电压（X方向和Y方向的驱动电压相位相差90°），使得摇动质量块产生驱动模态振动。当有基底平面内（x轴或y轴）的角速度输入时，在科氏效应的作用下，摇动质量块和基板受到一个Z方向的科氏力作用，摇动质量块会产生垂直于基板平面的振动，其中x轴和y轴角速度输入时摇动质量块沿垂直于基底平面方向的振动相位不同（相位相差90°）。通过检测电镀在压电晶体上的检测电极电压输出的变化可检测基板平面内（x轴或y轴）的角速度的大小。

本发明具有摇动质量块的双轴压电微陀螺的制作方法可以采用MEMS微细加工工艺，以PZT材料为基体，利用溅射、电镀等方法加工得到。