[发明专利]摇摆质量增强压电体声波固体波动圆盘微陀螺

说明书

技术领域

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

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（Micro Electro Mechanical Systems，微光机电系统）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，2012年Ran Guan在Key Engineering Materials期刊上发表的文章Design and Fabrication of a Novel Biaxial Piezoelectric Micro-Gyroscope介绍了一种方形的具有摇摆质量体的压电微陀螺。文章利用MEMS微加工工艺制作出这种压电微陀螺。方形四周分布八个电极，分为四个驱动电极和四个检测电极，四个驱动电极在外侧，四个检测电极在内侧。通过在驱动电极上施加一定频率的电压信号，激励方形压电片产生驱动模态下的振动。当存在垂直摇摆质量体方向的加速度输入时（即原文的x或y方向，摇摆质量体沿z方向），摇摆质量体在柯氏效应的作用下将产生简并的检测模态振动，带动方形压电片产生同频振动，检测电极上将因这个振动存在电信号的输出，电信号的大小正比于外加角速度的大小。通过外围电路的信号处理，就可以得到外加角速度。

此技术存在如下不足：该含有摇摆质量体的微陀螺对加工对称性的要求极高，一旦存在一点误差，工作模态将大大偏离预期；驱动模态和检测模态的振动总是沿刚度最大的方向进行振动，因此这两个模态的振动波腹不在方形的边处，而是在四角，这十分不利于驱动和检测；另外，这种双轴检测方式十分不利于解耦，一旦两个方向的角速度耦合在一起，由于模态振动的波腹在方形四角，检测电极上是无法区分并检测出各个方向的分量；还有，该陀螺体积过大，限制了其在很多必须小体积条件下的应用。

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、且不需要真空封装的摇摆质量增强压电体声波固体波动圆盘微陀螺。

为实现上述的目的，本发明所述的摇摆质量增强压电体声波固体波动圆盘微陀螺，包括：

一个压电圆盘；

一个摇摆质量体，该摇摆质量体固定在所述压电圆盘中心；

四个均匀分布于所述压电圆盘四周的电极，所述四个电极包括两个驱动电极和两个检测电极，并且驱动电极与检测电极间隔放置；

一个固定夹紧装置，该装置在所述压电圆盘四周外侧均匀间隔处对圆盘进行固定。

本发明中，所述圆盘材料为压电体，摇摆质量体材料为金属，利用驱动方向上压电圆盘的逆压电效应进行驱动，利用检测方向上摇摆质量体导致的压电圆盘形变而产生的正压电效应进行检测。

本发明中，所述的四个电极为金属材料都是通过电镀的方式均匀制作在压电圆盘四周上。

本发明中，固定夹紧装置装置材料为有机玻璃，固定夹紧装置的小块同四个电极均匀间隔放置。

本发明中，所述的四个电极中的两个驱动电极材料为金属，对向分布在压电圆盘上，用于施加交变电压驱动陀螺，使压电圆盘在驱动电极位置上产生垂直圆盘方向上驱动模态的振动。

本发明中，所述的四个电极中的两个检测电极材料为金属，对向分布在压电圆盘上，用于检测在检测模态下陀螺输出的信号。