[发明专利]回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及微机电技术领域的固体波动模态匹配陀螺，具体地，涉及一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺。

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，Mochida Y,Tamura M,Ohwada K在Sensors and Actuators A:Physical的2000年80(2)期的第170-178页发表的A micromachined vibrating rate gyroscope with independent beams for the drive and detection modes文章中，提到了一种以弹簧质量系统为原理的微陀螺，这种陀螺主要通过利用两个旋转振荡模式对z轴的角速度进行检测。当位于x轴的驱动电极输入信号时，器件被激励，沿x轴振荡，在科里奥利力的作用下，器件产生沿y轴的振荡。通过位于y轴的检测电极产生输出信号对z轴的角速度进行检测。

此技术存在如下不足：该弹簧质量系统微陀螺谐振体的结构脆弱，限制了其在很多必须在抗冲击条件下的应用；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；陀螺驱动模态和检测模态频率分裂较大，致使陀螺的带宽较大，品质因数很难提高；陀螺噪声较大，产生的信号较小，不便于提高检测的精度。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺，该陀螺有较小的尺寸、较大的带宽、抗冲击能力好、在大气压或者接近大气压下维持高的Q值，简化了陀螺仪的封装从而降低了制造成本。

为实现以上目的，本发明提供一种回柱形微机械固体波动模态匹配陀螺，包括：

一个顶端四角含正方体突出的回柱形谐振子；

四个在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近，沿回柱形谐振子侧面分布的驱动电极；

四个在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近，沿回柱形谐振子侧面分布的检测电极；

其中：驱动电极根据驱动方法的不同与回柱形谐振子接触或非接触，检测电极根据检测方法的不同与回柱形谐振子接触或非接触，且四个驱动电极的空间位置与四个检测电极的空间位置互相垂直。

优选地，所述回柱形谐振子于底部即与含四个正方形突出的顶部面相对的平面施加固定，或于所述回柱形谐振子四个侧壁即与顶面和底面相异的平面垂直中心线上施加固定。

优选地，所述回柱形谐振子的材料为PZT或多晶硅，当回柱形谐振子为PZT时使用压电效应进行驱动和检测，当回柱形谐振子为多晶硅时使用电容感应效应进行驱动和检测。

优选地，四个所述驱动电极的材料为金属，在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近、沿谐振子侧面、互相平行地呈2*2阵列式分布，用于激励回柱形谐振子产生驱动模态振型。

优选地，四个所述检测电极的材料为金属，在回柱形谐振子顶端正方体突出上或其附近、沿谐振子侧面、互相平行地呈2*2阵列式分布且与四个驱动电极在空间上互相垂直，用于检测垂直于回柱形谐振子底面平面方向即z轴方向的角速度引起的回柱形谐振子上电压变化或回柱形谐振子与检测电极上由于电容感应效应产生的电容变化。

优选地，四个所述驱动电极中的两个相对的驱动电极被施加交流电压时，由逆压电效应或电容感应效应产生回柱形谐振子在驱动模态振动；当存在输入角速度时，回柱形谐振子的振型向检测模态转变，利用检测电极处压电正效应或电容感应效应产生的敏感信号进行信号检测；上述驱动模态和检测模态互相匹配。