[发明专利]一种基于石墨烯薄膜的增益可调控声表面波微陀螺仪

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯薄膜的增益可调控声表面波微陀螺仪，包括压电基片、声表面波谐振器和声表面波检测器；声表面波谐振器包括叉指换能器，在叉指换能器之间有金属点阵，在叉指换能器外侧有反射器和吸声胶；声表面波检测器包括对称设在声表面波谐振器两侧的延迟线且延迟线与声表面波谐振器平行；延迟线包括一对单相单向叉指换能器、石墨烯薄膜、金属电极Ⅰ和金属电极Ⅱ，在单相单向叉指换能器之间有石墨烯薄膜，石墨烯薄膜上设金属电极Ⅰ和金属电极Ⅱ，且金属电极Ⅰ和金属电极Ⅱ与声表面波谐振器的声波传播方向垂直。本发明通过在电极上施加电压形成电场，对哥氏效应二次声表面波增益进行调控，有效提高微陀螺仪的灵敏度、准确性和稳定性。

技术领域

本发明属于压电晶体及微机械陀螺仪设计制造领域，具体涉及一种基于石墨烯薄膜的增益可调控声表面波微陀螺仪。

背景技术

声表面波微陀螺仪是一种全固态的二维平面结构微陀螺仪，由于没有悬浮质量块或悬浮转子，与传统微机械振动或转动陀螺仪相比，可以承受强振动、大冲击等高加速度环境干扰；采用标准二维工艺加工工艺，结构简单，制作难度小，节省成本；由压电晶体和半导体材料加工制作，工作寿命长。因此，声表面波微陀螺仪具有潜在的发展优势，发展前景十分广阔。

现有的声表面波微陀螺仪，主要有交叉检测型、行波叠加型和声波干涉型等几种。Varadan V K等设计了交叉检测型声表面波微陀螺仪，主要由交叉垂直的两对叉指换能器构成，其中一对叉指换能器作为声波谐振器，通过外部施加周期性的电信号激励产生声表面波，另外一对叉指换能器用来检测哥氏效应产生的垂直方向的声表面波，该结构简单，灵敏度低，性能较差；Lee Sang Woo等设计了行波干涉型声表面波微陀螺仪，主要由平行且反向传播的双延迟线振荡器构成，在外界交变电压作用下，两延迟线都产生声表面波。当有角速度输入时，一个延迟线振荡器频率增加，另外一个延迟线频率减小，两个延迟线构成差分信号，感应载体旋转引起的哥氏声波信号大小，该微陀螺仪具有较好的线性度和温度性能，但是灵敏度低。Haekwan Oh等设计了声波干涉型声表面波微陀螺仪，包含并行排列的驻波谐振器、检测声波延迟线和参考声波延迟线三个部分，当沿驻波声波传播方向有角速度输入时，哥氏效应产生的二次声波的一半与平行检测声波延迟线叠加，导致声波频率发生变化，通过与参考延迟线比较得到频率的变化。该方法虽然性能有了较大提高，但是与传统微陀螺仪相比，仍然存在一定差距。

归纳起来，三种形式的微陀螺仪性能低下主要是由于二次声表面波信号过于微弱，导致灵敏度低，测量准确性差，稳定性低。因此，提高二次声表面波信号强度成为了首要解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术中描述的不足，本发明提供一种基于石墨烯薄膜的增益可调控声表面波微陀螺仪，实现微陀螺仪具有较高的检测灵敏度、准确性和稳定性等特点；本发明通过利用电场调控石墨烯薄膜上声表面波增益，在结构上通过构建轴向对称结构布局，检测在两个相反方向传播的哥氏效应二次声表面波，从而提高二次声表面波的振幅大小。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于石墨烯薄膜的增益可调控声表面波微陀螺仪，包括压电基片和设置在压电基片上的声表面波谐振器和声表面波检测器；所述声表面波谐振器包括两个对称设置的叉指换能器，在两个叉指换能器之间分布有均匀排列的金属点阵，在每个叉指换能器的外侧均设置有一个反射器和一个吸声胶，且吸声胶平行设置在反射器外侧；所述声表面波检测器包括两个对称设置在声表面波谐振器两侧的延迟线且两延迟线的设置方向与声表面波谐振器的设置方向平行；所述延迟线包括一对单相单向叉指换能器、石墨烯薄膜、金属电极Ⅰ和金属电极Ⅱ，在两个单相单向叉指换能器之间设有石墨烯薄膜，在石墨烯薄膜上平行设置有金属电极Ⅰ和金属电极Ⅱ，且金属电极Ⅰ和金属电极Ⅱ与声表面波谐振器的声波传播方向垂直；且在每个单相单向叉指换能器的外侧均设置有一个吸声胶。

所述延迟线关于声表面波谐振器呈轴对称分布。