CN102297690B - 压电驱动电容检测的双轴陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机电技术领域的压电驱动电容检测双轴陀螺仪，其中：圆盘状、轮辐状或蜂窝状的陀螺振子下表面和支撑圆柱相连，支撑圆柱另一端固定在下极板上，下极板固定在载体上。上极板信号检测电极位于上极板的下端面，下极板信号检测电极位于下极板上端面。上极板、下极板和陀螺振子装配形成差分电容用于检测输出信号。本发明采用圆盘状、轮辐状或蜂窝状的陀螺振子的特殊模态，利用压电效应驱动，电容检测，来敏感平行于陀螺振子上下表面内的角速度。本发明采用MEMS微细加工技术，能实现双轴检测，加工工艺易于实现，可靠性高，功耗低，抗冲击性强，在恶劣的环境下能很好的工作。

Description

压电驱动电容检测的双轴陀螺仪

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，涉及的是一种压电驱动电容检测双轴陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是一种能够精确地测量运动物体转动的角度或角速度的仪器，是空间物体姿态控制和惯性制导的核心部件。随着国防科技和航空、航天工业的发展，惯性导航***对于陀螺仪的要求也向体积小、多轴检测、功耗低、可靠性高、寿命长、能适应各种恶劣环境的方向发展。

经对现有技术的文献检索发现，2006年1月,在土耳其Istanbul召开的IEEE MEMS 2006会议上，日本神户大学的K.Maenaka等人发表了一篇题为“新型微固态陀螺”的论文，该论文被收录在第634页到第637页，首次提出了一种压电式全固态微型陀螺，利用方形压电体质量块在某个振动频率下存在一种特殊的振动模态，在该振动模态下，压电体质量块上各质点都沿着同一个轴向运动,使得压电体的棱边沿着某个轴向作拉伸或压缩运动。以此特殊模态下的振动作为参考振动，假设压电体的极化方向为Z方向，参考振动方向为X方向，当外界输入Y方向上的角速度时，由于科氏力的作用，压电质量块会在其极化方向上(即Z轴方向上)产生拉伸或压缩运动。由于压电体的压电效应，Z方向的振动会在压电体垂直于Z方向的表面产生感应电荷或电压，感应电荷或电压的量值和外界输入角速度成正比，通过检测***电路放大之后的电荷或电压来测量外界输入角速度的大小。

中国专利“具有正方形表面长方体压电振子的全固态陀螺仪”（专利申请号：200810041675.5），是在日本微固态陀螺的基础上利用新的高阶模态，新型的结构，发明的基于正方体压电块的双轴检测固态陀螺仪，其基本原理为利用压电体质量块在某个振动频率下存在的一种特殊的高阶振动模态,在该振动模态下,压电体质量块上下表面的特殊位置在X轴向和Y轴向分别产生方向相反的运动。以此特殊模态下的振动作为参考振动，当有外界角速度输入时，运动方向相反的位置产生相反的科氏力，引起压电体Z方向的振动。由于压电效应，Z方向的振动会在压电体垂直于Z方向的表面产生感应电荷或电压，感应电荷或电压的量值和外界输入角速度成正比，通过检测***电路放大之后的电荷或电压来测量外界输入角速度的大小。

此技术存在如下不足：第一，由于其上下表面都有多个电极，其加工工艺复杂，双面电极定位精度要求高，多个电极的引线对陀螺性能也会产生影响；第二，压电振子为方形压电块，其刚度较大，产生的有效振动幅值较小；第三，由于压电振子为方形压电块，其存在直角边，在受力过程中会产生应力集中现象，在高频工作状态下，影响陀螺的可靠性和寿命。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术的不足，提供一种压电驱动电容检测的双轴陀螺仪，该陀螺仪具有圆盘状、轮辐状或蜂窝状的陀螺振子，结构上采用带有圆柱体支撑的圆盘状陀螺振子，采用压电驱动和电容检测的方式，利用圆盘状、轮辐状或蜂窝状陀螺振子特有模态下的特殊振动方式，实现陀螺仪双轴敏感的功能。压电薄膜驱动电极只分布在陀螺振子的上表面，加工工艺相对简单，不需双面对准，陀螺电极引线较少。陀螺振子为圆盘状、轮辐状或蜂窝状，刚度相对较小，振动幅值较大，灵敏度较高，且受力过程中减少了应力集中现象，具有较好的可靠性和较长的寿命。信号检测方式采用电容检测，测量灵敏度高，温度漂移小，响应时间短，易于实现闭环反馈控制。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括陀螺振子，支撑圆柱，压电薄膜驱动电极，上极板，下极板，上极板信号检测电极，下极板信号检测电极。陀螺振子上表面设有压电薄膜驱动电极，陀螺振子下表面和支撑圆柱相连，支撑圆柱另一端固定在下极板上，下极板固定在载体上，上极板信号检测电极位于上极板下端面，下极板信号检测电极位于下极板上端面，上极板、下极板和陀螺振子装配形成差分电容用于检测输出信号。

所述陀螺振子的材料为金属材料，形状可以为圆盘状、轮辐状或蜂窝状，优选实施例的结构为圆盘状，圆盘的一端为上表面，另一端为下表面，其中下表面通过圆柱形支撑固定在下极板上，陀螺振子上表面和下表面平行。

所述支撑圆柱为金属结构材料，支撑圆柱体上端同圆盘的下表面垂直，支撑圆柱体下端固定在下极板上。

所述压电薄膜驱动电极为压电材料，极化方向垂直于圆盘状陀螺振子的上下表面，结构为圆弧状，共有四个，位于圆盘状陀螺振子的上表面，相隔一定角度，均匀的分布在和圆形表面同心的圆周上。

所述上极板为玻璃等非金属材料，结构为圆盘状，其中位于圆盘结构下端的一个端面为下端面，位于圆盘结构上端的另外一个端面为上端面，上下端面平行。

所述下极板为玻璃等非金属材料，结构为圆盘状，其中位于圆盘结构下端的一个端面为下端面，位于圆盘结构上端的另外一个端面为上端面，上下端面平行。

所述上极板信号检测电极为金属电极，结构为圆弧状，共有四个，位于上极板的下端面上，相隔一定角度，均匀的分布在下端面圆周上。

所述下极板信号检测电极为金属电极，结构为圆弧状，共有四个，位于下极板的上端面上，相隔一定角度，均匀的分布在上端面圆周上。

本发明利用圆盘状陀螺振子在特殊模态下的振动作为参考振动，同时利用压电材料的压电效应驱动圆盘状陀螺振子运动，当在压电薄膜驱动电极上施加与选定模态频率匹配的交变电压激励时，圆盘形振子会产生一种特殊模态的振动。圆盘形振子沿上表面第一、第二中心线的方向分别做拉伸或压缩运动，当沿上表面第一中心线方向拉伸时，沿上表面第二中心线方向压缩，当沿上表面第一中心线方向压缩时，沿上下表面第二中心线方向拉伸。假设圆盘状陀螺振子上表面第一中心线方向为X轴方向，圆盘状陀螺振子上表面第一中心线方向为Y轴方向，垂直于圆盘状陀螺振子上下表面的方向设为Z轴方向，振子沿X轴向和Y轴向拉伸和压缩，当外界输入与X轴向或Y轴向的角速度时，具有相同中心线的压电薄膜驱动电极对应的振子质量产生的科氏力方向相反，产生一个力矩，在Z方向上的振动发生变化。振子在Z方向振动的变化会引起对应的上下极板上信号检测电极同陀螺振子间电容的变化，电容的变化和输入角速度间有固定的函数关系，且在不同的方向上同时有角速度输出时，在不同的信号检测电极和陀螺振子间的电容都会产生变化，因此可通过检测上下极板不同信号检测电极同陀螺振子间的电容变化来检测两个轴上角速度的输出。

以上为优选实施例结构，在某实施例中，陀螺振子的结构还可以为轮辐状，其在圆盘的半径方向分布有辐射状的辐条。在另一实施例中，陀螺振子的结构还可以为蜂窝状，通过在圆盘状陀螺振子表面添加阻尼孔减小空气阻尼的影响。

本发明能实现双轴检测，加工工艺易于实现，可靠性高，功耗低，抗冲击性强，在恶劣的环境下能够很好的工作。本发明利用金属圆盘状陀螺振子特殊模态下的特殊振动作为参考振动，高压电系数的压电薄膜驱动电极驱动振子运动，上下极板上的金属电极和陀螺振子组成的电容器来检测输出信号，能够准确的检测外界输入的双轴方向上的角速度。本发明可用于卫星、武器、民用导航等领域。

附图说明

图1为本发明圆盘状陀螺振子的结构示意图。

图2为本发明圆盘状陀螺振子和上下极板信号检测电极装配示意图。

图3为本发明所有元件装配后的外观图。

图4为本发明圆盘状陀螺振子所选用的工作模态总位移变化云图。

图5为本发明圆盘状陀螺振子在驱动状态下X方向位移变化云图。

图6为本发明圆盘状陀螺振子在驱动状态下Y方向位移变化云图。

图7为本发明另一实施例中的轮辐状陀螺振子结构示意图。

图8为本发明另一实施例中的蜂窝状陀螺振子结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个优选实施例进行详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、图2、图3所示，本实施例包括陀螺振子1，支撑圆柱2，压电薄膜驱动电极3，上极板信号检测电极4，下极板信号检测电极5，上极板6，下极板7。

陀螺振子1材料为金属材料，结构为圆盘形，圆盘状陀螺振子1其中一端为上表面，另一端与之平行的面为下表面。

支撑圆柱2材料为金属材料，结构为圆柱体，支撑圆柱一端同圆盘状陀螺振子的下表面相连，另一端固定在下极板上，圆柱体垂直于圆盘状陀螺振子的上下表面。

压电薄膜驱动电极3的材料为PZT，ZnO等压电材料，结构为圆弧形，共四个，沿X轴分布的一对弧形压电薄膜驱动电极和沿Y轴分布的一对弧形压电薄膜驱动电极，对称的分布在与圆盘状陀螺振子1圆形上表面同心的圆周上。

上极板信号检测电极4材料为金属材料铜，结构为圆弧状，共四个，对称的分布在上极板的下表面。

下极板信号检测电极5材料为金属材料铜，结构为圆弧状，共四个，对称的分布在下极板的上表面。

上极板材料6为玻璃等非金属材料，结构为圆盘状，上极板的下端面上关于圆形表面的圆心对称的分布四个上极板信号检测电极4。

下极板材料7为玻璃等非金属材料，结构为圆盘状，下极板的上端面上关于圆形表面的圆心对称的分布四个下极板信号检测电极5，下极板的下端面固定在载体上。

圆盘状陀螺振子1上表面压电薄膜驱动电极3在圆盘上的分布关于振子上表面圆心对称。关于圆心对称的两对压电薄膜驱动电极3的中心连线经过圆盘状陀螺振子1上表面圆心，分别为上表面第一中心线和上表面第二中心线，上表面第一中心线和上表面第二中心线垂直。支撑圆柱2的上端同圆盘状陀螺振子1联接，下端同下极板7联接，下极板7的外端面固定在载体上。上极板6和下极板7配合组装为一个空心且两端密封的圆柱体。关于圆心对称的两对上极板6信号检测电极4的中心连线经过上极板6下端面圆心，分别为上极板6下端面第一中心线和上极板6下端面第二中心线，上极板6下端面第一中心线和上极板6下端面第二中心线垂直。关于圆心对称的两对下极板7信号检测电极5的中心连线经过下极板7上端面圆心，分别为下极板7上端面第一中心线和下极板7上端面第二中心线，下极板7上端面第一中心线和下极板7上端面第二中心线垂直。上极板6下端面第一中心线、下极板7上端面第一中心线和陀螺振子1表面第一中心线平行且位于同一平面内。上极板6下端面第二中心线、下极板7上端面极板第二中心线和振子上表面第二中心线平行且位于同一平面内。上极板6信号检测电极4和圆盘状陀螺振子，下极板7信号检测电极5和圆盘状陀螺振子构成差分电容。

如图4所示，通过模拟仿真发现圆盘状陀螺振子存在某阶特殊的振动模态，在该阶振动模态下，圆盘状陀螺振子分别沿着X轴或Y轴做拉伸或压缩运动，且当振子沿着X轴拉伸时，沿着Y轴方向压缩，当振子沿着X轴压缩时，沿着Y轴方向拉伸。通过在圆盘状陀螺振子上表面X轴上的一对压电薄膜驱动电极7、12和Y轴上的一对压电薄膜驱动电极5、10分别施加频率同所选特殊模态频率匹配且反相的电压信号时，就可激励圆盘状陀螺振子产生特殊模态振动。

如图5和图6示，由于圆盘状陀螺振子1沿X轴或沿Y轴的运动方向相反，因此当外界输入的X轴向的角速度时，沿Y轴方向伸长或压缩的振子质量会受到方向相反的科氏力，产生一个力矩，在力矩的作用下，金属圆盘状陀螺振子1振动中心会发生偏离，引起对应的上极板下端面、下极板上端面第二中心线上的金属检测电极同圆盘状陀螺振子间电容发生改变，通过检测电容值的变化即可检测输入X轴向角速度的大小。同样，当外界输入Y轴方向的角速度时，沿X轴方向伸长或压缩的振子质量会受到方向相反的科氏力，产生一个力矩，在力矩的作用下，压电圆盘状陀螺振子1振动中心会发生偏离，引起对应的上极板下端面、下极板上端面第一中心线上的金属检测电极同圆盘状陀螺振子间电容发生改变，通过检测电容值的变化即可检测输入Y轴向角速度的大小。由于未加载角速度时，上下极板信号检测电极4、5和圆盘状陀螺振子1间的电容就在做周期性的变化，而上极板信号检测电极4和圆盘状陀螺振子1，下极板信号检测电极5和圆盘状陀螺振子1构成差分电容，上极板下端面、下极板上端面第一中心线上的两对金属检测电极同圆盘状陀螺振子1间构成差分电容，上极板下端面、下极板上端面第二中心线上的两对金属检测电极同圆盘状陀螺振子1间构成差分电容，输出信号的变化正负相反，因此可通过信号的相减来去除驱动振动的信号影响。

本实施例中的所有部件都可以通过MEMS（微机电***）工艺实现。上下玻璃极板可以通过对玻璃基底进行光刻胶掩模之后的湿法刻蚀工艺制作。上下极板上的电极通过在上极板下端面、下极板上端面上旋涂光刻胶，光刻，显影，电镀金属电极实现。金属支撑柱和金属圆盘状陀螺振子可通过牺牲层工艺，利用厚SU-8胶作为牺牲层，光刻，溅射金属材料，制作支撑柱和振子。振子上的压电薄膜驱动电极可通过溶胶-凝胶法沉积，计划方向垂直于圆盘状陀螺振子的上表面。

由于圆盘状陀螺振子1材料本身的必然存在的缺陷和制造过程中不可避免的一些误差的影响，这就可能导致陀螺产生特殊振动模态的实际频率同激励信号频率不匹配，从而使陀螺的性能受到影响。通过仿真分析发现，在此模态振动时上下极板信号检测电极电容值输出存在一个极值，这一特点可用来检测陀螺是否工作在与选定的特殊模态匹配的共振频率下，减少理论和实际器件之间的误差，以保证陀螺的性能。

以上，对本发明的优选实例进行了详细说明，但本发明可以通过对上述实施例进行各种变形或变更而实施。例如，如图7和图8所示，陀螺振子的结构还可以为轮辐状和蜂窝状，其结构相对复杂。另外，如音叉陀螺一样，其还可以在四个驱动电极的下方添加质量块，增大惯性力作用所产生的振幅，提高陀螺的灵敏度和检测效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范畴。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也都应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种压电驱动电容检测双轴陀螺仪，其特征在于包括：陀螺振子，支撑圆柱，压电薄膜驱动电极，上极板，下极板，上极板信号检测电极以及下极板信号检测电极；所述陀螺振子为圆盘状，陀螺振子上表面设有压电薄膜驱动电极，陀螺振子下表面和支撑圆柱相连，支撑圆柱另一端固定在下极板上，下极板固定在载体上，上极板信号检测电极位于上极板下端面，下极板信号检测电极位于下极板上端面，上极板、下极板和陀螺振子装配形成差分电容用于检测输出信号；

所述陀螺振子上表面的压电薄膜驱动电极在圆盘上的分布关于振子上表面圆心对称；关于圆心对称的两对压电薄膜驱动电极的中心连线经过圆盘状陀螺振子上表面圆心，分别为上表面第一中心线和上表面第二中心线，上表面第一中心线和上表面第二中心线垂直；

关于圆心对称的两对所述上极板信号检测电极的中心连线经过上极板下端面圆心，分别为上极板下端面第一中心线和上极板下端面第二中心线，上极板下端面第一中心线和上极板下端面第二中心线垂直；

关于圆心对称的两对下极板信号检测电极的中心连线经过下极板上端面圆心，分别为下极板上端面第一中心线和下极板上端面第二中心线，下极板上端面第一中心线和下极板上端面第二中心线垂直；

上极板下端面第一中心线、下极板上端面第一中心线和陀螺振子上表面第一中心线平行且位于同一平面内；上极板下端面第二中心线、下极板上端面第二中心线和陀螺振子上表面第二中心线平行且位于同一平面内；

上极板信号检测电极和圆盘状陀螺振子，下极板信号检测电极和圆盘状陀螺振子构成差分电容。

2.根据权利要求1所述的压电驱动电容检测双轴陀螺仪，其特征是，所述陀螺振子或者为轮辐状或蜂窝状。

3.根据权利要求1或2所述的压电驱动电容检测双轴陀螺仪，其特征是，所述陀螺振子的材料为金属材料，陀螺振子上表面和下表面平行。

4.根据权利要求1所述的压电驱动电容检测双轴陀螺仪，其特征是，所述上极板为非金属材料，结构为圆盘状，其中位于圆盘结构下端的一个端面为下端面，位于圆盘结构上端的另外一个端面为上端面，上下端面平行。

5.根据权利要求1所述的压电驱动电容检测双轴陀螺仪，其特征是，所述下极板为非金属材料，结构为圆盘状，其中位于圆盘结构下端的一个端面为下端面，位于圆盘结构上端的另外一个端面为上端面，上下端面平行。

6.根据权利要求1或2所述的压电驱动电容检测双轴陀螺仪，其特征是，所述上极板信号检测电极为金属电极，结构为圆弧状，共有四个，位于上极板的下端面上，均匀的分布在下端面圆周上。

7.根据权利要求1或2所述的压电驱动电容检测双轴陀螺仪，其特征是，所述下极板信号检测电极为金属电极，结构为圆弧状，共有四个，位于下极板的上端面上，均匀的分布在上端面圆周上。

8.根据权利要求1所述的压电驱动电容检测双轴陀螺仪，其特征是，所述支撑圆柱为金属结构材料，支撑圆柱体上端同圆盘的下表面垂直，支撑圆柱体下端固定在下极板上。

9.根据权利要求1所述的压电驱动电容检测双轴陀螺仪，其特征是，所述压电薄膜驱动电极为压电材料，极化方向垂直于圆盘状陀螺振子的上下表面，结构为圆弧状，共有四个，位于圆盘状陀螺振子的上表面，均匀的分布在和圆形表面同心的圆周上。

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