CN112161617B - 一种轴对称谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轴对称谐振器,包括玻璃球壳,在玻璃球壳内设有支柱、底层电极、压电薄膜和表层电极;底层引脚电极附着于支柱表面,底层辐条电极和底层压电电极附着于玻璃球壳内表面;每个底层压电电极分别通过底层辐条电极与底层引脚电极电连接;压电薄膜一一对应地设置在每个底层压电电极表面上;表层压电电极一一对应地附着于每个压电薄膜表面,并与对应位置的底层压电电极形成一对电极,分别作为激励电极或者检测电极;表层辐条电极附着于玻璃球壳内表面;所有表层引脚电极附着于玻璃球壳支柱表面并分别通过表层辐条电极与表层压电电极电连接。本发明结构及工艺更为简单,加工方便,更利于批量化制作。
Description
技术领域
本发明涉及惯性传感技术领域,具体涉及一种可实现角度变化感测的轴对称谐振器。
背景技术
微半球陀螺兼具成本低、体积小和精度高等多优点,已成为微型高精度陀螺的热门研究方向之一,其核心元件微半球谐振器为三维轴对称结构。
微半球谐振器的微加工工艺包括微吹制法、牺牲层法、精加工法等,微吹制法通过将玻璃材料加热至其软化点,上下表面的压力差驱动处于流体态的谐振器热塑变形,谐振器完成结构成型。微吹制工艺方案制作的谐振器轴对称性高、表面粗糙度低、壳体材质内部缺陷少,因此谐振器的Q值较高,多为几十万至几百万,时间常数几秒至几百秒,陀螺零偏稳定性最优已达10-3°/h量级。
现有的技术方案中,吹制后的微半球谐振器的振动信号采用静电激励和检测,需将微半球谐振器与激励检测电极进行微组装形成几微米至二十微米的静电电容间隙,且对间隙精度及一致性要求较高,大幅增加了工艺难度,使得微组装工艺成为制约吹制型微半球陀螺批量化制作的瓶颈工艺之一。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足,本发明的目的是提供一种结构简单、加工方便、无需微组装且适合批量制作的轴对称谐振器。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种轴对称谐振器,包括球冠状的玻璃球壳,在玻璃球壳内中心处沿径向设有支柱;在玻璃球壳唇缘上设有电镀质量环,其特征在于:在玻璃球壳内设有底层电极、压电薄膜和表层电极;
所述底层电极包括底层引脚电极、底层辐条电极和底层压电电极,其中底层引脚电极附着于玻璃球壳支柱表面,底层辐条电极和底层压电电极附着于玻璃球壳内表面;底层压电电极为2n个,n为整数且≥0,所有底层压电电极位于同一个圆周上且该圆周所在面平行于唇缘所在面;每个底层压电电极分别通过一一对应的底层辐条电极与同一个底层引脚电极电连接;
所述压电薄膜的数量与底层压电电极的数量相同并一一对应地设置在每个底层压电电极表面上;
所述表层电极包括表层引脚电极、表层辐条电极和表层压电电极,表层引脚电极、表层辐条电极、表层压电电极的数量均与压电薄膜的数量相同;其中表层压电电极一一对应地附着于每个压电薄膜表面,并与对应位置的底层压电电极形成一对电极,分别作为激励电极或者检测电极;表层辐条电极附着于玻璃球壳内表面;所有表层引脚电极附着于玻璃球壳支柱表面并分别通过对应的表层辐条电极与表层压电电极电连接从而将对应的表层压电电极信号引出;
所有表层引脚电极之间以及所有表层引脚电极和底层引脚电极之间彼此隔离;所有表层辐条电极之间、所有底层辐条电极之间以及每个表层辐条电极和每个底层辐条电极之间均彼此隔离。
优选地,所有底层压电电极、压电薄膜和表层压电电极设置在靠近玻璃球壳顶部位置。
优选地,所有底层压电电极和表层压电电极的形状、尺寸分别与对应位置的压电薄膜的形状、尺寸一致。
进一步地,所有底层压电电极首尾相连形成一个封闭的环带,所有压电薄膜对应的首尾相连形成一个封闭的环带并设置在底层压电电极形成的环带的表面,2n个表层压电电极间隔均匀地设置在压电薄膜形成的环带的表面。
其中,所述底层压电电极为八个形状相同且等间距分布的扇环,压电薄膜和表层压电电极为对应的八个形状相同且等间距分布的扇环。
其中,所述底层压电电极为16个形状相同且等间距分布的扇环,压电薄膜和表层压电电极为对应的16个形状相同且等间距分布的扇环。
本发明的有益效果是:与采用静电进行激励检测的微半球谐振器不同,本发明通过在微半球玻璃球壳表面沉积的方式设置压电薄膜作为谐振器的振动激励和检测,无需外置结构的激励检测电极及其与玻璃球壳的微组装工艺,结构及工艺更为简单,加工方便,更利于批量化制作。
附图说明
图1是本发明轴对称谐振器实施例1(8个电极,压电薄膜位于唇缘附近)结构示意图。
图2是本发明轴对称谐振器实施例1无表层压电电极和无表层辐条电极结构示意图。
图3是本发明轴对称谐振器实施例1无表层压电电极、无表层辐条电极、无压电薄膜的结构示意图。
图4是本发明轴对称谐振器实施例2(8个电极,压电薄膜位于球壳顶部附近)结构示意图。
图5是本发明轴对称谐振器实施例3(16个电极,压电薄膜位于唇缘附近)结构示意图。
其中:1-轴对称谐振器;10-玻璃球壳;11-支柱;12-曲面结构;13-唇缘;21-底层引脚电极;22a~22h-底层辐条电极;23a~23h-底层压电电极;30a~30h-压电薄膜;41a~41h-表层引脚电极;42a~42h-表层辐条电极;43a~43h-表层压电电极;50-电镀质量环。
具体实施方式
以下将结合附图,对本发明的优选实施例进行详细的描述;应当理解,优选实施例仅为了说明本发明,而不是为了限制本发明的保护范围。
实施例1
图1是本发明轴对称谐振器实施例1结构示意图。图2是本发明轴对称谐振器实施例1无表层压电电极和无表层辐条电极的结构示意图。图3是本发明轴对称谐振器实施例1无表层压电电极、无表层辐条电极、无压电薄膜的结构示意图。如图1-图3所示,本发明提供的轴对称谐振器1,包括球冠状的玻璃球壳10、底层电极、压电薄膜、表层电极、电镀质量环50。所述玻璃球壳10包括支柱11、曲面结构12、唇缘13(玻璃球壳的环状口部),支柱11沿径向设置在玻璃球壳10内中心处。实施例1中底层电极包括一个底层引脚电极21、八个底层辐条电极22a~22h、八个底层压电电极23a~23h,其中底层引脚电极21附着于玻璃球壳支柱11表面,八个底层辐条电极22a~22h和八个底层压电电极23a~23h均间隔均匀地附着于球壳曲面结构12上。所有底层压电电极位于同一个圆周上且该圆周所在面平行于唇缘所在面;每个底层压电电极分别通过一一对应的底层辐条电极与同一个底层引脚电极电连接,其中底层辐条电极沿玻璃球壳径向均匀设置。
所述压电薄膜的数量与底层压电电极的数量相同并一一对应地设置在每个底层压电电极表面上。由于实施例1底层压电电极为8个,所以压电薄膜为对应的8个,图2中标号30a~30h为压电薄膜。
表层电极的数量与压电薄膜的数量一一对应,即表层电极也为8个。每个表层电极包括表层引脚电极、表层辐条电极和表层压电电极,即实施例1表层电极共包括8个表层引脚电极41a~41h、8个表层辐条电极42a~42h和8个表层压电电极43a~43h,其中表层引脚电极41a~41h间隔均匀地附着于玻璃球壳支柱11表面,表层辐条电极42a~42h间隔均匀地附着于球壳曲面结构12上并沿径向设置,表层压电电极43a~43h对应附着于每个压电薄膜表面,与对应位置的底层压电电极23a~23h形成一对电极。当该对电极作为激励电极时,在二者之间施加电压通过压电效应驱动对应的压电薄膜产生沿膜层表面方向应变,进而带动玻璃球壳10表面产生相应的形变,当该电压频率与玻璃球壳10的四波腹模态频率接近或重合时,玻璃球壳的振动幅度达到最大。当该对电极作为检测电极时,玻璃球壳10振动时表面会产生相应的应变,并带动压电薄膜产生沿表面方向的形变,由于逆压电效应在压电薄膜表面产生电荷累积并通过上下表面的底层压电电极和表层压电电极输出外部电路进行检测,进而表征玻璃球壳10在相应位置的形变量。所有表层引脚电极分别通过对应的表层辐条电极与表层压电电极电连接从而将对应的表层压电电极信号引出,即表层辐条电极两端分别连接表层压电电极和表层引脚电极。
所有表层引脚电极之间以及和底层引脚电极之间彼此隔离;所有表层辐条电极之间、所有底层辐条电极之间以及每个表层辐条电极和每个底层辐条电极之间均彼此隔离。
所述电镀质量环50附着于玻璃球壳10的唇缘13上,可通过激光刻蚀或等离子刻蚀的方式去除部分电镀质量环以实现对轴对称谐振器1频率的调节。
实施例2
如图4所示,该实施例的轴对称谐振器与实施例1的轴对称谐振器结构类似,不同的是八个底层压电电极、八个压电薄膜、八个表层压电电极设置于玻璃球壳10顶部附近曲面结构12上。
由于玻璃球壳10在振动过程中,唇缘13附近的振动能量较为集中,若将压电薄膜及相应的底层和表层压电电极设置于该位置,由于压电薄膜和金属薄膜的品质因数不高,将会显著劣化谐振器1的谐振品质因数。在本实施例中,将压电薄膜和八个底层压电电极23a~23h、八个表层压电电极43a~43h设置于玻璃球壳10顶部附近区域,可有效降低对谐振器1品质因数的影响,使得谐振器1仍保持高稳定的谐振特性。
实施例3
如图5所示,该实施例的轴对称谐振器与实施例1的轴对称谐振器结构类似,不同的是压电薄膜数量由8个增加到16个,相应地表层压电电极、表层辐条电极、表层引脚电极、底层压电电极、底层辐条电极的数量也由8个增加到16个,且底层引脚电极与底层辐条电极相连接的部位也由8个增加到16个。
增加压电薄膜和电极数量后,使得陀螺振动量的激励和检测更为精确,有利于提升微半球陀螺输出精度。
在本实施例中,压电薄膜和底层压电电极设置为16个分离的扇形,且其形状、位置与表层压电电极一一对应。
实施例1中压电薄膜、表层压电电极和底层压电电极为八个分离的扇环并均匀设置于唇缘附近,也可依据需求或工艺能力将其中的压电薄膜和底层压电电极各自分别首尾相连形成一个封闭的环带,并使两个环带的位置和形状一一对应,该环状可设置于唇缘附近或者球壳顶部或者球壳任意曲面结构上,但需平行于唇缘。相应地,底层辐条电极为对应的一个。但表层压电电极不能为一体,必须为分离的2n个(如8个或者16个)扇环,否则无法实现2n个位置的分别激励和检测。相应地,表层辐条电极和表层引脚电极为对应的2n个。
与采用静电进行激励检测的微半球谐振器不同,本发明通过在微半球玻璃球壳表面沉积压电薄膜作为谐振器的振动激励和检测,无需外置结构的激励检测电极及其与玻璃球壳的微组装工艺,结构及工艺更为简单,更利于批量化制作。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (6)
1.一种轴对称谐振器,包括球冠状的玻璃球壳,在玻璃球壳内中心处沿径向设有支柱;在玻璃球壳唇缘上设有电镀质量环,其特征在于:在玻璃球壳内设有底层电极、压电薄膜和表层电极;
所述底层电极包括底层引脚电极、底层辐条电极和底层压电电极,其中底层引脚电极附着于玻璃球壳支柱表面,底层辐条电极和底层压电电极附着于玻璃球壳内表面;底层压电电极为2n个,n为整数且≥0,所有底层压电电极位于同一个圆周上且该圆周所在面平行于唇缘所在面;每个底层压电电极分别通过一一对应的底层辐条电极与同一个底层引脚电极电连接;
所述压电薄膜的数量与底层压电电极的数量相同并一一对应地设置在每个底层压电电极表面上;
所述表层电极包括表层引脚电极、表层辐条电极和表层压电电极,表层引脚电极、表层辐条电极、表层压电电极的数量均与压电薄膜的数量相同;其中表层压电电极一一对应地附着于每个压电薄膜表面,并与对应位置的底层压电电极形成一对电极,分别作为激励电极或者检测电极;表层辐条电极附着于玻璃球壳内表面;所有表层引脚电极附着于玻璃球壳支柱表面并分别通过对应的表层辐条电极与表层压电电极电连接从而将对应的表层压电电极信号引出;
所有表层引脚电极之间以及所有表层引脚电极和底层引脚电极之间彼此隔离;所有表层辐条电极之间、所有底层辐条电极之间以及每个表层辐条电极和每个底层辐条电极之间均彼此隔离。
2.根据权利要求1所述的轴对称谐振器,其特征在于:所有底层压电电极、压电薄膜和表层压电电极设置在靠近玻璃球壳顶部位置。
3.根据权利要求1所述的轴对称谐振器,其特征在于:所有底层压电电极和表层压电电极的形状、尺寸分别与对应位置的压电薄膜的形状、尺寸一致。
4.根据权利要求1所述的轴对称谐振器,其特征在于:所有底层压电电极首尾相连形成一个封闭的环带,所有压电薄膜对应的首尾相连形成一个封闭的环带并设置在底层压电电极形成的环带的表面,2n个表层压电电极间隔均匀地设置在压电薄膜形成的环带的表面。
5.根据权利要求1所述的轴对称谐振器,其特征在于:所述底层压电电极为八个形状相同且等间距分布的扇环,压电薄膜和表层压电电极为对应的八个形状相同且等间距分布的扇环。
6.根据权利要求1所述的轴对称谐振器,其特征在于:所述底层压电电极为16个形状相同且等间距分布的扇环,压电薄膜和表层压电电极为对应的16个形状相同且等间距分布的扇环。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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