摇摆质量增强压电体声波固体波动圆盘微陀螺.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103575262 A (43)申请公布日 2014.02.12 CN 103575262 A (21)申请号 201310473448.0 (22)申请日 2013.10.11 G01C 19/5684(2012.01) (71)申请人 上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路 800 号 (72)发明人 张卫平 张弓 唐健 成宇翔 许仲兴 陈文元 汪濙海 (74)专利代理机构 上海汉声知识产权代理有限 公司 31236 代理人 郭国中 (54) 发明名称 摇摆质量增强压电体声波固体波动圆盘微陀 螺 (57) 摘要 本发明公开一种摇摆质量增强压电体声波固。

2、 体波动圆盘微陀螺， 包括 ： 一个压电圆盘， 一个摇 摆质量体， 四个电极以及一个固定夹紧装置。 其中 电极又包括 ： 两个检测电极和两个驱动电极。所 述摇摆质量体位于压电圆盘中心直立固定， 所述 四个电极沿圆盘表面四周均匀分布， 驱动电极和 检测电极间隔放置， 固定夹紧装置在圆盘四周外 侧均匀间隔处对圆盘进行固定， 紧紧夹在圆盘外 围四周。本发明圆盘结构高度对称， 驱动模态和 检测模态刚好分别在驱动电极和检测电极的方向 上 ； 只用一对检测电极， 对于检测沿摇摆质量体 柱形方向的角速度十分有利 ； 本发明结构简单、 小体积、 具有高 Q 值等特点且不需要真空封装。 (51)Int.Cl. 。

3、权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103575262 A CN 103575262 A 1/1 页 2 1. 一种摇摆质量增强压电体声波固体波动圆盘微陀螺， 其特征在于包括 ： 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， 摇摆质量体材料为金属 ； 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。

4、对圆盘进行固定。 2. 根据权利要求 1 所述的摇摆质量增强压电体声波固体波动圆盘微陀螺， 其特征是 ： 所述微陀螺利用驱动方向上所述压电圆盘的逆压电效应进行驱动， 利用检测方向上所述摇 摆质量体导致的所述压电圆盘形变而产生的正压电效应进行检测。 3. 根据权利要求 1 所述的摇摆质量增强压电体声波固体波动圆盘微陀螺， 其特征是 ： 所述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。 4. 根据权利要求 1 所述的摇摆质量增强压电体声波固体波动圆盘微陀螺， 其特征是 ： 所述两个检测电极材料为金属。

5、， 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。 5. 根据权利要求 1-4 任一项所述的摇摆质量增强压电体声波固体波动圆盘微陀螺， 其 特征是 ： 所述四个电极为金属材料， 都是通过电镀的方式均匀制作在所述压电圆盘四周上， 所述摇摆质量体固定粘合在所述压电圆盘中心。 6. 根据权利要求 1-4 任一项所述的摇摆质量增强压电体声波固体波动圆盘微陀螺， 其 特征是 ： 所述固定夹紧装置夹在圆盘外围四周， 固定夹紧装置的小块同四个电极均匀间隔 放置。 7. 根据权利要求 1-4 任一项所述的摇摆质量增强压电体声波固体波动圆盘微陀螺， 其 特征是所述压电圆盘上的两个驱动电极在被施加。

6、反相交流电压并且频率为特定模态频率 时， 由逆压电效应， 使压电圆盘产生振动， 激励体声波产生， 形成压电圆盘二波腹面外谐振 模态， 是为驱动模态振动， 而摇摆质量体随之振动， 并增强这种效应 ； 当存在沿摇摆质量体 柱形方向的角速度输入时， 由柯氏效应， 摇摆质量体在检测方向上出现振动分量， 带动压电 圆盘在这个方向检测电极位置上产生面外检测模态的振动， 由正压电效应， 检测电极上将 产生正比于外加角速度大小的电信号， 利用检测电极上检测的信号即得到外加角速度的检 测。 权 利 要 求 书 CN 103575262 A 2 1/4 页 3 摇摆质量增强压电体声波固体波动圆盘微陀螺 技术领域 。

7、0001 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 0002 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、 。

8、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。 0003 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。 0004 经对现有技术的文献检索发现， 2012年Ran Guan在Key Eng。

9、ineering 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。

10、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。 0005 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。

11、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 0006 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 说 明 书 CN 103575262 A 3 2/4 页 4 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。 0007 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 ： 0008 一个压电圆盘 ； 0009 一个摇摆质量体， 该摇摆质量体固定在所述压电圆盘中心 ； 0010 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。

12、两 个检测电极， 并且驱动电极与检测电极间隔放置 ； 0011 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。 0012 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。 0013 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。 0014 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。 0015 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。

13、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。 0016 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。 0017 本发明中在压电圆盘上的两个驱动电极在被施加反相交流电压并且频率为特定 模态频率时， 由逆压电效应， 使压电圆盘产生振动， 激励体声波产生， 形成压电圆盘二波腹 面外谐振模态， 而摇摆质量体随之振动， 并增强了这种效应。 当存在沿摇摆质量体柱形方向 的角速度输入时， 由柯氏效应， 摇摆质量体在检测方向上出现振动分量， 带动压电圆盘在这 个方向检测。

14、电极位置上产生面外检测模态的振动， 由正压电效应， 检测电极上将产生正比 于外加角速度大小的电信号， 利用检测电极上检测的信号即可得到外加角速度的检测。 0018 与现有技术相比， 本发明具有如下的有益效果 ： 圆盘结构高度对称， 驱动模态和检 测模态刚好分别在驱动电极和检测电极的方向上 ； 只用一对检测电极， 对于检测沿摇摆质 量体柱形方向的角速度十分有利 ； 谐振频率在 100kHz 左右， 可以使机械 （布朗） 低噪降低 ； 通过利用 MEMS 微加工工艺， 使圆盘实现高度对称， 电极均匀分布， 提高了准确性 ； 驱动模态 和检测模态频率分裂小， 减小了温度变化对于驱动模态和检测模态的影。

15、响， 因此降低了温 度敏感性 ； 尺寸小， 抗冲击性能好， 在大气压或者接近大气压下维持高的 Q 值， 这简化了陀 螺仪的封装从而降低了制造成本， 使用范围广， 利于批量生产。 附图说明 0019 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述， 本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显， 附图中相同的标号表示相同的结构元件， 其中 ： 0020 图 1 是本发明的立体结构示意图 ； 说 明 书 CN 103575262 A 4 3/4 页 5 0021 图 2 是本发明的 ANSYS 仿真模态图， 是该发明摇摆质量增强压电体声波固体波动 圆盘微陀螺驱动模态振型示意图 ； 0022 图。

16、 3 是本发明的工作原理， 说明的是在输入角速度的情况下， 摇摆质量体因柯氏 效应产生检测方向的振动分量示意图 ； 0023 图 4 是本发明的 ANSYS 仿真模态图， 是该发明摇摆质量增强压电体声波固体波动 圆盘微陀螺检测模态振型示意图 ； 0024 图 5 是摇摆质量体顶点运动轨迹示意图， 其中 （a） 、（b） 分别在无外加角速度和有 外加角速度的情况下摇摆质量体顶点运动轨迹 ； 0025 图 6 是本发明的截面示意图， 显示了各个部分之间的接触关系 ； 0026 图中 ： 1为压电圆盘， 2为摇摆质量体， 3为电极， 4为固定夹紧装置。 其中电极3中， 31 为驱动电极， 32 为检。

17、测电极。 具体实施方式 0027 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。 以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明， 但不以任何形式限制本发明。 应当指出的是， 对本领域的普通技术 人员来说， 在不脱离本发明构思的前提下， 还可以做出若干变形和改进。 这些都属于本发明 的保护范围。 0028 如图 1 所示， 本实施例包括 ： 0029 一个压电圆盘 1 ； 0030 一个摇摆质量体 2， 该摇摆质量体 2 固定在所述压电圆盘 1 中心 ； 0031 四个均匀分布于圆盘四周的电极 3， 所述四个电极 3 包括两个驱动电极 31 和两个 检测电极 32， 并且驱动电极 31 与检测。

18、电极 32 间隔放置 ； 0032 一个固定夹紧装置 4， 该装置在所述压电圆盘 1 四周外侧均匀间隔处对圆盘进行 固定。 0033 本实施例中， 所述压电圆盘 1 材料为压电材料。压电材料在外部力的作用下会产 生电场， 相反， 当该晶体在外加电压作用下会伸展或收缩， 这种特性被称为压电效应。压电 效应是由于某些材料晶体原始单元中的电荷不对称性， 从而导致形成电偶极子， 在整个晶 体内， 这些偶极子效应的叠加产生整个晶体的极化， 从而在材料内部产生电场。 只有缺少对 称中心的晶体才显现出压电特性。常用的压电材料有石英、 压电陶瓷 （如 LiNbO3、 BaTiO3） 、 PZT（锆钛酸铅） 、。

19、 ZnO、 PVDF（聚偏氟乙稀） 等。本实施例中使用压电材料获取最大振动位移， 选取压电系数较大的PZT材料， 利用陀螺驱动方向上压电圆盘1的逆压电效应进行驱动， 利 用检测方向上摇摆质量体 2 导致的压电圆盘 1 形变而产生的正压电效应进行检测。 0034 本实施例中， 固定夹紧装置4在圆盘四周外侧均匀间隔处对圆盘1进行固定， 紧紧 夹在圆盘外围四周， 间隔 90 度， 装置材料为有机玻璃。 0035 本实施例中， 所述摇摆质量体2材料为碳钢， 所述的四个电极3为金属材料镍都是 通过电镀的方式均匀制作在压电圆盘 1 四周上， 间隔 90 度， 摇摆质量体 2 固定粘合在压电 圆盘 1 中心。

20、。四个电极 3 同固定夹紧装置 4 的小块均匀间隔 45 度放置。 0036 本实施例中， 四个电极 3 中的两个驱动电极 31 采用金属材料镍， 对向放置于压电 圆盘 1 上， 间隔 180 度， 用于施加交变电压， 驱动陀螺， 使压电圆盘 1 在驱动电极 31 位置上 说 明 书 CN 103575262 A 5 4/4 页 6 产生垂直压电圆盘方向上驱动模态的振动。 0037 本实施例中， 四个电极 3 中的两个检测电极 32 采用金属材料镍， 对向放置于压电 圆盘 1 上， 间隔 180 度 ； 用于检测在检测模态下陀螺输出的信号。 0038 本实施例中， 在压电圆盘1上的两个驱动电极。

21、31上施加反相交流电压并且频率为 特定模态频率时， 由逆压电效应， 使压电圆盘 1 产生振动， 激励体声波产生， 形成压电圆盘 1 二波腹面外谐振模态， 是为驱动模态， 而摇摆质量体 2 随之振动， 并增强了这种效应。当存 在沿摇摆质量体2柱形方向的角速度输入时， 由柯氏效应， 摇摆质量体2在检测方向上出现 振动分量， 带动压电圆盘 1 在这个方向检测电极 32 位置上产生面外检测模态的振动， 由正 压电效应， 检测电极32上将产生正比于外加角速度大小的电信号， 利用检测电极32上检测 的信号即可得到外加角速度的检测。 0039 如图2所示， 是通过有限元方法得到的本实例的ANSYS仿真驱动模。

22、态图， 即摇摆质 量增强压电体声波固体波动圆盘微陀螺驱动模态振型示意图， 在驱动电极 31 上施加正弦 电压信号， 使得压电圆盘 1 由于逆压电效应在该位置上产生圆盘的面外振动， 激励体声波 产生， 形成该陀螺的驱动模态， 而摇摆质量体 2 随之振动， 并增强了这种效应。 0040 如图 3 所示， 本实例的工作原理， 说明的是在输入角速度的情况下， 摇摆质量体 2 因柯氏效应产生检测方向的振动分量示意图， 当存在沿摇摆质量体 2 柱形方向的角速度输 入时， 由柯氏效应， 摇摆质量体 2 在检测方向上出现振动分量。 0041 如图4所示， 是通过有限元方法得到的本实例的ANSYS仿真检测模态图。

23、， 即摇摆质 量增强压电体声波固体波动圆盘微陀螺检测模态振型示意图， 当存在沿摇摆质量体 2 柱形 方向的角速度输入时， 由柯氏效应， 摇摆质量体 2 在检测方向上出现振动分量， 带动压电圆 盘 1 在这个方向检测电极 32 位置上产生面外检测模态的振动， 由正压电效应， 检测电极 32 上将产生正比于外加角速度大小的电信号， 利用检测电极 32 上检测的信号即可得到外加 角速度的检测。 0042 如图 5 所示， 其中 a）（b） 分别为本实例在无外加角速度和有外加角速度的情况下， 摇摆质量体 2 顶点运动轨迹示意图 ； 当无外加角速度时， AB 所示为摇摆质量体 2 只沿驱动 电极 31 。

24、方向的运动轨迹 ； 当有外加角速度时， 摇摆质量体 2 产生沿检测电极 32 方向 CD 的 振动分量， 因此在这种情况下， 摇摆质量体 2 顶点运动轨迹为一个椭圆 ADBC。 0043 如图 6 所示， 是本实例截面示意图， 显示了各个部分之间的接触关系。其中四个电 极 3 电镀于压电圆盘 1 之上， 摇摆质量体 2 固定粘合在压电圆盘 1 中心， 固定夹紧装置 4 紧 紧夹在压电圆盘 1 外围四周。四个电极 3 同固定夹紧装置 4 的小块均匀间隔 45 度放置。 0044 本实施例上述的摇摆质量增强压电体声波固体波动圆盘微陀螺， 利用压电圆盘 1 驱动， 采用 MEMS 微细加工工艺， 用。

25、牺牲层即在压电圆盘面上旋涂厚光刻胶， 利用制作好的 掩模板进行光刻、 显影、 图形化， 再光刻胶掩模上电镀金属， 形成电极 3 ； 在对整体进行切割 得到个体圆盘陀螺之后， 将摇摆质量体 2 固定粘合在压电圆盘 1 中心 ； 最后， 用固定夹紧装 置 4 固定夹紧， 并为该陀螺样机焊接外围电路以及进行最终的封装得到陀螺芯片成品。 0045 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。 说 明 书 CN 103575262 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103575262 A 7 2/2 页 8 图 4 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103575262 A 8 。