[发明专利]圆环波动微机械陀螺及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机电技术领域的固体波陀螺，具体来说，涉及的是一种基于固体波原理的压电驱动电容检测圆环微机械陀螺及其制备方法。

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，中国专利“固体波动陀螺的谐振子及固体波动陀螺”（专利申请号：CN201010294912.6）利用高性能的合金通过机械精密加工的方法制作出具有杯形振子的固体波动陀螺，杯形振子底盘上粘结有压电片作为驱动和检测电极，通过在驱动电极上施加一定频率的电压信号，对杯形振子施加压电驱动力，激励振子产生驱动模态下的固体波，当有杯形振子轴线方向角速度输入时，振子在科氏力作用下向另一简并的检测模态固体波转化，两个简并模态的固体波之间相位相差一定的角度，通过检测杯形振子底盘上检测电极输出电压的变化即可检测输入角速度的变化。

上述专利技术存在如下不足：该固体波动陀螺杯形谐振体体积过大，限制了其在很多必须小体积条件下的应用；杯形振子底盘的压电电极是粘结到杯形振子上的，在高频振动下存在脱落的可能，可靠性不高；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。

发明内容

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、具有高Q值且不需要真空封装的高频固体波圆环波动微机械陀螺及其制备方法，该陀螺适合大批量生产。

根据本发明的一个方面，提供一种圆环波动微机械陀螺，包括：

一基底；

一位于所述基底上的金属圆环谐振子；

一层位于所述金属圆环谐振子内的基底上的压电薄膜，该压电薄膜含有驱动电极；

两个均布于所述金属圆环谐振子圆环周围的检测电极；

两个均布于所述金属圆环谐振子圆环周围的平衡电极；以及

四个均布于所述金属圆环谐振子圆环周围的监测电极；

其中：两个所述检测电极、两个所述平衡电极间隔设置在四个所述监测电极之间，这八个电极与金属圆环谐振子形成了八个以空气作为介电质的电容，使用这八个电容来监测、检测和平衡该陀螺的工作状态。

优选地，所述金属圆环谐振子材料为铜，使用压电效应进行驱动，使用检测电极与金属谐振子形成的电容的间隙变化来检测，金属圆环谐振子下表面直接与基底联接。

优选地，所述四个监测电极、两个检测电极和两个平衡电极，每个电极为张角25°的圆环形，相邻电极之间的夹角为20°。

优选地，所述四个监测电极材料为金属，监测电极均分圆周分布，用于监测金属圆环谐振子是否工作在驱动模态振型下。

优选地，所述两个检测电极材料为金属，检测电极均分圆周分布，用于检测垂直于基底平面方向即z轴方向的角速度引起的金属圆环谐振子径向振动。

优选地，所述两个平衡电极材料为金属，平衡电极均分圆周分布，用于恢复金属圆环谐振子的驱动模态振型，使得陀螺仪工作在力平衡模式。

优选地，所述金属圆环谐振子和各电极都是通过电镀的方式分层制作在基板上，压电薄膜使用溅射的方法制作。