[发明专利]压电驱动电容检测微固体模态陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的微陀螺，具体是一种压电驱动电容检测微固体模态陀螺。

背景技术

在过去的一个世纪里，陀螺技术经历了一系列的革命性发展历程。20世纪初，Elmer Sperry发明了陀螺罗经，并将它应用在航海导航中。20世纪50年代，已经实现了采用框架陀螺和加速度计系统来感应飞行器的六自由度运动。这些早期的陀螺系统只用于方位参考，因此对它们没有较高的精度要求。由于框架式陀螺系统的高复杂性和高费用，20世纪70年代开始兴起发展捷联式惯性参考系统。要想获得足够高的性能，捷联式系统要求有较高的精度，它的陀螺精度漂移要低于0.01deg/h。为了满足这样的精度需求，人们开发出了具有超高精度和高可靠性的基于Sagnac效应的光学陀螺。光学陀螺体积大、价格昂贵，因此主要应用于航天、航海和航空领域中。在过去的30多年里，随着MEMS技术的出现和逐步发展，国内外科研人员一直在致力于微惯性传感器的开发，力求制造出体积小、价格便宜、功耗低的高性能MEMS微陀螺。

经对现有技术的文献检索发现，日本神户大学的K.Maenaka等人在2006伊斯坦布尔的第19届IEEE MEMS会议上发表了一篇论文，题为“新型固态微型陀螺”，该论文被收录在第634页到第637页。他们提出了一种基于压电体特殊振动模态的全固态微陀螺。他们对长方形压电体振动模态的研究发现，在某高阶振动模态下，压电体上的各质点基本沿着同一个轴向振动（如x轴），并且相邻两棱边周围的质点振动方向相反，即某一个棱边为拉伸运动时，则相邻的棱边为压缩运动，他们以压电体在这种特殊振动模态下的振动作为驱动振动（共振频率约为几百KHz），当沿着某个特定轴向（如y轴）上有角速率输入时，在压电体极化方向（如z轴）上感应振动可以通过压电体表面的感应电压检测出来。经过初步的研究，他们验证了这种微陀螺方案的可行性。由于没有采用传统的弹簧质量振动系统，这种特殊的全固态微陀螺中没有弹性支撑的柔性结构，因此可以承受较高的外界冲击，抗冲击抗震动能力强，并且它对真空封装无特殊要求，可以工作常压下。由于工作在较高的工作频率下，有利于提高微陀螺的测量带宽。

压电型全固态微陀螺的振动体是压电体，通常可用的压电效应较强的压电体材料为PZT压电陶瓷。压电陶瓷的弹性和可微细加工性能有限，并且压电陶瓷的材料和电学特性对温度较敏感，这限制了这种微陀螺的制造精度的提高，它的材料选择性有限，微细加工批量化制造的可行性不高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于弹性基体的微固体模态陀螺。微固体模态陀螺是一种新型的MEMS角速率传感器，这种微固体模态陀螺利用弹性基体的特殊振动模态进行工作，这种新型微陀螺利用静电力进行弹性体的工作振动模态激振，利用电容来检测由科氏力激励的感应振动。静电力驱动电容检测是在微机电系统中广泛应用的驱动及检测方法，尤其在微陀螺中是发展比较成熟的技术，它能获得较大的驱动力及较高的检测精度，并已于CMOS电路进行集成，便于批量化生产，降低这种类型微陀螺的制造成本。微固体模态陀螺的振子可以采用结构阻尼较小的材料进行制作，有利于提高振子的品质因子，从而进一步提高微固体模态陀螺的检测精度。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：弹性微振子、压电驱动电极、参考振动感应电极、科氏力感应电极，其中弹性微振子、参考振动感应电极、科氏力感应电极都是通过下表面固定，压电驱动电极位于弹性微振子上表面，和弹性微振子形成固定联结，参考振动感应电极、科氏力感应电极位于方形弹性微振子侧面，且它们的侧壁和相邻方形弹性微振子侧壁之间有微小的间隙，形成参考振动检测和感应振动检测的极间距可变电容。

所述弹性微振子是个方形结构，它是整个微固体模态陀螺的振动部件。弹性振子的下表面固定，四个侧面和周围的参考振动感应电极、科氏力感应电极形成检测电容，这些电容完成微固体模态陀螺的参考振动的检测以及感应振动的检测。弹性微振子采用弹性特性较好的材料制作而成，这种弹性材料的结构阻尼较小，它具有极高的振动品质因子，这种特性有利于提高微固体模态陀螺的检测灵敏度。

所述的压电驱动电极共有两个，它们位于弹性微振子的上表面，和弹性微振子形成固定联结。压电驱动电极采用压电材料制作，通常为PZT。当在压电驱动电极上施加弹性微振子工作模态频率的交变信号时，产生弹性微振子参考振动的激励力，使弹性微振子在参考振动模态下振动。