一種內(nèi)外環(huán)固定式壓電驅(qū)動(dòng)多環(huán)陀螺及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域的固體波動(dòng)模態(tài)匹配陀螺，具體地，涉及一種內(nèi)外環(huán)固定式壓電驅(qū)動(dòng)多環(huán)陀螺及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]陀螺儀是一種能夠敏感載體角度或角速度的慣性器件，在姿態(tài)控制和導(dǎo)航定位等領(lǐng)域有著非常重要的作用。隨著國防科技和航空、航天工業(yè)的發(fā)展，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對于陀螺儀的要求也向低成本、小體積、高精度、多軸檢測、高可靠性、能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的方向發(fā)展。基于MEMS技術(shù)的微陀螺儀采用微納批量制造技術(shù)加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而且環(huán)境適應(yīng)性、工作壽命、可靠性、集成度與傳統(tǒng)技術(shù)相比有極大的提高，因而MEMS微陀螺已經(jīng)成為近些年來MEMS技術(shù)廣泛研宄和應(yīng)用開發(fā)的一個(gè)重要方向。
[0003]固體波是固體中的一種機(jī)械波動(dòng)，把固體中某一點(diǎn)或部分受力或其他原因的擾動(dòng)引起的形變，如體積形變或剪切形變，以波動(dòng)的形式傳播到固體的其他部分。在波動(dòng)傳播過程中，固體中的質(zhì)點(diǎn)除在它原來的位置上有微小的振動(dòng)外，并不產(chǎn)生永久性的位移。因?yàn)楣腆w有彈性，彈性力有使擾動(dòng)引起的形變恢復(fù)到無形變的狀態(tài)的能力，于是形成波動(dòng)。彈性是固體中能形成波動(dòng)的主要原因。
[0004]經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利“微型半球諧振陀螺及其制備方法”(專利申請?zhí)?CN201310022146.1)通過刻蝕得到半球諧振子空腔，背面ICP刻蝕得到支撐體空腔，在空腔表面沉積二氧化硅絕緣層，在二氧化硅表面沉積多晶硅，得到半球諧振子和支撐體，去除多余多晶硅并刻蝕二氧化硅，得到可動(dòng)的半球諧振子。
[0005]此技術(shù)存在如下不足:半球形諧振陀螺由于涉及球面加工，加工難度大，工藝誤差難以控制；半球諧振子空腔通過刻蝕得到，球形度不夠高，半球諧振子球形度很大程度依賴于半球諧振子空腔，這對陀螺工作的性能有很大影響；該陀螺半球諧振子和支撐體接觸面積小，在高頻振動(dòng)下存在斷裂的可能，可靠性不高；陀螺的加工工藝比較復(fù)雜，加工成本較高，不適合大批量生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種內(nèi)外環(huán)固定式壓電驅(qū)動(dòng)多環(huán)陀螺的結(jié)構(gòu)，具有體積小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，響應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的對稱性，因而可以達(dá)到較高的性能。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種內(nèi)外環(huán)固定式壓電驅(qū)動(dòng)多環(huán)陀螺，包括:
[0008]一個(gè)含有五到八環(huán)的多環(huán)諧振器；
[0009]位于所述多環(huán)諧振器的兩相鄰環(huán)之間的多組輻條，相鄰兩組輻條的位置有一角度差;
[0010]一個(gè)支撐多環(huán)諧振器外環(huán)的固定滑槽；
[0011]一個(gè)支撐多環(huán)諧振器內(nèi)環(huán)的階梯式圓柱形支撐桿；
[0012]位于多環(huán)諧振器上表面的離散電極；
[0013]其中:所述多環(huán)諧振器的最外一圈環(huán)固定，最內(nèi)一圈環(huán)由階梯式圓柱形支撐桿固定，僅中間的環(huán)保留振動(dòng)自由。比如在一實(shí)施例中，所述多環(huán)諧振器的最外一圈環(huán)安置在固定滑槽中。
[0014]本發(fā)明中，所述固定滑槽由兩個(gè)半圓形滑槽拼接組成一個(gè)圓形，半圓形滑槽截面是半個(gè)工字型，中間形成空腔容納多環(huán)諧振器，半圓形滑槽在端部引出一小長方形塊，用于擰緊固定。
[0015]本發(fā)明中，所述固定滑槽空腔的深度W4與所述多環(huán)諧振器每個(gè)環(huán)的寬度W1相同，所述固定滑槽的高度h2與所述多環(huán)諧振器每個(gè)環(huán)的高度h i相同，所述固定滑槽恰好容納所述多環(huán)諧振器最外一圈環(huán)，達(dá)到固定和支撐作用，使得所述多環(huán)諧振器僅保留徑向振動(dòng)自由。
[0016]本發(fā)明中，每組輻條沿所述多環(huán)諧振器的環(huán)的圓周均勻排列，每組輻條的個(gè)數(shù)為n，則每組輻條的間隔角度為360° /η?相鄰兩組輻條的位置有一角度差Θ，其中Θ =360。/2n0
[0017]本發(fā)明中，所述固定滑槽由兩個(gè)半圓形滑槽拼接組成，半圓形滑槽截面是半個(gè)工字型，空腔剛好容納多環(huán)諧振器最外一圈環(huán)。半圓形滑槽在端部引出較短的長方形塊，用于擰緊固定。
[0018]本發(fā)明中，所述階梯式圓柱形支撐桿分為上圓柱和下圓柱兩部分，所述上圓柱剛好嵌在所述多環(huán)諧振器內(nèi)環(huán)中，所述下圓柱半徑較大，用于支撐所述多環(huán)諧振器。
[0019]本發(fā)明中，所述離散電極包括m個(gè)扇形電極(m> = 8，且m為偶數(shù))，為m/2個(gè)驅(qū)動(dòng)電極和m/2個(gè)檢測電極。所述離散電極的寬度等于所述多環(huán)諧振器高度，并且所述離散電極的中心軸與所述多環(huán)諧振器中心軸重合。
[0020]本發(fā)明中，所述離散電極有三部分組成，中間一層為壓電薄膜，上下兩層為金屬電極，從下至上依次形成下電極層-壓電薄膜-上電極層的三層結(jié)構(gòu)。其中所述下電極層貼在所述多環(huán)諧振器最外側(cè)兩個(gè)未固定環(huán)上表面，所述上電極層位于所述壓電薄膜上表面。
[0021]陀螺工作時(shí)，所述多環(huán)諧振器安裝在所述固定滑槽上，所述固定滑槽擰緊從而將所述多環(huán)諧振器外環(huán)固定；所述多環(huán)諧振器內(nèi)環(huán)安置在所述階梯式圓柱形支撐桿上，從而所述多環(huán)諧振器內(nèi)環(huán)固定；所述離散電極緊貼在所述多環(huán)諧振器外側(cè)兩個(gè)未固定環(huán)的上表面，且所述離散電極的輻條與所述多環(huán)諧振器的所述輻條位置重合。
[0022]本發(fā)明中，所述下電極層與所述多環(huán)諧振器接地，保證同電勢為0V;利用所述多環(huán)諧振器的平面四波腹振動(dòng)模態(tài)(即多環(huán)諧振器在平面內(nèi)振動(dòng)，其中有四個(gè)方向達(dá)到最大振動(dòng)幅度)作為參考振動(dòng)，所述壓電薄膜的驅(qū)動(dòng)電極被施加交流電壓時(shí)，由逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生徑向振動(dòng)，從而帶動(dòng)所述多環(huán)諧振器振動(dòng)；當(dāng)有所述多環(huán)諧振器中心軸方向的角速度輸入時(shí)，在科氏力的作用下，所述多環(huán)諧振器的振型向檢測模態(tài)轉(zhuǎn)變，帶動(dòng)所述壓電薄膜振動(dòng)，由正壓電效應(yīng)在檢測電極上得到電信號，從而得到多環(huán)諧振器在檢測模態(tài)的振幅，進(jìn)而可以得到輸入角速度的大小。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種上述陀螺的制備方法，該方法具體為:
[0024]采用MEMS微細(xì)加工工藝，對圓盤形石英塊進(jìn)行蝕刻，得到所述多環(huán)諧振器；
[0025]采用精密機(jī)械加工的方法得到所述固定滑槽和所述階梯式圓柱形支撐桿；
[0026]用導(dǎo)電膠作為所述下電極層，將所述壓電薄膜固定在所述多環(huán)諧振器最外側(cè)兩個(gè)環(huán)上表面，所述上電極層鍵合在所述壓電薄膜上表面，構(gòu)成所述離散電極；
[0027]將多環(huán)諧振器安裝在所述固定滑槽上，擰緊固定滑槽，從而將多環(huán)諧振器最外一圈環(huán)固定；階梯式圓柱形支撐桿的上圓柱嵌在所述多環(huán)諧振器內(nèi)環(huán)中，階梯式圓柱形支撐桿的所述下圓柱支撐所述多環(huán)諧振器；
[0028]將離散電極緊貼在所述多環(huán)諧振器最外側(cè)兩個(gè)未固定環(huán)上表面，所述多環(huán)諧振器的輻條位置與所述離散電極的輻條的位置重合，所述離散電極與所述多環(huán)諧振器的中心軸重合。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0030]1、加工工藝步驟簡潔，采用成熟的微機(jī)械加工方法，利于批量生產(chǎn)；
[0031]2、多環(huán)諧振器內(nèi)外環(huán)固定，可使封裝后的陀螺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，抗沖擊，減少外界干擾對陀螺正常工作的影響；
[0032]3、多環(huán)諧振器具有高度對稱性，可以使多環(huán)陀螺達(dá)到優(yōu)良的性能，工作時(shí)通過電極檢測多環(huán)諧振器內(nèi)環(huán)振動(dòng)，振動(dòng)幅度大，響應(yīng)靈敏。
[0033]4、離散電極設(shè)置在多環(huán)諧振器上表面，較其他驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是不占據(jù)多環(huán)諧振器外圍空間，利于陀螺小型化，方便安裝和攜帶。
[0034]本發(fā)明由于多環(huán)諧振器內(nèi)外環(huán)固定，電極布置在多環(huán)諧振器上表面，具有體積小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，響應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的對稱性，因而可以達(dá)到較高的性能。
【附圖說明】
[0035]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯:
[0036]圖1A為本發(fā)明一實(shí)施例的內(nèi)外環(huán)固定式壓電驅(qū)動(dòng)多環(huán)陀螺儀的俯視圖；
[0037]圖1B為本發(fā)明一實(shí)施例的內(nèi)外環(huán)固定式壓電驅(qū)動(dòng)多環(huán)陀螺儀的三維視圖；
[0038]圖1C為本發(fā)明一實(shí)施例的多環(huán)諧振器，離散電極，階梯式圓柱形支撐桿相對位置的剖視圖；
[0039]圖2A為本發(fā)明一實(shí)施例的多環(huán)諧振器的俯視圖；
[0040]圖2B為本