技术领域
[0001] 本
发明涉及的是一种微机电技术领域的微陀螺，具体地说，涉及的是一种多驱动电极模态耦合微固体模态陀螺。
背景技术
[0002] 微固体模态陀螺采用压电材料作为驱动和检测部件，是一种新型的全固态MEMS微陀螺。与一般MEMS振动陀螺不同，微固体模态陀螺没有
支撑或运动部件，因此具有抗过载、抗冲击能
力强、工作谐振
频率高、不需要
真空封装、启动时间按短等优越特性，在
消费电子产品、
飞行器导航、智能炮弹与制导等领域具有广泛的应用前景。
[0003] 经对
现有技术的文献检索发现，2006年1月，在土
耳其Istanbul召开的MEMS2006会议上，日本学者k.Maenaka等人发表了一篇题为“新型微固态陀螺”的论文，该论文被收录在第634页到第637页，首次提出了一种基于压电体特殊振动模态的全固态微陀螺。研究人员发现，方形压电体
质量块在某个频率下存在一种特殊的振动模态，在此振动模态下，压电体质量块沿着同一个方向作拉伸或压缩运动，并且相邻两棱边的振动方向相反(一个为拉伸时，则另一个为压缩)。以此特殊模态下的振动作为参考振动，假设压电体的极化方向为Z方向，参考振动为X方向，当外界有Y方向的
角速度输入时，由于科氏力的作用，压电体在极化方向上产生感应振动。由于压电体的
压电效应，垂直于Z方向的表面将产生感应电荷或
电压，且其量值与外界输入角速度成正比，通过检测外围
电路放大后的电荷或电压即可得到外界输入角速度的大小。
[0004] 此技术存在如下不足：首先，压电振子上下表面仅各有一对驱动电极，表面使用效率不高，且驱动电极间距相对较大，
电场强度较小，导致参考振动幅值较小；其次，压电振子检测振动模态的共振频率与驱动模态频率并不一致，当以参考振动模态频率进行压电体驱动时，检测振动幅值并未达到最大值，导致检测电极处电压幅值的减小，影响了微陀螺高灵敏度的获得。
发明内容
[0005] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种多驱动电极模态耦合的微固体模态陀螺，利用压电振子的特殊振动模态进行工作，利用科氏效应和压电材料的压电效应进行检测；通过在压电振子上下表面引入多对驱动电极，来提高表面使用效率、增大电场强度，进而增大参考振动速度幅值；另外，通过调整压电体的尺寸，使检测振动模态与参考振动模态固有频率一致，可加强极化方向上的感应振动，提高微陀螺的灵敏度。
[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0007] 本发明提供一种多驱动电极模态耦合微固体模态陀螺，包括：一个压电振子、多对驱动电极、多个参考电极、多个
信号检测电极和多个隔离电极，驱动电极、参考电极、信号检测电极、隔离电极均位于压电振子的上、下表面，并和压电振子形成固定连接；
[0008] 所述驱动电极共有四对，其中两对驱动电极均匀分布在压电振子上表面的中央处，另外两对驱动电极均匀分布在压电振子下表面的中央处；所述驱动电极用于激励压电振子产生驱动模态振型；
[0009] 所述参考电极共有四个，其中两个参考电极分布在压电振子上表面相对两个棱边附近的中间
位置，另外两个参考电极分布在压电振子下表面相对两个棱边附近的中间位置；所述参考电极用于监测压电振子在驱动电极的激励下是否正常起振，并
跟踪工作振动模态，使压电振子稳定工作在工作振动模态下；
[0010] 所述信号检测电极共有八个，其中四个信号检测电极分布在压电振子上表面的四个角上，另外四个信号检测电极分布在压电振子下表面的四个角上；所述信号检测电极用于检测压电振子极化方向上产生的感应电压；
[0011] 所述隔离电极共有四个，其中两个位于压电振子上表面的驱动电极与参考电极、信号检测电极之间，另外两个位于压电振子下表面的驱动电极与参考电极、信号检测电极之间；所述隔离电极用于隔离驱动电压对信号检测电极、参考电极
输出电压或电荷的影响。
[0012] 优选地，当在所述驱动电极上以
选定的共振频率施加交变电压时，所述压电振子在交变电压的激励下存在某阶特殊振动模态，在该模态下压电振子各点以同样的频率基本沿同一方向运动，且相邻两条边上的振动方向相反(一个为拉伸时，则另一个为压缩)，相对的两个边上的振动方向正好相同(同为拉伸或压缩)，以此频率下的特殊振动作为参考振动，且压电振子的极化方向与压电振子参考振动方向相垂直。
[0013] 优选地，当垂直于参考振动方向有角速度输入时，所述压电振子在科氏力的作用下，极化方向会感应出检测振动，其幅值与外界输入角速度大小成正比，利用参考模态与检测模态的耦合使得检测振动幅值达到该频率下的最大值，通过检测信号检测电极上压电电压的极性改变情况和变化量，即得到外界输入角速度的大小。
[0014] 优选地，所述压电振子为长方体结构，材料为压电陶瓷或其它压电材料。
[0015] 优选地，所述压电振子长宽高的选定使得其参考振动模态频率与检测振动模态频率相同。
[0016] 优选地，所述驱动电极工作时保证施加在压电振子同一面上相邻驱动电极的电压具有相同的频率、幅值，但极性相反。
[0017] 优选地，所述驱动电极、所述参考电极、所述信号检测电极、所述隔离电极的材料均为金属，结构均为矩形。
[0018] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0019] 本发明提供一种多驱动电极模态耦合的微固体模态陀螺，在压电振子的上下表面引入多对驱动电极，不仅能提高表面使用效率，还能增大电场强度，进而增大参考振动速度幅值；微陀螺尺寸的重新选定保证了参考模态与检测模态固有频率的一致性，利用参考模态与检测模态的相互耦合来增大检测振动幅值。本发明优化了微陀螺的尺寸，最终提高微陀螺的输出灵敏度及性能。
附图说明
[0020] 图1、2为本发明的总体结构示意图；
[0021] 图3分别为本发明的驱动模态、检测模态振型仿真示意图，其中(a)为驱动模态振型仿真示意图、3(b)为检测模态振型仿真示意图；
[0022] 图4为本发明在5个不同尺寸的高度下，驱动模态、检测模态耦合曲线图；
[0023] 图中：压电振子1，驱动电极6、7、8、9、18、19、20、21，参考电极3、12、15、24，信号检测电极2、4、11、13、14、16、23、25和隔离电极5、10、17、22。
具体实施方式
[0024] 下面结合附图对本发明的
实施例做详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0025] 如图1、2所示，本实施例提供一种多驱动电极模态耦合的微固体模态陀螺，包括压电振子1、驱动电极6、7、8、9、18、19、20、21，参考电极3、12、15、24，信号检测电极2、4、11、13、14、16、23、25和隔离电极5、10、17、22。
[0026] 本实施例中，所述压电振子1为长方体结构，材料为压电陶瓷或其他压电材料，长宽高尺寸的选取使得参考振动模态频率与检测振动模态频率相同，具体如图4耦合曲线所示，其极化方向沿Z轴。
[0027] 本实施例中，所述驱动电极6、7、8、9、18、19、20、21材料为金属，结构为矩形，其中：驱动电极6、7、8、9均匀分布在压电振子1上表面的中央处，驱动电极18、19、20、21压电振子1下表面的中央处，用于激励压电振子1产生驱动模态振型；工作时，在压电振子1同一表面上相邻驱动电极上施加等幅、反相的驱动模态频率交变电压(如驱动电极6、7上的电压极性相反，但6、8上的极性相同)，下表面驱动电极上的情况与上表面类似。
[0028] 本实施例中，所述参考电极3、12、15、24材料为金属，结构为矩形，其中：参考电极3、12分布在压电振子1上表面相对两个棱边附近的中间位置，参考电极15、24分布在压电振子1下表面相对两个棱边附近的中间位置，用于监测压电振子1在驱动电极的激励下是否正常起振，并跟踪工作振动模态，使压电振子1稳定工作在工作振动模态下。
[0029] 本实施例中，所述信号检测电极2、4、11、13、14、16、23、25材料为金属，结构为矩形，其中：信号检测电极2、4、11、13分布在压电振子1上表面的四个角上，信号检测电极14、16、23、25分布在压电振子1下表面的四个角上，用于检测压电振子1极化方向上产生的感应电压。
[0030] 本实施例中，所述隔离电极5、10、17、22材料为金属，结构为矩形，分别位于驱动电极与参考电极、信号检测电极之间，用于隔离激励电压对输出电压的影响，减小共模信号的影响。
[0031] 本实施例中，所有电极(包括驱动电极6、7、8、9、18、19、20、21，参考电极3、12、15、24，信号检测电极2、4、11、13、14、16、23、25和隔离电极5、10、17、22)，均通过MEMS工艺，采用双面
光刻和电
镀工艺在压电振子1的上、下表面制作而成。
[0032] 如图2所示，本实施例所述压电振子1结构为长方体，L表示其长度，W表示其宽度，H表示其高度，高度所在的方向即为其极化方向。由于微固态模态陀螺工作时利用参考模态与检测模态的耦合效应，所以压电振子1的长宽高尺寸的选取需要满足一定的关系。本实施例中，压电振子1长度L的变化范围为4.8mm到5.6mm，宽度W的变化范围为3mm到4mm，高度H选取了5个不同的尺寸，分别是2.8mm、2.9mm、3.0mm、3.1mm和3.2mm。经研究发现，厚度一定时，长度的增加或宽度的增加都会引起驱动模态频率的减小，但是宽度对驱动模态频率的影响更显著；检测模态频率会随着长度的增大而减小，随着宽度的增大而增大，与驱动模态频率不同的是，检测模态频率对长度的变化更灵敏。
[0033] 如图3所示，为通过
有限元分析得到压电振子1的振动模态与检测模态振型仿真示意图。在驱动电极6、7、8、9、18、19、20、21上施加选定频率的交变电压信号，其中6、7上的电压极性相反，但6、8、19、21上的极性相同，压电振子1由于逆压电效应产生特殊的参考振动模态，如图3(a)所示。在该振动模态下，压电振子1各点基本沿着Y方向作拉伸或压缩运动，相邻两棱边的振动方向相反，相对的两条边上的振动方向则相同，此时棱边附近中间处受力最大，四个角上的位移最大，这是参考电极和信号检测电极分布设计的原因。当X方向有角速度输入时，由于Y轴上的一对信号检测电极2、4沿X轴运动的方向相反，它们会受到相反的科氏力，但方向沿极化方向Z方向，即信号检测电极2、4的检测振动方向相反，导致信号检测电极2、4上的
输出信号变化相反，其中输出信号的幅值与输入角速度大小有关。通过Y轴上的一对信号检测电极2、4输出信号幅值的相减就可得到Y轴输入角速度的大小。如图3(b)所示，外界有角速度输入时，极化方向感应出的检测振动模态，检测振动频率与参考振动频率相同。
[0034] 如图4所示，为本发明在5个不同尺寸的高度下，驱动模态、检测模态耦合曲线图。当以驱动共振频率激励压电振子1时，在科氏效应、压电效共同作用下，极化方向感应出同频率的检测振动，若驱动模态、检测模态的固有频率相同，即驱动模态与检测模态相互耦合，则检测振动的幅值将达到该频率下的最大值，进而增大信号检测电极2、4处输出信号的变化，从而有利于灵敏度的提高。图4中，曲线上每个点表示满足模态耦合条件下的一组长宽高示数，而每条曲线对应压电振子1一种高度，从左到右的高度分别是2.8mm、2.9mm、
3.0mm、3.1mm和3.2mm。由图4可知，随着压电振子1高度H的增大，曲线越来越陡峭，即随着高度的增大，模态耦合曲线对宽度的变化越来越灵敏，可根据曲线上的尺寸来优化微固态模态陀螺的尺寸，使得参考模态与检测模态相同。
[0035] 从图4每条曲线上选取3个点，即可得到15个不同尺寸的压电振子。通过有限元分析得出不同尺寸下对应的参考模态、检测模态共振频率，然后在X轴方向施加1rad/s的角速度，测得其标度因子，详细参数如下表所示。15个点的参考模态、检测模态的固有频率基本一致，满足模态耦合的要求。从中可以看出，当长度L保持不变时，厚度H越大，标度因子会跟着变大；当厚度H不变时，标度因子会随着长度L的增加而减小。
[0036] 下表为图4曲线上部分点的具体参数，包括压电振子的尺寸、模态耦合频率、对应的灵敏度：
[0037]
[0038] 作为一优选实施方式，所述多驱动电极模态耦合微固体模态陀螺利用压电陶瓷基体，采用双面对准工艺，先在基体上溅射一层
种子层；然后
旋涂光刻胶，利用制作好的掩膜板进行光刻；之后显影、图形化；接下来
电镀金属
电极形成驱动电极、参考电极、信号检测电极、隔离电极；最后接上外围电路、封装得到成品。
[0039] 本发明利用压电振子特殊模态下的振动作为参考振动，同时利用科氏效应和压电效应来敏感外界输入角速度进行输出信号的检测。本发明通过引入多对驱动电极增大参考振动速度幅值，提高微陀螺检测灵敏度；优化压电振子的尺寸，使得参考模态与检测模态下二者的固有频率相同，利用模态耦合效应增大检测振动幅值，提高陀螺的输出灵敏度。本发明通过采用多驱动电极和驱动检测模态耦合效应来大大提高微固体模态陀螺的检测灵敏度。
[0040] 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，在不脱离本发明前提下的若干改进和润饰也都应该视为本发明的保护范围。
