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管腳式壓電固體波動(dòng)模態(tài)匹配陀螺的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種管腳式壓電固體波動(dòng)模態(tài)匹配陀螺，包括一個(gè)頂面為正方形的長(zhǎng)方體諧振子、一個(gè)當(dāng)中鏤空的回柱形框架、四根連接長(zhǎng)方體諧振子和回柱形框架的細(xì)梁、兩個(gè)對(duì)稱(chēng)分布于長(zhǎng)方體諧振子頂面中央的驅(qū)動(dòng)電極、四個(gè)對(duì)稱(chēng)分布于長(zhǎng)方體諧振子頂面四角的檢測(cè)電極、六個(gè)沿回柱形框架外延分布的管腳，其中：長(zhǎng)方體諧振子處于回柱形框架鏤空部分中央，靠四根細(xì)梁與回柱形框架連接；驅(qū)動(dòng)電極和檢測(cè)電極通過(guò)金屬連接線(xiàn)經(jīng)過(guò)細(xì)梁連接到管腳上。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、小體積、具有高Q值等特點(diǎn)，且利于封裝。
【專(zhuān)利說(shuō)明】管腳式壓電固體波動(dòng)模態(tài)匹配陀螺
【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，涉及一種管腳式壓電固體波動(dòng)模態(tài)匹配陀螺。
【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(guó)防科技和航空、航天工業(yè)的發(fā)展，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)于陀螺儀的要求也向低成本、小體積、高精度、多軸檢測(cè)、高可靠性、能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的方向發(fā)展?；贛EMS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(lái)MEMS技術(shù)廣泛研究和應(yīng)用開(kāi)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(guò)程中，固體中的質(zhì)點(diǎn)除在它原來(lái)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(wú)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(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Mochida Y, Tamura M, Ohwada K在Sensors andActuators A:Physical 的 2000 年 80(2)期的第 170-178 頁(yè)發(fā)表的 A micromachinedvibrating rate gyroscope with independent beams for the drive and detectionmodes文章中，提到了一種以彈簧質(zhì)量系統(tǒng)為原理的微陀螺，這種陀螺主要通過(guò)利用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)振蕩模式對(duì)z軸的角速度進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)位于X軸的驅(qū)動(dòng)電極輸入信號(hào)時(shí)，器件被激勵(lì)，沿X軸振蕩，在科里奧利力的作用下，器件產(chǎn)生沿I軸的振蕩。通過(guò)位于I軸的檢測(cè)電極產(chǎn)生輸出信號(hào)對(duì)Z軸的角速度進(jìn)行檢測(cè)。
[0005]此技術(shù)存在如下不足:該彈簧質(zhì)量系統(tǒng)微陀螺諧振體的結(jié)構(gòu)脆弱，限制了其在很多必須在抗沖擊條件下的應(yīng)用；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)和進(jìn)行封裝；陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)頻率分裂較大，致使陀螺的帶寬較大，品質(zhì)因數(shù)很難提高；陀螺噪聲較大，產(chǎn)生的信號(hào)較小，不便于提高檢測(cè)的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種管腳式壓電固體波動(dòng)模態(tài)匹配陀螺，該陀螺結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、小體積、、抗沖擊能力好、在大氣壓或者接近大氣壓下維持高Q值，且利于封裝從而降低了制造成本。
[0007]為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種管腳式壓電固體波動(dòng)模態(tài)匹配陀螺，包括:
[0008]一個(gè)頂面為正方形的長(zhǎng)方體諧振子；
[0009]一個(gè)當(dāng)中鏤空的回柱形框架；
[0010]四根連接長(zhǎng)方體諧振子和回柱形框架的細(xì)梁；[0011]兩個(gè)對(duì)稱(chēng)分布于長(zhǎng)方體諧振子頂面中央的驅(qū)動(dòng)電極；
[0012]四個(gè)對(duì)稱(chēng)分布于長(zhǎng)方體諧振子頂面四角的檢測(cè)電極；
[0013]六個(gè)沿回柱形框架外延分布的管腳；
[0014]其中:所述長(zhǎng)方體諧振子設(shè)置于所述回柱形框架的鏤空部分中央位置，在所述長(zhǎng)方體諧振子的上下正方形面四組對(duì)稱(chēng)邊中點(diǎn)連線(xiàn)位置通過(guò)四根所述細(xì)梁與所述回柱形框架連接固定；所述驅(qū)動(dòng)電極和所述檢測(cè)電極通過(guò)金屬連接線(xiàn)經(jīng)過(guò)所述細(xì)梁連接到所述管腳上。
[0015]優(yōu)選地，四個(gè)所述驅(qū)動(dòng)電極材料均為金屬，形狀均為長(zhǎng)方形；所述驅(qū)動(dòng)電極對(duì)稱(chēng)分布于長(zhǎng)方體諧振子頂面中央的正方形區(qū)域中，用于激勵(lì)長(zhǎng)方體諧振子產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)模態(tài)振型。
[0016]優(yōu)選地，四個(gè)所述檢測(cè)電極材料均為金屬，形狀均為形；所述檢測(cè)電極對(duì)稱(chēng)分布于長(zhǎng)方體諧振子頂面四角，且檢測(cè)電極的形兩邊分別與長(zhǎng)方體諧振子頂面的一邊平行，同時(shí)分別與驅(qū)動(dòng)電極長(zhǎng)方形的兩邊平行，用于檢測(cè)垂直于長(zhǎng)方體諧振子底面平面方向即Z軸方向的角速度引起的長(zhǎng)方體諧振子上電壓變化。
[0017]優(yōu)選地，所述長(zhǎng)方體諧振子材料為硅襯底A1N，使用壓電效應(yīng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)。
[0018]優(yōu)選地，六個(gè)所述管腳材料均為金屬，形狀均為長(zhǎng)方形；在后期封裝時(shí)六個(gè)管腳可以作為集成芯片的引腳。
[0019]優(yōu)選地，所述驅(qū)動(dòng)電極所對(duì)應(yīng)的管腳被施加交流電壓時(shí)，由逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生長(zhǎng)方體諧振子在驅(qū)動(dòng)模態(tài)振動(dòng)；當(dāng)存在輸入角速度時(shí)，長(zhǎng)方體諧振子的振型向檢測(cè)模態(tài)轉(zhuǎn)變，利用檢測(cè)電極處壓電正效應(yīng)產(chǎn)生的敏感信號(hào)通過(guò)檢測(cè)電極所對(duì)應(yīng)的管腳輸出進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)；上述驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)互相匹配。
[0020]本發(fā)明利用長(zhǎng)方體諧振子的特殊模態(tài)作為參考振動(dòng)，在該模態(tài)下長(zhǎng)方體諧振子頂部四角沿頂面四邊方向振動(dòng)；通過(guò)在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電極所對(duì)應(yīng)的管腳上施加正弦交流電壓，由逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生長(zhǎng)方體諧振子在驅(qū)動(dòng)模態(tài)振動(dòng)；當(dāng)有垂直于長(zhǎng)方體諧振子底部的角速度輸入時(shí)，在科氏力的作用下，長(zhǎng)方體諧振子的諧振方式會(huì)從驅(qū)動(dòng)模態(tài)向檢測(cè)模態(tài)變化，檢測(cè)模態(tài)的沿頂面四邊方向諧振振幅與輸入角速度的大小成正比；通過(guò)檢測(cè)電極所對(duì)應(yīng)的管腳檢測(cè)長(zhǎng)方體諧振子的四個(gè)檢測(cè)電極上的電壓變化，就可檢測(cè)垂直于長(zhǎng)方體諧振子底面平面角速度的大小。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0022]1、利用長(zhǎng)方體諧振器寬度方向的運(yùn)動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模態(tài)，諧振器剛度較大，具有較好的抗沖擊性；
[0023]2、長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，對(duì)稱(chēng)性好，模態(tài)之間頻率差小，能夠增大陀螺的增益，提高靈敏度，這對(duì)輸出信號(hào)較弱的固態(tài)陀螺來(lái)講十分重要；
[0024]3、采用振型完全一樣的驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)，使得溫度變化對(duì)于驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)的影響是一樣的，因此降低了溫度敏感性；
[0025]4、基體采用硅襯底A1N，加工工藝為平面微細(xì)加工工藝，加工方便，利于批量生產(chǎn)；
[0026]5、在加工過(guò)程中只需要通過(guò)掩模、刻蝕就可以形成用于支撐諧振子的四根細(xì)梁，無(wú)需另外考慮支撐方式；
[0027]6、陀螺的驅(qū)動(dòng)電極與檢測(cè)電極均通過(guò)連接線(xiàn)與外部管腳導(dǎo)通，利于后期將器件集成為芯片。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0028]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)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(huì)變得更明顯:
[0029]圖1為本實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2為本實(shí)施例的俯視示意圖；
[0031]圖3為本實(shí)施例的側(cè)視示意圖；
[0032]圖4為本實(shí)施例用于刻蝕通孔部分的掩模板示意圖；
[0033]圖5為本實(shí)施例用于濺射金屬部分的掩模板示意圖；
[0034]圖6為本實(shí)施例通過(guò)有限元分析的方法得到長(zhǎng)方體諧振子I的驅(qū)動(dòng)模態(tài)振型仿真示意圖；
[0035]圖7為圖6的驅(qū)動(dòng)模態(tài)振型的簡(jiǎn)化示意圖；
[0036]圖8為本實(shí)施例長(zhǎng)方體諧振子I的檢測(cè)模態(tài)振型仿真示意圖；
[0037]圖9為本實(shí)施例通過(guò)有限元分析的方法得到長(zhǎng)方體諧振子I的檢測(cè)模態(tài)振型仿真圖；
[0038]圖10為圖9的檢測(cè)模態(tài)振型的簡(jiǎn)化示意圖:
[0039]圖11為本實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)模態(tài)的電壓分布ANSYS仿真示意圖；
[0040]圖12為本實(shí)施例的檢測(cè)模態(tài)的電壓分布ANSYS仿真示意圖。
[0041]圖中:I為長(zhǎng)方體諧振子，2為回柱形框架，3為細(xì)梁，4為驅(qū)動(dòng)電極；5為檢測(cè)電極，6為管腳，7為連接線(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0042]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0043]如圖1、2所示，本實(shí)施例提供一種管腳式壓電固體波動(dòng)模態(tài)匹配陀螺，包括:
[0044]—個(gè)頂面為正方形的長(zhǎng)方體諧振子I ;
[0045]一個(gè)當(dāng)中鏤空的回柱形框架2 ;
[0046]四根連接長(zhǎng)方體諧振子I和回柱形框架2的細(xì)梁3 ；
[0047]兩個(gè)對(duì)稱(chēng)分布于長(zhǎng)方體諧振子I頂面中央的驅(qū)動(dòng)電極4 ；
[0048]四個(gè)對(duì)稱(chēng)分布于長(zhǎng)方體諧振子I頂面四角的檢測(cè)電極5 ；
[0049]六個(gè)沿回柱形框架2外延分布的管腳6 ；
[0050]六根連接電極和管腳的連接線(xiàn)7 ；
[0051]其中:所述長(zhǎng)方體諧振子I設(shè)置于所述回柱形框架2的鏤空部分中央位置，在所述長(zhǎng)方體諧振子I的上下正方形面四組對(duì)稱(chēng)邊中點(diǎn)連線(xiàn)位置通過(guò)四根所述細(xì)梁3與所述回柱形框架2連接固定；所述驅(qū)動(dòng)電極4和所述檢測(cè)電極5通過(guò)所述連接線(xiàn)7經(jīng)過(guò)所述細(xì)梁3連接到所述管腳6上。[0052]如圖3所示，本實(shí)施例中，所述長(zhǎng)方體諧振子1、所述回柱形框架2、所述細(xì)梁3的材料均為硅襯底AlN ;所述驅(qū)動(dòng)電極4、所述檢測(cè)電極5、所述管腳6、所述連接線(xiàn)7的材料均
為金屬。
[0053]壓電材料在外部力的作用下會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，相反，當(dāng)該晶體在外加電壓作用下會(huì)伸展或收縮，這種特性被稱(chēng)為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是由于某些材料晶體原始單元中的電荷不對(duì)稱(chēng)性，從而導(dǎo)致形成電偶極子，在整個(gè)晶體內(nèi)，這些偶極子效應(yīng)的疊加產(chǎn)生整個(gè)晶體的極化，從而在材料內(nèi)部產(chǎn)生電場(chǎng)。只有缺少對(duì)稱(chēng)中心的晶體才顯現(xiàn)出壓電特性。而通過(guò)壓電薄膜的逆壓電效應(yīng)將電能量轉(zhuǎn)換成波動(dòng)而形成諧振的方式，稱(chēng)為固體波動(dòng)諧振技術(shù)。
[0054]常用的壓電材料:石英、壓電陶瓷(如LiNb03、BaTi03)、PZT (鋯鈦酸鉛)、ZnO、PVDF(聚偏氟乙稀)、AlN等。為了陀螺的力學(xué)性能指標(biāo)和敏感度，要求壓電材料有高的壓電常數(shù)及高的機(jī)電耦合系數(shù)；為了防止壓電材料的破碎，要求壓電材料具有高的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度；為了保證振子溫度升高情況下的效率，要求壓電材料具有低的介質(zhì)損耗因子和高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)。根據(jù)以上分析，本實(shí)施例采用高激勵(lì)特性良好、具有優(yōu)異壓電和表聲波特性的AlN作為振動(dòng)體。
[0055]本實(shí)施例中，長(zhǎng)方體諧振子I上下正方形面的四組對(duì)稱(chēng)邊中點(diǎn)連線(xiàn)位置通過(guò)四根細(xì)梁3與回柱形框架2連接，以此實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)方體諧振子I與回柱形框架2固定。
[0056]本實(shí)施例中，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電極4形狀為長(zhǎng)方形，對(duì)稱(chēng)分布于長(zhǎng)方體諧振子I頂面中央的正方形區(qū)域中，用于激勵(lì)長(zhǎng)方體諧振子I產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)模態(tài)振型。
[0057]本實(shí)施例中，四個(gè)檢測(cè)電極5形狀為┏形，對(duì)稱(chēng)分布于長(zhǎng)方體諧振子I頂面四角，且檢測(cè)電極5的┏形兩邊分別與長(zhǎng)方體諧振子I頂面的一邊平行，同時(shí)分別與驅(qū)動(dòng)電極4長(zhǎng)方形的兩邊平行，用于檢測(cè)垂直于底面平面方向即z軸方向的角速度引起的長(zhǎng)方體諧振子I上的電壓變化。
[0058]本實(shí)施例中，六個(gè)管腳6形狀為長(zhǎng)方形，沿回柱形框架2外延分布，且驅(qū)動(dòng)電極4和檢測(cè)電極5分別通過(guò)金屬連接線(xiàn)7經(jīng)過(guò)細(xì)梁3連接到管腳6上；在后期封裝時(shí)六個(gè)管腳6可以作為集成芯片的引腳。
[0059]如圖4所示為本實(shí)施例用于刻蝕通孔部分的掩模板示意圖:先利用犧牲層工藝在基板旋涂厚光刻膠如SU-8，再利用制作好的掩模板進(jìn)行光刻，之后顯影(圖中陰影部分)、圖形化，進(jìn)行刻蝕，得到長(zhǎng)方體諧振子1、回柱形框架2、細(xì)梁3的結(jié)構(gòu)。
[0060]如圖5所示為本實(shí)施例濺射金屬部分的掩模板示意圖:在制作完成的結(jié)構(gòu)上圖形化光刻膠掩模的基礎(chǔ)上(顯影圖中陰影部分)，在表面濺射金屬，形成驅(qū)動(dòng)電極4、檢測(cè)電極
5、管腳6和連接線(xiàn)7。[0061]如圖6所示為本實(shí)施例通過(guò)有限元分析的方法得到長(zhǎng)方體諧振子I的驅(qū)動(dòng)模態(tài)振型仿真示意圖，如圖7所示為圖6的驅(qū)動(dòng)模態(tài)振型的簡(jiǎn)化示意圖:通過(guò)在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電極4所對(duì)應(yīng)的管腳6上施加頻率、幅值相同、相位相差180°的正弦電壓信號(hào)，使得長(zhǎng)方體諧振子I由于逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)模態(tài)振動(dòng)，此時(shí)長(zhǎng)方體諧振子I的四角沿其頂面四邊方向振動(dòng)；當(dāng)有垂直于長(zhǎng)方體諧振子I底面平面的Z軸方向角速度輸入時(shí)，陀螺在振動(dòng)方向上的受力如圖8所示；在科氏力的作用下，長(zhǎng)方體諧振子I的振動(dòng)由驅(qū)動(dòng)模態(tài)振型向檢測(cè)模態(tài)振型變化，振動(dòng)的幅值和輸入角速度成正比。
[0062]如圖9所示為本實(shí)施例通過(guò)有限元分析的方法得到長(zhǎng)方體諧振子I的檢測(cè)模態(tài)振型仿真示意圖，如圖10所示為圖9的檢測(cè)模態(tài)振型的簡(jiǎn)化示意圖:當(dāng)有垂直于長(zhǎng)方體諧振子I底面平面的ζ軸方向角速度輸入時(shí)，長(zhǎng)方體諧振子I產(chǎn)生檢測(cè)模態(tài)振型的振動(dòng)，通過(guò)檢測(cè)電極5對(duì)應(yīng)的管腳6，測(cè)量四個(gè)檢測(cè)電極5產(chǎn)生的壓電效應(yīng)電壓，可檢測(cè)垂直于長(zhǎng)方體諧振子I底面平面的ζ軸方向的角速度的大小。
[0063]如圖6和圖9所示的長(zhǎng)方體諧振子I的驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)互相匹配，其含義是:驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)的振型相似，只互相相差一定的角度；驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)當(dāng)中不含其它振動(dòng)模態(tài)，頻率分裂小；當(dāng)本實(shí)施例中的長(zhǎng)方體諧振子I的頂部面空間對(duì)稱(chēng)時(shí)形成模態(tài)匹配；當(dāng)本實(shí)施例中的長(zhǎng)方體諧振子I的頂部面空間不對(duì)稱(chēng)時(shí)模態(tài)匹配無(wú)法形成。
[0064]如圖11所示為本實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)模態(tài)的電壓分布ANSYS仿真示意圖；如圖12所示為本實(shí)施例的檢測(cè)模態(tài)的電壓分布ANSYS仿真示意圖。圖11、12說(shuō)明了在驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)下，回柱形諧振子I由于壓電效應(yīng)而產(chǎn)生的電荷分布情況。
[0065]本實(shí)施例所述的管腳式壓電固體波動(dòng)模態(tài)匹配陀螺，利用硅襯底AlN基體，采用MEMS平面微細(xì)加工工藝，利用犧牲層工藝在基板旋涂厚光刻膠如SU-8，利用制作好的掩模板進(jìn)行光刻；之后顯影、圖形化，得到長(zhǎng)方體振子1、回柱形框架2、細(xì)梁3 ;再在圖形化的光刻膠掩模上濺射金屬，形成驅(qū)動(dòng)電極4、檢測(cè)電極5、管腳6、連接線(xiàn)7;最后，為長(zhǎng)方體諧振子I焊接外圍電路以及進(jìn)行最終的封裝得到陀螺芯片成品。
[0066]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種管腳式壓電固體波動(dòng)模態(tài)匹配陀螺，其特征在于，包括: 一個(gè)頂面為正方形的長(zhǎng)方體諧振子； 一個(gè)當(dāng)中鏤空的回柱形框架； 四根連接長(zhǎng)方體諧振子和回柱形框架的細(xì)梁； 兩個(gè)對(duì)稱(chēng)分布于長(zhǎng)方體諧振子頂面中央的驅(qū)動(dòng)電極； 四個(gè)對(duì)稱(chēng)分布于長(zhǎng)方體諧振子頂面四角的檢測(cè)電極； 六個(gè)沿回柱形框架外延分布的管腳； 其中:所述長(zhǎng)方體諧振子設(shè)置于所述回柱形框架的鏤空部分中央位置，在所述長(zhǎng)方體諧振子的上下正方形面四組對(duì)稱(chēng)邊中點(diǎn)連線(xiàn)位置通過(guò)四根所述細(xì)梁與所述回柱形框架連接固定；所述驅(qū)動(dòng)電極和所述檢測(cè)電極通過(guò)金屬連接線(xiàn)經(jīng)過(guò)所述細(xì)梁連接到所述管腳上； 利用長(zhǎng)方體諧振子的特殊模態(tài)即驅(qū)動(dòng)模態(tài)與檢測(cè)模態(tài)模態(tài)匹配作為參考振動(dòng)，在該模態(tài)下長(zhǎng)方體諧振子頂部四角沿頂面四邊方向振動(dòng)；通過(guò)在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電極所對(duì)應(yīng)的管腳上施加正弦交流電壓，由逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生長(zhǎng)方體諧振子在驅(qū)動(dòng)模態(tài)振動(dòng)；當(dāng)有垂直于長(zhǎng)方體諧振子底部的角速度輸入時(shí)，在科氏力的作用下，長(zhǎng)方體諧振子的諧振方式會(huì)從驅(qū)動(dòng)模態(tài)向檢測(cè)模態(tài)變化，檢測(cè)模態(tài)的沿頂面四邊方向諧振振幅與輸入角速度的大小成正比；通過(guò)檢測(cè)電極所對(duì)應(yīng)的管腳檢測(cè)長(zhǎng)方體諧振子的四個(gè)檢測(cè)電極上的電壓變化，就可檢測(cè)垂直于長(zhǎng)方體諧振子底面平面角速度的大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管腳式壓電固體波動(dòng)模態(tài)匹配陀螺，其特征在于，四個(gè)所述驅(qū)動(dòng)電極材料均為金屬，形狀均為長(zhǎng)方形；所述驅(qū)動(dòng)電極對(duì)稱(chēng)分布于長(zhǎng)方體諧振子頂面中央的正方形區(qū)域中，用于激勵(lì)長(zhǎng)方體諧振子產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)模態(tài)振型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管腳式壓電固體波動(dòng)模態(tài)匹配陀螺，其特征在于，四個(gè)所述檢測(cè)電極材料均為金屬，形狀均為gamma形；所述檢測(cè)電極對(duì)稱(chēng)分布于長(zhǎng)方體諧振子頂面四角，且檢測(cè)電極的gamma形兩邊分別與長(zhǎng)方體諧振子頂面的一邊平行，同時(shí)分別與驅(qū)動(dòng)電極長(zhǎng)方形的兩邊平行，用于檢測(cè)垂直于長(zhǎng)方體諧振子底面平面方向即Z軸方向的角速度引起的長(zhǎng)方體諧振子上電壓變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種管腳式壓電固體波動(dòng)模態(tài)匹配陀螺，其特征在于，所述長(zhǎng)方體諧振子材料為硅襯底A1N，使用壓電效應(yīng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)。
5 .根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種管腳式壓電固體波動(dòng)模態(tài)匹配陀螺，其特征在于，六個(gè)所述管腳材料均為金屬，形狀均為長(zhǎng)方形，沿回柱形框架外延分布，在后期封裝時(shí)六個(gè)管腳作為集成芯片的引腳。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種管腳式壓電固體波動(dòng)模態(tài)匹配陀螺，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)電極所對(duì)應(yīng)的管腳被施加交流電壓時(shí)，由逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生長(zhǎng)方體諧振子在驅(qū)動(dòng)模態(tài)振動(dòng)；當(dāng)存在輸入角速度時(shí)，長(zhǎng)方體諧振子的振型向檢測(cè)模態(tài)轉(zhuǎn)變，利用檢測(cè)電極處壓電正效應(yīng)產(chǎn)生的敏感信號(hào)通過(guò)檢測(cè)電極所對(duì)應(yīng)的管腳輸出進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)；上述驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)互相匹配。
【文檔編號(hào)】G01C19/5656GK103697875SQ201310686905
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】張衛(wèi)平, 汪濙海, 劉亞?wèn)|, 成宇翔, 唐健, 張弓, 許仲興, 孫殿竣, 陳文元 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)