具有正方形表面长方体压电振子的全固态双轴陀螺仪制造技术

一种具有正方形表面长方体压电振子的全固态双轴陀螺仪，包括：压电振子、上表面左侧驱动电极、上表面右侧驱动电极、上表面上侧输出电极、上表面右侧输出电极、上表面下侧输出电极、上表面左侧输出电极、上表面模态检测电极；下表面左侧驱动电极、下表面右侧驱动电极、下表面上侧输出电极、下表面右侧输出电极、下表面下侧输出电极、下表面左侧输出电极、下表面模态检测电极，其特征在于：所述压电振子结构是端面为正方形的长方体，压电振子中一端面为压电振子上表面，另一与之平行的端面为压电振子下表面，压电振子上表面与压电振子下表面上的电极均关于压电振子对称；　压电振子上表面正方形上侧的边为上表面第一边，压电振子上表面正方形右侧的边为上表面第二边，压电振子上表面正方形下侧的边为上表面第三边，压电振子上表面正方形左侧的边为上表面第四边，压电振子下表面正方形上侧的边为下表面第一边，压电振子下表面上表面右侧的边为下表面第二边，压电振子下表面正方形下侧的边为下表面第三边，压电振子下表面正方形左侧的边为下表面第四边，上表面第一边与下表面第一边平行且上表面第一边与下表面第一边位于压电振子同一表面上，上表面第一边的中点与上表面第三边的中点的连线为上表面第一中心线，上表面第二边的中点与上表面第四边的中点的连线为上表面第二中心线，下表面第一边的中点与下表面第三边的中点的连线为下表面第一中心线，下表面第二边的中点与下表面第四边的中点的连线为下表面第二中心线；　所述上表面左侧驱动电极、上表面右侧驱动电极、上表面右侧输出电极、上表面左侧输出电极、上表面模态检测电极位于上表面第二中心线上，上表面模态检测电极位于上表面的中心处，上表面左侧驱动电极与上表面右侧驱动电极关于上表面第一中心线对称分布，上表面右侧输出电极与上表面左侧输出电极关于上表面第一中心线对称分布，上表面上侧输出电极、上表面下侧输出电极位于上表面第一中心线上，上表面上侧输出电极与上表面下侧输出电极关于上表面第二中心线对称分布；　所述下表面左侧驱动电极、下表面右侧驱动电极、下表面右侧输出电极、下表面左侧输出电极、下表面模态检测电极位于下表面第二中心线上，下表面模态检测电极位于下表面的中心处，下表面左侧驱动电极与下表面右侧驱动电极关于下表面第一中心线对称分布，下表面右侧输出电极与下表面左侧输出电极关于下表面第一中心线对称分布，下表面上侧输出电极、下表面下侧输出电极位于上表面第一中心线上，下表面上侧输出电极与下表面下侧输出电极关于下表面第二中心线对称分布；　所述上表面左侧驱动电极与下表面左侧驱动电极的连线、上表面右侧驱动电极与下表面右侧驱动电极的连线、上表面上侧输出电极与下表面上侧输出电极的连线、上表面右侧输出电极与下表面右侧输出电极的连线、上表面下侧输出电极与下表面下侧输出电极的连线、上表面左侧输出电极与下表面左侧输出电极的连线、上表面模态检测电极与下表面模态检测电极的连线均与压电振子上表面、压电振子下表面垂直。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种微机电
的微陀螺，具体地说，涉及的是一种具 有正方形表面长方体压电振子的全固态双轴陀螺仪。
技术介绍
陀螺是姿态控制和惯性制导的核心器件，惯性技术的发展以及卫星、导弹等 制导需求的提高、要求陀螺向功率小、寿命长、体积小、能适应各种恶劣环境的 方向发展。经对现有技术的文献检索发现，中国专利"压电陀螺元件和压电陀螺仪"(专 利申请号为200510131905.3)提到可以通过压电材料的棱柱状振动体的结构， 来检测2轴方向上的角速度。截面为矩形的棱柱状的压电振动体一端固定，在其 第1侧面上形成第1驱动电极，在第2侧面上形成在宽度方向上分离的第2 第4驱动电极，带相位差地向各驱动电极施加驱动电流，使压电振动体振动，其 另一端做圆周运动。在与其振动的旋转中心轴正交的方向上作用有扭矩时，从压 电振动体的第1侧面上形成的第1检测电极和第2侧面上形成的第2检测电极 输出由此产生的压电振动体的挠度，从而检测2轴方向上的角速度。此技术存在如下不足首先，驱动电路要求多次移相，有些驱动电路还包括 振幅检测电路、AGC电路、对控制要求高，且电路复杂，干扰大，噪声多、难以 得到理想的的驱动信号。其次，通过向四个不同的电极上施加相位不同的四相驱 动信号来使压电体自身产生圆周运动作为参考运动，规则的圆周运动难以得到准 确的实现，增大了角速度检测的误差。要保证压电体转动得到高速圆周运动，功 耗大。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对已有技术的不足，提供一种具有正方形表面长方体压电 振子的全固态双轴陀螺仪。本专利技术结构上采用带有正方形面的压电振子，利用压 电振子特有的模态下的特殊振动方式，实现陀螺双轴敏感。用这种特殊模态下的振动作为工作状态，工作时不需要精确的高速圆周转动，功耗小、且易准确实现。 直接利用压电体的压电效应，检测电压信号即可。本专利技术结构简单、抗冲击性强、 加工工艺易实现、不需要真空封装、在恶劣环境下能很好地工作。另外，本专利技术 设置模态检测电极，可以检测工作状态是否准确，减小理论与实际器件的误差， 驱动简单便捷。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括压电振子，驱动电极，输出 电极，模态检测电极。压电振子材料为压电材料，结构是端面为正方形的长方体。压电振子其中一端面为压电振子上表面，另一与之平行的端面为压电振子下 表面。压电振子上表面正方形上侧的边为上表面第一边、压电振子上表面正方形 右侧的边为上表面第二边、压电振子上表面正方形下侧的边为上表面第三边、压 电振子上表面正方形左侧的边为上表面第四边、压电振子下表面正方形上侧的边 为下表面第一边、压电振子下表面正方形右侧的边为下表面第二边、压电振子下 表面正方形下侧的边为下表面第三边、压电振子下表面正方形左侧的边为下表面 第四边。上表面第一边与下表面第一边平行且上表面第一边与下表面第一边位于 压电振子同一表面上，上表面第一边的中点与上表面第三边的中点的连线为上表 面第一中心线、上表面第二边的中点与上表面第四边的中点的连线为上表面第二 中心线、下表面第一边的中点与下表面第三边的中点的连线为下表面第一中心 线、下表面第二边的中点与下表面第四边的中点的连线为下表面第二中心线。所述驱动电极包括上表面左侧驱动电极、上表面右侧驱动电极、下表面左侧 驱动电极、下表面右侧驱动电极。所述输出电极包括上表面上侧输出电极、上表面右侧输出电极、上表面下侧 输出电极、上表面左侧输出电极、下表面上侧输出电极、下表面右侧输出电极、 下表面下侧输出电极、下表面左侧输出电极。所述模态检测电极包括上表面模态检测电极、下表面模态检测电极。上述部件之间的连接以及位置关系为上表面左侧驱动电极、上表面右侧驱 动电极、上表面右侧输出电极、上表面左侧输出电极、上表面模态检测电极位于 上表面第二中心线上，上表面模态检测电极位于上表面的中心处，上表面左侧驱 动电极、上表面右侧驱动电极关于上表面第一中心线对称分布，上表面右侧输出电极、上表面左侧输出电极关于上表面第一中心线对称分布；上表面上侧输出电 极、上表面下侧输出电极位于上表面第一中心线上，上表面上侧输出电极与上表 面下侧输出电极关于上表面第二中心线对称分布；下表面左侧驱动电极、下表面 右侧驱动电极、下表面右侧输出电极、下表面左侧输出电极、下表面模态检测电 极位于下表面第二中心线上，下表面模态检测电极位于下表面的中心处，下表面 左侧驱动电极、下表面右侧驱动电极关于下表面第一中心线对称分布、下表面右 侧输出电极与下表面左侧输出电极关于下表面第一中心线对称分布；下表面上侧 输出电极、下表面下侧输出电极位于下表面第一中心线上，下表面上侧输出电极 与下表面下侧输出电极关于下表面第二中心线对称分布。上表面左侧驱动电极与 下表面左侧驱动电极的连线、上表面右侧驱动电极与下表面右侧驱动电极的连 线、上表面上侧输出电极与下表面上侧输出电极的连线、上表面右侧输出电极与 下表面右侧输出电极的连线、上表面下侧输出电极与下表面下侧输出电极的连 线、上表面左侧输出电极与下表面左侧输出电极的连线、上表面模态检测电极与 下表面模态检测电极的连线均与压电振子上表面、压电振子下表面垂直。压电振子中一条与Z轴平行的边为压电振子第一边，顺时针方向下一条与Z 轴平行的边为压电振子第二边，依次为压电振子第三边，压电振子第四边。经有 限元分析，发现在工作模态振动下有四个点振动位移很小。因此本专利技术陀螺仪选 用这四个点作为节点(节点即固定点)，其位置分别为压电振子第一边中点与压 电振子第二边中点连线上距压电振子第一边中点距离为压电振子上表面正方形 边长的1/4点、压电振子第一边中点与压电振子第二边中点连线上距压电振子第 二边中点距离为压电振子上表面正方形边长的1/4点、压电振子第三边中点与压 电振子第四边中点连线上距压电振子第三边中点距离为压电振子上表面正方形 边长的1/4点、压电振子第三边中点与压电振子第四边中点连线上距压电振子第 四边中点距离为压电振子上表面正方形边长的1/4点。本专利技术利用压电振子在特殊模态下的压电特性进行角速度检测。当在驱动电 极之间加上一定频率的交变电压激励时(处于一定的模态)，会产生一种特殊的 振动，其中在压电振子上表面上和压电振子下表面上，关于压电振子对称的输出 电极振动方向相反。当外界受到与运动方向垂直的角速度时，所受到的柯氏力的 方向相反，在竖直方向上产生相向运动，使得压电体产生拉伸或压縮。在输出电极上有电势产生，电势的大小与外界角速度大小成正比。且在两个不同的方向上 有角速度时在不同的电极上产生电势。因此可以通过输出电极上的电势来检测外 界双轴角速度。经有限元分析，本专利技术一个实施例的此阶模态的共振频率为 536744Hz，敏感两个方向角速度的振动最大位移(布置输出电极处)分别为 0. 220259E-07m、 0. 161183E-07m。本专利技术采用块状压电振子、结构简单、抗冲击性强、在恶劣环境下能很好地 工作、加工工艺易实现、功耗微。本专利技术利用特殊模态下的特殊振动作为工作状 态，高压电系数的压电体的正压电效应产生的电压信号作为检测信号，能够准确 地检测外界双轴方向的角速度。本专利技术可以应用在卫星、武器、民用导航等领域。附图说明图l为本专利技术结构示意图。 具体实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有正方形表面长方体压电振子的全固态双轴陀螺仪，包括：压电振子、上表面左侧驱动电极、上表面右侧驱动电极、上表面上侧输出电极、上表面右侧输出电极、上表面下侧输出电极、上表面左侧输出电极、上表面模态检测电极；下表面左侧驱动电极、下表面右侧驱动电极、下表面上侧输出电极、下表面右侧输出电极、下表面下侧输出电极、下表面左侧输出电极、下表面模态检测电极，其特征在于：所述压电振子结构是端面为正方形的长方体，压电振子中一端面为压电振子上表面，另一与之平行的端面为压电振子下表面，压电振子上表面与压电振子下表面上的电极均关于压电振子对称；　压电振子上表面正方形上侧的边为上表面第一边，压电振子上表面正方形右侧的边为上表面第二边，压电振子上表面正方形下侧的边为上表面第三边，压电振子上表面正方形左侧的边为上表面第四边，压电振子下表面正方形上侧的边为下表面第一边，压电振子下表面上表面右侧的边为下表面第二边，压电振子下表面正方形下侧的边为下表面第三边，压电振子下表面正方形左侧的边为下表面第四边，上表面第一边与下表面第一边平行且上表面第一边与下表面第一边位于压电振子同一表面上，上表面第一边的中点与上表面第三边的中点的连线为上表面第一中心线，上表面第二边的中点与上表面第四边的中点的连线为上表面第二中心线，下表面第一边的中点与下表面第三边的中点的连线为下表面第一中心线，下表面第二边的中点与下表面第四边的中点的连线为下表面第二中心线；　所述上表面左侧驱动电极、上表面右侧驱动电极、上表面右侧输出电极、上表面左侧输出电极、上表面模态检测电极位于上表面第二中心线上，上表面模态检测电极位于上表面的中心处，上表面左侧驱动电极与上表面右侧驱动电极关于上表面第一中心线对称分布，上表面右侧输出电极与上表面左侧输出电极关于上表面第一中心线对称分布，上表面上侧输出电极、上表面下侧输出电极位于上表面第一中心线上，上表面上侧输出电极与上表面下侧输出电极关于上表面第二中心线对称分布；　所述下表面左侧驱动电极、下表面右侧驱动电极、下表面右侧输出电极、下表面左侧输出电极、下表面模态检测电极位于下表面第二中心线上，下表面模态检测电极位于下表面的中心处，下表面左侧驱动电极与下表面右侧驱动电极关于下表面第一中心线对称分布，下表面右侧输出电极与下表面左侧输出电极关于下表面第一中心线对称分布，下表面上侧输出电极、下表面下侧输出电极位于上表面第一中心线上，下表面上侧输出电极与下表面下侧输出电极关于下表面第二中心线对称分布；　所述上表面左侧驱动电极与下表面左侧驱动电极的连线、上表面右侧驱动电极与下表面右侧驱动电极的连线、上表面上侧输出电极与下表面上侧输出电极的连线、上表面右侧输出电极与下表面右侧输出电极的连线、上表面下侧输出电极与下表面下侧输出电极的连线、上表面左侧输出电极与下表面左侧输出电极的连线、上表面模态检测电极与下表面模态检测电极的连线均与压电振子上表面、压电振子下表面垂直。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫平，卢奕鹏，陈文元，吴校生，崔峰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31