一種壓電振動(dòng)陀螺儀諧振子、其制作方法及壓電振動(dòng)陀螺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于慣性導(dǎo)航器件領(lǐng)域，具體涉及一種壓電振動(dòng)陀螺儀諧振子、其制作方法及鍍制BFO薄膜作為驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電極的壓電振動(dòng)陀螺儀。本發(fā)明的目的是針對(duì)當(dāng)前壓電振動(dòng)陀螺儀壓電電極材料以及粘膠的使用對(duì)陀螺儀的Q值造成抑制，降低陀螺儀Q值、精度及靈敏度等問題，利用生長(zhǎng)在LAO單晶材料上的具有單軸各向異性的BFO薄膜的強(qiáng)壓電特性以及鍍制薄膜材料可以避免固定壓電電極時(shí)粘膠的使用，制作出一種鍍制BFO薄膜作為驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電極的壓電振動(dòng)陀螺儀，將鍍制BFO薄膜降低壓電電極對(duì)陀螺儀品質(zhì)因數(shù)抑制、BFO薄膜的壓電靈敏度較高和避免使用粘膠對(duì)壓電電極進(jìn)行固定導(dǎo)致Q值降低等優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)陀螺儀Q值提高、靈敏度提高、精度提高。
【專利說明】
一種壓電振動(dòng)陀螺儀諧振子、其制作方法及壓電振動(dòng)陀螺
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于慣性導(dǎo)航器件領(lǐng)域，具體涉及一種壓電振動(dòng)陀螺儀諧振子、其制作方 法及鍍制鐵酸鉍(BiFe〇3、BFO)薄膜作為驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電極的壓電振動(dòng)陀螺儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 陀螺儀是一種在慣性空間測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體旋轉(zhuǎn)角度或角速度的裝置，其基本功能是 敏感角位移和角速度，在航空、航天、航海、兵器以及民用領(lǐng)域中有著廣泛和重要的應(yīng)用。在 飛機(jī)、艦船、導(dǎo)彈、航天飛行器等運(yùn)載體的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中，陀螺儀是極其 重要的敏感器。
[0003] 陀螺儀可以分為兩類:一類以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)，如剛體轉(zhuǎn)子陀螺、振動(dòng)陀螺儀等； 另一類以近代物理學(xué)為基礎(chǔ)，如激光陀螺儀。陀螺儀的發(fā)展是從剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀開始的，由 于需要高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子和相應(yīng)的支承系統(tǒng)，剛體轉(zhuǎn)子陀螺儀的性能穩(wěn)定性較低、體積較大； 激光陀螺儀系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，被認(rèn)為是捷聯(lián)式系統(tǒng)理想的敏感元件，然而其精度嚴(yán)格受到 體積制約，抗輻射能力較差，工作時(shí)功率瞬變或電源斷電將停止工作，成本也相應(yīng)較高；而 振動(dòng)陀螺儀的主體是一個(gè)作高頻振動(dòng)的構(gòu)件，具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小、成本較 低、抗輻射性強(qiáng)、短時(shí)斷電仍可繼續(xù)工作等特點(diǎn)。因此，振動(dòng)陀螺儀性能在許多方面均優(yōu)于 激光陀螺儀，這種陀螺儀的出現(xiàn)猶如"異軍突起"，成為激光陀螺儀的強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng)者。
[0004] 振動(dòng)陀螺儀常見的有音叉振動(dòng)陀螺儀、殼體振動(dòng)陀螺儀，通常使用壓電激勵(lì)或靜 電激勵(lì)兩種方式對(duì)振動(dòng)陀螺儀進(jìn)行激勵(lì)與檢測(cè)。其中利用壓電電極進(jìn)行激勵(lì)與檢測(cè)的方式 最為常見，發(fā)展也最為成熟。因此陀螺儀最終的整體Q值是諧振子與壓電電極綜合的效果。 但壓電電極材料的Q值一般較低，往往導(dǎo)致陀螺Q值的下降。此外，常用的壓電電極與陀螺儀 諧振子須通過粘膠進(jìn)行固定，粘膠的Q值很低，其使用也將對(duì)陀螺儀的Q值造成抑制，降低陀 螺儀精度及靈敏度。
[0005] BF0是目前報(bào)道的唯一一種在室溫條件下鐵電性和反鐵磁性共存的多鐵材料，鐵 電極化理論上可達(dá)lOOuC/cm2。室溫下?lián)碛袉蜗喽噼F的特性為實(shí)際應(yīng)用提供可行性。BF0是 典型的鐵電晶體，在一定溫度范圍內(nèi)存在自發(fā)極化，而且自發(fā)極化方向能隨外加電壓而轉(zhuǎn) 向，鐵電體可以看作是由許多鐵電疇組成，在沒有外電場(chǎng)作用下，由于組成鐵電疇的晶胞中 原子內(nèi)正負(fù)電荷重心發(fā)生相對(duì)位移使得每個(gè)電疇內(nèi)形成電偶極矩(產(chǎn)生自發(fā)極化），但相鄰 電疇自發(fā)極化方向不同，所以整個(gè)晶體宏觀極化強(qiáng)度為零，對(duì)外不呈現(xiàn)極化狀態(tài)。在外電場(chǎng) 作用下，鐵電疇極化方向轉(zhuǎn)向外加電場(chǎng)方向，具有電滯回線現(xiàn)象。BF0的存在基態(tài)為R3c菱形 扭曲態(tài)，可以用字母R作簡(jiǎn)要表示;此外還存在一種P4mm對(duì)稱的具有高自發(fā)極化特性的正方 形扭曲態(tài)，可以用字母T作簡(jiǎn)要表示。R與T兩種形態(tài)可以在BF0薄膜中共存，此時(shí)材料具有很 強(qiáng)的壓電效應(yīng)。BF0薄膜材料的逆壓電系數(shù)可達(dá)11 δρπΛΓ1，約為壓電陶瓷薄膜的4倍，能有效 驅(qū)動(dòng)諧振子起振。因此室溫下，BF0材料具有強(qiáng)鐵電性與壓電性。使用鋁酸鑭(LaA10 3、LA0) 單晶材料作為基底，在其上生長(zhǎng)BF0薄膜，其壓電信號(hào)相對(duì)變化更大，在室溫下具有很好的 鐵電特性和壓電特性。一般合金材料的壓電效壓電信號(hào)相對(duì)變化更大，在室溫下具有很好 的鐵電特性和壓電特性。一般合金材料的壓電效應(yīng)的力學(xué)響應(yīng)可以達(dá)到ο. 5 %至8 %，而 BFO/LAO結(jié)構(gòu)可以達(dá)到14%，因此可以將LAO單晶材料制作成為壓電振動(dòng)陀螺儀的諧振子并 在諧振子的外表面鍍制BFO薄膜作為壓電振動(dòng)陀螺儀的驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)電極，既減少了壓電材 料、粘膠對(duì)陀螺儀Q值的抑制，其強(qiáng)壓電特性也將提高陀螺儀的精度及靈敏度。
[0006] 總之，在LAO單晶材料諧振子表面鍍制BFO薄膜作為壓電振動(dòng)陀螺儀的驅(qū)動(dòng)及檢測(cè) 電極，可以有效提高壓電振動(dòng)陀螺儀Q值、精度及靈敏度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是針對(duì)當(dāng)前壓電振動(dòng)陀螺儀壓電電極材料以及粘膠的使用對(duì)陀螺 儀的Q值造成抑制，降低陀螺儀Q值、精度及靈敏度等問題，利用生長(zhǎng)在LAO單晶材料上的具 有單軸各向異性的BFO薄膜的強(qiáng)壓電特性以及鍍制薄膜材料可以避免固定壓電電極時(shí)粘膠 的使用，制作出一種鍍制BFO薄膜作為驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電極的壓電振動(dòng)陀螺儀，將鍍制BFO薄膜 降低壓電電極對(duì)陀螺儀品質(zhì)因數(shù)(Q值)抑制的優(yōu)勢(shì)、BFO薄膜的壓電靈敏度較高的優(yōu)勢(shì)和避 免使用粘膠對(duì)壓電電極進(jìn)行固定導(dǎo)致Q值降低的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)陀螺儀Q值提高、靈敏度 提尚、精度提尚。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0009] 一種壓電振動(dòng)陀螺儀的諧振子，所述諧振子為一橫截面為正方形的長(zhǎng)方體，在所 述長(zhǎng)方體的四個(gè)側(cè)面上分別鍍制有BFO薄膜作為壓電電極。
[0010] 所述長(zhǎng)方體采用由"00Γ朝向的LAO單晶材料制成，所述LAO單晶材料具有較大的 品質(zhì)因數(shù)，長(zhǎng)方體的截面積為9mm2,長(zhǎng)度為(25~150)mm。
[0011] 所述由BFO薄膜制成的壓電電極為長(zhǎng)條形，面積小于長(zhǎng)方體側(cè)面積，優(yōu)選為20 X 2mm2 〇
[0012] 所述由BFO薄膜制成的壓電電極共有4塊，分成2組鍍制在長(zhǎng)方體的四個(gè)側(cè)面上，一 組分別作為驅(qū)動(dòng)換能器和反饋換能器，另一組分別作為讀出換能器和阻尼換能器。
[0013] 所述BF0薄膜為單軸各向異性的BF0薄膜，厚度為（50-100)nm，其上下表面均鍍制 有一層厚度約為5nm的鑭鍶錳氧(LaSrMn0 3、LSM0)薄膜作為激勵(lì)電極。
[0014] 所述由LSM0薄膜制成的激勵(lì)電極在所述長(zhǎng)方體的長(zhǎng)度方向邊沿處比BF0薄膜層邊 沿伸出約2mm，方便在LSM0薄膜邊沿進(jìn)行點(diǎn)焊，在不接觸BF0薄膜層的前提下引出導(dǎo)線與壓 電振動(dòng)陀螺儀的信號(hào)控制電路相連接。
[0015] 本發(fā)明還提供一種上述壓電振動(dòng)陀螺儀諧振子的制作方法：
[0016] 首先，將"001"朝向的LA0單晶材料制成尺寸符合要求的橫截面為正方形的長(zhǎng)方 體;然后在長(zhǎng)方體的四個(gè)側(cè)面上進(jìn)行BF0薄膜壓電電極的鍍制:首先將一層LSM0薄膜分別鍍 制在長(zhǎng)方體的四個(gè)側(cè)面上作為底電極，厚度約為5nm;然后使用脈沖激光沉積技術(shù)在LSM0薄 膜材料上鍍制T形態(tài)與R形態(tài)共存的約為(50-100)nm厚的BF0薄膜，所述BF0薄膜邊沿在長(zhǎng)方 體的長(zhǎng)度方向上較LSM0薄膜邊沿縮短約2mm;最后在BF0薄膜上再鍍制一層與第一層LSM0薄 膜尺寸相同的LSM0薄膜作為上部電極，獲得所需要的BF0薄膜壓電電極，如圖2所示。
[0017] BF0薄膜壓電電極生產(chǎn)時(shí)生長(zhǎng)溫度保持在700°C，氧氣壓強(qiáng)為100mTorr，BF0薄膜生 長(zhǎng)速度設(shè)定為2.5nm/min，冷卻速度設(shè)定為氧氣下5 °C/min，脈沖激光沉積過程中能量密度 設(shè)定為1 · 2J/cm2，重復(fù)頻率設(shè)定為5Hz 〇
[0018] 本發(fā)明最后提供一種基于BF0薄膜壓電電極的壓電振動(dòng)陀螺儀，所述陀螺儀由長(zhǎng) 方體諧振子、BF0薄膜壓電電極、節(jié)點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)、支撐面、信號(hào)控制電路、驅(qū)動(dòng)電源和計(jì)算機(jī) 組成;其中，鍍制有BF0薄膜壓電電極的長(zhǎng)方體諧振子為振動(dòng)構(gòu)件，由節(jié)點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行支 撐并被固定在支撐面上;BF0薄膜壓電電極通過導(dǎo)線與信號(hào)控制電路相連接，驅(qū)動(dòng)電源為信 號(hào)控制電路提供電源，信號(hào)控制電路通過信號(hào)線與計(jì)算機(jī)連接，在計(jì)算機(jī)中通過Labview軟 件對(duì)壓電振動(dòng)陀螺儀進(jìn)行激勵(lì)與檢測(cè)。
[0019] 所述節(jié)點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)采用的是節(jié)點(diǎn)支撐方式:在所述帶有BF0薄膜壓電電極的長(zhǎng)方 體諧振子前后對(duì)稱的2個(gè)基頻波節(jié)處插入兩根細(xì)支撐柱，所述細(xì)支撐柱材料與長(zhǎng)方體諧振 子材料相同，以使安裝處的熱應(yīng)力最小，細(xì)支撐柱的一端與支撐面相連，所述支撐面為一用 于給長(zhǎng)方體諧振子的兩根細(xì)支撐柱提供固定和支撐的平面。
[0020] 所述信號(hào)控制電路由幅度增益控制電路、鎖相環(huán)控制電路、正交控制電路和力平 衡控制電路四個(gè)部分組成;所述幅度增益控制電路用于對(duì)壓電振動(dòng)陀螺儀的輸入信號(hào)進(jìn)行 調(diào)控，以及對(duì)壓電振動(dòng)陀螺儀的輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，所述鎖相環(huán)控制電路用于實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電 振動(dòng)陀螺儀信號(hào)的相位控制，所述正交控制電路用于控制壓電振動(dòng)陀螺儀信號(hào)的正交誤 差，實(shí)現(xiàn)零輸入時(shí)的輸出信號(hào)為零，所述力平衡電路用于實(shí)現(xiàn)壓電振動(dòng)陀螺儀的力平衡工 作模式;其中四個(gè)BF0薄膜壓電電極中的一組(驅(qū)動(dòng)換能器、反饋換能器)與所述幅度增益控 制電路相連接，所述驅(qū)動(dòng)換能器用于實(shí)現(xiàn)幅度增益控制電路對(duì)壓電振動(dòng)陀螺儀的激勵(lì);所 述反饋換能器用于保持諧振子的振幅恒定（由于反饋換能器的正壓電效應(yīng)，將產(chǎn)生一個(gè)電 壓信號(hào)反饋至驅(qū)動(dòng)換能器，以保持諧振子的振幅恒定）；四個(gè)BF0薄膜壓電電極中的另外一 組(讀出換能器、阻尼換能器)與幅度增益控制電路、鎖相環(huán)控制電路、正交控制電路和力平 衡控制電路相連接，所述讀出換能器通過正壓電效應(yīng)產(chǎn)生與輸入角速度成正比的電壓信號(hào) 作為壓電振動(dòng)陀螺儀的輸出，所述阻尼換能器通過逆壓電效應(yīng)控制阻尼保持在給定值上， 從而使壓電振動(dòng)陀螺儀的輸出具有良好的動(dòng)態(tài)特性。
[0021] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0022] 1.根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種鍍制BF0薄膜作為驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電極的壓電振動(dòng)陀螺儀， 使用LA0單晶材料作為諧振子主體及基底材料，在此基底上生長(zhǎng)BF0薄膜在室溫下具有很好 的鐵電特性和壓電特性，一般合金材料的壓電效應(yīng)的力學(xué)響應(yīng)可以達(dá)到〇 . 5 %至8 %，而 LA0/BF0結(jié)構(gòu)可以達(dá)到14%，提高陀螺儀的靈敏度與精度；
[0023] 2.壓電電極材料的Q值一般較低，往往導(dǎo)致陀螺Q值的下降。鍍制BF0薄膜壓電電極 可以有效減少壓電電極材料用量，因此具有降低壓電電極對(duì)陀螺儀品質(zhì)因數(shù)(Q值)抑制的 優(yōu)勢(shì)；
[0024] 3.常用的壓電電極與陀螺儀諧振子須通過粘膠進(jìn)行固定，粘膠的使用也將對(duì)陀螺 儀的Q值造成抑制，鍍制BF0壓電薄膜可以避免使用粘膠對(duì)壓電電極進(jìn)行固定，提高陀螺儀 品質(zhì)因數(shù)。
【附圖說明】
[0025] 圖1是鍍制BF0薄膜壓電電極后長(zhǎng)方體諧振子的整體結(jié)構(gòu)示意圖(a)和其橫截面示 意圖（b);
[0026] 其中圖（a)中1為由LAO單晶材料制成的諧振子主體、2為BF0薄膜壓電電極、3為節(jié) 點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)，4為支撐面;圖（b)中2a為阻尼換能器、2b為反饋換能器、2c為讀出換能器、2d為 驅(qū)動(dòng)換能器；
[0027]圖2是本發(fā)明提出的BF0薄膜壓電電極的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 其中201、203為L(zhǎng)SM0薄膜層、202為BF0薄膜層；
[0029]圖3是一種鍍制BF0薄膜作為驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電極的壓電振動(dòng)陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖； [0030] (a)長(zhǎng)方體諧振子安裝在支撐面上的示意圖；（b)壓電振動(dòng)陀螺儀的電路結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0031]其中1為長(zhǎng)方體諧振子、2為BF0薄膜壓電電極、3為節(jié)點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)、4為支撐面、5為 信號(hào)控制電路(包括幅度增益控制電路、鎖相環(huán)控制電路、正交控制電路和力平衡控制電 路）、6為驅(qū)動(dòng)電源、7為計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說明。
[0033]本發(fā)明的核心部件為鍍制了 BF0薄膜壓電電極后的長(zhǎng)方體諧振子，如圖1(a)所示。 圖1(b)則清楚地表明了長(zhǎng)方體諧振子各個(gè)表面所鍍制的BF0薄膜壓電電極的具體作用，其 中驅(qū)動(dòng)換能器2a和反饋換能器2b鍍制在長(zhǎng)方體諧振子的驅(qū)動(dòng)平面上，而讀出換能器2c和阻 尼換能器2d則鍍制在長(zhǎng)方體諧振子的讀出平面上。諧振子的工作過程如下:首先，利用驅(qū)動(dòng) 換能器2a的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生激振力使長(zhǎng)方體諧振子起振，激振力沿z軸作用在長(zhǎng)方體諧振 子的上部表面并作簡(jiǎn)諧交變。由于長(zhǎng)方體諧振子上各質(zhì)點(diǎn)沿著X軸(振動(dòng)軸)作簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí) 受到方向交變的哥氏慣性力的作用，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)軌跡從直線變成橢圓，即質(zhì)點(diǎn)在沿振動(dòng)軸X 軸振動(dòng)的同時(shí)，還出現(xiàn)了沿輸出軸y軸的振動(dòng)。顯然，輸入角速度越大，哥氏慣性力越大，亦 即質(zhì)點(diǎn)沿輸出軸振動(dòng)的振幅與輸入角速度成正比。當(dāng)諧振子在讀出平面彎曲振動(dòng)時(shí)，讀出 換能器2c隨之彎曲振動(dòng)，由于讀出換能器2c的正壓電效應(yīng)，它將產(chǎn)生與輸入角速度成正比 的電壓信號(hào)，作為陀螺儀的輸出。讀出換能器2c的電壓信號(hào)還反饋至阻尼換能器2d，利用阻 尼換能器2d的逆壓電效應(yīng)控制阻尼保持在給定值上，從而使陀螺儀的輸出具有良好的動(dòng)態(tài) 特性。此外，當(dāng)諧振子在驅(qū)動(dòng)平面彎曲振動(dòng)時(shí)，由于反饋換能器2b的正壓電效應(yīng)，亦將產(chǎn)生 一個(gè)電壓信號(hào)反饋至驅(qū)動(dòng)換能器2a，以保持諧振子的振幅恒定。
[0034]本發(fā)明所述的一種鍍制BiFe03薄膜作為驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電極的壓電振動(dòng)陀螺儀其工 作原理如下：當(dāng)交流電壓施加在驅(qū)動(dòng)換能器2a上時(shí)，驅(qū)動(dòng)換能器2a所產(chǎn)生激振力的作用線 與諧振子基頻節(jié)點(diǎn)間有一距離，形成繞節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩Τα
[0035]
Π 0
[0036] 式中1和b分別為驅(qū)動(dòng)換能器的長(zhǎng)度與寬度;ka為驅(qū)動(dòng)換能器的壓電系數(shù);ke為換能 器粘接方法有關(guān)的傳輸系數(shù);UAm和ω A分別為外加電壓的幅值與角頻率，h為諧振子彎曲方 向的厚度，L為諧振子長(zhǎng)度，t為諧振子起振后持續(xù)時(shí)間。
[0037] 在簡(jiǎn)諧變化轉(zhuǎn)矩Τα的作用下，諧振子在驅(qū)動(dòng)平面的彎曲振動(dòng)情況為
[0038]
(1,2)
[0039] 式中JA為諧振子繞y軸對(duì)固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的一半;CA為諧振子在驅(qū)動(dòng)平面彎曲的阻 力系數(shù);k A為諧振子在驅(qū)動(dòng)平面的剛性系數(shù);Tm為轉(zhuǎn)矩Τα的幅值，ΘΑ為諧振子繞固定點(diǎn)偏離 平衡位置的偏轉(zhuǎn)角。
[0040] 當(dāng)激振角頻率ω a與諧振子在驅(qū)動(dòng)平面的固有角頻率w (= ψ,/J；)相同的情況 下，穩(wěn)態(tài)時(shí)諧振子的強(qiáng)迫振動(dòng)最大偏角為
[0041]
(1-3)
[0042] 這里Qa稱為驅(qū)動(dòng)平面品質(zhì)因數(shù)，ζΑ為阻尼振動(dòng)的相對(duì)阻尼系數(shù)
[0043]
(1 4)
[0044] 在驅(qū)動(dòng)平面內(nèi)諧振子的最大撓度XAffi與最大偏轉(zhuǎn)角Θαμ的關(guān)系為
[0045]
(15)
[0046] 當(dāng)沿著輸入軸ζ有角速度ω輸入時(shí)，將產(chǎn)生沿著輸出軸y的哥氏慣性力作用在諧振 子上。作用在諧振子單位長(zhǎng)度(單位長(zhǎng)度的質(zhì)量設(shè)為叫)上的哥氏慣性力的量值為
[0047]
(1 -6)
[0048] 其中t為沿振動(dòng)軸X的振動(dòng)速度，
[0049]
(1-7)
[0050] 因?yàn)楦缡蠎T性力的作用線與節(jié)點(diǎn)（固定點(diǎn)）之間有一距離，所以形成繞節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn) 矩。該轉(zhuǎn)矩為
[0051]
(1.8) νυ 7Γ^ 4
[0052]其中m為諧振子的質(zhì)量，m = Lmj。
[0053] 在簡(jiǎn)諧變化轉(zhuǎn)矩TB的作用下，諧振子在讀出平面的彎曲振動(dòng)情況為
[0054]
(1.9)
[0055] 式中JB為諧振子繞X軸對(duì)固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的一半;CB為諧振子在讀出平面彎曲的阻 力系數(shù);k B為諧振子在讀出平面的剛性系數(shù);1^為哥氏慣性力矩TB的幅值。
[0056] 當(dāng)諧振子在讀出平面的固有角頻率％。(=^7^)與諧振子在驅(qū)動(dòng)平面的固有角 頻率ωΑ〇相差不大的情況下，穩(wěn)態(tài)時(shí)諧振子的強(qiáng)迫振動(dòng)最大偏角可近似為
[0057]
0-10)
[0058]這里Qb稱為讀出平面品質(zhì)因數(shù)，
[0059]
(1.11)
[0060] 在讀出平面內(nèi)諧振子的最大燒度XBm與最大偏轉(zhuǎn)角Θβμ的關(guān)系為
[0061]
(1.12)
[0062]當(dāng)諧振子在讀出平面彎曲振動(dòng)時(shí)，讀出換能器將產(chǎn)生正比于彎曲撓度的電壓信 號(hào)。讀出換能器輸出電壓幅值UBm與偏轉(zhuǎn)角幅值0Bm之間的關(guān)系為
[0063]
(1 13) 一 b：y:c
[0064] 式中d為讀出換能器厚度;kb為讀出換能器的壓電系數(shù);ke為與換能器粘接方法有 關(guān)的傳輸系數(shù)。因此有
[0065]
(I 14)
[0066] 可見讀出換能器的輸出電壓幅值UBm與諧振子輸入角速度ω成正比。這里κ稱為壓 電振動(dòng)陀螺標(biāo)度系數(shù)，
[0067]
(丨.15)
[0068] 由上可知，諧振子在驅(qū)動(dòng)平面的彎曲振動(dòng)將導(dǎo)致讀出平面作彎曲振動(dòng)，因此在長(zhǎng) 方體的四個(gè)側(cè)面上鍍制兩組薄膜壓電電極，一組分別作為驅(qū)動(dòng)換能器、反饋換能器，另一組 分別作為讀出換能器、阻尼環(huán)能器，并將該長(zhǎng)方體作為壓電振動(dòng)陀螺儀的諧振子的方案是 可行的。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種壓電振動(dòng)陀螺儀的諧振子，其特征在于:所述諧振子為一橫截面為正方形的長(zhǎng) 方體，在所述長(zhǎng)方體的四個(gè)側(cè)面上分別鍍制有BFO薄膜作為壓電電極。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述壓電振動(dòng)陀螺儀的諧振子，其特征在于：所述長(zhǎng)方體采用由 "001"朝向的LAO單晶材料制成，長(zhǎng)方體的截面積為9mm 2，長(zhǎng)度為(25~150 )mm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述壓電振動(dòng)陀螺儀的諧振子，其特征在于:所述由BFO薄膜制成的 壓電電極為長(zhǎng)條形，面積小于長(zhǎng)方體側(cè)面積。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述壓電振動(dòng)陀螺儀的諧振子，其特征在于:所述由BF0薄膜制成的 壓電電極面積為20 X 2mm2。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述壓電振動(dòng)陀螺儀的諧振子，其特征在于:所述由BFO薄膜制成的 壓電電極共有4塊，分成2組鍍制在長(zhǎng)方體的四個(gè)側(cè)面上，一組分別作為驅(qū)動(dòng)換能器和反饋 換能器，另一組分別作為讀出換能器和阻尼換能器。6. 根據(jù)權(quán)利要求1、3、4或5所述壓電振動(dòng)陀螺儀的諧振子，其特征在于:所述BF0薄膜為 單軸各向異性的BF0薄膜，厚度為（50-100)nm，其上下表面均鍍制有一層厚度約為5nm的 LSM0薄膜作為激勵(lì)電極。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述壓電振動(dòng)陀螺儀的諧振子，其特征在于:所述由LSM0薄膜制成的 激勵(lì)電極在所述長(zhǎng)方體的長(zhǎng)度方向邊沿處比BF0薄膜層邊沿伸出約2_。8. -種根據(jù)權(quán)利要求1所述壓電振動(dòng)陀螺儀諧振子的制作方法，其特征在于該方法包 括如下步驟： 首先，將"001"朝向的LA0單晶材料制成尺寸符合要求的橫截面為正方形的長(zhǎng)方體； 然后在長(zhǎng)方體的四個(gè)側(cè)面上進(jìn)行BF0薄膜壓電電極的鍍制：首先將一層LSM0薄膜分別 鍍制在長(zhǎng)方體的四個(gè)側(cè)面上作為底電極，厚度約為5nm;然后使用脈沖激光沉積技術(shù)在LSM0 薄膜材料上鍍制T形態(tài)與R形態(tài)共存的約為(50-100)nm厚的BF0薄膜，所述BF0薄膜邊沿在長(zhǎng) 方體的長(zhǎng)度方向上較LSM0薄膜邊沿縮短約2mm;最后在BF0薄膜上再鍍制一層與第一層LSM0 薄膜尺寸相同的LSM0薄膜作為上部電極，獲得所需要的BF0薄膜壓電電極。9. 一種根據(jù)權(quán)利要求8所述壓電振動(dòng)陀螺儀諧振子的制作方法，其特征在于:所述BF0 薄膜壓電電極生產(chǎn)時(shí)生長(zhǎng)溫度保持在700°C，氧氣壓強(qiáng)為100mTorr，BF0薄膜生長(zhǎng)速度設(shè)定 為2.5nm/min，冷卻速度設(shè)定為氧氣下5 °C /min，脈沖激光沉積過程中能量密度設(shè)定為1.2 J/ cm2,重復(fù)頻率設(shè)定為5Hz 〇10. -種基于BFO薄膜壓電電極的壓電振動(dòng)陀螺儀，其特征在于:所述陀螺儀由長(zhǎng)方體 諧振子(1)、BF0薄膜壓電電極(2)、節(jié)點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)(3)、支撐面(4)、信號(hào)控制電路(5)、驅(qū)動(dòng)電 源(6)和計(jì)算機(jī)(7)組成；其中，鍍制有BF0薄膜壓電電極(2)的長(zhǎng)方體諧振子（1)為振動(dòng)構(gòu) 件，由節(jié)點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)(3)進(jìn)行支撐并被固定在支撐面(4)上;BF0薄膜壓電電極(2)通過導(dǎo)線 與信號(hào)控制電路(5)相連接，驅(qū)動(dòng)電源(6)為信號(hào)控制電路(5)提供電源，信號(hào)控制電路(5) 通過信號(hào)線與計(jì)算機(jī)(7)連接，在計(jì)算機(jī)(7)中通過Labview軟件對(duì)壓電振動(dòng)陀螺儀進(jìn)行激 勵(lì)與檢測(cè)； 所述節(jié)點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)（3)采用的是節(jié)點(diǎn)支撐方式:在所述帶有BF0薄膜壓電電極(2)的長(zhǎng) 方體諧振子(1)前后對(duì)稱的2個(gè)基頻波節(jié)處插入兩根細(xì)支撐柱，所述細(xì)支撐柱材料與長(zhǎng)方體 諧振子（1)材料相同，以使安裝處的熱應(yīng)力最小，細(xì)支撐柱的一端與支撐面(4)相連，所述支 撐面(4)為一用于給長(zhǎng)方體諧振子(1)的兩根細(xì)支撐柱提供固定和支撐的平面； 所述信號(hào)控制電路(5)由幅度增益控制電路、鎖相環(huán)控制電路、正交控制電路和力平衡 控制電路四個(gè)部分組成;所述幅度增益控制電路用于對(duì)壓電振動(dòng)陀螺儀的輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào) 控，以及對(duì)壓電振動(dòng)陀螺儀的輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，所述鎖相環(huán)控制電路用于實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電振 動(dòng)陀螺儀信號(hào)的相位控制，所述正交控制電路用于控制壓電振動(dòng)陀螺儀信號(hào)的正交誤差， 實(shí)現(xiàn)零輸入時(shí)的輸出信號(hào)為零，所述力平衡電路用于實(shí)現(xiàn)壓電振動(dòng)陀螺儀的力平衡工作模 式;其中四個(gè)BFO薄膜壓電電極中的驅(qū)動(dòng)換能器和反饋換能器與所述幅度增益控制電路相 連接，所述驅(qū)動(dòng)換能器用于實(shí)現(xiàn)幅度增益控制電路對(duì)壓電振動(dòng)陀螺儀的激勵(lì);所述反饋換 能器用于保持諧振子的振幅恒定；四個(gè)BFO薄膜壓電電極中的讀出換能器和阻尼換能器與 幅度增益控制電路、鎖相環(huán)控制電路、正交控制電路和力平衡控制電路相連接，所述讀出換 能器通過正壓電效應(yīng)產(chǎn)生與輸入角速度成正比的電壓信號(hào)作為壓電振動(dòng)陀螺儀的輸出，所 述阻尼換能器通過逆壓電效應(yīng)控制阻尼保持在給定值上，從而使壓電振動(dòng)陀螺儀的輸出具 有良好的動(dòng)態(tài)特性。
【文檔編號(hào)】G01C19/5677GK105973216SQ201610286388
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月3日
【發(fā)明人】黃云, 肖鵬博, 曲天良
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)