РЕЗОНАТОР ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА Российский патент 2003 года по МПК G01C19/56 G01P9/04 

Изобретение относится к приборостроению и может применяться при построении гироскопических устройств с колеблющимися массами, а именно волновых твердотельных гироскопов.

Известен пьезоэлектрический гироскоп с вибрирующей поверхностью [1], содержащий пьезоэлектрический резонатор, выполненный в форме диска, который имеет электроды, расположенные на двух противоположных поверхностях упомянутого резонатора.

Недостатком этого гироскопа является низкая добротность его резонатора, обусловленная применением материала диска - пьезокерамики.

Известен также пьезоэлектрический дисковый гироскоп (ПДГ) [2], который содержит резонатор из пьезоэлектрического материала, например монокристалла ниобата лития, в форме диска, на верхней поверхности которого выполнены сегментные электроды, а на нижней поверхности сплошной общий электрод. Диск установлен на стержне, другой конец которого прикреплен к основанию резонатора.

Недостатком данного резонатора также является его низкая добротность, обусловленная тем, что сегментные электроды диска формируются путем электроосаждения металла на поверхность пьезоэлектрического монокристалла, причем толщина электродов должна быть достаточной для подключения проводников, т.е. составлять не менее 0,5 мкм. То же самое относится и к общему электроду, выполненному на нижней поверхности диска тем же способом. Как показывает практика пленка такой толщины ухудшает добротность резонаторов, работающих на колебаниях растяжения-сжатия, в 2-5 раз. Известно также, что электродные покрытия такой толщины являются источником дестабилизирующих механических напряжений и временного дрейфа частоты резонатора из-за старения этих покрытий, изменения их химического состава и т.п.

Задачей, на которую направлено изобретение, является повышение добротности резонатора пьезоэлектрического гироскопа.

Поставленная задача достигается за счет того, что у резонатора пьезоэлектрического гироскопа, содержащего пьезоэлектрический диск из монокристалла, стержень, одним концом соединенный с диском симметрично его вертикальной оси, а другим концом с основанием резонатора, несколько равноудаленных сегментных электродов, расположенных на верхней поверхности диска, и общий электрод, покрывающий всю нижнюю поверхность диска, на участках сегментных электродов, расположенных в центральной части диска, выполнены контактные площадки, причем сегментные электроды изготовлены из однослойной тонкой пленки металла, а контактные площадки из многослойной тонкопленочной структуры.

Кроме того, диаметр центральной части диска резонатора, в которой расположены контактные площадки, равен диаметру стержня, причем внешний край контактной площадки совпадает с соответствующей ему дугой окружности центральной части диска.

Отличительным признаком заявленного решения является значительное уменьшение толщины сегментных электродов в рабочей зоне резонатора. Эта особенность позволяет повысить его добротность.

Предпочтительный вариант реализации предлагаемого резонатора представлен на фиг. 1 и 2, где на фиг.1 изображен вид сверху резонатора пьезоэлектрического гироскопа, а на фиг.2 - вид этого же резонатора сбоку.

Резонатор пьезоэлектрического гироскопа содержит пьезоэлектрический диск 1, выполненный из монокристалла пьезоэлектрического материала, например цинкита, стержень 2, который одним концом соединен при помощи слоя 3 припоя с диском 1 симметрично по вертикальной оси, а другим концом соединен с основанием 4 (фиг.2) резонатора. На верхней поверхности диска 1 сформированы несколько, например восемь, равноудаленных друг от друга сегментных электродов 5, на которых выполнены контактные площадки 6, сформированные из многослойной тонкопленочной структуры, например, V-Cu-Ni. Сам электрод 5 содержит только один нижний адгезионный подслой вышеупомянутой многослойной структуры, например ванадий, а остальные слои (меди и никеля) удаляются в ходе изготовления резонатора. Структура пленок общего электрода аналогична структуре пленок сегментных электродов 5, причем контактная площадка 3 находится в центральной части диска 1, диаметр которой равен диаметру стержня 2. Все контактные площадки 6 располагаются в центральной части 7 диска 1, причем диаметр этой центральной части 7 должен быть равен диаметру стержня 2. На нижней поверхности диска 1 выполнен общий электрод 8 с расположенной по его центру контактной площадкой 9, диаметр которой также должен быть равен диаметру стержня 2. Структура общего электрода 8 и его контактной площадки 9 аналогична структуре сегментных электродов 5, т.е. общий электрод 8 выполнен из одного адгезионного подслоя, а контактная площадка 9 из многослойной тонкопленочной структуры. Внешние края контактных площадок 5 и 9 должны совпадать с соответствующими им дугами окружности центральной части 7. Если последнее условие не выполняется, то добротность резонатора уменьшается. При выходе краев контактных площадок 6 и 9 за пределы центральной части 7 добротность резонатора снижается за счет воздействия на рабочую зону монокристалла многослойной структуры контактных площадок 6 и 9. При смещении краев контактных площадок 6 и 9 внутрь центральной части 7 добротность резонатора уменьшается за счет возрастания активного сопротивления электродов 5 и 8. К контактным площадкам 6 и 9 подключаются тонкие проводники (на чертежах условно не показаны), которые служат для подачи напряжения возбуждения резонатора и съема информационного сигнала.

Резонатор пьезоэлектрического гироскопа работает следующим образом.

Четыре сегментных ортогонально расположенных электрода 5 используются для построения схемы автогенератора возбуждения эллиптических колебаний основной моды резонатора. При повороте резонатора вокруг оси Z вследствие воздействия сил Кориолиса, вызванных вращением, в диске 1 возникают эллиптические колебания с образованием стоячей волны, амплитуда которой пропорциональна величине угловой скорости. Данные эллиптические колебания сдвинуты относительно основной моды колебаний на 45 градусов и, таким образом, воздействуют за счет пьезоэлектрического эффекта на другие четыре симметричных ортогонально расположенных электрода 5, возбуждая в них электрический сигнал, пропорциональный воздействующей угловой скорости, который поступает на проводники, прикрепленные к контактным площадкам 6.

Использование предложенного резонатора позволит повысить точность, чувствительность и стабильность пьезоэлектрического дискового гироскопа за счет повышения добротности чувствительного элемента и исключения отрицательного воздействия со стороны толстых пленок.

Источники информации:
1. Патент США 5287033, МПК H 01 L 41/08; НКИ 310/316, опубл. 15.02.1994.

2. Патент США 4655081, МПК G 01 P 9/04; НКИ 73/505, опубл. 07.04.1987.

Изобретение может применяться для построения волновых твердотельных гироскопов на пьезоэлектрическом монокристалле. Резонатор содержит диск, установленный на стержне, который находится на основании. На верхней поверхности диска имеется несколько сегментных электродов, а на нижней поверхности - общий электрод. В центральной части диска, равной диаметру стержня, на электродах выполнены контактные площадки. Электроды сформированы из одного нижнего адгезионного подслоя, а контактные площадки выполнены из многослойной тонкопленочной структуры, нижним подслоем которой являются электроды. Таким образом за счет уменьшения толщины покрытия диска резонатора повышается его добротность. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Резонатор пьезоэлектрического гироскопа, содержащий пьезоэлектрический диск из монокристалла, стержень, одним концом соединенный с диском симметрично его вертикальной оси, а другим концом с основанием резонатора, несколько равноудаленных друг от друга сегментных электродов, расположенных на верхней поверхности диска, и общий электрод, покрывающий нижнюю поверхность диска, отличающийся тем, что на участках общего электрода и сегментных электродах, расположенных в центральной части диска, выполнены контактные площадки, причем все электроды представляют собой однослойную тонкую пленку металла, а контактные площадки - многослойную тонкопленочную структуру. 2. Резонатор пьезоэлектрического гироскопа по п.1, отличающийся тем, что диаметр центральной части диска, в которой расположены контактные площадки, равен диаметру стержня, причем внешний край контактной площадки совпадает с соответствующей ему дугой окружности центральной части диска.