聲表面波（SAW）陀螺儀利用一種被稱(chēng)為SAW陀螺效應(yīng)的現(xiàn)象來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速度。由于簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)MEMS陀螺儀所需的懸浮振動(dòng)機(jī)制，SAW陀螺儀非常適合在惡劣環(huán)境中應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院常洪龍教授團(tuán)隊(duì)首次提出了一種使用聚焦叉指換能器（FIDT）的新型環(huán)形駐波模式SAW陀螺儀。傳統(tǒng)SAW陀螺儀使用線性IDT產(chǎn)生聲表面波，會(huì)導(dǎo)致波束偏轉(zhuǎn)和能量耗散，而該研究團(tuán)隊(duì)使用FIDT根據(jù)結(jié)構(gòu)特征集中SAW能量，從而獲得更好的聚焦性能和增強(qiáng)的SAW振幅。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該新型SAW陀螺儀的靈敏度為1.51 μV/(°/s)，零偏不穩(wěn)定性為0.77 °/s，與傳統(tǒng)SAW陀螺儀相比提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，F(xiàn)IDT組件可以改善SAW陀螺儀的性能，展示了其在角速度測(cè)量方面的優(yōu)越性。這項(xiàng)研究工作為提高SAW陀螺儀的靈敏度等性能提供了新思路。相關(guān)研究成果以“A toroidal SAW gyroscope with focused IDTs for sensitivity enhancement”為題發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊上。

器件設(shè)計(jì)與仿真

如圖1a所示，基于壓電效應(yīng)的SAW陀螺儀主要由FIDT、圓弧反射器、金屬柱和濺射在器件表面的電極構(gòu)成。FIDT是布置在壓電材料上的周期性間隔的金屬電極，可在交變電場(chǎng)和聲波之間提供有效的轉(zhuǎn)換。為了提高駐波產(chǎn)生的效率，研究人員在驅(qū)動(dòng)FIDT的兩側(cè)設(shè)計(jì)了成對(duì)的反射器。金屬柱被布置在結(jié)構(gòu)的中心，并隨著駐波周期性地運(yùn)動(dòng)，這類(lèi)似于MEMS陀螺儀的懸浮基準(zhǔn)質(zhì)量塊的功能。外部角速度可通過(guò)感應(yīng)FIDT檢測(cè)傳感方向上的次級(jí)SAW信號(hào)計(jì)算得出。為了更好地揭示駐波的形成原理，研究人員基于商業(yè)軟件COMSOL建立了SAW陀螺儀驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的有限元模型，仿真結(jié)果如圖1b所示。

圖1 新型環(huán)形SAW陀螺儀的工作原理

為了提高SAW陀螺儀的性能，研究人員設(shè)計(jì)了一種不同于傳統(tǒng)線性叉指換能器（LIDT）的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，即聚焦叉指換能器（FIDT），如圖2a所示。在這項(xiàng)工作中，通過(guò)沿著SAW傳播路徑適當(dāng)?shù)夭贾媒饘僦捎行У靥岣呖评飱W利（Coriolis）力，從而增強(qiáng)陀螺效應(yīng)。如圖2b所示，金屬柱被布置在駐波的波腹處，并且間距是半波長(zhǎng)的整數(shù)倍，以最大化振動(dòng)速度。接著，研究人員對(duì)該FIDT進(jìn)行了表征，結(jié)果如圖2c-2d所示。

圖2 聚焦叉指換能器（FIDT）特性

制造工藝及測(cè)量方案

器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，研究人員采用128° Y切絕緣體上薄膜鈮酸鋰（LNOI）晶圓，通過(guò)MEMS工藝來(lái)制造SAW器件。本研究中提出的SAW陀螺儀的詳細(xì)制造步驟如圖3a所示。圖3b顯示了SAW陀螺儀的顯微照片，其中FIDT、SAW反射器和金屬柱如圖3c和3d所示。

圖3 新型環(huán)形SAW陀螺儀制造工藝流程

完成環(huán)形SAW陀螺儀的制造后，可通過(guò)開(kāi)環(huán)測(cè)試和閉環(huán)測(cè)試評(píng)估傳感器的響應(yīng)特性。閉環(huán)測(cè)試示意圖如圖4a所示。實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖4b所示。SAW陀螺儀芯片被貼裝在印刷電路板（PCB）上，其引腳與外部PCB連接，并由樹(shù)脂蓋覆蓋。該器件通過(guò)丙烯酸板與旋轉(zhuǎn)臺(tái)連接。通過(guò)PCB上的SMA連接器，信號(hào)可以傳輸?shù)酵獠績(jī)x器進(jìn)行后續(xù)測(cè)量。旋轉(zhuǎn)臺(tái)控制器用于向環(huán)形SAW陀螺儀提供所需的旋轉(zhuǎn)速度。

圖4 SAW陀螺儀測(cè)試實(shí)驗(yàn)原理

測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用開(kāi)環(huán)測(cè)試方案，可獲得不同輸入電壓下的幅頻曲線，如圖5a所示。圖5b顯示了SAW陀螺儀在閉環(huán)測(cè)試期間的特性。通過(guò)使用乘法器對(duì)傳感方向的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，可獲得SAW陀螺儀的輸出幅值與其旋轉(zhuǎn)角速度之間的關(guān)系（圖5c）。從圖中可以看出，在± 300 °/s范圍內(nèi)，三次測(cè)試的靈敏度分別為1.47 μV/(°/s)、1.49 μV/(°/s)和1.59 μV/(°/s)。這些值之間的相對(duì)差異可能是由安裝的系統(tǒng)誤差和傳感器的隨機(jī)誤差引起的。該FIDT結(jié)構(gòu)的SAW陀螺儀的靈敏度平均約為1.51 μV/(°/s)，比LIDT結(jié)構(gòu)的SAW陀螺儀高出約一個(gè)數(shù)量級(jí)。被測(cè)SAW陀螺儀的艾倫（Allen）方差如圖5d所示。在靜態(tài)測(cè)試中，以5 Hz的采樣速率記錄了30分鐘的輸出信號(hào)，SAW陀螺儀的零偏不穩(wěn)定性為0.77 °/s，比基于LIDT結(jié)構(gòu)的SAW陀螺儀提高了約一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖5 新型環(huán)形SAW陀螺儀的性能

綜上所述，這項(xiàng)研究利用聚焦叉指換能器（FIDT）能夠集中SAW能量以提高振動(dòng)幅值，首次提出并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一種基于駐波模式的環(huán)形SAW陀螺儀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該FIDT結(jié)構(gòu)的SAW陀螺儀的靈敏度為1.51?μV/(°/s)，零偏不穩(wěn)定性為0.77 °/s。與基于LIDT的SAW陀螺儀相比，本文所提出的環(huán)形SAW陀螺儀的靈敏度和零偏不穩(wěn)定性提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，這說(shuō)明了FIDT組件的優(yōu)越性。根據(jù)理論分析結(jié)果，該FIDT結(jié)構(gòu)的機(jī)械靈敏度對(duì)其幾何參數(shù)和環(huán)境溫度有一定的依賴性，因此可通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)或?qū)嵤囟妊a(bǔ)償來(lái)進(jìn)一步提高SAW陀螺儀的靈敏度。本文所提出的SAW陀螺儀采用全固態(tài)結(jié)構(gòu)，沒(méi)有任何懸浮可移動(dòng)元件，在未來(lái)地質(zhì)勘探和石油鉆井等惡劣環(huán)境中具有巨大潛力。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00658-9

審核編輯：劉清