声表面波（SAW）中陀螺效应的理论研究

本文从定性、定量分析哥氏惯性力对声表面波传播特性的影响，详细推导了声表面波传播速度的改变量与各向同性传播介质旋转角速度的关系．并与光学中的法拉第（Ｆａｒａｄａｙ）效应相比，进一步说明了ＳＡＷ陀螺效应的产生原因。

石英晶体上的声表面波陀螺效应

声表面波(SAW)传感器作为一种新型传感器具有许多突出的优点,其中以测量角速度为目的的SAW陀螺是其潜在应用之一。但目前对SAW陀螺的研究局限于试验研究和简单的理论分析。基于以上研究背景,以附加陀螺效应的各向异性压电介质波动方程为基础,定量分析了X切、Y切、Z切石英的SAW陀螺效应,确定了石英晶体X切(90°,90°,130°)、Y切(0°,90°,45°)、Z切(0°,0°,25°)等敏感切向,为SAW陀螺的进一步研究提供了理论指导。

含陀螺效应的声表面波波动方程的求解

含陀螺效应的声表面波(SAW)波动方程的求解是分析旋转压电基体SAW传播特性和设计SAW角速度传感器的理论基础。以旋转条件下压电基体声表面波方程的建立和求解为研究内容,推导了含陀螺效应的Christoffel方程的一般表达式,提出了在求解中必须注意对解耦波的判别及进行相应的处理,设计了计算机数值求解的软件,并给出了流程。以新型压电材料硅酸镓镧作为求解的实例,验证了算法的可行性。理论与算法可为与陀螺效应有关的SAW器件的设计提供参考。

结合金属膜的YZ-LiNbO_3压电基片上声表面波陀螺效应分析

在声表面波陀螺效应作用过程中,由于哥氏力的作用比较微弱,导致现有的声表面波陀螺仪的检测灵敏度极低。为了改善哥氏力作用,在声表面波传播路径上分布金属点阵以增加质量负载,将有可能获得良好的灵敏度性能。本文结合研究层状介质中声波传输特性的方法对YZ-LiNbO3压电基片上的金属膜层对陀螺效应的影响做了理论计算。对比分析有无金属膜层的压电基片中陀螺效应的大小,以及不同金属材料对陀螺效应的影响作用,验证了用布置重金属点阵的方法来提高行波模式声表面波陀螺仪检测灵敏度的可行性,从而为高性能行波模式声表面波陀螺仪的研制奠定理论基础。

声表面波陀螺效应的有限元仿真分析

声表面波陀螺主要是依据声表面的陀螺效应的原理进行设计制作的。以YX-128°Li Nb O3压电材料作为基底建立了声表面波器件的有限元分析简化模型进行仿真研究。对仿真模型的X,Y,Z轴分别施加旋转角速率,激活了陀螺效应,从而进一步分析声表面波的频率和旋转角速率在绕不同的旋转轴旋转时的关系。

微机械叉指换能器声表面波陀螺

回顾了声表面波(SAW)陀螺发展史,总结了声表面波陀螺设计思想的变迁,重点介绍了一种新型微机械-叉指换能器(MEMS-IDT)声表面波陀螺。它具有适合标准IC工艺生产的简单二维结构,具备体积小、成本低、便于批量生产以及不用真空封装的特点。由于没有普通微机械陀螺的悬浮机构,抗冲击及振动的能力较普通微机械陀螺显著提高。同时,提出了一些迫待解决的问题。

基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器研究

该文设计制作了一种基于磁致伸缩效应的声表面波(SAW)电流传感器,采用了磁致伸缩铁钴合金(FeCo)薄膜,并对其性能进行实验研究。传感器采用双通道300 MHz声表面波延迟线型振荡器结构,以128°YXLiNbO_3为压电基片,在其表面覆盖与其温度系数极性相反的SiO_2薄膜来改善器件温度稳定性,并在声传播路径上溅射FeCo薄膜用以感知电流量。在电流产生磁场作用下,FeCo薄膜发生磁致伸缩应变,导致声传播速度的变化,进而以振荡器频率信号的改变来表征待测电流。该文通过对不同FeCo膜厚及不同FeCo薄膜长宽比的传感器进行实验分析,以获得优化的传感功能结构。实验结果表明,在优化的FeCo薄膜厚度(500nm)和长宽比(2∶1)条件下,所研制的声表面波电流传感器的灵敏度为12.375kHz/A。

声表面波陀螺仪研究进展

高精度的惯性导航系统是水下航行器顺利完成水下作业的关键之一,陀螺仪作为一种重要的惯性敏感元件,是构成惯性导航系统的基础核心器件。基于声表面波陀螺效应的新型陀螺仪具有优良的抗振能力、良好的可靠性与稳定性等特点而引起人们的浓厚兴趣,在大冲击等恶劣环境具有良好的应用前景。本文对声表面波陀螺仪的研究进展进行回顾,特别介绍了一种设置金属点阵的陀螺效应增强模式SAW陀螺仪。该结构由在同一压电晶体上反向设置的两个SAW传感器件构成,在其叉指换能器中间分布有金属点阵。结合层状介质中声波传输特性的研究方法对压电晶体及金属点阵参数对传感器响应特性的影响进行建模分析,设计并实验研制了工作频率为30MHz、80MHz及95MHz的SAW陀螺仪。实验结果表明,该结构陀螺仪实现了良好的温度补偿特性,并通过在SAW传播路径上合理设置的金属点阵,大幅提升了传感器的检测灵敏度。

压电晶体切向对声表面波陀螺刻度因子的影响

刻度因子是陀螺的重要指标,而压电晶体切向对声表面波(SAW)陀螺刻度因子有重要影响。首先以铌酸锂作为分析声波波传特性的基板材料,建立不同的波传角度和不同的切面与各种模态SAW波速的物理数学模型,接着探讨旋转扰动时二次旋转欧拉角与X切、Y切及Z切等铌酸锂晶体中的陀螺效应,分析不同切向刻度因子的变化规律。根据计算结果,铌酸锂晶体中X切Y传(XY)、128°Y切X传(128°YX)、30°ZX、ZX和150°ZX对应的声表面波陀螺刻度因子最大,同时也得出了适合应用于声表面波陀螺的相对敏感切向为声表面波波速接近于慢横波时对应的切向。

声表面波器件光刻的衍射效应研究

声表面波(SAW)器件光刻过程中,制作的光刻胶线条宽度与掩模版不一致,特别是不同宽度的非均匀线条光刻后线宽变化值存在偏差。该文研究了接近式曝光衍射效应对线宽的影响,分析了掩模版上线条和缝隙宽度、衍射光强、掩模版与光刻胶间距等参数间的关系。结果表明,通过建立光学模型给出了计算曝光后不同线条宽度变化值的方法,采用程序编程可对掩模版数据中不同尺寸的线条和缝隙宽度进行补偿,实现SAW器件非均匀线条宽度的精确控制。

在旋转的半无限LiNbO_3上传播的声表面波

声表面波(SAW)陀螺具有无源、无线、单层平面结构等优点。以目前国外研究小组所用的铌酸锂为对象,对含陀螺效应的声表面波的波动方程进行求解。用编制的程序进行了数值计算并绘制了基体绕各不同坐标轴旋转时,陀螺效应对铌酸锂表面传播的声表面波速度及对机电耦合系数影响的相关曲线,并对结果进行了分析。

双通道声表面波转速传感器

以声表面波中的陀螺效应为理论基础,通过数值计算获得了LiNbO3基底上声表面波波速随基底转动速率的变化,以此为依据设计了一种双通道声表面波转速敏感结构,制作出双通道声表面波转速传感器。通过实验,该传感器的分辨率为12Hz/r.s-1。

MEMS-SAW陀螺仪研究

采用耦合模(COM)理论对声表面波(SAW)谐振器进行数字模拟,并采用梅森(Mason)正交场模型对陀螺仪和传感器进行模拟设计,最后对SAW谐振器和SAW传感器进行实验评价。这种陀螺仪具有额外的能力,可以作为无线陀螺仪和集成在SAW加速度传感器上。

共线TE-TM模式转换器中的陀螺效应

简要介绍了声表面波(SAW)陀螺效应及TE-TM模式转换理论,提出了检测SAW陀螺效应的一种新方法。该方法的核心是通过模式耦合理论的作用,把SAW陀螺效应引起的器件轻微形变反应到器件耦合效率的变化中,通过检测特定偏振态的出射光强度进而推算出陀螺的转动角速度。讨论了检测SAW陀螺效应的实验方案,设计了检测系统,并推导出了陀螺效应的系统测量公式。

先进微陀螺器件及微惯性测量单元最新研究进展

微纳加工技术与振动惯性技术的结合使惯性仪表技术发生了重大的变革,拓展了惯性技术在军用和民用领域的应用。高性能微惯性器件对军事装备和国民经济的发展起着越来越大的作用。该文基于美国国防高级研究计划局(DARPA)近年来在微惯性传感器技术领域的资助项目,综合研究了微机电系统(MEMS)谐振陀螺、微光学陀螺(MOG)、声表面波(SAW)陀螺等微惯性传感器技术及微惯性测量单元的最新发展现状,并对其发展面临的技术挑战进行了详细地分析与评述。

声学惯性技术的发展现状

声学惯性器件是一种新型的惯性器件,其具有工作频率高,品质因数Q值高,封装简单等特点,与其他惯性器件相比,声学惯性器件在体积和成本上拥有较大优势。该文在分析了国内、外相关声学惯性技术报道的基础上,对声学惯性技术的国内、外研究现状及应用情况等进行了综合报道和评述,并对声学惯性技术的未来发展趋势进行了展望。