國際國內正在開發的MEMS-IDT聲表面波陀螺是一種MEMS微機械振動陀螺，這種陀螺為單層平面結構，採用標準IC工藝就可完成加工；勿需懸浮的振動結構，有很強的抗衝擊振動能力，性能可靠，靈敏度高，可不用真空封裝。因此，MEMS-IDT聲表面波陀螺正受到越來越多的關注。
基本介紹
- 中文名：聲表面波陀螺
- 類型：一種微機械振動陀螺
- 特點：性能可靠、靈敏度高
歷史的沿革,基本結構,工作原理,實驗結果,
歷史的沿革
利用在介質中傳播的表面聲波來敏感運動體的角速率並不是一個新的概念，通過科技工作者不斷地探索和發展，聲表面波陀螺的結構和敏感方式都出現了很大的變革，使聲表面波陀螺的潛在優勢逐漸突顯出來。
早在1974年，國外已開始聲表面波陀螺的實驗室研究，至1977年，陸續報導了幾種結構的聲表面波陀螺模擬器件，它們採用鋁合金圓柱體或熔石英圓柱體等作為聲表面波的傳播介質，採用外置的電磁換能器激發好接收聲表面波，其中Forst等人採用類似方案，測出了聲表面波陀螺的實際輸出信號。這種形式的聲表面波陀螺的原理類似光學陀螺，即沿圓柱體表面反向傳播的兩束表面波，在遭遇旋轉角速度時，兩束表面波將產生相位差。檢測這個相位差就能得知旋轉角速度。由於聲表面波的波速比光波波速低5個數量級，因而當時人們預測聲表面波陀螺的靈敏度會遠高於光學陀螺。但到目前為止，這樣的情形並沒有出現。
1980年，Binneg Y. Lao對SAW的傳播速度與波傳播介質的旋轉速率之間的關係進行了理論分析，得出旋轉運動產生的哥氏力引起聲表面波傳播速度發生變化的結論，並針對各向同性介質的情況，推導出波傳播速度的變化是介質泊松比的函式，從而提出了另一種聲表面波陀螺的設計。他採用表面上鍍一層壓電薄膜的熔石英圓柱體作為表面波的傳播介質。這種設計的優點在於取消了外置的電磁換能器，直接利用材料的壓電效應進行聲電轉換，以激發和接收聲表面波，可以提高轉換效率，也可大大地減小陀螺的體積。
1985年，中村、武夫等人提出了一種新概念的聲表面波陀螺，它是一種平面結構，表面波的傳播介質為壓電基片，表面波的激勵採用叉指換能器。由於旋轉速率引起的基片的拉伸或壓縮形變用敏感電極來檢測。
1997年，Kurasava等人提出了又一種聲表面波陀螺的設計，其設計思想有了新的發展。通過設定 發生器叉指換能器（GIDT）、感測器叉指換能器（SIDT）和反射柵結構，利用駐波振動來檢測運動體的選擇角速率。這種聲表面波陀螺的結構實際上是在聲表面波諧振器上增加了一對感測器叉指換能器，構成了現在的MEMS-IDT聲表面波陀螺。
1999年，Varadan等人設計了類似Kurasava等人提出的聲表面波陀螺，並利用IC工藝製作出陀螺樣機，獲得了137°/h的分辨力。至2000年，陀螺靈敏度得到提高，足以測量3°/h的角速率。Varadan等人的研究表明，聲表面波陀螺具有許多突出的優點和極大的套用潛力。
基本結構
圖1-1 MEMS-IDT單軸聲表面波陀螺原理MEMS-IDT聲表面波陀螺能夠方便地構成雙軸陀螺和三軸陀螺，圖1-1所示的是一個單軸MEMS-IDT聲表面波陀螺的基本結構。
工作原理
下面結合圖1-1簡單描述MEMS-IDT聲表面波陀螺的基本工作原理。
MEMS-IDT聲表面波陀螺是一種微機械振動陀螺。通過對速度合成定理和加速度合成定理的研究發現，凡是牽連運動為轉動的複合運動都會出現哥氏加速度。推導表明，哥氏加速度可表示為
式中，
是旋轉角速度矢量；V為質點的振動速度矢量。
由哥氏加速度產生哥氏慣性力，簡稱哥氏力。哥氏力與質點的質量m成正比，與哥氏加速
成正比，方向與哥氏加速度的方向相反。如上式所示
和其他振動陀螺一樣，MEMS-IDT聲表面波陀螺也是通過建立參考振動運動並檢測由旋轉運動產生的哥氏力來測量旋轉角速率的。如圖1-1所示，諧振器IDT，一個作為輸入換能器（發射器），通過反壓電效應把外加電壓轉換成聲波；另一個作為輸出換能器（接收器），通過壓電效應把聲波轉換成電信號。它們和外電路相連形成閉合迴路，產生聲表面波信號。由於反射器的作用，在諧振腔內形成駐波，這就是要求建立的參考振動，即第一個聲表面波SAW1。在駐波節點上的基片質點，在z方向的振動幅度為零，而在駐波波腹處或接近駐波波腹處的質點，在z方向有較大的振動幅度。當在x方向遭遇旋轉角速度
時，便會在y方向上產生一個哥氏力Fc。這個哥氏力在y方向建立起另一個聲表面波SAW2，其頻率等於參考振動的頻率，其幅度正比於旋轉角速度的大小。通過置於y方向的感測器IDT把SAW2檢測出來，由電路進行放大和解調，就可以得到相應於輸入角速度的電壓輸出信號。金屬點陣置於駐波的波腹位置，它的作用是通過加大m來提高聲表面波陀螺的靈敏度。
實驗結果
MEMS-IDT聲表面波陀螺是一種單層平面結構的微機械振動陀螺，採用標準IC工藝就可完成加工；勿需懸浮的振動元件，有很強的抗衝擊振動能力，可靠性高；可不用真空封裝面保持較高的靈敏度。日本東京大學精密機械工程系已設計製作了單軸、雙軸、三種MEMS-IDT聲表面波陀螺樣機。美國賓夕法尼亞大學電子和聲學材料工程中心利用IC工藝製作出陀螺樣機，1999年獲得了137°/h的分辨力，至2000年，陀螺靈敏度提高到足以測量3°/h的角速度，證明聲表面波陀螺具有極大的發展套用潛力 。
