CN101363731A - 基于剪应力检测的石英微机械陀螺及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于剪应力检测的石英微机械陀螺及制作方法，它包括支撑质量块、第一悬臂梁、第二悬臂梁、第一驱动梁、第二驱动梁、四个可动质量块以及驱动电极和检测电极，所述第一悬臂梁和第二悬臂梁对称布置于支撑质量块的两端，支撑质量块通过第一悬臂梁与第一驱动梁相连，支撑质量块通过第二悬臂梁与和第二驱动梁相连，所述第一驱动梁和第二驱动梁的布置方向与第一悬臂梁和第二悬臂梁的布置方向垂直，所述四个可动质量块分别固定于第一驱动梁和第二驱动梁的端部。本发明是一种结构简单紧凑、成本低廉、制作工艺简单、灵敏度高、抗干扰能力强的基于剪应力检测的石英微机械陀螺及制作方法。

Description

基于剪应力检测的石英微机械陀螺及其制作方法

技术领域

本发明主要涉及到微电子机械系统领域，特指一种基于剪应力检测的石英微机械陀螺及其制作方法。

背景技术

利用微机械技术制造而成的石英微机械陀螺和传统的陀螺相比，具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高、可批量生产等优点，可广泛应用于航空、航天、武器、汽车、医疗、消费电子等领域，具有巨大的市场潜力，目前已成为惯性陀螺发展的一个重要方向。现在国际上各种结构的微机械陀螺层出不穷，它们的共同特点是有相互垂直的两个振动方向，即振动激励方向和科里奥利力引起的检测振动方向。

目前，石英陀螺产品主要采用美国NEW SD公司申请的专利“Rotation Rate Sensor withCenter Mounted Tuning Fork”(美国专利，专利号5396144)和美国BEI Technologies公司申请的专利“Inertial Rate Sensor Tuning Fork”(美国专利，专利号US6262520B1)所述的陀螺结构。但是这些结构的检测电极需要在检测梁的侧壁制作分开的两电极，这将导致复杂的电极制作工艺，并且不平衡的正负电极对陀螺的零位偏置影响很大。这些结构的检测振动存在压膜阻尼，使其品质因子很低，限制了微机械陀螺灵敏度的提高。此外这些结构均通过读取检测振动正应力产生的电信号来检测科里奥利力的，但是根据石英的压电方程，正应力的压电系数分量并不是最大的，而其中的一种剪应力具有更大的压电系数分量，因此剪应力检测在理论上可以提升陀螺的性能。

发明内容

本发明要解决的问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、制作工艺简单、灵敏度高、抗干扰能力强的基于剪应力检测的石英微机械陀螺及其制作方法。

本发明采用剪应力检测，在理论上具有更大灵敏度的同时，不需要在振动梁的侧壁制作分开的两电极，从而降低了微机械陀螺的制作难度，驱动振动和检测振动都只有滑膜阻尼，使它们具有较大的品质因子，驱动梁与敏感梁是独立的并垂直布置的两个梁，减小了机械耦合，由于结构的多重对称性和单点支撑特点可以有效地抑制外界共模干扰和温度不平衡的影响，尤其是可以实现对旁轴加速度干扰信号的抑制，从而引出了本发明的目的。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种基于剪应力检测的石英微机械陀螺，其特征在于：它包括支撑质量块、第一悬臂梁、第二悬臂梁、第一驱动梁、第二驱动梁、四个可动质量块以及驱动电极和检测电极，所述第一悬臂梁和第二悬臂梁对称布置于支撑质量块的两端，支撑质量块通过第一悬臂梁与第一驱动梁相连，支撑质量块通过第二悬臂梁与和第二驱动梁相连，所述第一驱动梁和第二驱动梁的布置方向与第一悬臂梁和第二悬臂梁的布置方向垂直，所述四个可动质量块分别固定于第一驱动梁和第二驱动梁的端部。

所述驱动电极布置于第一驱动梁和第二驱动梁的外表面。

所述检测电极布置于第一悬臂梁和第二悬臂梁的外表面。

一种基于剪应力检测的石英微机械陀螺的制作方法，其特征在于步骤为：

(a)基体材料选用Z切单晶石英片，对上下表面进行抛光，并切边作为材料的晶向基准；

(b)在基体表面镀制金属层，通过光刻制备金属掩模图形，利用化学腐蚀的方法刻蚀基体，形成基体结构；

(c)在基体结构的各表面上通过掩模蒸镀的方式制备迹线，布置各驱动电极、检测电极以及引线电极；

(d)通过支撑质量块将基体结构与封装外壳固定并将基体结构悬起，基体结构上的电极通过引线与封装管脚连接。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：本发明的基于剪应力检测的石英微机械陀螺中，基体上的可动质量块的振动产生的空气阻尼为滑膜阻尼，使得振动具有较高的品质因子。驱动振动和检测振动分别作用在驱动梁和悬臂梁上，有利于减小驱动模态和检测模态之间的耦合，提高了陀螺的分辨率。基体结构沿Y晶轴对称，从而可以消除检测方向上的外界加速度信号引起的干扰，提高了系统的抗干扰性，而角速度信号在对称结构上产生的是差模信号，陀螺的灵敏度可以提高一倍。同时对称轴两侧的可动质量的驱动模态为反相谐振运动，可以消除驱动方向上的外界加速度对驱动模态的干扰，提高驱动振动的稳定性。基体结构沿X晶轴对称，使得对称轴两侧的可动质量块均参与驱动振动和敏感振动，敏感质量增大一倍，使得陀螺的输出信号增大一倍，同时有利于减小陀螺的零位偏差。此外，整个结构采用单点支撑设计可以消除外界干扰通过支撑对结构的不平衡影响，尤其是热应力对陀螺结构的不平衡影响。本发明基于剪应力检测的石英微机械陀螺中，基体结构上的侧壁电极为单一极性并且分布在对应的整个侧壁表面，而不需要在侧壁制作复杂电极图形，降低了电极制作工艺的难度。本发明陀螺结构新颖，灵敏度高，制造工艺简单，易于降低成本和提高成品率，是一种可以实际应用的微机械陀螺。

附图说明

图1是本发明的俯视结构示意图；

图2是本发明具体实施例中电极配置的主视示意图；

图3是本发明具体实施例中电极配置的后视示意图；

图4是本发明制作方法步骤中基体形状示意图；

图5是本发明制作方法步骤中在基体上刻蚀形成的基体结构示意图；

图6是本发明制作方法步骤中在基体结构上制备电极的示意图；

图7是本发明制作方法步骤中基体结构的装配引线示意图。

图例说明

1、基体结构                 2、支撑质量块

3、第一悬臂梁                4、第二悬臂梁

5、第一驱动梁                6、第二驱动梁

7、第一可动质量块            8、第二可动质量块

9、第三可动质量块           10、第四可动质量块

11、第一驱动电极             12、第二驱动电极

13、第三驱动电极             14、第四驱动电极

15、第五驱动电极             16、第六驱动电极

17、第七驱动电极             18、第八驱动电极

19、第九驱动电极             20、第十驱动电极

21、第十一驱动电极            22、第十二驱动电极

23、第一检测电极              24、第二检测电极

25、第三检测电极             26、第四检测电极

27、第一引线电极              28、第二引线电极

29、第三引线电极              30、第四引线电极

31、第五引线电极              32、第六引线电极

33、基体                      34、封装外壳

35、第一封装管脚               36、第二封装管脚

37、第一引线                   38、第二引线

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1、图2和图3所示，本发明的一种基于剪应力检测的石英微机械陀螺，它包括支撑质量块2、第一悬臂梁3、第二悬臂梁4、第一驱动梁5、第二驱动梁6、四个可动质量块以及驱动电极和检测电极，第一悬臂梁3和第二悬臂梁4对称布置于支撑质量块2的两端，支撑质量块2通过第一悬臂梁3与第一驱动梁5相连，支撑质量块2通过第二悬臂梁4与和第二驱动梁6相连，第一驱动梁5和第二驱动梁6的布置方向与第一悬臂梁3和第二悬臂梁4的布置方向垂直，四个可动质量块分别固定于第一驱动梁5和第二驱动梁6的端部。即，参见图2和图3所示，在支撑质量块2的-X和+X侧分别延伸出第一悬臂梁3和第二悬臂梁4，第一悬臂梁3的末端与第一驱动梁5的中部相连，第一驱动梁5向-Y、+Y方向延伸，第二悬臂梁4的末端与第二驱动梁6的中部相连，第二驱动梁6向-Y、+Y方向延伸，第一驱动梁5的两端分别对称连接第一可动质量块7和第二可动质量块8，第二驱动梁6的两端也分别对称连接第三可动质量块9和第四可动质量块10，整个基体结构1以支撑质量块2为中心分别沿X、Y方向呈对称结构。在本实施例中，驱动电极布置于第一驱动梁5和第二驱动梁6的外表面，检测电极布置于第一悬臂梁3和第二悬臂梁4的外表面。即，第一驱动梁5表面的第一驱动电极11、第二驱动电极12、第三驱动电极13、第四驱动电极14、第五驱动电极15、第六驱动电极16为该梁的驱动电极，第二驱动梁6表面的第七驱动电极17、第八驱动电极18、第九驱动电极19、第十驱动电极20、第十一驱动电极21、第十二驱动电极22为该梁的驱动电极，其中，第一驱动电极11、第四驱动电极14、第五驱动电极15、第七驱动电极17、第十驱动电极20、第十一驱动电极21通过迹线相互连接并通过第一引线电极27引出，第二驱动电极12、第三驱动电极13、第六驱动电极16、第八驱动电极18、第九驱动电极19、第十二驱动电极22通过迹线相互连接并通过第二引线电极28引出。第一悬臂梁3侧壁上的第一检测电极23、第二检测电极24为该第一悬臂梁3的检测电极，第二悬臂梁4侧壁上的第三检测电极25、第四检测电极26为该梁的检测电极，第一检测电极23通过第三引线电极29引出，第二检测电极24通过第四引线电极30引出，第三检测电极25通过第五引线电极31引出，第四检测电极26通过第六引线电极32引出。各电极通过物理气相沉积的方法蒸镀到相应的结构表面上，各电极的位置和数量是该陀螺在原理上确定的，不能变，各电极的尺寸(覆盖面)是经过优化设计获得的，从而使得电极在容易加工的基础上有更高的性能。

本发明提供的剪应力检测的石英微机械陀螺，是利用压电效应检测悬臂梁的剪应力来检测科里奥利力的。由石英的压电方程：

$\left(\begin{array}{c}{D}_1\\ D_2\\ D_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccccc}{d}_{11}& {-d}_{11}& 0& d_{14}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& d_{14}& {-2d}_{11}\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{T}_1\\ T_2\\ T_3\\ T_4\\ T_5\\ T_6\end{array}\right)$

其中，D₁、D₂、D₃分别为石英在X、Y、Z晶向上的电位移分量，d₁₁＝2.31×10^-12C/N、d₁₄＝0.73×10^-12C/N为压电常数，T₁、T₂、T₃分别为施加在石英晶体X、Y、Z晶向上的正应力，T₄、T₅、T₆分别为施加在石英晶体X、Y、Z晶面向上的剪应力。本发明提供的剪应力检测的石英微机械陀螺，就是通过检测T₆通过压电系数-2d₁₁产生的D₂来检测科里奥利力的，在石英压电系数矩阵中-2d₁₁是绝对值最大的压电系数，因此本发明提供的石英微机械陀螺具有相对更大的输出信号。

本发明涉及的微机械陀螺的制作方法，参考图4、图5、图6和图7所示，主要包括以下工艺步骤：

(a)基体33材料选用Z切单晶石英片，对上下表面进行抛光，并切边作为材料的X、Y晶向基准；

(b)在基体33上下表面镀制金属层，通过光刻在金属层上制作图形作为基体结构加工的掩模图形，利用化学腐蚀的方法刻蚀基体使掩模图形复制到基体上，形成基体结构1中的支撑质量块2、第一悬臂梁3、第二悬臂梁4、第一驱动梁5、第二驱动梁6和四个可动质量块，整个基体结构1以支撑质量块2为中心分别沿X、Y方向成对称结构；

(c)从-Z方向上通过掩模蒸镀的方式，在基体结构1的前表面的相应位置上镀制迹线、第一驱动电极11、第五驱动电极15、第九驱动电极19、第一引线电极27、第二引线电极28、第三引线电极29、第四引线电极30、第五引线电极31、第六引线电极32，从+Z方向上通过掩模蒸镀的方式，在基体结构1的后表面的相应位置上镀制迹线、第四驱动电极14、第八驱动电极18、第十二驱动电极22，从+X方向上通过掩模蒸镀的方式，在第一驱动梁5的左侧壁的相应位置上镀制迹线和第三驱动电极13，在第二驱动梁6的左侧壁的相应位置上镀制迹线、第七驱动电极17、第十一驱动电极21，从-X方向上通过掩模蒸镀的方式，在第一驱动梁5的右侧壁的相应位置上镀制迹线、第二驱动电极12、第六驱动电极16，在第二驱动梁6的右侧壁的相应位置上镀制迹线和第十驱动电极20，从-Y方向上通过掩模蒸镀的方式，在第一悬臂梁3的上侧壁的相应位置上镀制第一检测电极23，在第二悬臂梁4的上侧壁的相应位置上镀制第三检测电极25，在支撑质量块2的上侧壁的相应位置上镀制迹线，从+Y方向上通过掩模蒸镀的方式，在第一悬臂梁3的下侧壁的相应位置上镀制第二检测电极24，在第二悬臂梁4的下侧壁的相应位置上镀制第四检测电极26，在支撑质量块2的下侧壁的相应位置上镀制迹线；

(d)通过支撑质量块2将基体结构1与封装外壳34固定并将基体结构1悬起，基体结构上的电极通过第一引线37、第二引线38分别与第一封装管脚35、第二封装管脚36连接。

由以上工艺步骤，制作出本发明涉及的微机械陀螺。结合图2和图3对本发明的工作原理进行说明。在第一引线电极27和第二引线电极28施加一定频率的交流电压，与之相连的第一驱动电极11、第二驱动电极12、第三驱动电极13、第四驱动电极14、第五驱动电极15、第六驱动电极16上的简谐电压信号将在第一驱动梁5内部产生特定的交变电场，由于石英的逆压电效应，交变电场将驱动第一驱动梁5与其两端的第一可动质量块7和第二可动质量块8一起振动，根据第一驱动梁5内的电场分布，第一可动质量块7和第二可动质量块8将在±X方向上同相振动。与第一引线电极27和第二引线电极28相连的第七驱动电极17、第八驱动电极18、第九驱动电极19、第十驱动电极20、第十一驱动电极21、第十二驱动电极22上的简谐电压信号将在第二驱动梁6内部产生特定的交变电场，由于石英的逆压电效应，交变电场将驱动第二驱动梁6与其两端的第三可动质量块9和第四可动质量块10一起振动，根据第二驱动梁6内的电场分布，第三可动质量块9和第四可动质量块10将在±X方向上同相振动，但与第一驱动梁5两端的第一可动质量块7和第二可动质量块8的振动方向相反。当沿垂直于基体结构1平面方向(±Z方向)有外部角速度时，则四个可动质量块将在±Y方向上产生科里奥利力，且第一驱动梁5两端的第一可动质量块7和第二可动质量块8与第二驱动梁6两端的第三可动质量块9和第四可动质量块10受到的科里奥利力的方向相反，由此四个可动质量块将带动第一悬臂梁3和第二悬臂梁4在±Y方向上做反相振动，由于悬臂梁属于铁摩辛柯梁，其±Y方向振动的内应力以剪应力T₆为主，根据石英的压电方程，通过第一检测电极23和第二检测电极24组成的电极对以及第三检测电极25和第四检测电极26组成的电极对分别检测第一悬臂梁3和第二悬臂梁4侧壁上产生的电荷量来检测剪切力T₆的大小，从而检测科里奥利力的大小，最终测量到外部角速度的大小。基体结构1上的侧壁电极均分布在对应的整个侧壁表面上，并不需要制作出复杂的电极图形，降低了电极制作工艺的难度。同时，由于结构的对称性以及第一悬臂梁3和第二悬臂梁4的反相振动，所检测的角速度为差模信号，可以消除检测方向上的外界共模加速度信号引起的干扰，提高了系统的抗干扰性，并使灵敏度提高一倍。

如上所述，整个结构的振动产生的空气阻尼均为滑膜阻尼，而滑膜阻尼相对于压膜阻尼要小很多，使驱动方向和检测方向的品质因子可以大幅度提高，检测灵敏度也相应地大幅度提高，从而避免了真空封装；同时本发明采用微电子机械系统技术工艺制作，工艺简单，可批量生产、有利于提高成品率和降低制造成本。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1、一种基于剪应力检测的石英微机械陀螺，其特征在于：它包括支撑质量块(2)、第一悬臂梁(3)、第二悬臂梁(4)、第一驱动梁(5)、第二驱动梁(6)、四个可动质量块以及驱动电极和检测电极，所述第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)对称布置于支撑质量块(2)的两端，支撑质量块(2)通过第一悬臂梁(3)与第一驱动梁(5)相连，支撑质量块(2)通过第二悬臂梁(4)与和第二驱动梁(6)相连，所述第一驱动梁(5)和第二驱动梁(6)的布置方向与第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)的布置方向垂直，所述四个可动质量块分别固定于第一驱动梁(5)和第二驱动梁(6)的端部。

2、根据权利要求1所述的基于剪应力检测的石英微机械陀螺，其特征在于：所述驱动电极布置于第一驱动梁(5)和第二驱动梁(6)的外表面。

3、根据权利要求1所述的基于剪应力检测的石英微机械陀螺，其特征在于：所述检测电极布置于第一悬臂梁(3)和第二悬臂梁(4)的外表面。

4、一种基于剪应力检测的石英微机械陀螺的制作方法，其特征在于步骤为：

(a)基体材料选用Z切单晶石英片，对上下表面进行抛光，并切边作为材料的晶向基准；

(b)在基体表面镀制金属层，通过光刻制备金属掩模图形，利用化学腐蚀的方法刻蚀基体，形成基体结构；

(c)在基体结构的各表面上通过掩模蒸镀的方式制备迹线，布置各驱动电极、检测电极以及引线电极；

(d)通过支撑质量块将基体结构与封装外壳固定并将基体结构悬起，基体结构上的电极通过引线与封装管脚连接。

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