CN101368826B - 采用隔振框架解耦的硅微陀螺 - Google Patents

Abstract

一种采用隔振框架解耦的硅微陀螺，它包括第一基板和位于第一基板上方的第二基板，第一基板上设有两个检测电极，第二基板包括可沿驱动方向振动的两个结构相同且对称布置的两个驱动质量块、可沿检测方向振动的两个结构相同且对称布置的检测质量块、驱动电极以及隔振框架组件，检测质量块位于第一基板上两个检测电极的上方，隔振框架组件位于第二基板的中部，隔振框架组件的两端分别通过弹性梁与两个驱动质量块和两个检测质量块相连。本发明是一种结构简单紧凑、成本低廉、加工工艺简单、易于批量生产、产品品质高的采用隔振框架解耦的硅微陀螺。

Description

采用隔振框架解耦的硅微陀螺 

技术领域

本发明主要涉及到微电子机械系统领域，特指一种采用隔振框架解耦的硅微陀螺。 

背景技术

和传统的陀螺相比，硅微陀螺具有体积小、重量轻、价格低等优点，广泛应用于飞行器稳定控制、武器系统导航制导、微卫星姿态控制等领域。振动式硅微陀螺由于没有旋转部件成为微陀螺的主要结构形式，随着MEMS技术的发展，现在国际上各种各样的硅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，即振动激励方向和哥氏力作用下的敏感振动方向。 

振动式微机械陀螺的工作原理是驱动微陀螺的惯性质量在驱动轴向产生振动，如果有敏感轴向的输入角速度，受到哥氏力的作用，惯性质量将在检测轴向产生振动，测量得到该振动信号就能够从中解调出输入角速度。从信号检测方式可分为压电式、压阻式、电容式、热对流式等。电容式硅微陀螺由于具有精度高、温度敏感系数低、功耗低、动态范围宽和微机械结构简单等特点而被广泛应用。 

制造误差和内部残余应力会导致微陀螺驱动模态和检测模态之间的交叉耦合，产生正交误差，影响微陀螺的性能。设计解耦结构可以减小微陀螺模态之间的交叉耦合，提高微陀螺的性能。目前已有的解耦硅微陀螺主要采用为驱动模态和检测模态分别设计独立支撑梁的方法解耦，如加州大学Irvine分校设计的解耦微陀螺(Cenk Acar and Andrei M Shkel，“Structurally decoupled micromachined gyroscopes with post-release capacitance enhancement”in J.Micromech.Microeng.15，2005，pp：1092-1101)，Said EmreAlper、Tayfun Akin等人设计的解耦微陀螺(Said Emre Alper and Tayfun Akin.A Single-Crystal Silicon Symmetrical and Decoupled MEMS Gyroscope on an Insulating Substrate.JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS，VOL.14，NO.4，AUGUST 2005，pp：707-717)和王元山、王寿荣等人设计的解耦微陀螺(王元山，王寿荣，许宜申.一种解耦的微机械陀螺研究.中国惯性技术学报，第14卷第4期，2006年8月，pp：56-58)。这些解耦微陀螺结构虽然分离了驱动模态和检测模态的支撑梁，但是没有完全分开两个模态的惯性质量，在有输入角速度时，惯性质量块既有驱动模态振动，又有哥氏力导致的检测模态振动，容易产生振动耦合，影响微陀螺的性能。 

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、加工工艺简单、易于批量生产、产品品质高的采用隔振框架解耦的硅微陀 螺。 

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种采用隔振框架解耦的硅微陀螺，其特征在于：它包括第一基板和位于第一基板上方的第二基板，所述第一基板上设有两个检测电极，所述第二基板包括可沿驱动方向振动的两个结构相同且对称布置的驱动质量块、可沿检测方向振动的两个结构相同且对称布置的检测质量块、驱动电极以及隔振框架组件，所述两个检测质量块位于第一基板上两个检测电极的上方，隔振框架组件位于第二基板的中部，隔振框架组件的两端分别通过弹性梁与两个驱动质量块和两个检测质量块相连。 

所述隔振框架组件包括隔振框架和框架支撑梁，框架支撑梁固定于隔振框架的内部，所述隔振框架的外侧分别通过弹性梁与第一驱动质量块、第二驱动质量块、第一驱动质量块和第二驱动质量块相连。 

所述第二基板的中部通过中间锚点固定于第一基板的上方，所述隔振框架组件中的框架支撑梁通过刚性梁与中间锚点相连。 

所述两个驱动质量块、两个检测质量块以及隔振框架组件上均开设有阻尼孔。 

一种采用隔振框架解耦的硅微陀螺的制作方法，其特征在于步骤为： 

(a)选用绝缘材料玻璃基板或表面具有热氧化层的硅片作为第一基板，在第一基板上表面通过蒸镀或溅射的工艺方法形成铝材料的两个检测电极以及检测电极引线； 

(b)选用低阻双面抛光硅片作为第二基板，利用干法刻蚀工艺在第二基板下表面生成驱动电极锚点和中间锚点； 

(c)利用干法刻蚀工艺对第二弹性梁和框架支撑梁进行减薄； 

(d)将第一基板的上表面与第二基板的下表面进行对准键合； 

(e)对第二基板进行深反应离子刻蚀，形成悬在第一基板上方可沿驱动方向振动的两个结构相同且对称的驱动质量块、可沿检测方向振动的两个检测质量块、隔振框架、框架支撑梁、刚性梁、隔振框架与驱动质量块相连接的第一弹性梁以及隔振框架与检测质量块相连接的第二弹性梁。 

与现有技术相比，本发明的优点就在于：本发明提供的采有隔振框架解耦的硅微陀螺采用的是静电力驱动和电容检测方式，利用改变电容极板间距来实现微陀螺的驱动和检测，具有两个对称的检测质量块，从而可以消除检测方向上外界加速度信号的干扰，减小了外界加速度和振动对微陀螺的影响，提高了系统的抗干扰能力，增大了微陀螺灵敏度。驱动质量块和检测质量块通过隔振框架隔连接，有利于减小驱动模态和检测模态之间的耦合。本发明利用阻尼孔来减小空气阻尼，提高了驱动模态和检测模态的品质因子，从而可以有效地提高器件的灵敏度。在驱动电极所对应的引线电极上施加带有直流偏置电压的一定频率的正弦交流信号，驱动质量块在静电驱动力的作用下作相向谐振振动，当有垂直于驱动运动平面的角速度信号输入时，两个检测质量块在哥氏力的作用下沿垂直于驱动方向的检测方向作反向运动。由于检测质量块与第一基板上的检测电极构成检测输出电容，当检测质量块运动时会引起检测输出电容变化，因此通过测量差分检测输出电容的变化就可以得到外界角速度的大小。本发明陀螺结构新颖，机械耦合低，灵敏度高，是一种可以实际应用的微机械陀螺。 

附图说明

图1是本发明的主视结构示意图； 

图2是本发明的侧视结构示意图； 

图3是本发明中第一基板的结构示意图； 

图4是本发明中第二基板的局部结构示意图； 

图5是本发明中第一弹性梁的截面示意图； 

图6是本发明中第二弹性梁和框架支撑梁的截面示意图； 

图7是本发明制造方法中于第一基板上表面形成检测电极及检测电极引线的示意图； 

图8是本发明制造方法中于第二基板上干法刻蚀工艺形成驱动电极锚点的示意图； 

图9是本发明制造方法中对第二基板上第二弹性梁及框架支撑梁减薄的示意图； 

图10是本发明制造方法中将第一基板上表面与第二基板下表面对准键合的示意图； 

图11是本发明制造方法中在键合后在第二基板上完成整个微机械陀螺制作的示意图。 

图例说明 

1、第一基板         2、检测电极 

3、检测电极引线     4、驱动电极 

5、可动驱动梳齿     6、固定驱动梳齿 

7、驱动质量块       8、阻尼孔 

9、第一弹性梁       10、第二弹性梁 

11、框架支撑梁      12、刚性梁 

13、隔振框架        14、检测质量块 

15、中间锚点        16、第二基板 

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、图3和图4所示，本发明的一种采用隔振框架解耦的硅微陀螺，它包括第一基板1和位于第一基板1上方的第二基板16，第一基板1上设有两个检测电极2，第二基 板16包括可沿驱动方向振动的两个结构相同且对称布置的驱动质量块7、可沿检测方向振动的两个结构相同且对称布置的检测质量块14、驱动电极4、可动驱动梳齿5、固定驱动梳齿6以及隔振框架组件，两个检测质量块14位于第一基板16上两个检测电极2的正上方，隔振框架组件位于第二基板16的中部，隔振框架组件的两端分别通过第一弹性梁9和第二弹性梁10与驱动质量块7和检测质量块14相连。驱动质量块与第一基板1之间为滑膜阻尼，检测质量块与第一基板1之间为压膜阻尼，驱动质量块和检测质量块分开，采用改变电容极板距离来实现陀螺的检测。本实施例中，两个检测电极分别布置于第一基板1上，同时在第一基板1上还设有用来与检测电极相连的检测电极引线3。驱动电极4包括位于驱动质量块两边，参见图1所示，驱动质量块上均设有可动驱动梳齿5，驱动电极上设有固定驱动梳齿6。隔振框架组件包括隔振框架13和框架支撑梁11，框架支撑梁11固定于隔振框架13的内部，所述隔振框架13的外侧分别通过弹性梁与驱动质量块7和检测质量块14相连。第二基板16的中部通过中间锚点15固定于第一基板1的上方，所述隔振框架组件中框架支撑梁11通过刚性梁12与中间锚点15相连。隔振框架与驱动质量块相连接的第一弹性梁9的截面如图5所示，这种截面形状使驱动质量块容易在驱动方向振动。框架支撑梁11与检测质量块相连接的第二弹性梁10的截面如图6所示，这种截面形状能够增大微陀螺的灵敏度。在本实施例中，驱动质量块7和检测质量块14以及隔振框架组件上均开设有阻尼孔8，目的是减小微陀螺结构的阻尼，提高品质因子。 

如图7至图11所示，本发明采用隔振框架解耦的硅微陀螺的制造方法，其步骤为： 

(a)选用绝缘材料玻璃基板作为第一基板1，但并不局限于玻璃基板，也可以选用表面有热氧化层的硅片作为基板。在第一基板1上表面通过蒸镀或溅射工艺形成铝材料的两个检测电极2以及检测电极引线3(参见图7所示)； 

(b)选用低阻双面抛光<100>硅片作为第二基板16，利用干法刻蚀工艺在第二基板16下表面生成驱动电极锚点及中间锚点15(参见图8所示)； 

(c)利用干法刻蚀工艺对第二弹性梁10和框架支撑梁11进行减薄(参见图9所示)； 

(d)将第一基板1的上表面与第二基板16的下表面进行对准键合(参见图10所示)； 

(e)对第二基板16进行深反应离子刻蚀，形成悬在第一基板1上方可沿驱动方向振动的两个结构相同且对称的驱动质量块7、可沿检测方向振动的检测质量块14、隔振框架13、框架支撑梁11、刚性梁12、隔振框架13与驱动质量块相连接的第一弹性梁9、隔振框架13与检测质量块相连接的第二弹性梁10(参见图11所示)。 

由以上工艺步骤，制作出本发明所涉及的微机械陀螺.结合图1、图2和图3对其工作原理进行说明。在两个驱动电极4中分别施加一定频率的交直流电压，驱动电极4和驱动质 量块7之间产生交变的静电驱动力，在该静电力的作用下，两个结构相同且对称的驱动质量块7沿驱动方向作相向谐振振动，当有沿着输入角速度方向的角速度输入时，两个驱动质量块7将感受到上下方向的哥氏力，隔振框架受到哥氏力的作用将发生扭转，由于第二弹性梁的谐振效应，检测质量块14将产生上下振动，通过测量两个检测电极2与第二基板之间的电容差，就能够到哥氏力的大小，从而获得输入角速度。 

由于本发明中的驱动质量块7和检测质量块14都采用对称结构，可以消除外界加速度信号的干扰，提高了系统的抗干扰能力，而输入角速度信号是差模信号，灵敏度可以提高一倍。驱动质量块7和检测质量块14之间通过隔振框架13分开，隔振框架13可以隔离驱动质量块7的振动，同时将驱动质量块7感受的哥氏力传递到检测质量块14上，减小了机械耦合以及正交误差，提高了系统的检测精度。并且，本发明在驱动质量块7、检测质量块14以及隔振框架13上增加了阻尼孔8设计，在驱动和检测方向都可获得较高的品质因子，能够在大气下工作。本发明采用微电子机械系统加工技术，加工工艺简单，易于批量生产，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 (3)

1.一种采用隔振框架解耦的硅微陀螺，其特征在于：它包括第一基板(1)和位于第一基板(1)上方的第二基板(16)，所述第一基板(1)上设有两个检测电极(2)，所述第二基板(16)包括可沿驱动方向振动的两个结构相同且对称布置的驱动质量块(7)、可沿检测方向振动的两个结构相同且对称布置的检测质量块(14)、驱动电极以及隔振框架组件，所述两个检测质量块(14)位于第一基板(1)上两个检测电极(2)的上方，隔振框架组件位于第二基板(16)的中部，隔振框架组件的两端分别通过弹性梁与驱动质量块(7)和检测质量块(14)相连，所述隔振框架组件包括隔振框架(13)和框架支撑梁(11)，框架支撑梁(11)固定于隔振框架(13)的内部，所述隔振框架(13)的外侧分别通过弹性梁与两个驱动质量块(7)和两个检测质量块(14)相连。

2.根据权利要求1所述的采用隔振框架解耦的硅微陀螺，其特征在于：所述第二基板(16)的中部通过中间锚点(15)固定于第一基板(1)的上方，所述隔振框架组件中框架支撑梁(11)通过刚性梁(12)与中间锚点(15)相连。

3.根据权利要求1或2所述的采用隔振框架解耦的硅微陀螺，其特征在于：所述驱动质量块(7)和检测质量块(14)以及隔振框架组件上均开设有阻尼孔(8)。

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