CN101957200B - 通过对称折叠梁弹簧解耦的单晶硅mems陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通过对称折叠梁弹簧解耦的单晶硅MEMS陀螺仪，其包括定子和转子，转子包括单晶硅质量块、十六个对称折叠梁弹簧和四组可动梳齿，十六个对称折叠梁弹簧位于单晶硅质量块的周围且与单晶硅质量块相连，四组可动梳齿分布在转子的四周；定子包括四组固定式梳齿，四组固定式梳齿与转子上的四组可动梳齿交叉并形成电容器。本发明陀螺仪通过对称折叠梁弹簧结构有效解耦，同时单晶硅质量块关于中心对称，可使整个结构达到在驱动和感应方向有相匹配的谐振频率，在驱动方向有大谐振位移，感应模式下有高品质因子，以及低机械串扰，从而达到高灵敏度和低噪音的目标。
Description
技术领域
本发明涉及一种微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)陀螺仪，特别是涉及一种通过对称折叠梁弹簧解耦的单晶硅MEMS陀螺仪。
背景技术
随着MEMS技术的日益发展，MEMS惯性传感器(包括加速度计和陀螺仪)的性能指标越来越高，以其尺寸小、价格便宜的优势在汽车、工业、医疗以及消费电子产品等各个行业都得到了广泛的应用。
在MEMS陀螺仪中，振动式硅微机械陀螺仪是最常见的一种陀螺仪，这种陀螺仪利用哥氏效应检测角速度的大小，其基本工作原理是：首先使检测质量块沿驱动方向做线振动或角振动，进入驱动模态；当沿敏感轴方向有角速度输入时，在检测轴方向就会出现哥氏力，迫使检测质量块沿检测方向有位移产生。哥氏力的大小和输入角速度成正比关系，因此通过检查哥氏力引起的位移变化量就可以直接得到输入角速度的信息。
从以上MEMS惯性传感器的原理可以看出，目前制约MEMS陀螺仪性能提高的因素主要有两个方面：一是模态频率匹配的问题，振动式陀螺要求驱动和检测模态的谐振频率匹配来提高灵敏度，但常规设计的陀螺仪由于弹簧梁的弹性系数差异、工艺偏差、应力、环境温度和气压的变化等都会导致谐振频率漂移。二是模态耦合问题，MEMS陀螺仪驱动模态和检测模态之间的耦合会带来正交误差，而正交误差信号会混入角速度信号引起的有用振动信号中，从而增加了陀螺仪的噪音，降低了陀螺仪的性能。为了解决以上两个问题，人们进行了各种方法的尝试，但是都没有突破性技术。
同时，目前大多数公司都使用多晶硅作为MEMS陀螺器件的材料，由于其制造工艺的局限，用多晶硅很难制造高性能的MEMS陀螺仪。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术的缺陷，提供一种通过对称折叠梁弹簧解耦的单晶硅MEMS陀螺仪，其采用了全对称的方法设计质量块，在质量块的周围设计了特殊柔性弹簧梁，在工艺上采用SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)技术增大了质量块的质量，从而优化了器件性能。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种通过对称折叠梁弹簧解耦的单晶硅MEMS陀螺仪，其特征在于，其包括定子和转子，转子包括单晶硅质量块、十六个对称折叠梁弹簧和四组可动梳齿，十六个对称折叠梁弹簧位于单晶硅质量块的周围且与单晶硅质量块相连，四组可动梳齿分布在转子的四周；定子包括四组固定式梳齿，四组固定式梳齿与转子上的四组可动梳齿交叉并形成电容器。
优选地，所述定子和转子是通过在SOI晶圆生成的。
优选地，所述单晶硅质量块的图形是中心对称图形。
优选地，所述单晶硅质量块的图形是正方形、八边形和圆形中的一种，或者是正方形、八边形和圆形的组合。
优选地，所述十六个对称折叠梁弹簧为蛇形弹簧折叠结构并且中心对称。
优选地，所述单晶硅质量块开有复数个释放孔，释放孔用于制备悬浮结构时释放牺牲层。
优选地，所述十六个对称折叠梁弹簧包括四个驱动方向的对称折叠梁弹 簧、四个检测方向的对称折叠梁弹簧和八个中部对称折叠梁弹簧。
优选地，所述四组可动梳齿分为两组驱动梳齿和两组检测梳齿，驱动梳齿与检测梳齿垂直。
优选地，所述驱动梳齿的运动方式为滑膜阻尼方式，检测梳齿的运动方式为压膜阻尼方式。
优选地，所述通过对称折叠梁弹簧解耦的单晶硅MEMS陀螺仪为一种MEMS惯性传感器，整体结构是关于中心点对称的。
本发明的积极进步效果在于：本发明通过SOI圆片技术，在保持传感器尺寸的情况下增大了质量块本身的质量，通过中心对称的转子以及折叠弹簧连接结构消除了模态耦合，并且使得驱动模态和检测模态频率匹配。本发明的陀螺仪具有灵敏度高，噪音低的优点。同时，该陀螺仪的尺寸小，加工简单，成本低。另外，本发明通过对称折叠梁弹簧结构有效解耦，同时单晶硅质量块关于中心对称，可使整个结构达到在驱动和感应方向有相匹配的谐振频率，在驱动方向有大谐振位移，感应模式下有高品质因子，以及低机械串扰，从而达到高灵敏度和低噪音的目标。
附图说明
图1为本发明通过对称折叠梁弹簧解耦的单晶硅MEMS陀螺仪的结构示意图。
图2为本发明质量块带释放孔的结构示意图。
图3为本发明中部对称折叠梁弹簧的结构示意图。
图4为本发明驱动方向和检测方向的对称折叠梁弹簧的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
本发明通过对称折叠梁弹簧解耦的单晶硅MEMS陀螺仪是在SOI圆片上通过光刻、刻蚀等工艺加工得到的，具体是提供一晶圆，该晶圆为SOI晶圆，通过光刻、刻蚀等工艺在SOI晶圆上生成MEMS陀螺仪的定子、转子等部分；SOI晶圆的绝缘层上硅的厚度可调，从数微米到数百微米不等。陀螺仪的定子和转子部分结构尺寸可根据实际需要进行优化，最终使得整个结构达到在驱动和感应方向有一匹配谐振频率，在驱动方向有大谐振位移，感应模式有高品质因子，以及低机械串扰，从而达到高灵敏度和低噪音的目标。
如图1所示，其中X和Y分别是指陀螺仪驱动方向和感应检测方向，陀螺仪的转子包括单晶硅质量块1、十六个对称折叠梁弹簧和四组可动梳齿，定子包括四个锚柱2，单晶硅质量块1的图形是中心对称图形，可以为正方形，八边形，圆形等，也可以为正方形，八边形，圆形等形状的组合，单晶硅质量块1可以沿X方向运动，也可以沿Y方向运动。十六个对称折叠梁弹簧位于单晶硅质量块的周围且与单晶硅质量块相连，对称折叠梁弹簧为蛇形弹簧折叠结构，并且中心对称，折叠数目可为一个或者数个，数十个，根据需要可以调整；如图2所示，单晶硅质量块1被均匀刻出复数个五微米乘五微米的释放孔，释放孔用于牺牲层释放工艺的最佳化，即用于制备悬浮结构时释放牺牲层；锚柱2分布在单晶硅质量块1的四个角上；十六个对称折叠梁弹簧包括四个驱动方向的对称折叠梁弹簧4、四个检测方向的对称折叠梁弹簧6和八个中部对称折叠梁弹簧7，如图3所示，八个中部对称折叠梁弹簧为中部连接弹簧且有相同的尺寸和结构，并且沿中间梁对称，每根折叠梁都是三微米宽，任何两个相邻折叠梁间距是十微米；如图4所示， 驱动方向的对称折叠梁弹簧4和检测方向的对称折叠梁弹簧6的结构、尺寸相同并且沿中线对称，这些折叠梁弹簧被固定在锚柱2上，任何两个相邻折叠梁弹簧之间的间距是13.6微米。四组可动梳齿分布在转子的四周，其中两组可动梳齿为驱动梳齿，另外两组可动梳齿为检测梳齿，驱动梳齿与检测梳齿垂直，驱动梳齿包括第一定齿3a和第一动齿3b，在第一定齿3a和第一动齿3b之间加上静电力就可以驱动质量块沿X方向往复运动，检测梳齿包括第二定齿5a和第二动齿5b，当陀螺仪厚度方向有角速度输入时，在Y方向就会出现哥氏力，迫使质量块沿Y方向运动，导致陀螺检测梳齿的第二定齿5a和第二动齿5b之间间距改变，这种间距改变所带来的差分电容变化可通过外部电路检测并最终得到角速度值。其中驱动梳齿运动方式为滑膜阻尼方式，检测梳齿运动方式为压膜阻尼方式。八个中部对称折叠梁弹簧7将质量块1连接在第一动齿3b和第二动齿5b上。传导弹簧末端固定在四个锚柱上，转子的其它部分悬在硅基板上。
陀螺仪的定子固定在硅基板上，定子包括四组固定式梳齿，它们与转子上的四组可动梳齿交叉并形成电容器。
本发明通过对称折叠梁弹簧解耦的单晶硅MEMS陀螺仪为一种MEMS惯性传感器，整体结构是关于中心点对称的，其厚度约为二十五微米。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。
Claims (6)
1.一种通过对称折叠梁弹簧解耦的单晶硅MEMS陀螺仪，其特征在于，其包括定子和转子，在SOI晶圆上生成MEMS陀螺仪的定子、转子，转子包括单晶硅质量块、十六个对称折叠梁弹簧和四组可动梳齿，单晶硅质量块的图形是中心对称图形，十六个对称折叠梁弹簧位于单晶硅质量块的周围且与单晶硅质量块相连，十六个对称折叠梁弹簧包括四个驱动方向的对称折叠梁弹簧、四个检测方向的对称折叠梁弹簧和八个中部对称折叠梁弹簧，十六个对称折叠梁弹簧为蛇形弹簧折叠结构并且中心对称，四组可动梳齿分布在转子的四周；定子包括四组固定式梳齿，四组固定式梳齿与转子上的四组可动梳齿交叉并形成电容器。
2.如权利要求1所述的通过对称折叠梁弹簧解耦的单晶硅MEMS陀螺仪，其特征在于，所述单晶硅质量块的图形是正方形、八边形和圆形中的一种，或者是正方形、八边形和圆形的组合。
3.如权利要求1所述的通过对称折叠梁弹簧解耦的单晶硅MEMS陀螺仪，其特征在于，所述单晶硅质量块开有复数个释放孔，释放孔用于制备悬浮结构时释放牺牲层。
4.如权利要求1所述的通过对称折叠梁弹簧解耦的单晶硅MEMS陀螺仪，其特征在于，所述四组可动梳齿分为两组驱动梳齿和两组检测梳齿，驱动梳齿与检测梳齿垂直。
5.如权利要求4所述的通过对称折叠梁弹簧解耦的单晶硅MEMS陀螺仪，其特征在于，所述驱动梳齿的运动方式为滑膜阻尼方式，检测梳齿的运动方式为压膜阻尼方式。
6.如权利要求1所述的通过对称折叠梁弹簧解耦的单晶硅MEMS陀螺仪，其特征在于，所述通过对称折叠梁弹簧解耦的单晶硅MEMS陀螺仪为一种MEMS惯性传感器，整体结构是关于中心点对称的。
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