CN103900545B - 一种单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪，其结构形式为四方全对称结构，主要包括驱动模块、驱动检测模块、航向角检测模块、俯仰角检测模块、横滚角检测模块以及相应的耦合折叠梁、工字型梁、T型梁、U型梁等组成部分。所设计四方全对称三轴硅微陀螺仪在每个方向上都具有相同的结构，四边的四个大框架通过对角处的耦合折叠梁实现连接支撑，这种对称的结构设计以及对角处的耦合连接保证了陀螺仪工作时的音叉效果。本发明的单片集成三轴硅微陀螺仪可以同时测量航向、俯仰、横滚三个方向的角速度，其中驱动检测模态与航向角检测模态同其他模态之间实现了解耦。

Description

一种单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪

技术领域

本发明涉及微机电陀螺仪领域，特别是一种单片集成全对称三轴硅微机械音叉式陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是一种重要的惯性传感器，它可以实现角速度的测量。目前在高精度应用领域，已经发展比较成熟传统陀螺仪更具有性能优势，而在中低精度领域，硅微机械陀螺仪则已逐渐取而代之。与传统陀螺仪相比，硅微机械陀螺仪具有体积小，重量轻，成本低，可靠性高，功耗小，可批量生产等优点，可广泛用于航空、汽车、医疗、摄影、电子消费等领域，具有广阔的应用前景。然而，目前在陀螺仪研究应用上较为广泛的是单轴陀螺仪，它只能检测一个方向的角速度输入，而三轴陀螺仪则可以同时敏感三个方向的角速度输入，能够进一步扩大陀螺仪的应用范围。

在三轴陀螺仪的研制方面，AD公司、利顿公司等已经有了商业级的产品问世，但其较多三轴陀螺仪产品并非单片集成，而是由三个单轴陀螺仪组装而成，由于存在着安装偏心等问题，这种形式的三轴陀螺仪难以达到较高精度，目前已经到了进一步提高的瓶颈期。在单片集成三轴陀螺仪研制上，意法半导体公司推出了一款单片集成的三轴陀螺仪产品，其结构尺寸仅为3.2×3.2毫米，但是它并没有实现各驱动、检测方向的解耦，各模态之间的耦合误差较大，而且也没有设置相应的正交校正电极，因此难以达到较高性能。台湾成功大学的蔡南全设计了一种振动环式硅微陀螺仪，理论上可以实现三个方向的角速度测量，但是其结构与加工工艺复杂，难以达到较好的性能，因此还需要进一步研究提高。

发明内容

本发明的目的是提出一种新型的单片集成全对称三轴硅微音叉式陀螺仪。

一种单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪，包括衬底和位于衬底上的驱动模块、驱动检测模块、航向角检测模块、俯仰角检测模块、横滚角检测模块、正方形大框架和耦合折叠梁；正方形大框架有四件，两两相对设置且构成四方对称结构，四件正方形大框架通过耦合折叠梁连为一体，耦合折叠梁固定在衬底上；驱动模块有四件，分别连接在四件正方形大框架的内边上，内边指两两相对设置的正方形大框架内侧的边；驱动检测模块有四件，分别连接在四件正方形大框架的外边上，外边指同一正方形大框架上与内边相对的边；航向角检测模块有八件，分别两两对称地连接在四个正方形大框架的两侧；俯仰角检测模块有两件，分别置于一对相对设置的两件正方形大框架内部，横滚角检测模块有两件，分别置于另一对相对设置的两件正方形大框架内部，俯仰角检测部分与横滚角检测部分结构相同。

俯仰角（横滚）检测部分分别位于两对对边正方形大框架内部，可以实现差分检测。

为了提高检测的准确性，上述单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪，为四方全对称结构。

上述四方全对称三轴硅微陀螺仪在每个方向上都具有相同的结构，四边的四个大框架通过对角处的耦合折叠梁实现连接支撑，这种对称的结构设计以及对角处的耦合连接保证了陀螺仪工作时的音叉效果。本发明的单片集成三轴硅微陀螺仪可以同时测量航向、俯仰、横滚三个方向的角速度，其中驱动检测模态与航向角检测模态同其他模态之间实现了解耦，而俯仰角与横滚角检测模态虽未对驱动与航向角检测模态结构，但是通过合理的检测结构设计避免了其他模态的干扰影响，此外在俯仰角与横滚角检测部分还设置了相应的正交校正电极，从而可以达到较为良好的测量性能。

为了提高陀螺仪的稳固性，耦合折叠梁有四件，分别将相邻的两正方形大框架连为一体。

优选，每个驱动模块包括连接于衬底之上的固定驱动梳齿和连接在正方形大框架内边上的可动驱动梳齿，固定驱动梳齿和可动驱动梳齿构成变面积式电容检测；四件驱动部分的固定驱动梳齿通过电极引线连接在一起。

当在固定驱动梳齿上施加叠加的直流电压信号与交流电压信号时，四边的框架将在静电驱动力的作用下同时周期性向内收缩或向外扩张运动；驱动梳齿采用电容式变面积静电驱动形式。

为了制备简便，同时保证产品的稳定性，可动驱动梳齿通过T型折叠梁与正方形大框架内边相连，可动驱动梳齿还通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上。

为了进一步提高检测的准确性，优选，驱动检测模块包括：与正方形大框架的外边相连的可动驱动检测梳齿和连接于衬底之上的固定驱动检测梳齿，可动驱动检测梳齿与固定驱动检测梳齿构成变面积电容检测，固定驱动检测梳齿所在的衬底下方设有引线电极。

可动驱动检测梳齿通过T型折叠梁与正方形大框架外边相连，可动驱动检测梳齿还通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上，以限制其在除驱动方向以外的运动自由度，从而实现了驱动检测模态与其他模态之间的解耦。

为了简化装置，同时提高检测的准确性，航向角检测部分包括与正方形大框架的侧边相连的可动航向角检测梳齿和连接于衬底之上的固定航向角检测梳齿，与可动航向角检测梳齿组成变间距式电容检测，测固定航向角检测梳齿下方设有引线电极，正方形大框架的侧边指正方形大框架除内边和外边之外的边。

优选，可动航向角检测梳齿通过T型梁与正方形大框架侧边相连，并通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上。

上述大框架两边的航向角检测梳齿为差分排列形式，其检测形式为变间距式电容检测，当陀螺仪敏感到航向角运动时，大框架两边的梳齿电容检测信号为差动变化，其中一路梳齿间距增大，另一路间距减小。

上述俯仰角检测模块或横滚角检测模块包括：检测上极板和位于检测上极板正下方的检测下极板，检测上极板通过位于检测上极板两侧的两个工字型梁与正方形大框架相连，检测下极板固定在衬底上，检测下极板所在的衬底下方设有引线电极，检测上极板和检测下极板组成平行平板电容检测。

陀螺仪工作时，四边正方形大框架在各自驱动方向做周期性运动，其内部工字型梁和检测质量块（检测上极板）也随着大框架一起运动，当陀螺仪感受到外界俯仰（横滚）角速度时，工字型梁则起到了在面外方向上检测质量块与大框架的运动隔离，即检测质量块将在哥氏力的作用下做面外运动，而大框架则由于其外侧的耦合折叠梁及其他连接梁限制不能做面外运动，工字型梁由于在垂直方向刚度较小因而可以实现检测质量块和大框架的耦合连接。

上述每个下极板优选分为一大两小的三块，其中位于两边的两小块极板作为反馈校正电极。

上述当上极板受哥氏力做面外运动时，两极板间距改变，通过在固定于衬底上的下极板引线即可测得相应的电容变化，从而可以计算出相应输入角速度大小。

上述单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪，所述俯仰（横滚）角检测模态虽然与驱动和航向角检测模态未能实现解耦，但是通过合理的结构设计实现了驱动模态和航向角检测模态耦合误差的消除，即由所述俯仰（横滚）角检测质量块所构成的可动上极板的面积大于固定下极板，当上极板（检测质量块）随着大框架在驱动方向和航向角检测方向运动时，两极板的重合面积将保持不变，只有当敏感到俯仰（横滚）角上极板进行面外运动时，两极板才由于间距的改变而产生电容变化。

上述述四方全对称结构中，四边正方形大框架外部的耦合折叠梁在四个对角处会合连接在一起，并固定连接于四角处的固定锚点，这种对称的结构设计有利于保证测量时的音叉效果。

上述结构设计实现了在驱动、驱动检测以及航向角检测三个方向的解耦，而俯仰（横滚）角检测方向虽然没有解耦，但是通过合理的结构设计有效减小机械耦合误差。

上述T型梁、工字型梁具有分别具有较小的面内水平切向刚度与面外垂直方向刚度，通过合理安排放置这两种折叠梁，可以实现对所连接质量块或框架在面内切向或者面外垂直方向的运动解耦。

上述驱动部分均设计于正方形大框架内侧，其中，固定驱动梳齿位于四方结构中央正方形锚区的四边上，可动驱动梳齿通过T型梁连接于四边的大框架上，可直接在中央正方形锚区上施加叠加的直流与交流电压信号即可实现驱动。

上述结构的运动形式为，四边驱动梳齿在驱动电压所产生的交变的静电力作用下，同时周期性向内收缩或向外扩张，并通过T型梁推动框架运动，使整个四方对称结构做如同心脏的规律性收缩与扩张运动，这种运动形式有利于实现检测时的音叉效果，从而减小检测误差。

上述驱动部分梳齿、驱动检测均为梳齿变面积式电容检测，航向角检测为梳齿变间距式电容检测，俯仰角（横滚）检测为平行平板电容检测；所述平行平板电容检测设置了正交校正电极，可以进行正交校正以调整减小由于加工制造误差造成的极板不平衡等问题。

本发明的有益效果：

一、本发明所设计的单片集成三轴硅微机械陀螺仪结构简单，对称性好，可通过MEMS加工工艺实现大批量加工生产以降低成本。

二、该三轴陀螺仪可以同时测量三个方向上的角速度输入，而且驱动检测模态和航向角检测模态均实现了解耦，俯仰（横滚）角检测模态从虽未解耦，但是从检测原理上避免了其他模态的耦合影响，有效减小了可能存在的机械耦合误差。

三、该三轴陀螺仪的四边固定驱动梳齿位于同一个中央锚区上，这样一经加载驱动电压信号，很容易即可实现四边同时驱动。

四、所设计的航向角检测梳齿为变间距式电容检测，而且在每一边均实现了差分检测，能够有效提高测量灵敏度。

五、俯仰（横滚）角检测为平行平板电容检测，其中固定于衬底上的下极板分为了三小块，其中两个可以作为正交反馈校正电极。

六、所采用的工字型梁在面外垂直方向刚度较低，可以有效实现大框架与检测质量块面外垂直方向的运动解耦。

附图说明

图1为一种单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪结构示意图；

图2为所述三轴硅微陀螺仪Y方向大框架结构图；

图3为所述三轴硅微陀螺仪所采用的T型梁立体图；

图4为所述三轴硅微陀螺仪所采用的工字型梁立体图；

图5为所述带校正电极的俯仰（横滚）角检测平行平板电容结构图；

图中，1为固定驱动梳齿、2为可动驱动梳齿、3为固定驱动检测梳齿、4为带固定锚点的U型梁、5为T型梁、6为可动驱动检测梳齿、7为正方形大框架、8为固定航向角检测梳齿、9为可动航向角检测梳齿、10为工字型梁、11检测上极板（质量块）、12为检测下极板、13为耦合折叠梁、14为对角处固定锚区。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步具体说明。

图1所示单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪，包括衬底和位于衬底上的驱动模块、驱动检测模块、航向角检测模块、俯仰角检测模块、横滚角检测模块、正方形大框架和耦合折叠梁；正方形大框架有四件，两两相对设置且构成四方对称结构，四件正方形大框架通过耦合折叠梁连为一体，耦合折叠梁固定在衬底上；驱动模块有四件，分别连接在四件正方形大框架的内边上，内边指两两相对设置的正方形大框架内侧的边；驱动检测模块有四件，分别连接在四件正方形大框架的外边上，外边指同一正方形大框架上与内边相对的边；航向角检测模块有八件，分别两两对称地连接在四个正方形大框架的两侧；俯仰角检测模块有两件，分别置于一对相对设置的两件正方形大框架内部，横滚角检测模块有两件，分别置于另一对相对设置的两件正方形大框架内部，俯仰角检测部分与横滚角检测部分结构相同。

前述单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪，为四方全对称结构；耦合折叠梁有四件，分别将相邻的两正方形大框架连为一体。

每个驱动模块包括连接于衬底之上的固定驱动梳齿和连接在正方形大框架内边上的可动驱动梳齿，固定驱动梳齿和可动驱动梳齿构成变面积式电容检测；四件驱动部分的固定驱动梳齿通过电极引线连接在一起；可动驱动梳齿通过T型折叠梁与正方形大框架内边相连，可动驱动梳齿还通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上。

驱动检测模块包括：与正方形大框架的外边相连的可动驱动检测梳齿和连接于衬底之上的固定驱动检测梳齿，可动驱动检测梳齿与固定驱动检测梳齿构成变面积电容检测，固定驱动检测梳齿所在的衬底下方设有引线电极；可动驱动检测梳齿通过T型折叠梁与正方形大框架外边相连，可动驱动检测梳齿还通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上。

航向角检测部分包括与正方形大框架的侧边相连的可动航向角检测梳齿和连接于衬底之上的固定航向角检测梳齿，与可动航向角检测梳齿组成变间距式电容检测，测固定航向角检测梳齿下方设有引线电极，正方形大框架的侧边指正方形大框架除内边和外边之外的边；可动航向角检测梳齿通过T型梁与正方形大框架侧边相连，并通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上。

俯仰角检测模块或横滚角检测模块包括：检测上极板和位于检测上极板正下方的检测下极板，检测上极板通过位于检测上极板两侧的两个工字型梁与正方形大框架相连，检测下极板固定在衬底上，检测下极板所在的衬底下方设有引线电极，检测上极板和检测下极板组成平行平板电容检测；每个下极板分为一大两小的三块，其中位于两边的两小块极板作为反馈校正电极。

上述单片集成三轴硅微陀螺仪可以同时测量航向（绕Z轴角速度）、俯仰（绕X轴角速度）、横滚（绕Y轴角速度）三个方向的角速度，而且驱动检测模态、航向角检测模态相对其他模态解耦，未解耦的俯仰（横滚）角检测模态则从检测结构的设计上避免了其他模态的耦合干扰，而且引入了正交反馈校正电极，因而能够达到较为良好的测量性能。

上述单片集成全对称三轴硅微陀螺仪的工作过程可具体阐述如下。

（1）驱动部分：在固定驱动梳齿1的引线上同时施加叠加的直流和交流电压信号，根据梳齿电容静电力产生机理，这时固定驱动梳齿1与可动驱动梳齿2之间将产生沿驱动方向（X或Y方向）的交变力，可动驱动梳齿2沿X或Y方向做周期性简谐振动，进而通过T型梁5推动正方形大框架7也沿着驱动方向做简谐振动；带固定锚点的U型梁4被用来限制可动驱动梳齿2在除驱动方向以外的运动自由度，这样当大框架7上受到哥氏力作用时，可动驱动梳齿2将不会受其带动运动，从而实现了驱动模态对其他模态的解耦。

（2）驱动检测部分：由于可动驱动检测梳齿6通过T型梁5与大框架7连接，当大框架7沿驱动方向运动时，可动驱动检测梳齿6被T型梁5推动运动，从而使得可动驱动检测梳齿6与固定驱动检测梳齿3之间的叉指电容发生变化，通过在固定驱动检测梳齿3下端做出电极引线即可实现驱动检测功能；由于可动驱动检测梳齿6被两个带固定锚点的U型梁4连接，限制了其在除了驱动方向以外的运动自由度，从而实现了驱动检测模态对其他模态的解耦。

（3）航向角（绕Z轴角速度）检测部分：如图2所示，当大框架7沿Y方向驱动振动时，若陀螺仪敏感到外界航向角速度输入，由于哥氏效应的存在，大框架7将受到一个沿X方向的哥氏力，从而推动大框架7沿X方向运动；由于可动航向角检测梳齿9与大框架7是通过如图3所示的T型梁5相连的，且该T型梁5可以隔离Y方向力同时传递X方向力，因此可动航向角检测梳齿9将在大框架7的带动下沿X方向运动，使得可动航向角检测梳齿9与固定航向角检测梳齿8之间的间隙发生改变，通过在固定航向角检测梳齿8下方设置电极引线即可实现相应的信号检测；显然，大框架7左侧与右侧的航向角检测梳齿可以形成差分检测，即其中一侧的可动梳齿与固定梳齿之间的间隙增大，而另一侧则是间隙缩小，因此这种梳齿排列方式在单边即可实现差动检测，有效提高了航向角检测灵敏度；在可动航向角检测梳齿9上，带固定锚点的U型梁4限制了其只能沿着敏感方向（Y方向）运动，从而实现了航向角检测模态对其他模态的解耦。

（4）俯仰角（绕X轴角速度）检测部分：俯仰角检测部分位于Y方向两边的大框架内部，如图2所示，当大框架7沿Y方向驱动运动时，其内部俯仰角检测质量块11受两个工字型梁10的推动也沿驱动方向运动，当陀螺仪敏感到外界输入的俯仰角速度时，由于哥氏效应的存在，俯仰角检测质量块11将受到沿Z方向的哥氏力作用，使其在Z方向做垂直于XY平面的面外运动，从而导致俯仰角检测质量块11与下极板12之间的平板电容发生改变，通过在下极板12上引出电极导线即可实现测量，从而计算得输入的俯仰角速度；由于如图4所示的工字型梁在Z方向上刚度较小，因此可以实现大框架7与俯仰角检测质量块11在Z方向的运动解耦；俯仰角检测为平行平板电容检测，其结构形式如图5所示，其中俯仰角检测质量块11作为可动的上极板，而固定于衬底上的下极板12分为了如图2所示的三个虚线框部分，其中两个小虚线框代表了正交反馈校正电极，通过这两个电极可以实现电刚度调整以及加工制造误差校正；所设计的俯仰角检测质量块11面积要大于下极板12，其目的是使所形成的平板电容在俯仰角检测质量块11沿X、Y方向运动时保持重叠面积不变，只有当检测质量块11沿Z方向运动时才存在电容变化，这种设计形式虽然没有解耦效果，但是有效减小了其它模态对俯仰角检测模态的耦合影响。

（5）横滚角（绕Y轴角速度）检测部分：横滚角检测部分的检测原理与俯仰角检测完全一致，只是其检测部分位于X方向的两边大框架内部，它们都是带正交校正电极的平行平板电容检测。

本发明的单片集成全对称三轴硅微陀螺仪可以通过目前已经较为成熟的体硅MEMS加工工艺（SOI或者SOG工艺）实现大批量生产，以SOG（silicon-on-glass）工艺为例，其加工工艺流程可以简要阐述如下：

（1）在硅晶圆片背面用一块掩模版光刻得到所需悬空结构的图案，即除了需要固定到衬底上的锚区部分，其它部分均光刻曝光，利用干法刻蚀一定深度，并去除光刻胶；

（2）采用如图1所示图案的掩模版在硅晶圆片正面光刻出所需图形，DRIE刻蚀去除多余的结构，使硅晶圆片正面获得所需图案；

（3）在Pyrex7740玻璃上用第三块掩模版光刻得到所需设置电极和引线的图案，通过淀积多晶硅或者溅射工艺，并去除光刻胶即可得到所需电极和引线；

（4）将硅结构层与玻璃上的电极层采用阳极键合技术键合在一起，并真空封装即可实现陀螺仪的加工。

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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪，其特征在于：包括衬底和位于衬底上的驱动模块、驱动检测模块、航向角检测模块、俯仰角检测模块、横滚角检测模块、正方形大框架和耦合折叠梁；正方形大框架有四件，两两相对设置且构成四方对称结构，四件正方形大框架通过耦合折叠梁连为一体，耦合折叠梁固定在衬底上；驱动模块有四件，分别连接在四件正方形大框架的内边上，内边指两两相对设置的正方形大框架内侧的边；驱动检测模块有四件，分别连接在四件正方形大框架的外边上，外边指同一正方形大框架上与内边相对的边；航向角检测模块有八件，分别两两对称地连接在四个正方形大框架的两侧；俯仰角检测模块有两件，分别置于一对相对设置的两件正方形大框架内部，横滚角检测模块有两件，分别置于另一对相对设置的两件正方形大框架内部，俯仰角检测部分与横滚角检测部分结构相同；每个驱动模块包括连接于衬底之上的固定驱动梳齿和连接在正方形大框架内边上的可动驱动梳齿，固定驱动梳齿和可动驱动梳齿构成变面积式电容检测；四件驱动部分的固定驱动梳齿通过电极引线连接在一起；可动驱动梳齿通过T型折叠梁与正方形大框架内边相连，可动驱动梳齿还通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上。

2.如权利要求1所述的单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪，其特征在于：为四方全对称结构；耦合折叠梁有四件，分别将相邻的两正方形大框架连为一体。

3.如权利要求1或2所述的单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪，其特征在于：驱动检测模块包括：与正方形大框架的外边相连的可动驱动检测梳齿和连接于衬底之上的固定驱动检测梳齿，可动驱动检测梳齿与固定驱动检测梳齿构成变面积电容检测，固定驱动检测梳齿所在的衬底下方设有引线电极。

4.如权利要求3所述的单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪，其特征在于：可动驱动检测梳齿通过T型折叠梁与正方形大框架外边相连，可动驱动检测梳齿还通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上。

5.如权利要求1或2所述的单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪，其特征在于：航向角检测部分包括与正方形大框架的侧边相连的可动航向角检测梳齿和连接于衬底之上的固定航向角检测梳齿，与可动航向角检测梳齿组成变间距式电容检测，测固定航向角检测梳齿下方设有引线电极，正方形大框架的侧边指正方形大框架除内边和外边之外的边。

6.如权利要求5所述的单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪，其特征在于：可动航向角检测梳齿通过T型梁与正方形大框架侧边相连，并通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上。

7.如权利要求1或2所述的单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪，其特征在于：俯仰角检测模块或横滚角检测模块包括：检测上极板和位于检测上极板正下方的检测下极板，检测上极板通过位于检测上极板两侧的两个工字型梁与正方形大框架相连，检测下极板固定在衬底上，检测下极板所在的衬底下方设有引线电极，检测上极板和检测下极板组成平行平板电容检测。

8.如权利要求7所述的单片集成全对称三轴硅微音叉陀螺仪，其特征在于：每个下极板分为一大两小的三块，其中位于两边的两小块极板作为反馈校正电极。