CN103900547B - 一种单片集成的全解耦三轴硅微陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单片集成的全解耦三轴硅微陀螺仪，其结构形式为四方对称结构，主要包括驱动部分、驱动检测部分、航向角检测部分、俯仰角检测部分、角检测部分以及相应的耦合折叠梁等。其中，所设计四方对称结构中四个正方形大框架内部的结构一致，两对边的结构形式则完全相同，四个大框架通过四个对角处的耦合折叠梁实现连接。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，而且各模态之间通过合理的结构设计实现了完全解耦，从而能够达到较为良好的测量性能。

Description

一种单片集成的全解耦三轴硅微陀螺仪

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的全解耦三轴硅微陀螺仪。

背景技术

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。目前研究应用较为广泛的是单轴陀螺仪，它只能敏感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。

在三轴陀螺仪的研制方面，目前意法半导体公司、AD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，而是由水平轴陀螺仪、Z轴陀螺仪组装而成，其精度极限有限，目前已经到了进一步提高的瓶颈期。意法半导体设计了一种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、检测方向的完全解耦，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单片集成的全解耦三轴硅微陀螺仪。

一种单片集成的全解耦三轴硅微陀螺仪，包括衬底和位于衬底上的驱动部分、驱动检测部分、航向角检测部分、俯仰角检测部分、横滚角检测部分、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；驱动部分有四件，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；驱动检测部分有两件，分别连接在一对相对设置的两件正方形大框架的外边上，航向角检测部分有两件，分别连接在另一对相对设置的两件正方形大框架的外边上，外边为同一正方形大框架上与内边相对的边；俯仰角检测部分有两件，分别置于一对相对设置的两件正方形大框架内部，横滚角检测部分有两件，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。

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，而且各模态之间通过合理的结构设计实现了完全解耦，从而能够达到较为良好的测量性能。

为了提高陀螺仪的稳定性，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。

驱动部分优选为电容式变面积静电驱动，每个驱动部分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。

通过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来驱动四边的正方形大框架运动；在驱动电压所产生的静电力作用下，所述结构的运动形式为四边大框架同时周期性向内收缩或向外扩张，如同心脏的规律性收缩与扩张运动。

为了保证陀螺仪的稳定性及测量的准确性，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。

为了方便制备、同时保证测量的准确性，驱动检测部分包括：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间距式电容检测，固定驱动检测梳齿所在的衬底下方设有引线电极。

优选，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外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，固定航向角检测梳齿从中间断开分为两部分、且与可动航向角检测梳齿组成变间隙式差动电容检，测固定航向角检测梳齿下方设有引线电极。

上述设计方式能够有效减小由于制造误差、梳齿运动过程中的梳齿倾斜等非理想因素对检测结果的影响。

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

俯仰角检测部分或横滚角检测部分从内边到外边依次包括：检测框架、位于检测框架内的固定检测梳齿、驱动与检测质量块和耦合隔离质量块；检测框架与内边平行的一边上设有梳齿，检测框架上的梳齿与固定检测梳齿构成变面积电容检测，固定检测梳齿通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上，固定检测梳齿所在的衬底下方设有引线电极；检测框架和驱动与检测质量块通过口字型折叠梁连接；驱动与检测质量块和耦合隔离质量块通过工字型折叠梁连接；耦合隔离质量块通过T型折叠梁与正方形大框架外边相连、并通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上。

当陀螺仪工作时，四边正方形大框架在各自驱动方向做周期性运动，大框架内部的耦合隔离质量块经由与正方形大框架连接的T型折叠梁推动在驱动方向运动，驱动与检测质量块则通过工字型折叠梁由耦合隔离质量块推动也在驱动方向运动，当陀螺仪感受到外界俯仰角或横滚角速度时，驱动与检测质量块将在哥氏力的作用下做面外运动，从而经带动与之相连的检测框架做面外运动，这时检测框架上的梳齿与固定检测梳齿之间的变面积式电容发生改变，通过固定检测梳齿所在的衬底下方的引线电极即可实现俯仰角或横滚角速度的测量。

上述结构设计实现了在驱动、驱动检测以及三个方向的角速度测量上的完全解耦，这种设计能够有效提高陀螺仪的测量精度，减小机械耦合误差。

上述T型折叠梁、工字型折叠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解耦设计。

上述述硅微陀螺仪结构的尺寸优选为7×7毫米²，结构层厚度为60微米。

本发明的有益效果：

一、本发明所设计的三轴硅微机械陀螺仪可以在单片硅片上加工获得，而且加工工艺相对简单，通过MEMS工艺易于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，而且各方向的检测模态与驱动模态均互相解耦，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驱动可以通过电极引线连接在一起，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，将在单边的固定航向角检测梳齿分为了两部分，这样当可动航向角检测梳齿想对固定检测梳齿变间隙运动时，在单边即可实现差分检测，这种差分检测设计能够有效减小由于制造误差或梳齿倾斜所造成的航向角检测误差。

五、俯仰角检测和横滚角检测部分分别位于两对对边的正方形大框架内部，可以分别实现差分检测以减小检测误差。

六、正方形大框架内部两质量块之间的工字型折叠梁在面外垂直方向刚度较低，可以有效实现两质量块间的面外垂直方向的运动解耦。

附图说明

图1为一种单片集成的全解耦三轴硅微陀螺仪结构示意图。

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X方向大框架结构图。

图4为工字型折叠梁立体图。

图5为所述硅微陀螺仪所采用的俯仰角、横滚角检测梳齿结构示意图。

图中，1为固定驱动梳齿，2为可动驱动梳齿，3固定驱动检测梳齿为，4为可动驱动检测梳齿，5为耦合折叠梁，6为耦合折叠梁固定锚点，7为固定航向角检测梳齿，8为可动航向角检测梳齿，9为正方形大框架，10为耦合隔离质量块，11为工字型折叠梁，12为驱动与检测质量块，13为口字型折叠梁，14为检测框架，15为固定检测梳齿，16为带固定锚点的U型折叠梁，17为T型折叠梁，18为U型折叠梁。

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所示单片集成的全解耦三轴硅微陀螺仪，包括衬底和位于衬底上的驱动部分、驱动检测部分、航向角检测部分、俯仰角检测部分、横滚角检测部分、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；驱动部分有四件，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；驱动检测部分有两件，分别连接在一对相对设置的两件正方形大框架的外边上，航向角检测部分有两件，分别连接在另一对相对设置的两件正方形大框架的外边上，外边为同一正方形大框架上与内边相对的边；俯仰角检测部分有两件，分别置于一对相对设置的两件正方形大框架内部，横滚角检测部分有两件，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。

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。

每个驱动部分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。

驱动检测部分包括：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间距式电容检测，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外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，固定航向角检测梳齿从中间断开分为两部分、且与可动航向角检测梳齿组成变间隙式差动电容检，测固定航向角检测梳齿下方设有引线电极；可动航向角检测梳齿通过U型折叠梁与正方形大框架外边相连，并通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上。

俯仰角检测部分或横滚角检测部分从内边到外边依次包括：检测框架、位于检测框架内的固定检测梳齿、驱动与检测质量块和耦合隔离质量块；检测框架与内边平行的一边上设有梳齿，检测框架上的梳齿与固定检测梳齿构成变面积电容检测，固定检测梳齿通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上，固定检测梳齿所在的衬底下方设有引线电极；检测框架和驱动与检测质量块通过口字型折叠梁连接；驱动与检测质量块和耦合隔离质量块通过工字型折叠梁连接；耦合隔离质量块通过T型折叠梁与正方形大框架外边相连、并通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上。

所述单片集成三轴硅微陀螺仪可以同时测量航向（绕Z轴）、俯仰（绕X轴）、横滚（绕Y轴）三个方向的角速度，而且各模态之间通过合理的结构设计实现了完全解耦，从而能够达到较为良好的测量性能。

所述三轴硅微陀螺仪的工作过程可分为如下几个部分。

（1）驱动部分：通过电极引线将四边的固定驱动梳齿1连接在一起，并在其上施加直流电压和交流电压混合信号，根据电容式变面积静电力产生机理，这时固定驱动梳齿1与可动驱动梳齿2之间将产生沿X或Y方向的交变力，推动可动驱动梳齿2沿X或Y方向做周期性简谐振动，由于正方形大框架9与可动驱动梳齿2通过T型折叠梁17连接，大框架9将在可动驱动梳齿2的带动下沿着驱动方向（X或Y方向）同样做简谐振动；带固定锚点的U型折叠梁16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9上受到哥氏力作用时，可动驱动梳齿2将不受其带动运动，从而实现了敏感对驱动的解耦。

（2）驱动检测部分：由于可动驱动检测梳齿4与大框架9通过T型折叠梁17连接，当大框架9沿驱动方向运动时，可动驱动检测梳齿4被推动运动，从而使得可动驱动检测梳齿4与固定驱动检测梳齿5之间的交叠电容发生变化，通过在固定驱动检测梳齿5下端做出电极引线即可实现驱动检测功能。

（3）航向角（绕Z轴角速度）检测部分：当陀螺仪敏感到外界航向角速度输入时，由于哥氏效应的存在，如图3所示大框架9将受到一个沿Y方向的哥氏力，从而推动大框架9沿Y方向运动；由于可动航向角检测梳齿8与大框架9是通过U型折叠梁18相连的，且该U型梁可以隔离X方向力同时传递Y方向力，因此可动航向角检测梳齿8将在大框架9的带动下沿Y方向运动，使得可动航向角检测梳齿8与固定航向角检测梳齿7之间的间隙发生改变，通过在固定航向角检测梳齿7下方设置电极引线即可实现相应的信号检测；显然，当可动航向角检测梳齿8沿Y方向运动时，其一半梳齿与固定航向角检测梳齿7的间隙增大，而另一半与其间隙缩小，因此这种梳齿排列方式在单边即可实现差动检测，有效减少了由于梳齿倾斜等非理想因素造成的检测误差；在可动航向角检测梳齿8上，带固定锚点的U型折叠梁16与U型折叠梁18的合理安排布置使得驱动与航向角检测之间实现了良好的解耦，其中带固定锚点的U型折叠梁16限定了可动航向角检测梳齿8只能沿着敏感方向（Y方向）运动，而U型折叠梁18则实现大框架9在驱动方向（X方向）与可动航向角检测梳齿8的隔离。

（4）俯仰角（绕X轴角速度）检测部分：如图2所示，当大框架9沿Y方向驱动振动时，由于大框架9与耦合隔离质量块10通过T型折叠梁17相连接，且耦合隔离质量块10经带固定锚点的U型折叠梁16固连于衬底，使耦合隔离质量块10只能沿驱动方向运动；当大框架9经T型折叠梁17传递力使耦合隔离质量块10沿驱动方向运动时，耦合隔离质量块10又可以通过工字型折叠梁11来推动俯仰角驱动与检测质量块12沿驱动方向运动，这就实现了俯仰角检测模态的驱动；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，俯仰角驱动与检测质量块12将受到沿Z方向的哥氏力作用，使其在Z方向做面外运动，同时，俯仰角检测框架14被质量块12通过口字型折叠梁13带动也在Z方向做面外运动，导致俯仰角检测框架14上的梳齿与固定俯仰角检测梳齿15的重叠电容面积发生改变，通过在固定俯仰角检测梳齿15下方做出电极引线即可实现俯仰角速度检测；由于如图4所示的工字型折叠梁在Z方向上刚度较小，因此可以实现耦合隔离质量块10与俯仰角驱动与检测质量块12在Z方向运动的解耦；俯仰角检测梳齿为变面积式垂直运动电容检测梳齿，其结构形式如图5所示，其中俯仰角检测框架14上的梳齿与固定俯仰角检测梳齿15交错排列，而且高度不同，当框架14沿着Z方向做面外运动时，框架14上可动梳齿与固定梳齿15的交叠面积改变，导致电容发生变化，通过在固定梳齿15的衬底底部做出电极引线即可实现测量。

（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，其中俯仰角检测部分位于Y方向的两边大框架内部，而横滚角检测部分位于X方向的两边大框架内部，它们都实现了与其它模态之间的耦合隔离差分检测。

本发明的单片集成全解耦三轴硅微陀螺仪可以通过目前已经较为成熟的体硅MEMS加工工艺实现大批量生产，下面以SOG（silicon-on-glass）工艺为例来简要阐述本发明三轴硅微陀螺仪的加工过程：

（1）首先将硅晶圆片清洗、烘干，采用如图1所示图案的一块掩模版在硅晶圆片正面光刻出所需图案，DRIE刻蚀去除多余的结构，使硅晶圆片正面获得所需图案；

（2）在硅片正面用第二块掩模版实现图5所示梳齿图案的光刻、刻蚀；

（3）在其背面用第三块掩模版光刻并刻蚀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，其它部分均采用KOH腐蚀释放结构，并去除光刻胶；

（4）在Pyrex7740玻璃上用第四块掩模版光刻得到所需设置电极和引线的图案，通过淀积或者溅射工艺，并去除光刻胶即可得到所需电极和引线；

（5）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)

1.一种单片集成的全解耦三轴硅微陀螺仪，其特征在于：包括衬底和位于衬底上的驱动部分、驱动检测部分、航向角检测部分、俯仰角检测部分、横滚角检测部分、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；驱动部分有四件，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；驱动检测部分有两件，分别连接在一对相对设置的两件正方形大框架的外边上，航向角检测部分有两件，分别连接在另一对相对设置的两件正方形大框架的外边上，外边为同一正方形大框架上与内边相对的边；俯仰角检测部分有两件，分别置于一对相对设置的两件正方形大框架内部，横滚角检测部分有两件，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；俯仰角检测部分或横滚角检测部分从内边到外边依次包括：检测框架、位于检测框架内的固定检测梳齿、驱动与检测质量块和耦合隔离质量块；检测框架与内边平行的一边上设有梳齿，检测框架上的梳齿与固定检测梳齿构成变面积电容检测，固定检测梳齿通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上，固定检测梳齿所在的衬底下方设有引线电极；检测框架和驱动与检测质量块通过口字型折叠梁连接；驱动与检测质量块和耦合隔离质量块通过工字型折叠梁连接；耦合隔离质量块通过T型折叠梁与正方形大框架外边相连、并通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上。

2.如权利要求1所述的单片集成的全解耦三轴硅微陀螺仪，其特征在于：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所述的单片集成的全解耦三轴硅微陀螺仪，其特征在于：每个驱动部分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。

4.如权利要求3所述的单片集成的全解耦三轴硅微陀螺仪，其特征在于：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。

5.如权利要求1或2所述的单片集成的全解耦三轴硅微陀螺仪，其特征在于：驱动检测部分包括：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间距式电容检测，固定驱动检测梳齿所在的衬底下方设有引线电极。

6.如权利要求5所述的单片集成的全解耦三轴硅微陀螺仪，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。

7.如权利要求1或2所述的单片集成的全解耦三轴硅微陀螺仪，其特征在于：航向角检测部分包括与正方形大框架的外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，固定航向角检测梳齿从中间断开分为两部分、且与可动航向角检测梳齿组成变间隙式差动电容检测，固定航向角检测梳齿下方设有引线电极。

8.如权利要求7所述的单片集成的全解耦三轴硅微陀螺仪，其特征在于：可动航向角检测梳齿通过U型折叠梁与正方形大框架外边相连，并通过带固定锚点的U型折叠梁固定在衬底上。