CN104457725A - 高灵敏度体声波硅微陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微机电技术领域的高灵敏度体声波硅微陀螺仪，包括圆盘形谐振子，支撑圆柱，圆弧形驱动电极，具有位移放大机构的检测电极，检测电极固定凸台和基板。陀螺采用圆盘状谐振子的2个面内四波幅波节频率匹配模态作为驱动模态和检测模态，所有结构全部在(111)硅片上通过微机械电子加工工艺实现。陀螺利用基于杠杆原理的位移放大机构将检测模态下的微小位移输出放大，提高了陀螺的灵敏度，大大简化了体声波硅微陀螺的加工工艺，降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微机电技术领域的微陀螺，具体地说，涉及的是一种高灵敏度体声波硅微陀螺仪。
背景技术
微陀螺仪是一种利用微机械电子（MEMS）工艺制作的能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。随着硅微陀螺仪在消费电子姿态控制系统、汽车辅助导航和安全控制系统、工业机器人姿态控制、武器惯性制导等领域的大范围应用，陀螺仪正朝着高精度、小型化、成本低的方向发展。
传统的梳状叉指结构的硅微陀螺仪通常工作频率在1KHz-90KHz的工作频率范围，采用方形的质量块作为振子，利用梳状叉指结构的静电驱动器驱动质量块产生一个方向的参考振动，当有垂直于质量块参考振动方向的角速度输入时，在科氏加速度的作用下质量块会产生垂直于角速度输入方向和参考振动方向的振动，以此敏感载体角速度的大小。梳状叉指结构的硅微陀螺仪工作在较低的工作频率使得其驱动质量块产生的有效位移较大，器件灵敏度较高，但在低频工作模式下，相邻模态之间的频率差较小使得相邻模态之间的振动耦合所引起的耦合误差对陀螺的精度影响较大，同时低频下的1/f噪声带来的误差对陀螺精度的影响较大；同时采用方形质量块是一个轴对称的图形，由于加工误差导致方形振子存在对称性误差时，陀螺会产生正交误差。基于以上原因，在一些对精度要求更高的场合，通常使用具有更高对称性的圆盘形振子来代替方形质量块振子，以减小陀螺仪的正交误差，同时提高器件的刚度和工作频率至MHz，以避免器件的模态耦合误差和1/f噪声对陀螺精度的影响，陀螺的噪声因此大大降低，使得硅微陀螺仪具有更高的精度。
由于采用圆盘形振子的陀螺仪刚度较大、工作频率较高，因此其驱动模态下产生的参考振动的幅值较小，所以在角速度输入时引起的敏感模态的振动输出也很小，为增大陀螺的灵敏度，圆弧形驱动电极和检测电极同圆盘状谐振子之间的间隙需要采用超高深宽比（约200:1）的工艺，高深宽比电容间隙加工十分困难，且由于间隙宽度较小，侧壁表面粗糙度精度难以控制，工作过程中容易引起隧穿。
发明内容
本发明针对现有技术的不足提供了一种高灵敏度体声波硅微陀螺仪，陀螺仪采用基于杠杆原理的位移放大机构将检测模态下的微小位移输出放大，利用普通加工工艺代替高深宽比电容间隙加工工艺制作驱动电极和圆盘形谐振子间的间隙实现静电驱动，在提高了陀螺灵敏度的同时简化了陀螺的加工工艺，降低了其生产成本。
为实现上述目的，本发明提出如下的技术方案：一种高灵敏度体声波硅微陀螺仪，包括圆盘形谐振子，支撑圆柱，圆弧形驱动电极，具有位移放大机构的检测电极，检测电极固定凸台和基板。陀螺仪采用圆盘状谐振子的2个面内四波幅波节频率匹配模态作为驱动模态和检测模态，驱动模态和检测模态具有相同的振型，且其径向振动正交，即驱动模态的波幅为检测模态的波节，驱动模态的波节为检测模态的波幅。
具有位移放大机构的检测电极由驱动臂、柔性铰链、平板电容极板组成，共有四个。驱动臂一端在圆盘谐振子半径方向和谐振子驱动模态的波节点固定连接，另一端和平板电容极板中部固定连接。柔性铰链一端固定在检测电极凸台上，另一端和平板电容极板的一端固定连接。平行电容极板和检测电极固定凸台之间形成检测电容。驱动臂和平板电容极板的连接点靠近柔性铰链一端，以增大位移放大系数。
圆盘形谐振子上开有关于圆心对称均匀分布的贯穿孔，可以通过改变孔的大小调节谐振子的刚度，圆盘形谐振子通过重离子掺杂的工艺提高其电导率。
支撑圆柱为圆柱形，支撑圆柱和圆盘形谐振子同心，一端同圆形谐振子中心固定，另一端同基板固定，支撑圆柱半径和圆盘形谐振子半径之间的比值小于1:20。
圆弧形驱动电极和圆盘状谐振子同心，圆弧形驱动电极位于圆盘形谐振子驱动模态的波幅处，共有四个，圆弧形驱动电极和圆盘状谐振子之间的间隙为1-10μm，间隙的深宽比小于20:1，圆弧形驱动电极通过重离子掺杂的工艺提高其电导率。
检测电极固定凸台和圆盘形谐振子同心，检测电极固定凸台位于圆盘形谐振子检测模态的波幅处，共有四个，检测电极固定凸台的外径和圆弧形驱动电极外径大小相同，检测电极凸台内壁和检测电极中平板电容极板对应的部分为平面，检测电极凸台内壁平面和平板电容极板平行。
基板为圆盘形，基板和圆盘形谐振子同心，半径和圆弧形检测电极固定凸台以及圆弧形驱动电极的外径相同，检测电极固定凸台、圆弧形驱动电极和支撑圆柱固定在基板上。
圆盘形谐振子，支撑圆柱，圆弧形驱动电极，具有位移放大机构的检测电极，检测电极固定凸台和基板全部通过在（111）晶向的硅片上通过微机械电子加工工艺制作而成。
本发明高灵敏度体声波硅微陀螺仪的工作原理为：在圆弧形驱动电极上施加同陀螺驱动模态同频率的电压驱动信号时，在驱动电极和圆盘形谐振子之间的静电力作用下，陀螺产生驱动模态下的振动，驱动模态振动下检测电极驱动臂处径向位移为零，因此检测电极无输出；当有圆盘形谐振子轴线方向的角速度输入时，在科氏力作用下陀螺会产生检测模态下的振动，检测模态振动下检测电极驱动臂处的径向位移最大，在平行电容极板和柔性铰链组成的杠杆放大机构作用下，检测模态的小位移输出被放大，通过检测平板电容极板和检测电极凸台之间的电容变化即可测量输入的角速度，电容的变化量正比于输入角速度的大小。
本发明高灵敏度体声波硅微陀螺仪相比现有的体声波陀螺仪来讲其优势在于：采用基于杠杆原理的位移放大机构将检测模态的小位移输出放大，减小了对驱动电极和圆盘形谐振子之间超高深宽比间隙的要求，可采用较小的深宽比制作工艺简化工艺制作难度，避免工作过程中引起电容的遂穿，降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明高灵敏度体声波硅微陀螺仪的俯视结构示意图。
图2 为本发明高灵敏度体声波硅微陀螺仪的三维结构图。
图3 为本发明具有位移放大机构的检测电极局部放大结构示意图。
图4 为本发明高灵敏度体声波硅微陀螺仪驱动模态振型。
图5 为本发明高灵敏度体声波硅微陀螺仪检测模态振型。
具体实施方式
以下将结合附图1、附图2、附图3、附图4、附图5和一个具体实施例对本发明高灵敏度体声波硅微陀螺仪进行进一步的说明。
如图1、图2和图3所示高灵敏度体声波硅微陀螺仪由圆盘形谐振子1，支撑圆柱2，圆弧形驱动电极3a-3d，具有位移放大机构的检测电极4a-4d，检测电极固定凸台5a-5d和基板6组成。陀螺仪采用如图4和图5所示的圆盘状谐振子1的2个面内四波幅波节频率匹配模态作为驱动模态和检测模态，驱动模态和检测模态具有相同的振型，且其径向振动正交，即驱动模态的波幅为检测模态的波节，驱动模态的波节为检测模态的波幅。
如图3所示具有位移放大机构的检测电极4a-4d由驱动臂401、柔性铰链402、平板电容极板403组成，共有四个。驱动臂401一端在圆盘谐振子半径方向和谐振子驱动模态的波节点固定连接，另一端和平板电容极板403中部固定连接。柔性铰链402一端固定在检测电极凸台上5a-5d，另一端和平板电容极板403的一端固定连接。平行电容极板403和检测电极固定凸台5a-5d之间形成检测电容。驱动臂401和平板电容极板403的连接点靠近柔性铰链402一端，以增大位移放大系数。
本实施例中圆盘形谐振子1上开有关于圆心对称均匀分布的贯穿孔，可以通过改变孔的大小调节谐振子1的刚度，圆盘形谐振子1通过重离子掺杂的工艺提高其电导率。支撑圆柱2为圆柱形，支撑圆柱2和圆盘形谐振子1同心，一端同圆形谐振子1中心固定，另一端同基板6中心固定，支撑圆柱2半径和圆盘形谐振子1半径之间的比值小于1:20。圆弧形驱动电极3a-3d和圆盘状谐振子1同心，圆弧形驱动电极3a-3d位于圆盘形谐振子1驱动模态的波幅处，共有四个，圆弧形驱动电极3a-3d和圆盘状谐振子1之间的间隙为1-10μm，间隙的深宽比小于20:1，圆弧形驱动电极3a-3d通过重离子掺杂的工艺提高其电导率。检测电极固定凸台5a-5d和圆盘形谐振子1同心，检测电极固定凸台5a-5d位于圆盘形谐振子1检测模态的波幅处，共有四个，检测电极固定凸台5a-5d的外径和圆弧形驱动电极3a-3d外径大小相同，检测电极凸台5a-5d内壁和检测电极4a-4d中平板电容极403板对应的部分为平面，检测电极凸台5a-5d内壁平面和平板电容极板403平行。基板6为圆盘形，基板6和圆盘形谐振子1同心，半径和检测电极固定凸台5a-5d以及圆弧形驱动电极3a-3d的外径相同，检测电极固定凸台5a-5d、圆弧形驱动电极3a-3d和支撑圆柱2固定在基板上。
本实施例中圆盘形谐振子1，支撑圆柱2，圆弧形驱动电极3a-3d，具有位移放大机构的检测电极4a-4d，检测电极固定凸台5a-5d和基板6全部通过在（111）晶向的硅片上通过微机械电子加工工艺制作而成。首先将硅片清洗干净，烘干，然后在硅片正面旋涂一层光刻胶，光刻显影出圆盘形谐振子1、圆弧形驱动电极3a-3d及具有位移放大机构的检测电极4a-4d和检测电极凸台对应的区域，进行离子注入重掺杂，退火处理后去除光刻胶；在硅片背面溅射一层几微米厚的金属铝作为掩膜，在铝表面旋涂一层光刻胶，利用制作好的掩模板对光刻胶进行光刻，显影出除支撑圆柱2圆弧形驱动电极3a-3d和检测电极固定凸台5a-5d以外的区域，利用深度反应离子刻蚀将显影区域的厚度减薄到圆盘形谐振子1的厚度，去除铝掩膜；利用阳极键合工艺将硅片的背面和作为基板6的硅片键合在一起，用机械方法将基板硅片减薄到所需厚度；在硅片正面溅射一层几微米厚的金属铝作为掩膜，在铝表面旋涂一层光刻胶，利用制作好的掩模板对光刻胶进行光刻，显影出除圆盘形谐振子1、圆弧形驱动电极3a-3d、具有位移放大机构的检测电极4a-4d、检测电极固定凸台5a-5d以外的区域，利用深度反应离子刻蚀释放得到圆盘形谐振子1、圆弧形驱动电极3a-3d、具有位移放大机构的检测电极4a-4d和检测电极固定凸台5a-5d，去除铝掩膜，烘干切片即可得到本实施例所述高灵敏度体声波硅微陀螺仪结构。
当在圆弧形驱动电极3a-3d上施加同陀螺驱动模态同频率的电压驱动信号时，在驱动电极3a-3d和圆盘形谐振子1之间的静电力作用下，陀螺产生驱动模态下的振动，驱动模态振动下检测电极4a-4d中驱动臂401处径向位移为零，因此检测电极4a-4d无输出；当有圆盘形谐振子轴线方向的角速度输入时，在科氏力作用下陀螺会产生检测模态下的振动，检测模态振动下检测电极4a-4d中驱动臂401处的径向位移最大，在平行电容极板403和柔性铰链402组成的杠杆放大机构作用下，检测模态的小位移输出被放大，通过检测平板电容极板403和检测电极凸台检测电极5a-5d之间的电容变化即可测量输入的角速度，电容的变化量正比于输入角速度的大小。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围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畴。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也都应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种高灵敏度体声波硅微陀螺仪，其特征在于：包括圆盘形谐振子，支撑圆柱，圆弧形驱动电极，具有位移放大机构的检测电极，检测电极固定凸台和基板；陀螺仪采用圆盘状谐振子的两个面内四波幅波节频率匹配模态作为驱动模态和检测模态，驱动模态和检测模态具有相同的振型，且其径向振动正交，即驱动模态的波幅为检测模态的波节，驱动模态的波节为检测模态的波幅；具有位移放大机构的检测电极由驱动臂、柔性铰链、平板电容极板组成，共有四个，驱动臂一端在圆盘谐振子半径方向和谐振子驱动模态的波节点固定连接，另一端和平板电容极板中部固定连接，柔性铰链一端固定在检测电极凸台上，另一端和平板电容极板的一端固定连接，驱动臂和平板电容极板的连接点靠近柔性铰链一端，以增大位移放大系数。
2.基于权利要求1所述的高灵敏度体声波硅微陀螺仪，其特征在于：所述圆盘形谐振子上开有关于圆心对称均匀分布的贯穿孔，可以通过改变孔的大小调节谐振子的刚度，圆盘形谐振子通过重离子掺杂的工艺提高其电导率。
3.基于权利要求1所述的高灵敏度体声波硅微陀螺仪，其特征在于：所述支撑圆柱为圆柱形，支撑圆柱和圆盘形谐振子同心，一端同圆形谐振子中心固定，另一端同基板固定，支撑圆柱半径和圆盘形谐振子半径之间的比值小于1:20。
4.基于权利要求1所述的高灵敏度体声波硅微陀螺仪，其特征在于：所述圆弧形驱动电极和圆盘状谐振子同心，圆弧形驱动电极位于圆盘形谐振子驱动模态的波幅处，共有四个，圆弧形驱动电极和圆盘状谐振子之间的间隙为1-10μm，间隙的深宽比小于20:1，圆弧形驱动电极通过重离子掺杂的工艺提高其电导率。
5.基于权利要求1所述的高灵敏度体声波硅微陀螺仪，其特征在于：检测电极固定凸台和圆盘形谐振子同心，检测电极固定凸台位于圆盘形谐振子检测模态的波幅处，共有四个，检测电极固定凸台的外径和圆弧形驱动电极外径大小相同，检测电极凸台内壁和检测电极中平板电容极板对应的部分为平面，检测电极凸台内壁平面和平板电容极板平行。
6.基于权利要求1所述的高灵敏度体声波硅微陀螺仪，其特征在于：所述基板为圆盘形，基板和圆盘形谐振子同心，半径和圆弧形检测电极固定凸台以及圆弧形驱动电极的外径相同，检测电极固定凸台、圆弧形驱动电极和支撑圆柱固定在基板上。
7.基于权利要求1所述的高灵敏度体声波硅微陀螺仪，其特征在于：所述圆盘形谐振子，支撑圆柱，圆弧形驱动电极，具有位移放大机构的检测电极，检测电极固定凸台和基板全部通过在（111）晶向的硅片上通过微机械电子加工工艺制作而成。
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