CN104897148A - 蜂窝状固体波动微机械陀螺仪及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种蜂窝状固体波动微机械陀螺仪及其制备方法，该陀螺仪包括基底；设置在所述基底上的蜂窝状谐振子；位于基底上连接谐振子、起支撑作用的支撑体；以及位于蜂窝状谐振子周围的驱动电极、检测电极、监测电极、平衡电极；其中：所述蜂窝状谐振子内部为蜂窝结构，蜂窝的结构单元横截面为正六角形，相邻两个单元共用一个壁，强度、刚度通过调整蜂窝芯的孔径、芯柱高度来调节。本发明有着结构简单、小体积、抗冲击、重量轻，具有高Q值等优点，并且成本较低，适合大批量制备。

Description

蜂窝状固体波动微机械陀螺仪及其制备方法
技术领域
本发明涉及微机电(MEMS)系统技术领域，具体地说，涉及于微机电陀螺仪领域，是一种蜂窝状固体波动微机械陀螺仪及其制备方法。
背景技术
陀螺仪作为一种载体角速度敏感惯性传感器，在航空、航天、船舶等传统工业领域的姿态控制和导航定位等方面有着非常重要的作用。MEMS微陀螺具有尺寸质量小、功耗低、成本低、环境适应性好、集成度高等优点。
随着国防科技和航空、航天工业的发展，我国在军事、工业及消费电子等领域对高性能、小尺寸、高可靠性的MEMS微陀螺的需求正变得日益迫切。基于MEMS技术的微陀螺仪采用微纳批量制造技术加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而且环境适应性、工作寿命、可靠性、集成度与传统技术相比有极大的提高，因而MEMS微陀螺已经成为近些年来MEMS技术广泛研究和应用开发的一个重要方向。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利“一种Z轴MEMS电容式陀螺仪”(专利申请号：201310475914.9)，提供了一种具有弹性梁，质量块以及杠杆构成的MEMS微陀螺。通过在驱动电容组施加单一特定频率的电压信号，对质量块施加驱动力使得质量块振动。当有外界角速度输入时，在科氏力作用下，振动向一个轴发生偏移，通过检测电极电容组可以检测角速度的变化。
此技术存在如下不足：采用传统的弹簧-质量块的结构模型，故而抗冲击性差，灵敏度不高，Q值较低，零漂较大，达到高精度有一定困难。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种结构简单、小体积、抗冲击、重量轻，具有高Q值，且不需要真空封装的高频蜂窝状固体波动微机械陀螺仪及其制备方法，该陀螺成本低并且适合大批量生产。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
本发明提供一种蜂窝状固体波动微机械陀螺仪，包括:包括基底；设置在所述基底上的蜂窝状谐振子；位于基底上连接谐振子、起支撑作用的支撑体；以及位于蜂窝状谐振子周围的驱动电极、检测电极、监测电极、平衡电极；其中：所述蜂窝状谐振子内部为蜂窝结构，蜂窝的结构单元横截面为正六角形，相邻两个单元共用一个壁，结构强度高；质量轻；抗冲击；强度，刚度可以通过调整蜂窝芯的孔径、芯柱高度来调节。
优选的，所述驱动电极、检测电极、监测电极、平衡电极平均分布于蜂窝状谐振子周围的基底上；电极与蜂窝状谐振子之间存在间隙，形成差动电容；所述蜂窝状谐振子通过支撑体引出电极接地，保证电势为0。
优选的，所述驱动电极被施加工作模态的驱动交流电压时，由电容效应驱动蜂窝状谐振子产生振动，此时蜂窝状谐振子工作在驱动模态下；当存在输入角速度时，所述蜂窝状谐振子的振型向检测模态转变，此时由于科氏力作用以及差动电容效应，对检测电极与监测电极信号进行检出解调，得到陀螺角速度信号。
优选的，所述驱动电极、检测电极、监测电极、平衡电极为四对电极，分别为一对驱动电极、一对检测电极、一对监测电极、一对平衡电极，八个电极按顺时针顺序分布为：第一个驱动电极、第一个检测电极、第一个监测电极、第一个平衡电极、第二个驱动电极、第二个检测电极、第二个监测电极、第二个平衡电极，每个电极为对称的半扇形结构，每两个相邻电极中心的夹角为45°。
优选的，所述蜂窝状谐振子材料可以为金属、以及硅材料等，利用基底上电极与蜂窝状谐振子形成的电容的间隙变化进行检测。
优选的，所述驱动电极材料为金属或掺杂硅PN结，对所述蜂窝状谐振子施加交流驱动信号起振，使其工作在驱动模态下。
优选的，所述监测电极材料为金属或掺杂硅PN结，用于监测所述蜂窝状谐振子是否工作在理想驱动模态振型。
优选的，所述检测电极材料为金属或掺杂硅PN结，用于检测垂直于所述基底上表面方向即z轴方向的角速度引起的所述蜂窝状谐振子检测模态上振动。
优选的，所述平衡电极材料为金属或掺杂硅PN结，用于在力平衡工作模式下施加交流电信号，使得所述蜂窝状谐振子恢复驱动模态振型。
优选的，所述驱动电极、检测电极、监测电极、平衡电极均通过引线于外围电路相连，外围电路采用模拟配合数字电路方式实现，同时完成所述蜂窝状固体波动微机械陀螺仪的驱动、检测、校正工作，同时可控制所属蜂窝状固体波动微机械陀螺仪工作在力平衡状态下。
本发明仿生自然中的蜂巢，结构强度好，在高冲击载荷等恶劣环境下，具有更强的稳定性和抗破坏性。
本发明还提供一种上述陀螺仪的制备方法，所述陀螺仪采用MEMS微细加工工艺，其谐振子工艺利用光刻蚀以及气体刻蚀进行定向刻蚀，电极利用溅射金属层进行金属图形化形成，最终再进行电极线引出，外围电路连接以及封装工作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明为全固态MEMS陀螺,采用了蜂窝状谐振子,谐振子为全固态的半球或圆盘结构，抗冲击；并且谐振子内存在蜂窝状六边形镂空结构，故而其结构稳定，重量轻；采用MEMS工艺制造，体积小，可大批量制备；同时可采用硅以及金刚石等材料，Q值高，能量损失小。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例一蜂窝状半球固体波动微机械陀螺立体切面图；
图2为本发明实施例一蜂窝状半球固体波动微机械陀螺顶面图；
图3为本发明实施例二蜂窝状圆盘固体波动微机械陀螺立体切面图；
图4为本发明实施例二蜂窝状圆盘固体波动微机械陀螺顶面图；
图中：基底1，支撑体2，蜂窝状谐振子3，基底上表面4，驱动电极5，检测电极6，监测电极7，平衡电极8，监测电极9，检测电极10，驱动电极11，平衡电极12。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例一：
参照图1，本实施例提供一种蜂窝状半球固体波动微机械陀螺，其包括:
一个具有上表面4的基底1；
一个置在所述基底上的蜂窝状半球谐振子3；
位于基底上连接谐振子，起支撑作用的支撑体2；
以及位于基底1的上表面4上、蜂窝状谐振子周围的驱动电极5，检测电极6，监测电极7，平衡电极12，驱动电极11，检测电极10，监测电极9，平衡电极8；
其中，所述驱动电极，检测电极，监测电极，平衡电极均为一对，共八个，平均分布于蜂窝状谐振子周围的基底上，两个电极中心之间相隔45°；电极与蜂窝状谐振子之间存在间隙，形成差动电容。
所述蜂窝状谐振子通过支撑体2引出电极接地，保证电势为0。
所述驱动电极被施加工作模态的驱动交流电压时，由电容效应驱动蜂窝状谐振子产生振动，此时蜂窝状谐振子工作在驱动模态下；当存在输入角速度时，所述蜂窝状谐振子的振型向检测模态转变，此时由于科氏力作用以及差动电容效应，对检测电极与监测电极信号进行检出解调，可得到陀螺角速度信号。
本实施例中，所述蜂窝状谐振子材料为金属或掺杂硅PN结，利用基底上电极与蜂窝状谐振子形成的电容的间隙变化进行检测。
参照图2，作为一个优选，八个电极按功能分为四对，分别为驱动电极5以及驱动电极11构成的驱动电极对，检测电极6以及检测电极10构成的检测电极对，监测电极9以及监测电极7构成的监测电极对，平衡电极12以及平衡电极8构成的平衡电极对，图2中，所述电极对中电极按顺时针顺序分布为驱动电极5、检测电极6、监测电极7、平衡电极12、驱动电极11、检测电极10、监测电极9、平衡电极8，每个电极为对称的半扇形结构，相邻每两个电极中心的夹角为45°。
作为一个优选，所述驱动电极5、11材料为金属或掺杂硅PN结，对所述蜂窝状谐振子施加交流驱动信号起振，使其工作在驱动模态下。
作为一个优选，所述监测电极7、9材料为金属或掺杂硅PN结，用于监测所述蜂窝状谐振子是否工作在理想驱动模态振型。
作为一个优选，所述检测电极6、10材料为金属或掺杂硅PN结，用于检测垂直于所述基底上表面方向即z轴方向的角速度引起的所述蜂窝状谐振子检测模态上振动。
作为一个优选，所述平衡电极8、12材料为金属或掺杂硅PN结，用于在力平衡工作模式下施加交流电信号，使得所述蜂窝状谐振子恢复驱动模态振型。
作为一个优选，所述驱动电极5、11，检测电极6、10，监测电极7、9，平衡电极8、12，它们均通过引线于外围电路相连，所属外围电路采用模拟配合数字电路方式实现，同时完成所述蜂窝状固体波动微机械陀螺仪的驱动，检测，校正工作，同时可控制所属蜂窝状固体波动微机械陀螺仪工作在力平衡状态下。
上述蜂窝状固体波动微机械陀螺仪的制备方法，采用MEMS仿生微细加工工艺，其谐振子工艺可利用光刻蚀以及气体刻蚀进行定向刻蚀，电极可利用溅射金属层进行金属图形化形成。最终再进行电极线引出，外围电路连接以及封装工作。
实施例二：
实施例二与实施例一基本相同，不同之处在于其谐振子结构差异，实施例二采用了蜂窝状圆盘谐振子。
参照图3，本实施例提供一种蜂窝状半球固体波动微机械陀螺，其包括:
一个具有上表面4的基底1；一个置在所述基底上的蜂窝状圆盘谐振子3；位于基底上连接谐振子，起支撑作用的支撑体2；以及位于上表面4上蜂窝状谐振子周围的驱动电极5，检测电极6，监测电极7，,监测电极9，平衡电极8。
其中，所述驱动电极，检测电极，监测电极，平衡电极均为一对，共八个，平均分布于蜂窝状谐振子周围的基底上，两个电极中心之间相隔45°；电极与蜂窝状谐振子之间存在间隙，形成差动电容。
所述蜂窝状谐振子通过支撑体2引出电极接地，保证电势为0。
所述驱动电极被施加工作模态的驱动交流电压时，由电容效应驱动蜂窝状谐振子产生振动，此时蜂窝状谐振子工作在驱动模态下；当存在输入角速度时，所述蜂窝状谐振子的振型向检测模态转变，此时由于科氏力作用以及差动电容效应，对检测电极与监测电极信号进行检出解调，可得到陀螺角速度信号。
本实施例中，所述蜂窝状谐振子材料为金属或掺杂硅PN结，利用基底上电极与蜂窝状谐振子形成的电容的间隙变化进行检测。
参照图4，本实施例中，八个电极按功能分为四对，分别为驱动电极5以及驱动电极11构成的驱动电极对，检测电极6以及检测电极10构成的检测电极对，监测电极9以及监测电极7构成的监测电极对，平衡电极12以及平衡电极8构成的平衡电极对，图2中，所述电极对中电极按顺时针顺序分布为驱动电极5、检测电极6、监测电极7、平衡电极12、驱动电极11、检测电极10、监测电极9、平衡电极8，每个电极为对称的半扇形结构，相邻每两个电极中心的夹角为45°。
本实施例中，所述驱动电极5、11材料为金属或掺杂硅PN结，对所述蜂窝状谐振子施加交流驱动信号起振，使其工作在驱动模态下。
本实施例中，所述监测电极7、9材料为金属或掺杂硅PN结，用于监测所述蜂窝状谐振子是否工作在理想驱动模态振型。
本实施例中，所述检测电极6、10材料为金属或掺杂硅PN结，用于检测垂直于所述基底上表面方向即z轴方向的角速度引起的所述蜂窝状谐振子检测模态上振动。
本实施例中，所述平衡电极8、12材料为金属或掺杂硅PN结，用于在力平衡工作模式下施加交流电信号，使得所述蜂窝状谐振子恢复驱动模态振型。
本实施例中，所述驱动电极5、11，检测电极6、10，监测电极7、9，平衡电极8、12均通过引线于外围电路相连，所述外围电路采用模拟配合数字电路方式实现，同时完成所述蜂窝状固体波动微机械陀螺仪的驱动，检测，校正工作，同时可控制所属蜂窝状固体波动微机械陀螺仪工作在力平衡状态下。
本实施例中所述蜂窝状固体波动微机械陀螺仪的制备方法，采用MEMS微细加工工艺，其谐振子工艺可利用光刻蚀以及气体刻蚀进行定向刻蚀，电极可利用溅射金属层进行金属图形化形成。最终再进行电极线引出，外围电路连接以及封装工作。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种蜂窝状固体波动微机械陀螺仪，其特征在于：包括基底；设置在所述基底上的蜂窝状谐振子；位于基底上连接谐振子、起支撑作用的支撑体；以及位于蜂窝状谐振子周围的驱动电极、检测电极、监测电极、平衡电极；其中：所述蜂窝状谐振子内部为蜂窝结构，蜂窝的结构单元横截面为正六角形，相邻两个单元共用一个壁，强度、刚度通过调整蜂窝芯的孔径、芯柱高度来调节。
2.根据权利要求1所述的蜂窝状固体波动微机械陀螺仪，其特征在于：所述驱动电极、检测电极、监测电极、平衡电极平均分布于蜂窝状谐振子周围的基底上；电极与蜂窝状谐振子之间存在间隙，形成差动电容；所述蜂窝状谐振子通过支撑体引出电极接地，保证电势为0。
3.根据权利要求2所述的蜂窝状固体波动微机械陀螺仪，其特征在于：所述驱动电极被施加工作模态的驱动交流电压时，由电容效应驱动蜂窝状谐振子产生振动，此时蜂窝状谐振子工作在驱动模态下；当存在输入角速度时，所述蜂窝状谐振子的振型向检测模态转变，此时由于科氏力作用以及差动电容效应，对检测电极与监测电极信号进行检出解调，得到陀螺角速度信号。
4.根据权利要求2所述的蜂窝状固体波动微机械陀螺仪，其特征在于：所述驱动电极、检测电极、监测电极、平衡电极为四对电极，分别为一对驱动电极、一对检测电极、一对监测电极、一对平衡电极，八个电极按顺时针顺序分布为：第一个驱动电极、第一个检测电极、第一个监测电极、第一个平衡电极、第二个驱动电极、第二个检测电极、第二个监测电极、第二个平衡电极，每个电极为对称的半扇形结构，每两个相邻电极中心的夹角为45°。
5.根据权利要求1-4任一项所述的蜂窝状固体波动微机械陀螺仪，其特征在于：所述驱动电极材料为金属或掺杂硅PN结，对所述蜂窝状谐振子施加交流驱动信号起振，使其工作在驱动模态下。
6.根据权利要求1-4任一项所述的蜂窝状固体波动微机械陀螺仪，其特征在于：所述监测电极材料为金属或掺杂硅PN结，用于监测所述蜂窝状谐振子是否工作在理想驱动模态振型。
7.根据权利要求1-4任一项所述的蜂窝状固体波动微机械陀螺仪，其特征在于：所述检测电极材料为金属或掺杂硅PN结，用于检测垂直于所述基底上表面方向即z轴方向的角速度引起的所述蜂窝状谐振子检测模态上振动。
8.根据权利要求1-4任一项所述的蜂窝状固体波动微机械陀螺仪，其特征在于：所述平衡电极材料为金属或掺杂硅PN结，用于在力平衡工作模式下施加交流电信号，使得所述蜂窝状谐振子恢复驱动模态振型。
9.根据权利要求1-4任一项所述的蜂窝状固体波动微机械陀螺仪，其特征在于：所述驱动电极、检测电极、监测电极、平衡电极均通过引线与外围电路相连，外围电路采用模拟配合数字电路方式实现，同时完成所述蜂窝状固体波动微机械陀螺仪的驱动、检测、校正工作，同时控制所述蜂窝状固体波动微机械陀螺仪工作在力平衡状态下。
10.如权利要求1-9任一项所述蜂窝状固体波动微机械陀螺仪的制备方法，其特征在于:所述陀螺仪采用MEMS仿生微细加工工艺，其谐振子工艺利用光刻蚀以及气体刻蚀进行定向刻蚀，电极利用溅射金属层进行金属图形化形成，最终再进行电极线引出，外围电路连接以及封装工作。
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