CN105424021B - 一种双端音叉角速度传感器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双端音叉角速度传感器芯片，驱动梁、检测梁的长度方向均沿Y向设置并位于同一平面；两驱动梁的一端部分别连接于中间块同一侧，两检测梁的一端部分别连接于中间块另一侧。两连接桥的一端连接于中间块X向两侧，两连接桥的另一端分别与固定块连接。驱动梁的正面和背面至少一个面上设有沿长度方向的凹槽，该凹槽的开口方向与驱动梁的振动方向垂直，在凹槽的内壁以及驱动梁的两侧壁分别覆盖有用于连接激励电源的电极。所述检测梁的侧壁覆盖有平行分开的敏感电极。本发明在同等激励电压条件下，音叉内部的电场强度和音叉的激励振幅更高，相同角速度引起的哥式力更大，芯片灵敏度更高。

Description

一种双端音叉角速度传感器芯片

技术领域

本发明涉及角速度检测技术，具体涉及一种双端音叉角速度传感器芯片，属于惯性传感技术领域。

背景技术

角速度传感器为惯性传感器的一种，具有军民两用性。基于MEMS（微电子机械系统）工艺制作的微机械陀螺具有体积小、成本低、可靠性高和适合大批量生产等独特优势，特别适合于对精度要求不高但对价格、体积和功耗要求严格的领域。硅微机械陀螺和石英微机械陀螺是最为常见也是国际上研究最为热点的两类微型陀螺，二者各具特色，在军民领域并行发展。

音叉结构是较为常用的一种石英微机械陀螺芯片结构，有单端音叉和双端音叉两种，代表公司为日本的NDK（Nihon Dempa Kogyo）和美国的BEI。单端音叉将驱动和检测结构均制作于同一对梁上面，结构简单易于微型化，但驱动模态和检测模态的正交耦合较为明显，且驱动电极和检测电极的面积较小，灵敏度较低，零位及频差调节复杂。双端音叉石英微机械陀螺将驱动音叉和检测音叉分开独立设置，正交耦合小，零位及频差调节简单，且驱动电极和检测电极的面积大，灵敏度高，多应用于精度要求相对较高的系统。

现有的双端音叉石英微机械陀螺芯片驱动音叉截面均为矩形结构，电场激励效率低，限制了芯片灵敏度的提高。为了提高器件的灵敏度，美国BEI公司将批量化生产的STD8芯片结构近似等比例放大后开发出高灵敏度的625芯片结构，其灵敏度的提高是建立在牺牲体积和成本的基础上。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种体积小、灵敏度高且适合批量制作的双端音叉角速度传感器芯片。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种双端音叉角速度传感器芯片，包括驱动梁、检测梁、中间块、两固定块和两连接桥，其特征在于：所述驱动梁和检测梁分别为两块，驱动梁、检测梁的长度方向均沿Y向设置并位于同一平面；两驱动梁的一端部分别连接于中间块同一侧，两检测梁的一端部分别连接于中间块与驱动梁相对的另一侧；其中一驱动梁与其中一检测梁位于同一直线上，另一驱动梁与另一检测梁位于同一直线上；两连接桥的一端连接于中间块X向两侧，两连接桥的另一端分别与固定块连接；

所述驱动梁的正面和背面至少一个面上设有沿长度方向的凹槽，该凹槽的开口方向与驱动梁的振动方向垂直，在凹槽的内壁以及驱动梁的两侧壁分别覆盖有用于连接激励电源的电极，两根驱动梁通过与激励电源不同极性的连接使之沿X方向作相反振动；

所述检测梁的侧壁覆盖有平行分开的敏感电极，用于收集Z向平面外振动所引起的检测梁表面的压电电荷。

所述连接桥的厚度小于中间块和固定块的厚度。

所述凹槽由两侧平行的深凹槽和位于两个深凹槽之间且与两个深凹槽连为一体的浅凹槽构成，凹槽上的电极覆盖两侧深凹槽和浅凹槽。

所述驱动梁、检测梁、中间块、固定块和连接桥在同一块基材上一体制作而成，该基材为具有压电效应的石英晶体。

本发明的有益效果是：与同等尺寸的矩形截面双端音叉角速度传感器芯片结构相比，在驱动音叉的正面和背面设置沿长度方向凹槽的双端音叉角速度传感器芯片结构，凹槽内壁以及驱动梁两侧壁的激励电极有效作用间距更小，在同等激励电压条件下，音叉内部的电场强度和音叉的激励振幅更高，相同角速度引起的哥式力更大，芯片灵敏度更高。

附图说明

图1是使用本发明的实施例1的双端音叉角速度传感器芯片的结构示意图。

图2是图1的A-A剖视图.

图3是图1的B-B剖视图。

图4是图1的C-C剖视图。

图5是使用本发明的实施例2的双端音叉角速度传感器芯片的驱动音叉剖视图。

图6是使用本发明的实施例3的双端音叉角速度传感器芯片的驱动音叉剖视图。

其中：1-双轴角速度传感器；2-驱动梁；3-检测梁；4-中间块；5-固定块；6-连接桥；10a～10d-驱动梁激励电极；11-凹槽，11a-浅凹槽，11b-深凹槽；12a～12d-检测梁敏感电极。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

实施例1

图1是使用本发明的实施例1的双端音叉角速度传感器芯片的结构示意图。图2是图1的A-A剖视图；图3是图1的B-B剖视图；图4是图1的C-C剖视图。如图1-图4所示：本发明提供的双端音叉角速度传感器芯片1,包括两驱动梁2、两检测梁3、中间块4、两固定块5和两连接桥6。所述驱动梁2、检测梁3的长度方向均沿Y向设置并位于同一平面。两驱动梁2的一端部分别连接于中间块4同一侧（即Y向同一侧），两检测梁3的一端部分别连接于中间块4与驱动梁相对的另一侧（即Y向另一侧）；其中一驱动梁与其中一检测梁位于同一直线上，另一驱动梁与另一检测梁位于同一直线上。两连接桥6的一端连接于中间快4X向两侧（图示左右侧），两连接桥6的另一端分别与固定块5连接。为突出结构形状，图1中未示出表面电极图形。

见图2，所述驱动梁2的正面和背面设有沿长度方向的凹槽11，该凹槽11的开口方向与驱动梁2的振动方向垂直，在凹槽11的内壁以及驱动梁2的两侧壁覆盖有四部分激励电极10a～10d，通过将激励电极10a～10d与外部激励电源连接使两个驱动梁2沿X方向作弯曲反向振动。

所述检测梁3的两侧壁分别覆盖有平行分开的敏感电极12a～12d，用于收集Z向平面外振动所引起的检测梁3表面的压电电荷。

有Y轴方向角速度输入时，两个驱动梁2产生Z方向哥式力并激励驱动梁2作Z向平面外的振动，进而带动检测梁3的Z向平面外的振动，该振动所产生的形变由于压电效应在检测梁3的侧壁感应出压电电荷，电荷量与输入的角速度成线性关系，并通过覆盖于检测梁3侧壁的平行分开的敏感电极12a～12d进行收集，经外部处理电路测量后即可得出Y轴方向的输入角速度。

进一步，所述连接桥6的厚度小于中间块4和固定块5的厚度。连接桥6的厚度与传感器芯片的灵敏度成反比，为了获得高灵敏度，连接桥6的厚度需要设置薄一些，但为了同时保证结构强度，厚度又不能太薄。

进一步地，本发明双端音叉角速度传感器芯片1在同一基材上加工形成，即构成传感器芯片的驱动梁2、检测梁3、中间块4、固定块5和连接桥6在同一块基材上一体制作而成，为整体式。所述双端音叉角速度传感器芯片1制作基材为具有压电效应的石英晶体。

实施例2

如图5所示，该实施例的双端音叉角速度传感器芯片与实施例1的双端音叉角速度传感器芯片结构类似，不同的是驱动梁2表面的凹槽结构为W型。为突出横截面的形状，图5并没有示出电极。

由于石英晶体各向异性的特点，实施例1中的驱动梁2表面的凹槽11经刻蚀后其截面为非理想矩形，侧壁为与Z方向呈一定夹角的多个晶面连接而成，这就导致驱动梁3左右两端的电场强度变弱。本实施例中，所述凹槽11由两侧平行的深凹槽11b和位于两个深凹槽11b之间且与两个深凹槽11b连为一体的浅凹槽11a构成，截面形状呈W型。深凹槽11b可通过在刻蚀浅凹槽11a时进行初步刻蚀，再通过刻蚀深凹槽11b时刻蚀得到所需的刻蚀深度，深凹槽11b的刻蚀时间较长，侧壁陡直性更好。与实施例1中的“H”形截面的驱动梁相比，本实施例中双端音叉角速度传感器芯片的驱动梁2通过在凹槽11两端分别设置深凹槽11b，增加了其左右两侧壁的陡直度，电极的激励效率和芯片灵敏度更高。此外，设置深凹槽11b后，单个驱动梁2左右两端的对称性得到有效提升，双端音叉角速度传感器芯片1的左右两个驱动梁2为反向振动，双端音叉角速度传感器芯片驱动模态下的谐振稳定性和品质因数更好。

实施例3

如图6所示，该实施例的双端音叉角速度传感器芯片与实施例2的双端音叉角速度传感器芯片结构类似，不同的是驱动梁2只在正面和背面中一个面设置凹槽。为突出表面凹槽的形状，图6并没有示出电极。

对于厚度较薄的驱动梁2，双面同时制作凹槽时，深凹槽11b处易刻蚀穿，降低了驱动梁2的动态强度和可靠性，同时驱动梁2谐振时的动态阻抗会增大，降低双端音叉角速度传感器芯片1的稳定性。本实施例中的单面制作凹槽的驱动梁2结构，更适合于微型化且基于厚度较薄基片的双端音叉角速度传感器芯片1的制作。

由此可见，与同等尺寸的矩形截面双端音叉角速度传感器芯片结构相比，本发明双端音叉角速度传感器芯片通过在驱动梁的正面和背面至少一面设置沿长度方向的凹槽，凹槽内壁以及驱动梁两侧壁的激励电极有效作用间距更小，在同等激励电压条件下，音叉内部的电场强度和音叉的激励振幅更高，相同角速度引起的哥式力更大，芯片灵敏度更高。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (2)

1.一种双端音叉角速度传感器芯片，包括驱动梁、检测梁、中间块、两固定块和两连接桥，其特征在于：所述驱动梁和检测梁分别为两块，驱动梁、检测梁的长度方向均沿Y向设置并位于同一平面；两驱动梁的一端部分别连接于中间块同一侧，两检测梁的一端部分别连接于中间块与驱动梁相对的另一侧；其中一驱动梁与其中一检测梁位于同一直线上，另一驱动梁与另一检测梁位于同一直线上；两连接桥的一端连接于中间块X向两侧，两连接桥的另一端分别与固定块连接；

所述驱动梁的正面和背面至少一个面上设有沿长度方向的凹槽，该凹槽的开口方向与驱动梁的振动方向垂直，在凹槽的内壁以及驱动梁的两侧壁分别覆盖有用于连接激励电源的电极，两根驱动梁通过与激励电源不同极性的连接使之沿X方向作相反振动；

所述检测梁的侧壁覆盖有平行分开的敏感电极，用于收集Z向平面外振动所引起的检测梁表面的压电电荷；

所述连接桥的厚度小于中间块和固定块的厚度；

所述驱动梁、检测梁、中间块、固定块和连接桥在同一块基材上一体制作而成，该基材为具有压电效应的石英晶体。

2.根据权利要求1所述的双端音叉角速度传感器芯片，其特征在于：所述凹槽由两侧平行的深凹槽和位于两个深凹槽之间且与两个深凹槽连为一体的浅凹槽构成，凹槽上的电极覆盖两侧深凹槽和浅凹槽。