CN105737810A - 高灵敏度盘状体声波硅微陀螺仪 - 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盘状体声波硅微陀螺仪，包括圆盘形谐振子，侧向支撑臂，圆弧形驱动电极，具有位移放大机构的电容检测电极，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，陀螺的所有结构全部在(111)硅片上通过微机械电子加工工艺实现。陀螺利用在侧向支撑的方式支撑圆盘形谐振子，通过静电驱动和基于杠杆的位移放大机构放大检测模态的位移输出的方法测量角速度的输入，提高了陀螺的灵敏度，大大简化了体声波硅微陀螺的制作工艺，降低了生产成本，提高了陀螺的抗冲击能力，减小了陀螺的零偏，提高了陀螺的精度。
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盘状体声波硅微陀螺仪。
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。得益于近来微电子加工技术的进步，硅微陀螺仪正朝着高灵敏度，低噪声，小型化和低成本的方向发展。
现有的大多数基于科氏加速度效应工作的硅微陀螺仪一般采用工作在100KHz频率以下的方形质量块谐振子或圆盘谐振子来敏感角速度的输入。由于圆盘谐振子比方形谐振子具有更好的对称性，因此其因加工误差引起的正交耦合误差较小，精度也较高，目前为MEMS硅微陀螺仪的一个重要研究方向。现有的具有圆盘谐振子多数工作在100KHz频率以下，限制其精度进一步提高的因素主要为低工作频率下相邻振动模态引起的耦合误差以及低频下的1/f噪声，该因素可以通过提高陀螺谐振子的刚度，增大其工作频率来改善，然而刚度的增大在提高了精度的同时减小了陀螺参考振动的位移，使得陀螺的输出振动较小，影响了陀螺的灵敏度，为解决此问题就需要采用高深宽比的间隙加工工艺来制作敏感电容，在提高了陀螺精度的同时，具有较高的灵敏度。同时现有的具有圆盘谐振子多数采用同圆盘形谐振子同心的小直径支撑柱支撑的方式，小直径支撑柱在圆盘形谐振子之下，为立体结构，其加工工艺流程复杂，工艺参数较难控制，导致其成品率较低。
采用高深宽比电容间隙来提高陀螺灵敏度的方式中高深宽比的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；为减小陀螺仪中圆柱状支撑柱振动引起的支撑阻尼，增大硅微陀螺仪的机械品质因数，陀螺仪的支撑柱直径要非常小，在工艺制作过程中利用控制SiO2刻蚀液的刻蚀时间来控制SiO2支撑柱直径大小的方法使得陀螺的工艺难度加大；同圆盘谐振子中心固定的单一的小直径支撑柱由于尺寸较小，使得陀螺抗冲击能力较弱；驱动模态下圆弧形检测电极同谐振子之间输出并不为零，增大了陀螺的零偏和噪声，影响了陀螺的测量精度。
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盘状体声波硅微陀螺仪，陀螺仪采用圆盘形谐振子径向支撑代替圆盘状谐振子中心圆柱支撑的方案，采用基于杠杆的位移放大机构放大检测模态位移输出的方法，提高了陀螺的灵敏度，简化了体声波硅微陀螺仪加工工艺，提升了陀螺仪的抗冲击能力，减小了陀螺的零偏，提高了陀螺的精度。
为实现上述目的，本发明提出如下的技术方案：一种高灵敏度盘状体声波硅微陀螺仪，包括圆盘形谐振子，侧向支撑臂，具有位移放大机构的电容检测电极，检测电极固定凸台，圆弧形驱动电极和基板。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。
侧向支撑臂共有四个，四个侧向支撑臂位于驱动模态径向振动的波节处，形状为长方体，侧向支撑臂一端同圆盘状谐振子在半径方向固定连接，另一端同具有位移放大机构的电容检测电极固定。
具有位移放大机构的电容检测电极由一个刚性支撑臂、两个刚性杆、六个柔性铰链和一个电容极板组成，刚性支撑臂两端分别通过两个柔性铰链和两个刚性杆中部连接，两个刚性杆两端一端通过柔性铰链固定在检测电极固定凸台上，另一端通过柔性铰链和电容极板相连。具有位移放大机构的电容检测电极通过刚性支撑臂和侧向支撑臂连接，连接点位于刚性支撑臂的中点，电容极板和检测电极固定凸台之间形成平行的电容间隙作为检测电容。具有位移放大机构的电容检测电极共有四个，电容极板和检测电极固定凸台之间的间隙为1-10μm，具有位移放大机构的电容检测电极通过重离子掺杂的工艺提高其电导率。
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。
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。
检测电极固定凸台的外径和圆盘状谐振子同心，检测电极固定凸台位于圆盘形谐振子检测模态的波幅对应的半径延长线上，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。
基板为圆盘形，基板和圆盘形谐振子同心，半径和检测电极固定凸台以及圆弧形驱动电极的外径相同，检测电极固定凸台和圆弧形驱动电极固定在基板上。
圆盘形谐振子，侧向支撑臂，具有位移放大机构的电容检测电极，检测电极固定凸台，圆弧形驱动电极和基板全部通过在（111）晶向的硅片上通过微机械电子加工工艺制作而成。
本发明高灵敏度盘状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，驱动模态振动下侧向支撑臂处径向位移为零，因此电容检测电极无输出；当有沿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，检测模态振动下侧向支撑臂处的径向位移和径向力最大，在基于杠杆的位移放大机构的作用下，检测模态的小位移输出被放大为电容极板的大位移输出，电容极板的运动将导致电容极板和检测电极固定凸台之间电容的变化，电容的变化量正比于输入角速度的大小，通过测量电容检测电极输出的大小即可检测输入角速度。
本发明高灵敏度盘状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：在圆盘形谐振子驱动模态的节点处采用侧向支撑臂支撑圆盘形谐振子，可有效的减小对谐振子驱动模态的影响，同时避免了小直径支撑柱的复杂难以控制的加工工艺，结构简单易于实现；采用基于杠杆的位移放大机构将检测模态的小位移输出放大，可提高陀螺的灵敏度，降低对驱动电极和圆盘形谐振子之间电容间隙的要求；采用四个对称分布的侧向支撑臂的方式，使得陀螺的支撑更可靠，大大提高了陀螺的抗冲击能力；在无角速度输入时侧向支撑臂无径向位移，电容检测电极无输出，可以减小陀螺的零偏，提高陀螺的精度。
附图说明
图1为本发明高灵敏度盘状体声波陀螺仪的结构示意图。
图2为本发明具有位移放大机构的电容检测电极局部放大结构示意图。
图3为本发明高灵敏度盘状体声波陀螺仪的三维结构示意图。
图4为本发明高灵敏度盘状体声波陀螺仪驱动模态振型。
图5为本发明高灵敏度盘状体声波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盘状体声波陀螺仪进行进一步的说明。
如图1、图2和图3所示高灵敏度盘状体声波陀螺仪包括圆盘形谐振子1，侧向支撑臂2a-2d，圆弧形驱动电极3a-3d，具有位移放大机构的电容检测电极4a-4d，检测电极固定凸台5a-5d和基板6。陀螺仪采用如图4和图5所示圆盘状谐振子1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。
本实施例中侧向支撑臂2a-2d共有四个，四个侧向支撑臂2a-2d位于驱动模态径向振动的波节处，形状为长方体，侧向支撑臂2a-2d一端同圆盘状谐振子1在半径方向固定连接，另一端同具有位移放大机构的电容检测电极4a-4d固定。具有位移放大机构的电容检测电极4a-4d由一个刚性支撑臂401、两个刚性杆402a和402b、一个电容极板403和六个柔性铰链404组成，刚性支撑臂401两端分别通过两个柔性铰链404和两个刚性杆402a、402b中部连接，两个刚性杆402a、402b两端一端通过柔性铰链404固定在检测电极固定凸台5a-5d上，另一端通过柔性铰链404和电容极板403相连。具有位移放大机构的电容检测电极4a-4d通过刚性支撑臂401和侧向支撑臂2a-2d连接，连接点位于刚性支撑臂401的中点，电容极板403和检测电极固定凸台5a-5d之间形成平行的电容间隙作为检测电容。具有位移放大机构的电容检测电极4a-4d共有四个，电容极板403和检测电极固定凸台5a-5d之间的间隙为1-10μm，具有位移放大机构的电容检测电极4a-4d通过重离子掺杂的工艺提高其电导率。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。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的外径和圆盘状谐振子1同心，检测电极固定凸台5a-5d位于圆盘形谐振子1检测模态的波幅对应的半径延长线上，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。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和圆弧形驱动电极3a-3d固定在基板6上。圆盘形谐振子1，侧向支撑臂2a-2d，具有位移放大机构的电容检测电极4a-4d，检测电极固定凸台5a-5d，圆弧形驱动电极3a-3d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。
本实施例中圆盘形谐振子1，侧向支撑臂2a-2d，圆弧形驱动电极3a-3d，具有位移放大机构的电容检测电极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、侧向支撑臂2a-2d、圆弧形驱动电极3a-3d及电容极板403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、侧面支撑臂2a-2d、圆弧形驱动电极3a-3d、具有位移放大机构的电容检测电极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、侧面支撑臂2a-2d、圆弧形驱动电极3a-3d、具有位移放大机构的电容检测电极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盘状体声波陀螺仪结构。
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，圆盘形谐振子1产生如图4所示的驱动模态下的振动，驱动模态振动下侧向支撑臂2a-2d处径向位移为零，因此具有位移放大机构的电容检测电极4a-4d无输出；当有圆盘形谐振子1轴线方向的角速度输入时，在科氏力作用下陀螺会产生如图5所示检测模态下的振动，检测模态振动下侧向支撑臂2a-2d处的径向位移最大，在由刚性支撑臂401、两个刚性杆402a、402b和四个柔性铰链404组成的两个杠杆机构的作用下，检测模态的小位移输出被放大为电容极板403的大位移输出，电容极板403的运动将导致电容极板403和检测电极固定凸台5a-5d之间电容的变化，电容的变化量正比于输入角速度的大小，通过测量电容检测电极4a-4d输出的大小即可检测输入角速度。
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 (6)
1.一种高灵敏度盘状体声波硅微陀螺仪，其特征在于：包括圆盘形谐振子，侧向支撑臂，具有位移放大机构的电容检测电极，检测电极固定凸台，圆弧形驱动电极和基板；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；侧向支撑臂共有四个，四个侧向支撑臂位于驱动模态径向振动的波节处，形状为长方体，侧向支撑臂一端同圆盘状谐振子在半径方向固定连接，另一端同具有位移放大机构的电容检测电极固定；具有位移放大机构的电容检测电极由一个刚性支撑臂、两个刚性杆、六个柔性铰链和一个电容极板组成，刚性支撑臂两端分别通过两个柔性铰链和两个刚性杆中部连接，两个刚性杆两端一端通过柔性铰链固定在检测电极固定凸台上，另一端通过柔性铰链和电容极板相连；具有位移放大机构的电容检测电极通过刚性支撑臂和侧向支撑臂连接，连接点位于刚性支撑臂的中点，电容极板和检测电极固定凸台之间形成平行的电容间隙作为检测电容；具有位移放大机构的电容检测电极共有四个，电容极板和检测电极固定凸台之间的间隙为1-10μm，具有位移放大机构的电容检测电极通过重离子掺杂的工艺提高其电导率。
2.基于权利要求1所述的一种高灵敏度盘状体声波硅微陀螺仪，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所述的一种高灵敏度盘状体声波硅微陀螺仪，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。
4.基于权利要求1所述的高灵敏度盘状体声波硅微陀螺仪，其特征在于：所述检测电极固定凸台的外径和圆盘状谐振子同心，检测电极固定凸台位于圆盘形谐振子检测模态的波幅对应的半径延长线上，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。
5.基于权利要求1所述的一种高灵敏度盘状体声波硅微陀螺仪，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，检测电极固定凸台和圆弧形驱动电极固定在基板上。
6.基于权利要求1所述的一种高灵敏度盘状体声波硅微陀螺仪，其特征在于：所述圆盘形谐振子，侧向支撑臂，具有位移放大机构的电容检测电极，检测电极固定凸台，圆弧形驱动电极和基板全部通过在（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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Effective date of registration: 20180712 Address after: 237000 room 509, B building, technology and entrepreneurship service center, Lu'an economic and Technological Development Zone, Anhui Applicant after: ANHUI KANGLI ENERGY SAVING ELECTRIC APPLIANCE TECHNOLOGY CO.,LTD. Address before: 237000 Lu'an City Economic Development Zone, Lu'an, Anhui, on the east side of three road (Technology Innovation Center) Applicant before: Si Hongkang |
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Effective date of registration: 20230726 Address after: 102200 423, 4 / F, block a, Xinhua future city building, 175 Litang Road, Changping District, Beijing Patentee after: Li Qiannan Address before: 237000 room 509, B building, technology and entrepreneurship service center, Lu'an economic and Technological Development Zone, Anhui Patentee before: ANHUI KANGLI ENERGY SAVING ELECTRIC APPLIANCE TECHNOLOGY CO.,LTD. |
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