CN107782294B - 一种具有应力隔离能力的双质量块音叉陀螺 - Google Patents

一种具有应力隔离能力的双质量块音叉陀螺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有应力隔离能力的双质量块音叉陀螺，属于圆片级真空封装，由上、中、下三层硅构成，上层为真空封装盖板，下层为硅衬底，中层单晶硅片上制作有陀螺机械结构，由两个相同的子结构组成，这两个子结构左右对称布置，并通过多个U形梁与应力隔离框架连接，该应力框架由直梁与矩形环式框构成，矩形环式框作为固定基座，与下层硅衬底上直接键合，使其余机械结构部分悬空在下层的硅衬底部分之上，上层的真空封装盖板布置信号引线以及键合区域。本发明的整体结构通过一个应力隔离框架相连，提高了结构内部的一致性，降低了对工艺误差的要求。

Description

一种具有应力隔离能力的双质量块音叉陀螺
技术领域
本发明属于微电子机械系统和微惯性测量技术，特别是一种具有应力隔离能力的双质量块音叉陀螺。
背景技术
微机械惯性仪表包括微机械陀螺(MMG)和微机械加速度计(MMA)。利用微电子加工工艺允许将微机械结构与所需的电子线路完全集成在一个硅片上，从而达到性能、价格、体积、重量、可靠性诸方面的高度统一。因而，这类仪表具有一系列的优点(如体积小、重量轻、价格便宜、可靠性高、能大批量生产等)，在军民两方面都具有广泛的应用前景。在民用方面，主要用于汽车工业、工业监控及消费类产品和机器人技术，如气囊、防抱死系统、偏航速率传感器、翻滚速率传感器、图象稳定及玩具等等；在军用领域，主要用于灵巧炸弹、智能炮弹、战术导弹、新概念武器和微型飞机的自主导航制导系统等。
1993年，美国德雷珀实验室通过在玻璃表面覆盖硅层技术制作了一种新颖的微机械陀螺—音叉式线振动陀螺。该陀螺由双质量块、支承梁和横梁组成，陀螺采用线振动驱动和角振动检测的方式，可以敏感陀螺平面内轴向的角速率。由于该陀螺的驱动运动与敏感运动完全耦合，限制了其灵敏度的提高。
2007年，苏岩等人研制了双质量振动式硅微陀螺(申请号：200710133223.5)，在驱动力的作用下双质量在做平行于衬底的线振动，有角速率输入时，双质量块做平行于衬底的垂直于驱动方向的线振动，通过检测敏感电容的变化，测试输入角速率。该陀螺采用了八根驱动支承梁和八根敏感支承梁实现驱动模态与敏感模态的分离。由于微电子工艺存在误差，会导致两个子结构没有很好的一致性，产生敏感模态不同步等现象。
2009年，苏岩等人又研制了摆动式硅微陀螺(申请号：200920037290.1)。采用扭杆和横梁，使陀螺绕Z轴转动，实现陀螺的敏感运动，实现了驱动方向与检测方向的运动解耦。扭杆代替了敏感支承梁，减小了支承梁数目，降低了加工误差对陀螺性能的影响。但是在体硅工艺中，对竖直扭杆的加工具有相当大的难度。
2011年，苏岩等人研制了硅微角振动输出陀螺(申请号：201110170673.8)和扭摆式角速率陀螺(申请号：201120340974.6)。二者都采用水平扭杆和横梁，实现陀螺的角振动输出。水平扭杆的使用，降低了对加工过程的要求。同时设置了质量块链接机构，增大了工作模态与干扰模态的频率差，增加了陀螺的稳定性。二者不同的地方在于横梁与固定基座的连接方式不同，但共同存在的问题是：当外界温度变化时，在上层硅结构与下层玻璃衬底键合的区域，及表头与外封装固有的残余应力会随温度发生变化，并直接传递作用于敏感结构，对检测信号产生影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够有效隔离环境温度与结构热应力的变化对检测信号的影响，一致性强，对工艺误差容忍度高的双质量块角速率陀螺。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种新型的双质量块角速率陀螺，属于圆片级真空封装，由上、中、下三层硅构成，上层为真空封装盖板，下层为硅衬底，中层单晶硅片上制作有陀螺机械结构，由两个相同的子结构组成，这两个子结构左右对称布置，并通过多个U形梁与应力隔离框架连接，该应力框架由直梁与矩形环式框构成，矩形环式框作为固定基座，与下层硅衬底直接键合，使其余机械结构部分悬空在下层的硅衬底部分之上，上层的真空封装盖板布置信号引线以及键合区域。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明的两个子结构左右两侧分别通过多个U形梁与应力隔离框架连接，这种结构形式在保证了陀螺绕z轴转动，实现陀螺的敏感运动；(2)应力框架为U形梁与矩形环式框的组合结构，由于U形梁可以有效将应力转换为应变，当外界温度发生改变，基底会将热应力传递到陀螺结构层，此时应力隔离框架可以将应力释放转换为U形梁的应变，则可以有效抑制驱动与检测过程中环境温度与结构热应力的变化对检测信号的影响，提高了陀螺在温变环境中抗干扰的能力，大幅度降低了温度及应力对陀螺性能的影响；(3)每一个子结构中，上下驱动梳齿通过框架及U形梁与质量块连接，左右两个子结构又通过完整的应力隔离框架相连，提高了子结构内部的一致性，降低了对工艺误差的要求；(4)本发明的具有应力隔离能力的双质量块音叉陀螺对工艺误差容忍度高，一致性强且具有应力隔离能力。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明一种具有应力隔离能力的双质量块音叉陀螺的结构示意图。
图2是本发明一种具有应力隔离能力的双质量块音叉陀螺的应力隔离框架示意图。
具体实施方式
结合图1，本发明的一种具有应力隔离能力的双质量块音叉陀螺，由上、中、下三层硅构成，上层为真空封装盖板，下层为硅衬底，中层单晶硅片上制作有陀螺机械结构，具体包括两个相同的谐振子和外部框架2，该两个谐振子分别为第一谐振子1a和第二谐振子1b，该两个谐振子对称设置在外部框架2的内部，两个谐振子之间通过两个粗梁相固连，每个谐振子均通过对应的U型梁与粗梁相固连，每个粗梁均通过对应的细梁与外部框架2相固连，每个谐振子的外侧均通过若干U型梁6与外部框架2的侧壁相固连。
所述两个粗梁分别为上粗梁3a和下粗梁3b，所述上粗梁3a通过上细梁4a与外部框架2相固连，所述下粗梁3b通过下细梁4b与外部框架2相固连。
每个谐振子的外侧均通过四个U型梁6与外部框架2的侧壁相固连。
所述每个谐振子均包括检测质量块5、上驱动支撑框架7a、下驱动支撑框架7b、固定驱动电极、固定驱动检测电极、固定检测电极、驱动梳齿、驱动检测梳齿和活动梳齿，所述上驱动支撑框架7a位于检测质量块5的上方，下驱动支撑框架7b位于检测质量块5的下方，上驱动支撑框架7a和下驱动支撑框架7b结构相同并关于检测质量块5的中心线对称，检测质量块5通过第一U形梁10a和第二U形梁10b与上驱动支撑框架7a相固连，检测质量块5同时通过第三U形梁10c和第四U形梁10d与下驱动支撑框架7b相固连，上驱动支撑框架7a和下驱动支撑框架7b之间通过连接梁11相连，所述连接梁11位于检测质量块5的外侧；
上驱动支撑框架7a内部设置4个相同的固定驱动电极8a和4个相同的固定驱动检测电极8b，所述4个固定驱动电极8a和4个固定驱动检测电极8b间隔排列，每个固定驱动电极8a均连接对应的驱动梳齿，每个固定驱动检测电极8b均连接对应的驱动检测梳齿；
下驱动支撑框架7b内部设置4个相同的固定驱动电极8c和4个相同的固定驱动检测电极8d，所述4个固定驱动电极8c和4个固定驱动检测电极8d间隔排列，每个固定驱动电极8c均连接对应的驱动梳齿，每个固定驱动检测电极8d均连接对应的驱动检测梳齿；
检测质量块5的内部上下对称设置上固定检测电极9a和下固定检测电极9b，检测质量块5的内部同时设置活动梳齿，上固定检测电极9a和下固定检测电极9b分别与质量块5连接的活动梳齿行成差分的检测电容。
本发明的具有应力隔离能力的双质量块音叉陀螺对工艺误差容忍度高，一致性强且具有应力隔离能力。本发明采用U形梁与矩形环式框的组合机构形成应力隔离框架，同时保证了陀螺绕z轴转动，实现陀螺的敏感运动，有效抑制了驱动与检测过程中环境温度与结构热应力的变化对检测信号的影响，提高了陀螺在温变环境中抗干扰的能力。同时，整体结构通过一个应力隔离框架相连，提高了结构内部的一致性，降低了对工艺误差的要求。
下面进行更详细的描述。
结合图1，本发明具有应力隔离能力的双质量块音叉陀螺，用于测量Z轴方向的角速率。该陀螺由上层的机械结构和下层的玻璃衬底构成。陀螺上层机械结构由一对完全相同的谐振子(1a)、(1b)组成，这两个谐振子(1a)、(1b)左右对称布置在外部框架2的内部，两个谐振子(1a)、(1b)之间通过两个粗梁相固连，每个谐振子(1a)、(1b)均通过对应的U型梁与粗梁相固连，每个粗梁均通过对应的细梁与外部框架2相固连，每个谐振子(1a)、(1b)的外侧均通过若干U型梁6与外部框架2的侧壁相固连，形成应力隔离框架。外部框架2作为固定基座与下层硅衬底直接键合。两个粗梁分别为上粗梁3a和下粗梁3b，所述上粗梁3a通过上细梁4a与外部框架2相固连，所述下粗梁3b通过下细梁4b与外部框架2相固连。两个粗梁(3a)、(3b)和两个细梁(4a)、(4b)组成上下两个“T”形结构。每个谐振子(1a)、(1b)的外侧均通过四个U型梁(6)与外部框架2的侧壁相固连。
谐振子(1a)与(1b)左右完全对称，都由检测质量块5，上下对称的驱动支撑框架(7a)、(7b)，驱动电容、驱动检测电容和检测电容组成。检测质量块5与上下对称的驱动支撑框架(7a)、(7b)通过四个对称的U形梁(10a)、(10b)、(10c)、(10d)连接；同时，上下驱动支撑框架(7a)与(7b)之间通过连接梁11相连，以保证谐振子内部的一致性。
驱动支撑框架7a内部，4对相同的固定驱动电极8a及其对应的驱动梳齿、固定驱动检测电极8b及其对应的驱动检测梳齿交错排列，分别与活动梳齿行成驱动电容、驱动检测电容；同理，驱动支撑框架7b与驱动支撑框架7a完全相同，4对相同的固定驱动电极8c及其对应的驱动梳齿、固定驱动检测电极8d及其对应的驱动检测梳齿交错排列，分别与活动梳齿行成驱动电容、驱动检测电容。检测质量块5内部，上下对称布置固定的检测电极9a、9b，分别与质量块5连接的活动梳齿行成差分的检测电容。
本发明的双质量块音叉式角速率陀螺，采用单边静电驱动，电容检测的工作方式。谐振子1a的上下各4对固定驱动梳齿(8a)、(8c)上施加带直流偏置的交流电压，产生交变的静电力，实现陀螺的单边静电驱动，静电驱动力为：
Figure GDA0002815719230000051
式中，n为谐振器的活动梳齿数，ε为介电常数，h为结构的厚度，d为梳齿间距，Ud为驱动电压的直流偏置电压，Ua为交流电压，ωd为交流电压的角频率。固定驱动检测梳齿(8b)、(8d)实现陀螺的静电驱动检测。
在谐振子1b的静电驱动力与作用在谐振子1a上的静电驱动力相差180度。因此谐振子(1a)和(1b)的整个活动结构在静电驱动力的作用下，沿驱动轴作相向简谐线振动。当驱动交流电压的频率与陀螺驱动模态的固有频率一致时，线振动位移为：
Figure GDA0002815719230000052
式中，Fd0为静电驱动力幅值，kx为X方向的弹性刚度，Qx为驱动模态的品质因数。线振动速度为：
Figure GDA0002815719230000053
当陀螺有绕z轴的外界输入角速率ωz时，根据右手定则，检测质量受到检测轴方向的哥氏加速度作用，其大小为：
Figure GDA0002815719230000054
式中，
Figure GDA0002815719230000055
为输入角速率和线振动速度之间右旋夹角。
设检测质量为ms，则作用在检测质量上的哥氏惯性力为：
Figure GDA0002815719230000061
哥氏惯性力的方向与哥氏加速度方向相反，因此，作用在谐振子(1a)和(1b)上的哥氏惯性力的方向相反，形成力矩作用在陀螺结构上，使得谐振子1a和1b以陀螺的几何中心为中心绕敏感轴作角振动。这样，使得活动敏感梳齿与固定敏感梳齿之间的间隙按一定的简谐振动规律变动，电容差值信号经电子线路处理后，可获得输出电压信号。输出电压信号为谐振子1a和1b输出电压信号之和，且输出电压信号的大小正比于输入角速率的大小。通过鉴相器比较输出电压信号与激励信号的相位关系，则可判明输入角速率的方向。
本发明的陀螺仪通过一个应力隔离框架相连，提高了结构内部的一致性，降低了对工艺误差的要求。

Claims (3)

1.一种具有应力隔离能力的双质量块音叉陀螺，其特征在于，由上、中、下三层硅构成，上层为真空封装盖板，下层为硅衬底，中层单晶硅片上制作有陀螺机械结构，具体包括两个相同的谐振子和外部框架(2)，该两个谐振子分别为第一谐振子(1a)和第二谐振子(1b)，该两个谐振子对称设置在外部框架(2)的内部，两个谐振子之间通过两个粗梁相固连，每个谐振子均通过对应的U型梁与粗梁相固连，每个粗梁均通过对应的细梁与外部框架(2)相固连，每个谐振子的外侧均通过若干U型梁(6)与外部框架(2)的侧壁相固连；
所述每个谐振子均包括检测质量块(5)、上驱动支撑框架(7a)、下驱动支撑框架(7b)、固定驱动电极、固定驱动检测电极、固定检测电极、驱动梳齿、驱动检测梳齿和活动梳齿，所述上驱动支撑框架(7a)位于检测质量块(5)的上方，下驱动支撑框架(7b)位于检测质量块(5)的下方，上驱动支撑框架(7a)和下驱动支撑框架(7b)结构相同并关于检测质量块(5)的中心线对称，检测质量块(5)通过第一U形梁(10a)和第二U形梁(10b)与上驱动支撑框架(7a)相固连，检测质量块(5)同时通过第三U形梁(10c)和第四U形梁(10d)与下驱动支撑框架(7b)相固连，上驱动支撑框架(7a)和下驱动支撑框架(7b)之间通过连接梁(11)相连，所述连接梁(11)位于检测质量块(5)的外侧；
上驱动支撑框架(7a)内部设置4个相同的固定驱动电极(8a)和4个相同的固定驱动检测电极(8b)，所述4个固定驱动电极(8a)和4个固定驱动检测电极(8b)间隔排列，每个固定驱动电极(8a)均连接对应的驱动梳齿，每个固定驱动检测电极(8b)均连接对应的驱动检测梳齿；
下驱动支撑框架(7b)内部设置4个相同的固定驱动电极(8c)和4个相同的固定驱动检测电极(8d)，所述4个固定驱动电极(8c)和4个固定驱动检测电极(8d)间隔排列，每个固定驱动电极(8c)均连接对应的驱动梳齿，每个固定驱动检测电极(8d)均连接对应的驱动检测梳齿；
检测质量块(5)的内部上下对称设置上固定检测电极(9a)和下固定检测电极(9b)，检测质量块(5)的内部同时设置活动梳齿，上固定检测电极(9a)和下固定检测电极(9b)分别与检测质量块(5)连接的活动梳齿行成差分的检测电容。
2.根据权利要求1所述的具有应力隔离能力的双质量块音叉陀螺，其特征在于，所述两个粗梁分别为上粗梁(3a)和下粗梁(3b)，所述上粗梁(3a)通过上细梁(4a)与外部框架(2)相固连，所述下粗梁(3b)通过下细梁(4b)与外部框架(2)相固连。
3.根据权利要求1所述的具有应力隔离能力的双质量块音叉陀螺，其特征在于，每个谐振子的外侧均通过四个U型梁(6)与外部框架(2)的侧壁相固连。
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