CN109387191B - 一种高温度适应性mems平面谐振陀螺结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高温度适应性MEMS平面谐振陀螺结构，其特征在于，其包含基板层和位于基板层上方的结构层，结构层包括质量块，支撑结构层的锚定支撑柱，以及连接锚定支撑柱与质量块的支撑架；该陀螺采用梳齿状排布的电极结构，且驱动模式和检测模式下敏感质量块的运动为平面运动。本发明中，陀螺不动梳齿的键合点沿驱动方向呈一字排列在质量块对称线上；连接所述锚定点柱与所述质量块之间的所述支撑架上设置孔槽作为应力隔离结构，以隔离锚点键合应力；同时在陀螺信号走线采用相互屏蔽、合理短接的方式，减小机电耦合带来的影响。本发明在提升陀螺变温环境下性能具有很高的应用价值。

Description

一种高温度适应性MEMS平面谐振陀螺结构

技术领域

本发明涉及一种MEMS(Micro Electromechanical System，微机电系统)陀螺结构，尤其涉及一种高温度适应性MEMS平面谐振陀螺结构。

背景技术

MEMS科氏振动陀螺因其纯固态、低功耗、高可靠性、小尺寸及低成本等特点，在国防领域有着广阔的应用前景。MEMS传感器在复杂应用环境中保持高性能对业界仍十分具有挑战性。

如图1所示，传统MEMS平面线振动陀螺使用多键合点对可动谐振子结构与不动梳齿结构进行支撑，将驱动轴运动方向定义为x轴，检测轴运动方向定义为y轴，外界施加的角速度方向定义为z轴，x、y、z三轴互相正交。陀螺仪的动梳齿分布在可动谐振子结构上，不动梳齿键合在敏感结构下方的基板层上，当在工作状态下陀螺仪的环境温度变化时，沿各个方向的形变为：

式中，α为线膨胀系数，L为试样原始长度，T为环境温度，ΔL为温度变化ΔT时长度的相对变化量。

由于陀螺仪基板层和结构层采用材料不同，因此线膨胀系数α也会有差异，基板层与结构层的热膨胀变形量不同引起梳齿参数改变，影响电容检测；同时由于键合带来的应力随温度的变化会导致陀螺结构产生非线性形变，从而引起陀螺敏感结构的基本振动参数和耦合参数的变化，进而影响陀螺性能。

现有技术中，提出了一种单锚定点四质量块MEMS谐振式陀螺仪，是一种新型陀螺仪结构形式，相比于传统多键合点MEMS线振动，它的结构层通过单支撑锚定柱与基座相连，已经极大地减少了键合应力对结构造成的影响。同时，单锚定点四质量块MEMS谐振式陀螺仪继承了高精度半球陀螺的特性，其角速度检测建立在两相同形式模态能量转换的基础上，模态频率特性随温度变化一致，精度高、抗干扰性强，但该结构也存在一些缺点：无法避免的，陀螺基板层和结构层仍然采用不同材料，温度变化时，基板层与结构层的热膨胀变形量不同仍然影响梳齿参数；固定在基板层上的单锚定点四质量块MEMS谐振式陀螺仪的中心锚点仍存在应力，产生陀螺结构在Z轴方向的整体变形；陀螺工作时信号线之间存在串扰，使得温度误差补偿更困难，这些缺点使得陀螺在大变温环境(-40℃—60℃)下性能恶化。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可以降低热环境影响的高温度适应性MEMS平面谐振陀螺结构，该陀螺仪结构能够有效消除温度变化对陀螺仪的基板层和结构层的影响，提高陀螺在变温环境下的性能。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种高温度适应性MEMS平面谐振陀螺结构，其特征在于：其包括结构层和位于所述结构层下方的基板层；所述结构层包括中心对称结构的支撑架、一端键合到所述基板层、另一端固定连接于所述支撑架的锚定支撑柱和以所述锚定支撑柱为中心的圆周对称均匀分布在所述支撑架的四周，并通过悬臂梁与所述支撑架连接的四个质量块，其特征在于：所述质量块上设置有相互垂直的驱动对称轴和检测对称轴，沿所述驱动对称轴布设有可动电容极板；所述基板层上键合固定有梳齿状排布的固定电容极板，且所述基板层上的所述固定电容极板键合点呈一字排列在对应的所述质量块驱动对称轴上；所述固定电容极板与所述可动电容极板对应组合，形成按照预设规则排布的不同类型梳齿单元。

所述可动电容极板包括沿所述检测对称轴向所述质量块的左右两侧依次布设的驱动梳齿、力平衡梳齿、静电调谐梳齿、检测梳齿和驱动检测梳齿五种梳齿单元，且各所述梳齿单元均关于所述驱动对称轴对称。

所述质量块、支撑架和悬臂梁周围的硅岛结构与所述质量块的走线短接。

在所述基板层上，靠近每个所述质量块的两端、并位于所述驱动对称轴上设置有检测方向止挡机构；靠近每个所述质量块的两端、并位于所述检测对称轴两侧设置驱动方向止挡机构。

在连接所述锚定支撑柱与所述质量块之间的所述支撑架上设置有应力隔离结构。

所述应力隔离结构为5个相同矩形孔槽。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明中采用固定电容极板键合点沿驱动运动方向在质量块对称线上一字排列的结构形式，结构层与基板层热膨胀系数失配只会影响梳齿相对长度等非敏感参数，消除了对梳齿间隙等敏感参数的影响；2、本发明中由于在支撑架与锚定支撑柱之间设置应力隔离槽，减小了键合应力对陀螺结构的影响；3、本发明中在陀螺走线排布上采用信号线之间相互屏蔽形式，减小信号之间相互串扰；4、本发明在基板层上、靠近每个质量块的左右两端位于驱动对称轴上设置有检测方向止挡机构，在每个质量块的上下两端位于检测对称轴两侧设置有检测方向止挡机构，能够有效减小热膨胀系数适配带来的影响，进一步提升在变温环境下的陀螺工作性能。因此，本发明可以广泛应用于高温度适应性MEMS陀螺结构设计领域。

附图说明

图1是典型MEMS陀螺结构层与基底层热膨胀系数失配产生误差示意图，图中，

表示敏感结构及动梳齿，

表示不动梳齿，

表示动梳齿线膨胀方向，

表示不动梳齿线膨胀方向；

图2是本发明高温度适应性MEMS平面谐振陀螺结构示意图；

图3是本发明高温度适应性MEMS平面谐振陀螺结构的质量块放大图；

图4是本发明高温度适应性MEMS平面谐振陀螺结构的应力隔离结构的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的阐述，参照附图。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图2所示，本发明提供的一种高温度适应性MEMS平面谐振陀螺结构，其包括结构层和基板层上下两层。其中，结构层包括支撑架2、锚定支撑柱3和四个质量块1，支撑架2采用中心对称结构，支撑架2的对称中心固定连接锚定支撑柱3的一端，锚定支撑柱3的另一端键合固定到基板层上；各质量块1沿以锚定支撑柱3为中心的圆周对称均匀分布在支撑架2的四周，并通过悬臂梁4与支撑架2连接，各质量块1的内部均设置有梳齿状排布的一种或多种可动电容极板；基板层上键合固定有梳齿状排布的固定电容极板，且固定电容极板与结构层上各质量块1内的可动电容极板对应组合，形成按照预设规则排布的不同类型梳齿单元。当陀螺处于“驱动模态”时，四个质量块1沿以锚定支撑柱3为中心的圆的径向振动，即远离或靠近锚定支撑柱3，且相邻两个质量块1在同一时刻的运动方向相反，即一个质量块做靠近锚定支撑柱3运动时，另一个质量块做远离锚定支撑柱3的运动；当垂直于支撑架平面方向有角速度输入时，质量块受到科式力的作用，在支撑架2平面内产生垂直于“驱动模态”振动方向的振动，即四个质量块沿以锚定支撑柱3为中心的圆的切向振动，并且相邻两个质量块在同一时刻运动方向相反，即同时相互靠近或远离，此振动方向为“检测模态”振动方向。

上述实施例中，如图3所示，每一质量块1均设置有两个对称轴：平行于“驱动模态”振动方向的为驱动对称轴，平行于“检测模态”振动方向的为检测对称轴。沿检测对称轴向质量块1的左右两侧依次布设驱动梳齿11、力平衡梳齿12、静电调谐梳齿13、检测梳齿14和驱动检测梳齿15五种梳齿单元，且各梳齿单元均关于驱动对称轴对称，各梳齿单元的键合锚定点形状相同。此排布方式可以避免驱动梳齿11、力平衡梳齿12等输入电信号与检测梳齿14和驱动检测梳齿15等输出电信号之间的串扰。同时，将各质量块1、支撑架2和悬臂梁4周围的硅岛结构5与质量块1的走线短接，以保证硅岛保护结构与质量块的电压相同，减小机电耦合。

上述实施例中，基板层上，梳齿状排布的固定电容极板包括四组，每一组中固定电容极板与基板层的键合点均呈一字排列在对应的质量块的驱动对称轴上。

上述实施例中，如图3所示，在基板层上、靠近每个质量块1的左右两端位于驱动对称轴上设置有插指形(仅以此为例，并不限于此)检测方向止挡机构161；靠近每个质量块1的上下两端位于检测对称轴两侧设置有L形(仅以此为例，并不限于此)驱动方向止挡机构162。当陀螺仪过载时，质量块1先与止挡机构161、162凸起接触，防止固定电容极板和可动电容极板距离过近而发生静电吸合。驱动方向上的止挡结构162与质量块1距离较小，结构层与基底层热膨胀系数失配引起的止挡结构和质量块距离改变有可能导致检测方向上的止挡功能失效，而将检测方向止挡结构的锚点排布在质量块沿驱动方向对称线附近可以有效减小热膨胀系数失配带来的影响。

上述实施例中，如图1，4所示，在连接锚定支撑柱3与质量块1之间的支撑架2上设置有应力隔离结构，本发明采用5个相同矩形孔槽6(仅以此为例，数量与形状并不限于此)作为应力隔离结构，以隔离锚定支撑柱3与基板层键合产生的应力，避免应力通过支撑架传递到支撑梁上，引起陀螺运动发生不可预期的温度效应。同时避免陀螺仪Z轴刚度过低产生抗高过载性差的问题。

上述实施例中，固定电容极板、检测方向止挡结构与基板层的键合点排布方式使得基板层和结构层沿检测对称轴方向线膨胀的原始长度为0，当陀螺仪处于变温环境中，即便基板层和结构层采用不同材料，沿检测对称轴方向无线膨胀位移，消除了温度变化对梳齿间隙和检测方向止挡间隙的影响。基板层和结构层在驱动对称轴方向存在线膨胀位移，影响梳齿重叠长度和驱动方向止挡间隙等参数，由于该参数远大于梳齿间隙和检测方向止挡间隙，为非敏感参数，因此沿驱动对称轴方向线膨胀位移对陀螺变温性能的影响可以被忽略。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (6)

1.一种高温度适应性MEMS平面谐振陀螺结构，其包括结构层和位于所述结构层下方的基板层；所述结构层包括中心对称结构的支撑架、一端键合到所述基板层、另一端固定连接于所述支撑架的锚定支撑柱和以所述锚定支撑柱为中心的圆周对称均匀分布在所述支撑架的四周，并通过悬臂梁与所述支撑架连接的四个质量块，其特征在于：所述质量块上设置有相互垂直的驱动对称轴和检测对称轴，沿所述驱动对称轴布设有可动电容极板；所述基板层上键合固定有梳齿状排布的固定电容极板，且所述基板层上的所述固定电容极板键合点呈一字排列在对应的所述质量块驱动对称轴上；所述固定电容极板与所述可动电容极板对应组合，形成按照预设规则排布的不同类型梳齿单元。

2.如权利要求1所述的一种高温度适应性MEMS平面谐振陀螺结构，其特征在于：所述可动电容极板包括沿所述检测对称轴向所述质量块的左右两侧依次布设的驱动梳齿、力平衡梳齿、静电调谐梳齿、检测梳齿和驱动检测梳齿五种梳齿单元，且各所述梳齿单元均关于所述驱动对称轴对称。

3.如权利要求1所述的一种高温度适应性MEMS平面谐振陀螺结构，其特征在于：所述质量块、支撑架和悬臂梁周围的硅岛结构与所述质量块的走线短接。

4.如权利要求1所述的一种高温度适应性MEMS平面谐振陀螺结构，其特征在于：在所述基板层上，靠近每个所述质量块的两端、并位于所述驱动对称轴上设置有检测方向止挡机构；靠近每个所述质量块的两端、并位于所述检测对称轴两侧设置驱动方向止挡机构。

5.如权利要求1所述的一种高温度适应性MEMS平面谐振陀螺结构，其特征在于：在连接所述锚定支撑柱与所述质量块之间的所述支撑架上设置有应力隔离结构。

6.如权利要求5所述的一种高温度适应性MEMS平面谐振陀螺结构，其特征在于：所述应力隔离结构为5个相同矩形孔槽。

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