CN110672081A - 一种大电容环形谐振式微机械陀螺 - Google Patents

Abstract

一种大电容环形谐振式微机械陀螺，包括支撑锚点、弹性支撑梁、谐振环、树枝式梳齿结构以及设置在结构内部或者外部的电极；支撑锚点位于结构的中心，用于固定整个陀螺结构；弹性支撑梁的两端分别与谐振环、支撑锚点连接，谐振环与弹性支撑梁构成环形谐振子结构；电极与树枝式梳齿结构沿周向分布在整圈，电极与树枝式梳齿结构形成大电容量的平行板电容器。本发明采用的环形谐振结构结合树枝式梳齿结构，既保持了环形谐振结构的优势，又通过树枝式梳齿结构增加了电容量，使得陀螺的驱动、检测、静电调整能力得到提升，同时树枝式梳齿结构还可以增加结构的有效质量，上述优点可提高陀螺的信噪比和灵敏度，有利于陀螺精度的提升。

Description

一种大电容环形谐振式微机械陀螺

技术领域

本发明涉及一种大电容环形谐振式微机械陀螺，属于微机械传感器技术领域。

背景技术

传统工艺加工的微机械转子陀螺、悬浮陀螺、激光陀螺和光纤陀螺，具有其体积大、重量大、功耗高、成本高和不易于批量生产等严重问题，即使经过改进采用中心单点支撑对称结构，又会限制了陀螺的精度。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种大电容环形谐振式微机械陀螺，保持了微机械陀螺结构的高Q值，同时增大了电容量和有效质量，提高了微机械陀螺的信噪比和灵敏度，增强了微机械陀螺的静电调整能力，有利于微机械陀螺精度的提升，解决了目前环形谐振式微机械陀螺电容量较小，分辨率、信噪比较低，精度受限制的问题。

本发明解决的技术方案为：一种大电容环形谐振式微机械陀螺，包括支撑锚点(1)、弹性支撑梁(2)、谐振环(3)、树枝式梳齿结构(4)以及电极(5)、基底(8)。

支撑锚点(1)位于微机械陀螺结构的中心，与基底(8)连接，用于固定整个微机械陀螺结构；弹性支撑梁(2)的两端分别与谐振环(3)、支撑锚点(1)连接；谐振环(3)与弹性支撑梁(2)构成环形谐振子；

树枝式梳齿结构(4)设置在谐振环(3)振动的波腹和节点处；

电极(5)与树枝式梳齿结构(4)相对设置，且电极(5)与基底(8)连接，电极(5)与树枝式梳齿结构(4)沿周向分布，与树枝式梳齿结构(4)形成大电容量的平行板电容，电极(5)通过与基底(8)连接固定。

优选的，谐振环3与弹性支撑梁2所构成的环形谐振子为轴对称的圆形结构。

优选的，谐振环(3)振动的波腹，是指：谐振环(3)振动幅值最大的位置。

优选的，谐振环(3)振动的波节，是指：谐振环(3)振动幅值为零的位置。

优选的，树枝式梳齿结构(4)，包括：梳齿干(6)，梳齿(7)，梳齿(7)对称设置在梳齿干(6)两侧。

优选的，电极(5)设置在谐振环(3)的内侧和外侧。

优选的，弹性支撑梁数量为8个、16个或者更多，要求满足8的倍数。

优选的，弹性支撑梁以支撑锚点(1)为中心沿周向均匀的分布。

优选的，谐振环(3)为单环结构或为多环结构。

优选的，电极(5)为多个，电极沿周向均匀分布。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明所提出的一种大电容环形谐振式微机械陀螺，采用环形谐振结构结合树枝式梳齿结构，既保持了环形谐振结构的优势，又通过树枝式梳齿结构增加了电容量，使得陀螺的驱动、检测、静电调整能力得到提升，同时树枝式梳齿结构还可以增加结构的有效质量，上述优点可提高陀螺的信噪比、分辨率和灵敏度，有利于陀螺精度的提升。

(2)本发明所提出的一种大电容环形谐振式微机械陀螺，采用环形谐振结构结合树枝式梳齿结构，增加结构的有效质量同时降低了谐振频率，从而大大减小了陀螺的噪声，有利于陀螺极限精度的提升。

(3)本发明所提出的一种大电容环形谐振式微机械陀螺，采用树枝式梳齿结构结合环绕式电极，在相同面积下极大地增大了电容量，提高了晶圆面积的利用率。

附图说明

图1为环形谐振式微机械陀螺的振型示意图，其中(a)是环形谐振式微机械陀螺第一模态的振型示意图；(b)是环形谐振式微机械陀螺第二模态的振型示意图。

图2是大电容环形谐振式微机械陀螺示意图；

图3是大电容环形谐振式微机械陀螺结构的侧视图；

图4是采用多环结构的大电容环形谐振式微机械陀螺示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。

本发明所提出的一种大电容环形谐振式微机械陀螺，作为惯性测量单元中的重要组成部分，可应用于卫星、飞船、空间站等航天飞行器的姿态调整与变轨，与全球定位导航系统共同组成航天飞行器的导航系统，具有极其重要的作用。同时微机械陀螺具有不需要和外界有信息交换，可自主工作的特点，在全球定位导航系统失灵时可以作为航天飞行器的导航系统使用。

航天飞行器具有体积要求高、精度要求高、运行时间长、不可替换零件、空间环境辐射量大的特点，因此要求陀螺可靠性高，抗辐射能力强，精度高，而本发明所提出的一种大电容环形谐振式微机械陀螺由于结构、工艺简单，电容量大，能达到体积小、精度高、可靠性高、抗辐射能力强的特点，充分满足航天飞行器的要求，由于其兼顾了体积小、精度高、可靠性高、抗辐射能力强的特点，因此具有不可替代的作用。

本发明的微机械陀螺利用微机电系统加工工艺结合陀螺技术需求所产生的一种惯性传感器，它能够敏感并检测载体相对惯性空间的转动角速度或者绝对角度，相较于全球定位导航系统具有不依赖外界信息，不向外界辐射能量，不易受到外界干扰等自主式导航的特点。而与采用传统工艺加工的微机械转子陀螺、悬浮陀螺、激光陀螺和光纤陀螺相比，微机械陀螺具有其体积小、重量轻、功耗少、成本低和易于批量生产等众多优点，更显示出其无可比拟的优势所在。在航空航天、导弹制导、姿态控制和导航定位等众多领域中，都有着广泛的应用，尤其是随着目前消费电子领域产品的广泛需求和汽车产业的蓬勃发展。

本发明的环形谐振式微机械陀螺相对于谐振板、框架解耦式和音叉谐振式微机械陀螺，环形结构本身固有的全对称性，它对环境无用振动不敏感，除非质量或者刚度的不对称才会造成它对环境振动有多余的响应；且采用了理论上频率完全相同的两个工作模态来检测角速度，陀螺的灵敏度被结构的品质因数放大很多倍，因此它具有非常高的灵敏度；并且，环形谐振式陀螺的两个工作模态受到温度变化引起的结构热膨胀相同，因此陀螺对于温度变化不敏感；另外，环形谐振式陀螺可以利用调谐电极进一步降低驱动谐振模态和敏感谐振模态的频率差以提高灵敏度。

本发明提供一种大电容环形谐振式微机械陀螺，如图2和图3所示，包括：支撑锚点(1)、弹性支撑梁(2)、谐振环(3)、树枝式梳齿结构(4)以及电极(5)、基底(8)。

支撑锚点(1)位于微机械陀螺结构的中心，与基底(8)连接，用于固定整个微机械陀螺结构；弹性支撑梁(2)的两端分别与谐振环(3)、支撑锚点(1)连接；谐振环(3)与弹性支撑梁(2)构成环形谐振子；

树枝式梳齿结构(4)设置在谐振环(3)振动的波腹和节点处；

电极(5)与树枝式梳齿结构(4)相对设置，且电极(5)与基底(8)连接，电极(5)与树枝式梳齿结构(4)沿周向分布，电极(5)与树枝式梳齿结构(4)形成大电容量的平行板电容，电极(5)通过与基底(8)连接固定。

进一步地，所述的谐振环3与弹性支撑梁2所构成的环形谐振子优选为轴对称的圆形结构，使得陀螺能够工作在n＝2的退化模态，具有更高的灵敏度；

进一步地，所述的树枝式梳齿结构(4)数量优选为8个、16个或者更多，要求满足8的倍数，设置在结构振动的波腹和节点处；

进一步地，所述的谐振环(3)振动的波腹，是指：谐振环(3)振动幅值最大的位置。

进一步地，所述的谐振环(3)振动的波节，是指：谐振环(3)振动幅值为零的位置。

进一步地，所述的树枝式梳齿结构(4)，优选包括：梳齿干(6)，梳齿(7)，梳齿(7)对称设置在梳齿干(6)两侧，梳齿(7)的数量在满足工艺约束的条件下可以为任意数量。

进一步地，所述的电极(5)设置在谐振环(3)的内侧和外侧，数量优选为8个、16个或者更多，多个电极沿周向均匀分布，外侧的电极(5)会与树枝式梳齿结构(4)形成平行板电容器，可以形成更大的电容量；

进一步地，所述的弹性支撑梁(2)数量优选为8个、16个或者更多，要求满足8的倍数。

进一步地，所述的弹性支撑梁(2)的两端分别与谐振环(3)、支撑锚点(1)连接，优选沿周向均匀的分布在整圈；

更进一步地，谐振环3优选为多环结构，进一步加强陀螺的精度和谐振效果，多环结构，包括：五个同心圆环，从圆心沿径向向外依次为第一圆环、第二圆环、第三圆环、第四圆环、第五圆环；如图4所示，与优选的多环结构配合的弹性支撑梁(2)，包括：支撑锚点(1)与第一圆环之间的第一组弹性支撑梁、第一圆环与第二圆环之间的第二组弹性支撑梁、第二圆环与第三圆环之间的第三组弹性支撑梁、第三圆环与第四圆环之间的第四组弹性支撑梁、第四圆环与第五圆环之间的第五组弹性支撑梁；

在以上的结构上，通过与弹性支撑梁、多环结构和的位置配合，再进一步降低驱动谐振模态和敏感谐振模态的频率差以进一步提高灵敏度和陀螺极限精度的方案如下：

由于树枝式梳齿结构(4)，包括：梳齿干(6)，梳齿(7)，梳齿(7)对称设置在梳齿干(6)两侧，设树枝式梳齿结构(4)的数量为K，K为偶数，树枝式梳齿结构以支撑锚点(1)为轴心沿周向均匀分布；以某个树枝式梳齿结构为起始，绕顺时针对树枝式梳齿结构依次连续编号，从1一直到K，优选每一组弹性支撑梁包括K/2根子支撑梁，梳齿干为直干，梳齿干的方向与径向方向相同，即梳齿干所在的直线穿过支撑锚点(1)的中心。

第一组弹性支撑梁，包括K/2根子支撑梁；该K/2根子支撑梁沿周向均匀分布，均为直梁，一端连接支撑锚点(1)，另一端连接第一圆环；这K/2根子支撑梁分别与奇数编号的树枝式梳齿结构的梳齿干(6)在一条直线上；

第二组弹性支撑梁，包括K/2根子支撑梁；该K/2根子支撑梁沿周向均匀分布，均为直梁，一端连接第一圆环，另一端连接第二圆环；这K/2根子支撑梁分别与偶数编号的树枝式梳齿结构的梳齿干在一条直线上；

第三组弹性支撑梁，包括K/2根子支撑梁；该K/2根子支撑梁沿周向均匀分布，均为直梁，一端连接第二圆环，另一端连接第三圆环；这K/2根子支撑梁分别与奇数编号的树枝式梳齿结构的梳齿干在一条直线上；

第四组弹性支撑梁，包括K/2根子支撑梁；该K/2根子支撑梁沿周向均匀分布，均为直梁，一端连接第三圆环，另一端连接第四圆环；这K/2根子支撑梁分别与偶数编号的树枝式梳齿结构的梳齿干在一条直线上；

第五组弹性支撑梁，包括K/2根子支撑梁；该K/2根子支撑梁沿周向均匀分布，均为直梁，一端连接第四圆环，另一端连接第五圆环；这K/2根子支撑梁分别与奇数编号的树枝式梳齿结构的梳齿干在一条直线上；

本发明所提出的一种大电容环形谐振式微机械陀螺，设n为退化模态的阶数，工作在n＝2的退化模态，即驱动模态和检测模态同为椭圆形的谐振模态。通过电容器的静电力驱动，结构以特定频率谐振为椭圆形第一模态(驱动模态)，振型如图1(a)所示，环形结构的初始形状为圆形，谐振以后结构振型交替变为长轴在X轴方向和长轴在Y轴方向的椭圆形；当有垂直于陀螺平面方向的角速度输入时，陀螺在哥式力的作用下，产生椭圆形第二模态，振型如图1(b)所示，第二模态椭圆振型的长轴与第一模态椭圆振型的长轴之间有45°的角度差，通过检测第二模态的振幅，即可解算出角速度的大小。

本发明所提出的一种大电容环形谐振式微机械陀螺，在加工和封装过程中由于误差的存在，会导致结构的非完全对称，但本发明可以在特定电极上施加直流电压，采用静电调整的方案修调上述误差，降低加工和封装误差带来的频率裂解和振型偏移，同时本发明具有电容量大，有效质量大的特点，进一步提高了微机械的陀螺的静电调整能力。

进一步的优选方案为：根据应用场景的精度要求和环境要求，设计大电容环形谐振式微机械陀螺的电容量大于2pF，谐振频率大于5kHz，品质因数大于10000，结构如图2所示。

根据上述要求确定结构直径，结构厚度，固定锚点的直径，弹性支撑梁的长度和形状，谐振环的类型和宽度，树枝式梳齿结构的梳齿对数量，尺寸。最终选定结构直径6000um，固定锚点直径800um，弹性支撑梁形状为一次弯折的折叠梁，谐振环为单环，树枝式梳齿结构选择三对梳齿对。

更进一步的，再结合上述结构尺寸选择合适的工艺类型和工艺方案，优选方案为体硅工艺，键合工艺选择阳极键合工艺。

此方案兼顾了微机械陀螺结构的高Q值，同时增大了电容量和有效质量，提高了微机械陀螺的信噪比和灵敏度，增强了微机械陀螺的静电调整能力，有利于微机械陀螺精度的提升，解决了目前环形谐振式微机械陀螺电容量较小，分辨率、信噪比较低，精度受限制的问题。

本发明所提出的一种大电容环形谐振式微机械陀螺，优选的尺寸如下：微机械陀螺结构的基底厚度为300um，直径为6000um，采用BF-33玻璃材料；微机械陀螺结构的支撑锚点厚度为100um，直径为800um；微机械陀螺结构的电极厚度为100um，宽度为600um；微机械陀螺结构的谐振环厚度为80um，宽度为50um，直径为4800um；微机械陀螺结构的弹性支撑梁厚度为80um，宽度为20um，长度为1950um；微机械陀螺结构的树枝式梳齿结构数量为16个，采用6层梳齿，梳齿干厚度为80um，宽度为80um，长度为600um，梳齿长度150um，宽度20um，厚度80um；微机械陀螺结构的树枝式梳齿结构与电极之间的相对间隙为3um；微机械陀螺结构的支撑锚点、电极、谐振环、弹性支撑梁、树枝式梳齿结构采用晶向为<111>的单晶硅材料。微机械陀螺采用0.5um体硅工艺制造而成，电极、支撑锚点和基底通过硅玻阳极键合方式实现连接，再进一步的大幅提高了电容量。

经测试，大电容环形谐振式微机械陀螺相比于常规的环形谐振式微机械陀螺在相同直径下，电容量提高了159％，具体数据如下表所示。

	本发明	常规结构
			直径(um)	4800	4800
电容量(pF)	1.1529	0.4449

本发明的一种大电容环形谐振式微机械陀螺，采用环形谐振结构结合树枝式梳齿结构，既保持了环形谐振结构的优势，又通过树枝式梳齿结构增加了电容量，使得陀螺的驱动、检测、静电调整能力得到提升，同时树枝式梳齿结构还可以增加结构的有效质量，上述优点可提高陀螺的信噪比、分辨率和灵敏度，有利于陀螺精度的提升，采用环形谐振结构结合树枝式梳齿结构，增加结构的有效质量同时降低了谐振频率，从而大大减小了陀螺的噪声，有利于陀螺极限精度的提升，采用树枝式梳齿结构结合环绕式电极，在相同面积下极大地增大了电容量，提高了晶圆面积的利用率。

以上包含了本发明优选实施例的说明是为了详细说明本发明的技术特征，并不是将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变形也受本发明保护。

Claims (10)

1.一种大电容环形谐振式微机械陀螺，其特征在于：包括支撑锚点(1)、弹性支撑梁(2)、谐振环(3)、树枝式梳齿结构(4)以及电极(5)、基底(8)

支撑锚点(1)位于微机械陀螺结构的中心，与基底(8)连接，用于固定整个微机械陀螺结构；弹性支撑梁(2)的两端分别与谐振环(3)、支撑锚点(1)连接；谐振环(3)与弹性支撑梁(2)构成环形谐振子；

树枝式梳齿结构(4)设置在谐振环(3)振动的波腹和节点处；

电极(5)与树枝式梳齿结构(4)相对设置，且电极(5)与基底(8)连接，电极(5)与树枝式梳齿结构(4)沿周向分布，电极(5)与树枝式梳齿结构(4)形成大电容量的平行板电容。

2.根据权利要求1所述的一种大电容环形谐振式微机械陀螺，其特征在于：谐振环3与弹性支撑梁2所构成的环形谐振子为轴对称的圆形结构。

3.根据权利要求1所述的一种大电容环形谐振式微机械陀螺，其特征在于：谐振环(3)振动的波腹，是指：谐振环(3)振动幅值最大的位置。

4.根据权利要求1所述的一种大电容环形谐振式微机械陀螺，其特征在于：谐振环(3)振动的波节，是指：谐振环(3)振动幅值为零的位置。

5.根据权利要求1所述的一种大电容环形谐振式微机械陀螺，其特征在于：树枝式梳齿结构(4)，包括：梳齿干(6)，梳齿(7)，梳齿(7)对称设置在梳齿干(6)两侧。

6.根据权利要求1所述的一种大电容环形谐振式微机械陀螺，其特征在于：电极(5)设置在谐振环(3)的内侧和外侧。

7.根据权利要求1所述的一种大电容环形谐振式微机械陀螺，其特征在于：弹性支撑梁数量为8个、16个或者更多，要求满足8的倍数。

8.根据权利要求1所述的一种大电容环形谐振式微机械陀螺，其特征在于：弹性支撑梁以支撑锚点(1)为中心沿周向均匀的分布。

9.根据权利要求1所述的一种大电容环形谐振式微机械陀螺，其特征在于：谐振环(3)为单环结构。

10.根据权利要求1所述的一种大电容环形谐振式微机械陀螺，其特征在于：电极(5)为多个，电极沿周向均匀分布。

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