CN110986908A - 椭圆谐振模态压电式mems圆环陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，包括设有凹腔的衬底，凹腔上方悬空有圆环谐振子和固支梁，固支梁沿圆环谐振子外侧均布，圆环谐振子通过固支梁与外围固支结构连接，外围固支结构与衬底固定，以圆环谐振子顶面上外圆和内圆之间的中心圆为基准圆，基准圆沿线均布有贯穿厚度方向的隔热槽，圆环谐振子的顶电极沿基准圆内外侧差分布置。该陀螺仪结构简单、体积小、易于批量制造、机械灵敏度高。
Description
技术领域
本发明属于微机械传感器领域，具体涉及一种椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪。
背景技术
陀螺仪是指一种测量平台转动角度或角速度的检测装置，在现代航海、航天、航空和国防科技领域里有着非常重要的作用，对推动工业发展和加强国防安全有着重大意义。随着微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)的出现，陀螺仪开始向小体积、高精度、低功耗以及能抵御恶劣环境干扰的方向发展。基于MEMS技术的陀螺仪具有体积小、功耗低、精度高等优点，因而MEMS陀螺仪成为陀螺仪发展的重要方向。
根据机械信号转换为电信号的方式，MEMS陀螺仪可分为电容式与压电式两种。跟电容式相比，压电式的机电转化率较高，无需直流偏压和高深宽比的电容间隙，更易于制造和批量生产。因此，压电式MEMS陀螺仪具有更好的市场前景，获得了越来越多的关注。但是现有的压电式MEMS陀螺仪机械灵敏度和检测灵敏度都不高。
发明内容
本发明的目的是提供一种椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，该陀螺仪结构简单、体积小、易于批量制造，提高了机械灵敏度和检测灵敏度。
本发明所采用的技术方案是：
一种椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，包括设有凹腔的衬底，凹腔上方悬空有圆环谐振子和固支梁，固支梁沿圆环谐振子外侧均布，圆环谐振子通过固支梁与外围固支结构连接，外围固支结构与衬底固定，以圆环谐振子顶面上外圆和内圆之间的中心圆为基准圆，基准圆沿线均布有贯穿厚度方向的隔热槽，圆环谐振子的顶电极沿基准圆内外侧差分布置。
进一步地，顶电极包括驱动电极、驱动检测电极、调谐电极、检测电极和正交补偿电极；驱动电极用于激励陀螺仪工作在驱动模态；驱动检测电极用于检测驱动模态的谐振频率和振动幅度，并通过闭环控制电路使陀螺仪工作在稳定的谐振状态；调谐电极用于调节陀螺仪的驱动谐振频率；检测电极用于检测由平台转动引起的科里奥利力所产生的电信号输出；正交补偿电极用于减小或消除陀螺仪的正交误差信号。
进一步地，圆环谐振子包括从下到上依次堆叠的硅结构层、电介质层、底电极层、压电材料层和顶电极层以及位于顶面和\或底面的氧化硅层。
进一步地，圆环谐振子包括从下到上依次堆叠的硅结构层、压电材料层和顶电极层以及位于顶面和\或底面的氧化硅层，其中硅结构层重掺杂同时作为底电极层。
进一步地，硅结构层为单晶硅、多晶硅或非晶硅；压电材料层为氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅；底电极层和顶电极层的材料为金、铝、钼、铂或铬。
进一步地，隔热槽为弧形槽、条形槽、方形槽或圆孔。
进一步地，当陀螺仪谐振模态为一阶椭圆模态时，固支梁为八个；当陀螺仪谐振模态为二阶椭圆模态时，固支梁为十二个。
进一步地，顶电极为圆弧状，每一对位于基准圆内外侧的顶电极均为一对极性相反的顶电极对，顶电极对的数目与固支梁的数目相同。
进一步地，固支梁为Z型梁、直梁或T型梁，个数为偶数。
进一步地，固支梁与圆环谐振子的连接处位于圆环谐振子振动的波节位置。
本发明的有益效果是：
该陀螺仪采用MEMS技术制备，结构简单、体积小、易于批量制造；该陀螺仪采用圆环结构，具有良好的结构对称性，品质因子(Q值)高，在驱动模态和检测模态的谐振频率非常相近，易于实现模态匹配，从而可以大幅度提高陀螺仪的机械灵敏；该陀螺仪的顶电极采用沿基准圆内外侧差分布置的方式，提高了器件的检测灵敏度；该陀螺仪增设了隔热槽，增大了器件振动过程中的热交换路径，减小了陀螺仪的热弹性损耗，提高了陀螺仪的品质因子(Q值)，从而提高了器件的检测灵敏度；该陀螺仪采用二阶椭圆模态时，可以在各向异性的硅片上减小驱动模态与检测模态的谐振频率差，从而实现陀螺仪的模态匹配。
附图说明
图1是本发明实施例一的三维示意图；
图中：101-衬底；102-Z型梁；103-圆环谐振子；104-隔热槽。
图2是本发明实施例一的截面图；
图中：201-氧化硅层；202-硅结构层；203-电介质层；204-底电极层；205-压电材料层；206-顶电极层。
图3是本发明实施例二的三维示意图；
图中：301-衬底；302-Z型梁；303-圆环谐振子；304-隔热槽。
图4是本发明实施例二的截面图；
图中：401-氧化硅层；402-硅结构层；403-压电材料层；404-顶电极层。
图5是本发明实施例一和实施例二的俯视图；
图中：501-驱动电极；502-检测电极；503-驱动检测电极；504-调谐电极；505-正交误差消除电极。
图6是本发明驱动模态振型示意图。
图7是本发明检测模态振型示意图。
图8是本发明实施例一的角速度响应灵敏度归一化曲线。
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说明。
实施例一
如图1、图2和图5所示，一种椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，包括设有凹腔的衬底101，凹腔上方悬空有圆环谐振子103和Z型梁102，十二根Z型梁102沿圆环谐振子103外侧均布，圆环谐振子103通过Z型梁102与外围固支结构连接，外围固支结构与衬底101固定，以圆环谐振子103顶面上外圆和内圆之间的中心圆为基准圆，基准圆沿线均布有四十个贯穿厚度方向的隔热槽104(通过刻蚀加工得到)，圆环谐振子103的顶电极沿基准圆内外侧差分布置(隔热槽104与两侧的顶电极相互隔开，不破坏顶电极。)。
该陀螺仪采用MEMS技术制备，结构简单、体积小、易于批量制造；该陀螺仪采用圆环结构，具有良好的对称性，品质因子(Q值)高，在驱动模态和检测模态的谐振频率非常相近，易于实现模态匹配，从而可以大幅度提高陀螺仪的机械灵敏；该陀螺仪的顶电极采用沿基准圆内外侧差分布置的方式，提高了器件的检测灵敏度；该陀螺仪增设了隔热槽104，增大了器件振动过程中的热交换路径，减小了陀螺仪的热弹性损耗，提高了陀螺仪的品质因子(Q值)，从而提高了器件的检测灵敏度；该陀螺仪采用二阶椭圆模态时，可以在各向异性的硅片上减小驱动模态与检测模态的谐振频率差，从而实现陀螺仪的模态匹配。
如图2所示，圆环谐振子103包括从下到上依次堆叠的氧化硅层201、硅结构层202、电介质层203、底电极层204、压电材料层205和顶电极层206。其中，氧化硅层201以实现对陀螺仪实现谐振频率的被动式温度补偿；硅结构层202可以采用单晶硅、多晶硅、非晶硅等；在MEMS领域，常用的压电材料包括石英、钛酸钡、锆钛酸铅以及氮化铝等，压电材料层205可以采用氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅等，优选氮化铝，氮化铝材料具有沉积温度低(低于400摄氏度)、介电常数小、介电损耗低、压电系数好等优点；底电极层204和顶电极层206的材料可以采用金、铝、钼、铂、铬等，优选钼，钼具有与氮化铝声阻抗匹配、耐高温、使用寿命长等优点。
如图5所示，顶电极包括八个驱动电极501、四个检测电极502、四个驱动检测电极503、四个调谐电极504和四个正交误差消除电极505；驱动电极501作用为输入电学激励信号，根据逆压电效应激励圆环谐振子103振动，当存在垂直于圆环平面的角速度时，根据科里奥利效应产生的检测信号可以通过检测电极502输出，驱动检测电极503检测驱动模态的振动幅值和振动频率，并且通过后期闭环电路的处理，使陀螺仪工作在稳定的谐振状态，调谐电极504利用静电力调节陀螺仪的刚度，从而实现驱动模态与检测模态的模态匹配，正交误差消除电极505可以抑制或消除正交耦合误差。
通过驱动电极501输入驱动电信号，在有垂直于圆环平面的角速度时，由于科里奥利效应，驱动模态的能量传递到检测模态，引起了检测模态的振动，通过压电效应，可以将检测模态的机械振动转化为了电信号并由检测电极502输出，输出的信号经过外围电路的处理变成与角速度或者角度相关的信号，从而实现角速度或者角度的测量。
如图5所示，二十四个钼材质顶电极沿基准圆内外侧差分布置，通过差分布置的方法可以增强所述陀螺仪的输出信号。每个顶电极形状为圆弧状，夹角为二十五度，间隔为五度。每一对位于基准圆内外侧的顶电极均为一对极性相反的顶电极对，顶电极对的数目与固支梁的数目相同。将顶电极对均匀布置于应变最大处，可以最大化提取电荷，从而进一步地增强输出信号。
当陀螺仪谐振模态为一阶椭圆模态时，固支梁为八个；当陀螺仪谐振模态为二阶椭圆模态时，固支梁为十二个。如图1和图5所示，十二根Z型梁102激发起了圆环陀螺仪的二阶椭圆谐振模态，优选地，十二根Z型梁102位于在二阶椭圆谐振模态的波节处，可以增强输出信号。Z型梁102由三根直梁组成，由Z型梁102与谐振圆环连接点向外的三梁分别为第一直梁、第二直梁与第三直梁，优选地，第一直梁与第三直梁的长宽比不超过五，第二直梁的长宽比应大于五，上述设置通过有效的抑制圆环的面外振动，可以抑制杂波。优选地，第一直梁与第二直梁之间的夹角为七十五度，第二直梁与第三直梁之间的夹角为一百零五度，上述设置通过大幅减小锚点损耗，从而提升所述陀螺仪的品质因数。
如图6和图7所示，分别为陀螺仪的驱动模态和检测模态振动模态示意图，圆环陀螺仪工作在二阶椭圆谐振模态。
如图8所示，通过使用COMSOL软件对实施例一进行仿真，得出实施例一的灵敏度归一化曲线。
实施例二
如图3至图5所示，实施例二与实施例一结构大体相同，区别是：圆环谐振子303包括从下到上依次堆叠的氧化硅层401、重掺杂的硅结构层402、压电材料层403和顶电极层404，其中重掺杂的硅结构层402作为底电极层。硅结构层402可以通过重掺杂，降低硅材料弹性常数的温度系数，实现被动式温度补偿，进一步提高圆环陀螺仪的温度稳定性。
在实施例一和实施例二中，都采用Z型梁(102和302)作为固支梁，实际上，固支梁还可以是直梁、T型梁等。
在实施例一和实施例二中，隔热槽(104和304)都是弧形槽，实际上，隔热槽还可以是条形槽、方形槽或圆孔等。
在实施例一和实施例二中，氧化硅层(201和401)都位于底面，实际上，也可以位于顶面，或者同时位于顶面和底面。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，其特征在于：包括设有凹腔的衬底，凹腔上方悬空有圆环谐振子和固支梁，固支梁沿圆环谐振子外侧均布，圆环谐振子通过固支梁与外围固支结构连接，外围固支结构与衬底固定，以圆环谐振子顶面上外圆和内圆之间的中心圆为基准圆，基准圆沿线均布有贯穿厚度方向的隔热槽，圆环谐振子的顶电极沿基准圆内外侧差分布置。
2.如权利要求1所述的椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，其特征在于：顶电极包括驱动电极、驱动检测电极、调谐电极、检测电极和正交补偿电极；驱动电极用于激励陀螺仪工作在驱动模态；驱动检测电极用于检测驱动模态的谐振频率和振动幅度，并通过闭环控制电路使陀螺仪工作在稳定的谐振状态；调谐电极用于调节陀螺仪的驱动谐振频率；检测电极用于检测由平台转动引起的科里奥利力所产生的电信号输出；正交补偿电极用于减小或消除陀螺仪的正交误差信号。
3.如权利要求1所述的椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，其特征在于：圆环谐振子包括从下到上依次堆叠的硅结构层、电介质层、底电极层、压电材料层和顶电极层以及位于顶面和\或底面的氧化硅层。
4.如权利要求1所述的椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，其特征在于：圆环谐振子包括从下到上依次堆叠的硅结构层、压电材料层和顶电极层以及位于顶面和\或底面的氧化硅层，其中硅结构层重掺杂同时作为底电极层。
5.如权利要求3或4所述的椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，其特征在于：硅结构层为单晶硅、多晶硅或非晶硅；压电材料层为氮化铝、氧化锌或锆钛酸铅；底电极层和顶电极层的材料为金、铝、钼、铂或铬。
6.如权利要求1所述的椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，其特征在于：隔热槽为弧形槽、条形槽、方形槽或圆孔。
7.如权利要求1所述的椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，其特征在于：当陀螺仪谐振模态为一阶椭圆模态时，固支梁为八个；当陀螺仪谐振模态为二阶椭圆模态时，固支梁为十二个。
8.如权利要求1所述的椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，其特征在于：顶电极为圆弧状，每一对位于基准圆内外侧的顶电极均为一对极性相反的顶电极对，顶电极对的数目与固支梁的数目相同。
9.如权利要求1所述的椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，其特征在于：固支梁为Z型梁、直梁或T型梁，个数为偶数。
10.如权利要求1所述的椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，其特征在于：固支梁与圆环谐振子的连接处位于圆环谐振子振动的波节位置。
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