CN112212850B - 环形硅陀螺仪结构及其制作工艺和硅陀螺仪传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及陀螺仪技术领域，特别地涉及一种环形硅陀螺仪结构及其制作工艺和硅陀螺仪传感器。该环形硅陀螺仪结构中，将压电结构设置在硅环侧面，由于硅环侧面的面积大于顶面面积，因此，可使压电结构的覆盖面积更大，进而提高压电结构的驱动能力和检测能力。
Description
技术领域
本发明涉及陀螺仪技术领域，特别地涉及一种环形硅陀螺仪结构及其制作工艺和硅陀螺仪传感器。
背景技术
硅陀螺仪传感器因其体积小、成本低，近年来在军用、工业、汽车和消费市场都得到了广泛应用。硅陀螺仪传感器的内部设有一个谐振器，工作状态下，该谐振器处于谐振状态，当有待测轴的角速度时，谐振器谐振速度和角速度共同产生柯氏力，使谐振器的角速度检测电极产生与角速度相关的信号，根据该信号计算角速度。
硅环形陀螺是硅陀螺仪传感器的一种，其具有抗冲击能力强的特点，常应用于特定的应用环境中。目前，已经商业化的硅环形陀螺绝大部分都使用静电驱动电容检测方法，该方法一般除硅外不需要使用其他材料，制作工艺简单，但是，其存在驱动力偏小，需要高真空封装的缺点；同时该方法检测信号也偏小，信噪比偏低。
现有的基于压电薄膜的环形陀螺结构中，一般在环形结构上表面制作压电薄膜，利用逆压电和压电效应来驱动和检测环形结构振动，该方法相比于静电驱动和电容检测方法驱动能力强，检测信号大；但是，由于压电材料位于环形结构表面，驱动和受检测能力会受到明显的限制。
发明内容
本发明提供了一种环形硅陀螺仪结构及其制作工艺和硅陀螺仪传感器，将压电结构设置在硅环侧面，由于硅环侧面的面积大于顶面面积，因此，可使压电结构的覆盖面积更大，进而提高其驱动和检测能力。
本发明的一个方面，提供了一种环形硅陀螺仪结构，包括支撑柱、弹性梁、硅环和多个压电结构；支撑柱垂直于硅环所在平面，支撑柱的第一端连接于硅环的圆心处，并且支撑柱的外壁通过多个弹性梁与硅环的内侧壁连接，其中，硅环的厚度大于其宽度；硅环周向均匀设有多个安装位，安装位的内侧壁和/或外侧壁设有压电结构。
可选地，压电结构包括沿硅环径向叠加设置的第一电极层、压电层和第二电极层。
可选地，第一电极层与硅环的内侧壁或外侧壁连接。
可选地，硅环的内侧壁或外侧壁的周向设有8N个均匀分布的压电结构，其中，N为自然数。
可选地，硅环的内侧壁或外侧壁的周向设有8个均匀分布的压电结构，所述8个均匀分布的压电结构中，包含第一至第四压电结构以及其他压电结构，其中：第一压电结构与第二压电结构的中线位于第一直线，第三压电结构与第四压电结构的中线位于第二直线，第一直线与第二直线垂直；第一压电结构与第二压电结构用于驱动硅环振动；第三压电结构与第四压电结构用于检测硅环振动；其他压电结构用于检测角速度信号。
可选地，支撑柱、弹性梁、硅环的材质为单晶硅；第一电极层和第二电极层的材质为金、钛、铝、钼中的一种或多种；压电层的材质为锆钛酸铅压电陶瓷、氮化铝、氧化锌中的一种或多种。
可选地，多个弹性梁以支撑柱为圆心呈发散状分布，每个弹性梁的端部设有两个具有间隔的连接脚，弹性梁通过连接脚与硅环的内壁连接；其中，硅环上位于两个连接脚之间的位置为安装位。
本发明的另一个方面，还提供了一种环形硅陀螺仪制作工艺，包括以下步骤：将硅片刻蚀成环形陀螺仪所需的硅环，该硅环的厚度大于其宽度；采用溅射工艺在硅环上制作层叠结构，其中，该层叠结构包括沿硅环径向叠加设置的第一电极层、压电层和第二电极层；保留硅环外侧壁和/或内侧壁的层叠结构作为环形陀螺仪的压电结构，其余的层叠结构采用光刻或刻蚀工艺切除。
本发明的又一个方面，还提供了一种硅陀螺仪传感器，包括封装外壳和上述环形硅陀螺仪结构，支撑柱的第二端与封装外壳固定连接。
附图说明
为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：
图1为本发明实施方式提供的环形硅陀螺仪结构100的结构示意图；
图2为本发明实施方式提供的环形硅陀螺仪结构100硅环处的AA’断面图；
图3a为本发明实施方式提供的环形硅陀螺仪结构100两个方向的振动模态示意图；
图3b为本发明实施方式提供的环形硅陀螺仪结构100另外两个方向的振动模态示意图；
图4为本发明实施方式提供的环形硅陀螺仪结构200的结构示意图；
图5为本发明实施方式提供的环形硅陀螺仪结构200硅环处的AA’断面图；
图6为本发明实施方式提供的环形硅陀螺仪结构300的结构示意图；
图7为本发明实施方式提供的环形硅陀螺仪结构300硅环处的AA’断面图。
具体实施方式
本发明实施方式中，硅环侧面的面积大于顶面面积，因此，将压电结构设置在硅环侧面上，可使压电结构的覆盖面积更大，可进一步提高压电结构的驱动能力和检测能力，以下具体加以说明。
图1为本发明实施方式提供的环形硅陀螺仪结构100的结构示意图；图2为本发明实施方式提供的环形硅陀螺仪结构100硅环处的AA’断面图。如图1和图2所示，硅陀螺仪结构100包括支撑柱1、弹性梁2、硅环3和多个压电结构4a、5a、6a、7a、8a、9a、10a、以及11a；支撑柱1垂直于硅环3所在平面(即图1示出俯视状态)，支撑柱1的轴线位于硅环3的圆心处，并且支撑柱1的外壁通过多个弹性梁2与硅环3的内侧壁连接，其中，硅环3的厚度H大于其宽度T；硅环3周向均匀设有多个安装位，安装位的外侧壁设有上述多个压电结构；多个弹性梁2以支撑柱1为圆心呈发散状分布，每个弹性梁2的端部设有两个具有间隔的连接脚，弹性梁2通过连接脚与硅环3的内壁连接；硅环3上位于两个连接脚之间的位置为压电结构的安装位。
本实施方式中，图1和图2所示的压电结构包括沿硅环径向叠加设置的第一电极层12a、压电层13a和第二电极层14a，其中，第一电极层12a与硅环3的外侧壁连接。其中，压电结构还可仅包括压电层或包括压电层和一层电极层，另一层电极层可以直接利用硅环3自身作为电极，压电结构叠加时，将压电层叠加在硅环3上即可。另外，第一电极层12a可与硅环3的外侧壁直接贴合连接，或者，将第一电极层12a与硅环3贴合的一侧设置为不平整的表面，当第一电极层12a与硅环3贴合时，两者之间存在间隙，该间隙可提高驱动硅环3振动和检测硅环3振动的灵敏度。
由于硅环3的厚度H大于其宽度T，因此，当压电结构设置在硅环3的外侧面时，相比于将压电结构设置在硅环3的顶部，压电结构的覆盖面积明显增加，因此，可大幅提高压电结构的驱动能力和检测能力。详细描述如下。
环形硅陀螺仪结构100中，在硅环3的外壁上设置压电结构，其数量为8N个，N为自然数，8N个压电结构沿硅环3的外壁的周向均匀分布。以下以8个压电结构为例，当压电结构的数量为16个或其他8的倍数个时，其工作原理与8个压电结构的工作原理相同，此处便不再一一赘述。
以8个压电结构为例，其中，压电结构4a和压电结构5a用于驱动硅环3振动。图3a为本发明实施方式提供的环形硅陀螺仪结构100两个方向的振动模态示意图。如图3a所示，当在该两个压电结构上施加同相位驱动电压时，两者产生的驱动力共同作用驱动硅环3振动。压电结构6a和压电结构7a用于检测硅环3的振动，当硅环3振动时，压电结构6a和压电结构7a产生相同相位的电荷信号，通过检测该电荷信号便可检测硅环3结构的振动。检测结构(压电结构6a和压电结构7a)和驱动结构(压电结构4a和压电结构5a)，以及外围电路一起构成满足自激振荡条件的闭环系统，使硅环3处于自激谐振状态。
压电结构8a、压电结构9a、压电结构10a和压电结构11a用于检测角速度信号。图3b为本发明实施方式提供的环形硅陀螺仪结构100另外两个方向的振动模态示意图。当传感器工作并施加垂直于纸面或屏幕的Z轴角速度时，由于科氏力的作用将使硅环产生如图3b所示的振动状态，该状态下振动方向与图3a所示的振动方向之间的夹角为45度，该振动情况下压电结构8a、压电结构9a产生同相位的电荷信号，压电结构10a、压电结构11a产生相反相位的电荷信号，以上两组检测结构呈现差分检测效果，通过差分相减的作用可以抑制外界同时施加给这两对电极上的同频同相干扰。
本发明实施方式中，支撑柱1、弹性梁2、硅环3的材质为单晶硅；第一电极层12a和第二电极层14a的材质为金、钛、铝、钼中的一种或多种；压电层13a的材质为锆钛酸铅压电陶瓷、氮化铝、氧化锌中的一种或多种。
图4为本发明实施方式提供的环形硅陀螺仪结构200的结构示意图；图5为本发明实施方式提供的环形硅陀螺仪结构200硅环处的AA’断面图。如图4和图5所示，环形硅陀螺仪结构200与环形硅陀螺仪结构100相比，两者的区别在于，环形硅陀螺仪结构200中，硅环3安装位的内侧壁上设有多个压电结构。其中，压电结构设置在硅环3的内侧壁上，与硅环3设置外侧壁上所能达到的技术效果相同，即相比于将压电结构设置在硅环3的顶部，压电结构的覆盖面积明显增加，因此，可大幅提高压电结构的驱动能力和检测能力。
图6为本发明实施方式提供的环形硅陀螺仪结构300的结构示意图；图7为本发明实施方式提供的环形硅陀螺仪结构300硅环处的AA’断面图。如图6和图7所示，本实施方式中环形硅陀螺仪结构300包括16个压电结构，在硅环3的安装位的内侧壁和外侧壁上均设置压电结构，其中，压电结构4a、压电结构4b、压电结构5a和压电结构5b用于驱动硅环振动，传感器工作时在压电结构4a和压电结构5a上施加相同相位的驱动电压，在压电结构4b和压电结构5b上施加与压电结构4a和压电结构5a反向的驱动电压，四个压电结构产生的驱动力共同作用，以驱动硅环3振动，其振动模态如图3a所示。压电结构6a、压电结构6b、压电结构7a和压电结构7b用于检测硅环的振动，当硅环振动时，压电结构6a和压电结构7a产生相同相位的电荷信号，压电结构6b和压电结构7b产生与压电结构6a和压电结构7a反向的电荷信号，通过差分检测该电荷信号便可检测硅环结构的振动。检测结构(压电结构6a、压电结构6b、压电结构7a和压电结构7b)与驱动结构(压电结构4a、压电结构4b、压电结构5a和压电结构5b)一起构成闭环系统，使硅环3处于自激谐振状态。
压电结构8a、压电结构8b、压电结构9a、压电结构9b、压电结构10a、压电结构10b、压电结构11a和压电结构11b用于检测角速度信号，当传感器工作并施加垂直于纸面或屏幕的Z轴的角速度时，由于科氏力的作用使硅环3产生如图3b所示的振动状态，该状态下振动方向与图3a所示的振动方向之间的夹角为45度，在这种振动下，压电结构8a、压电结构9a、压电结构10b和压电结构11b产生同相位的电荷信号，压电结构8b、压电结构9b、压电结构10a和压电结构11a产生与压电结构8a、压电结构9a、压电结构10b和11b产生相反相位的电荷信号，以上两组检测结构呈现差分检测效果，通过差分相减的作用可以抑制外界同时施加给这两对电极上的同频同相干扰。
本发明实施方式中，支撑柱1、弹性梁2、硅环3的材质为单晶硅；第一电极层12a、第一电极层12b、第二电极层14a和第二电极层14b的材质为金、钛、铝、钼中的一种或多种；压电层13a和压电层13b的材质为锆钛酸铅压电陶瓷、氮化铝、氧化锌中的一种或多种。
环形硅陀螺仪结构300相比于将压电结构设置在硅环的顶部，压电结构的覆盖面积明显增加，因此，可大幅提高压电结构的驱动能力和检测能力。与环形硅陀螺仪结构100和环形硅陀螺仪结构200相比，由于环形硅陀螺仪结构300中硅环的内侧壁和外侧壁上均设置压电结构，其驱动能力和检测能力可增加一倍。
本发明实施方式中还提供一种环形硅陀螺仪制作工艺，包括以下步骤：
将硅片刻蚀成环形陀螺仪所需的硅环，该硅环的厚度大于其宽度；
采用溅射工艺在硅环上制作层叠结构，其中，该层叠结构包括沿硅环径向叠加设置的第一电极层、压电层和第二电极层；
保留硅环外侧壁和/或内侧壁的层叠结构作为环形陀螺仪的压电结构，其余的层叠结构采用光刻或刻蚀工艺切除。
本发明实施方式还提供一种硅陀螺仪传感器，该传感器包括上述环形硅陀螺仪结构，通过增加压电结构的覆盖面积，提高环形硅陀螺仪结构的驱动能力和检测能力。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (7)
1.一种环形硅陀螺仪结构，其特征在于，包括支撑柱、弹性梁、硅环和多个压电结构；
支撑柱垂直于硅环所在平面，支撑柱的第一端连接于硅环的圆心处，并且支撑柱的外壁通过多个弹性梁与硅环的内侧壁连接，其中，硅环的厚度大于其宽度；
硅环周向均匀设有多个安装位，安装位的内侧壁和/或外侧壁设有压电结构，压电结构包括沿硅环径向叠加设置的第一电极层、压电层和第二电极层，第一电极层与硅环的内侧壁或外侧壁连接。
2.根据权利要求1所述的环形硅陀螺仪结构，其特征在于，硅环的内侧壁或外侧壁的周向设有8N个均匀分布的压电结构，其中，N为自然数。
3.根据权利要求2所述的环形硅陀螺仪结构，其特征在于，硅环的内侧壁或外侧壁的周向设有8个均匀分布的压电结构，所述8个均匀分布的压电结构中，包含第一至第四压电结构以及其他压电结构，其中：
第一压电结构与第二压电结构的中线位于第一直线，第三压电结构与第四压电结构的中线位于第二直线，第一直线与第二直线垂直；
第一压电结构与第二压电结构用于驱动硅环振动；
第三压电结构与第四压电结构用于检测硅环振动；
其他压电结构用于检测角速度信号。
4.根据权利要求1所述的环形硅陀螺仪结构，其特征在于，支撑柱、弹性梁、硅环的材质为单晶硅；
第一电极层和第二电极层的材质为金、钛、铝、钼中的一种或多种；
压电层的材质为锆钛酸铅压电陶瓷、氮化铝或氧化锌。
5.根据权利要求1所述的环形硅陀螺仪结构，其特征在于，多个弹性梁以支撑柱为圆心呈发散状分布，每个弹性梁的端部设有两个具有间隔的连接脚，弹性梁通过连接脚与硅环的内壁连接；
其中，硅环上位于两个连接脚之间的位置为安装位。
6.一种环形硅陀螺仪制作工艺，其特征在于，应用于制作权利要求1至5任一项所述的环形硅陀螺仪结构，包括以下步骤：
将硅片刻蚀成环形陀螺仪所需的硅环，该硅环的厚度大于其宽度；
采用溅射工艺在硅环上制作层叠结构，其中，该层叠结构包括沿硅环径向叠加设置的第一电极层、压电层和第二电极层；
保留硅环外侧壁和/或内侧壁的层叠结构作为环形陀螺仪的压电结构，其余的层叠结构采用光刻或刻蚀工艺切除。
7.一种硅陀螺仪传感器，其特征在于，包括封装外壳和如权利要求1至5中任一项所述的环形硅陀螺仪结构，支撑柱的第二端与封装外壳固定连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| PP01 | Preservation of patent right | ||
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Effective date of registration: 20240130 Granted publication date: 20230407 |