CN115078768A - 一种具有应力释放的双质量mems陀螺敏感结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有应力释放的双质量MEMS陀螺敏感结构，采用四周支撑结构支撑整个可动结构，并在四周支撑结构上下两侧中心和左右两侧中心放置应力释放梁和应力释放梁固定锚区。应力释放梁弯曲刚度远小于四周支撑结构的框架刚度，可显著降低四周支撑结构内的中心敏感结构上在环境温度变化过程中所受的热应力，提高传感器输出特性的温度稳定性。四周支撑框架可是两侧质量块运动过程中的产生弹性力相互抵消，从而极大幅度的降低了整个可动结构的支撑锚区所受弹性力，显著降低了锚区疲劳损耗，提高了传感器的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)制造技术领域，具体涉及一种MEMS陀螺敏感结构。
背景技术
MEMS器件是近二十年来发展起来的一种新型微机械仪表，其利用半导体工艺加工技术加工微机械结构。一种典型的MEMS器件由可动质量块结构、弹性梁、锚区、电极等构成，通过不同结构设计其可以实现对力、位移、角速度等物理量的测量，也可以实现谐振器、滤波器等功能，满足不同应用的需求。
谐振式MEMS器件通过驱动电极控制可动MEMS结构运动，并将结构运动信号转化为电学信号，从而满足某种特定的需求，MEMS陀螺仪是其中典型的代表。
MEMS传感器通常需要通过多层键合，将敏感结构封装在一个微腔中。封装过程中涉及多种不同材料，不同材料的热膨胀系数存在差异。当传感器所处的环境温度发生改变时，由于材料热膨胀系数差异，不同层热膨胀尺寸不同，从而在结构内部产生热失配及热应力。热应力会造成MEMS结构中弹性梁刚度发生变化，从而影响MEMS传感器工作模态，影响谐振频率，造成传感器输出特性漂移，降低传感器输出特性温度稳定性。
在MEMS陀螺仪工作过程中，质量块做周期性的高频振动，且为提高陀螺仪机械灵敏度，需要质量块振动幅度尽可能大，这造成陀螺仪工作过程中质量块固定锚区一直承受幅值和方向交替性变化的高频剪切应力，易造成锚区疲劳失效，降低了传感器的长期可靠性。
发明内容
本发明解决的技术问题：本发明提出一种具有应力释放的双质量MEMS陀螺敏感结构，降低环境温度变化过程中结构内部弹性梁上应力，提高传感器输出特性的温度稳定性；本发明的结构还可通过四周支撑结构使双质量陀螺工作过程中由于质量块运动产生的弹性力相互抵消，极大的降低了整个可动结构支撑锚区所受弹性力，提高锚区可靠性。
本发明所采用的技术方案是：一种具有应力释放的双质量MEMS陀螺敏感结构，包括四周支撑结构和中心敏感结构；
以所述MEMS陀螺敏感结构的中心点为原点，以横轴为X轴、纵轴为Y轴建立坐标系；
四周支撑结构包括边缘Y向应力释放梁固定锚区、边缘Y向应力释放梁、边缘Y向边框、边缘X向应力释放梁固定锚区、边缘X向释放梁和边缘X向边框；
所述边缘Y向边框、边缘X向边框相互连接形成方框形框架，边缘Y向边框关于X轴对称，边缘X向边框关于Y轴对称；所述边缘Y向应力释放梁固定锚区通过两侧的边缘Y向应力释放梁与边缘Y向边框连接，边缘Y向应力释放梁固定锚区位于边缘Y向边框中点处；所述边缘X向应力释放梁固定锚区通过两侧的边缘X向应力释放梁与所述边缘X向边框连接，所述边缘X向应力释放梁固定锚区位于边缘X向边框中点处；
所述中心敏感结构为左右对称的两部分结构和驱动连接梁，每部分结构均包括驱动弹性梁、驱动框架、驱动框架梳齿、驱动梳齿、驱动梳齿锚区、检测弹性梁、检测框架、检测框架梳齿、检测拾振梳齿和检测拾振梳齿锚区；
所述驱动框架位于四周支撑结构内，关于X轴对称；驱动框架通过若干驱动弹性梁与四周支撑结构连接；左右两侧的驱动框架通过驱动连接梁相连，关于Y轴对称；所述检测框架两端通过检测弹性梁与驱动框架相连；所述检测框架梳齿位于检测框架中的各框格中，与检测框架相连，沿框格的两条平行边依次排列；检测拾振梳齿锚区位于检测框架中的各框格，所述检测拾振梳齿连接在检测拾振梳齿锚区上，沿检测拾振梳齿锚区的两侧排列；检测拾振梳齿与检测框架梳齿交错排列，所述各检测拾振梳齿及检测框架梳齿方向平行；检测拾振梳齿与检测框架梳齿构成变间隙的检测电容结构；
所述中心敏感结构的左右两部分中分别设置若干驱动梳齿锚区；所述驱动梳齿锚区上连接有若干组驱动梳齿；所述驱动框架的侧边排列有若干组驱动框架梳齿；所述各驱动梳齿及驱动框架梳齿方向平行，各驱动梳齿及驱动框架梳齿交错排列，驱动梳齿与驱动框架梳齿构成变面积的检测电容结构。
进一步的，所述具有应力释放的双质量MEMS陀螺敏感结构，还包括衬底，边缘Y向应力释放梁固定锚区、边缘X向应力释放梁固定锚区、驱动梳齿锚区和检测拾振梳齿锚区固定在衬底上，衬底的材料为硅或者玻璃材料。
进一步的，所述边缘Y向应力释放梁、边缘X向应力释放梁各四组，分别位于各象限，每组应力释放梁为单根梁或多根梁并联。
进一步的，所述边缘Y向应力释放梁和边缘X向应力释放梁为一端固定、另一端导向的弹性梁，为等宽度弹性梁或不等宽度弹性梁。
进一步的，所述边缘Y向应力释放梁中单根梁宽不小于5μm，梁长不大于边缘Y向边框的1/2；所述边缘X向应力释放梁中单根梁宽不小于5μm，梁长不大于边缘Y向边框的1/2。
进一步的，所述边缘Y向应力释放梁和边缘X向应力释放梁的弯曲刚度小于边缘Y向边框和边缘X向边框的框架刚度的1/100。
进一步的，所述驱动弹性梁为U型梁，位于各驱动框架的四角，U型梁的每一支为单根梁或多根梁并联；各驱动弹性梁方向平行。
当所述MEMS陀螺敏感结构所处环境温度变化时，尺寸热胀冷缩；由于衬底和四周支撑结构、中心敏感结构的热膨胀系数差异造成热应力，通过边缘Y向应力释放梁和边缘X向应力释放梁形变得到释放。
所述各组检测电容结构通过电极引线引出到结构外部，当陀螺内部结构受到外界作用产生运动时，会造成检测电容变化，并通过CV电路转化为电信号。
所述中心敏感结构内部包括若干组驱动梳齿和驱动框架梳齿构成的检测电容结构，并通过不同的驱动梳齿固定锚区引出，连接至外围电路，选取其中一部分驱动梳齿固定锚区连接的驱动梳齿作为驱动激励梳齿，其他驱动梳齿固定锚区连接的驱动梳齿作为驱动拾振梳齿；陀螺在工作过程中，在左右两侧对称的驱动激励梳齿施加频率、相位及幅值均相同的直流偏压和交流激励信号，对两侧质量块提高交变的静电力，使左右两侧质量块同频振动，且振动方向时刻相反；驱动拾振梳齿与CV电路相连，用于检测质量块振动，并通过闭环反馈调节驱动激励梳齿上的激励信号，实现振动幅值的控制。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明中采用四周支撑结构，支撑整个可动结构，并在四周支撑结构上下两侧中心和左右两侧中心放置应力释放梁和应力释放梁固定锚区。当材料热胀冷缩时，且敏感结构与基板热膨胀系数不同时，由于敏感结构为中心对称结构，敏感结构与基板X方向热膨胀尺寸的差异会造成边缘X向应力释放梁弯曲形变，Y方向热膨胀尺寸的差异会造成边缘Y向应力释放梁弯曲形变。由于应力释放梁弯曲刚度远小于四周支撑结构的框架刚度，因此显著降低了四周支撑结构的框架及框架内部的中心敏感结构上所受的热应力，降低环境温度变化过程中结构内部弹性梁上的热应力，提高传感器输出特性的温度稳定性。
(2)本发明中陀螺工作过程中左右两侧质量块同频振动，且振动方向时刻相反。四周支撑框架所受两侧质量块运动过程中的弹性力大小相同，方向相反，相互抵消，从而极大幅度的降低了整个可动结构的支撑锚区—边缘Y向应力释放梁固定锚区和边缘X向应力释放梁固定锚区所受弹性力，显著降低了锚区疲劳损耗，提高了传感器的可靠性。
附图说明
图1是本发明具有应力释放的双质量MEMS陀螺敏感结构示意图。
具体实施方式
结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1所示，一种具有应力释放的双质量MEMS陀螺敏感结构，包括四周支撑结构和中心敏感结构构成；以所述双质量MEMS陀螺敏感结构的中心点为原点，横轴为X轴、纵轴为Y轴建立X-Y坐标系。
四周支撑结构包括边缘Y向应力释放梁固定锚区1、边缘Y向应力释放梁2、边缘Y向边框3、边缘X向应力释放梁固定锚区4、边缘X向释放梁5、边缘X向边框6；中心敏感结构为左右对称的两部分结构和驱动连接梁17，每部分均包括驱动弹性梁7、驱动框架8、驱动框架梳齿9、驱动梳齿10、驱动梳齿锚区11、检测弹性梁12、检测框架13、检测框架梳齿14、检测拾振梳齿15、检测拾振梳齿锚区16。
所述结构关于X轴上下对称，关于Y轴左右对称。
所述边缘Y向应力释放梁固定锚区1、边缘X向释放梁固定锚区4各两组，边缘Y向应力释放梁固定锚区1位于Y轴上，边缘X向释放梁固定锚区4位于X轴上；所述边缘Y向应力释放梁2、边缘X向应力释放梁5各四组，分别位于各象限，每组应力释放梁可为单根梁或多根梁并联；所述边缘Y向边框3、边缘X向边框6各两组，分别位于结构上下两侧和左右两侧。
所述边缘Y向边框3、边缘X向边框6相互连接形成方框形框架；
所述边缘Y向应力释放梁固定锚区1通过两侧的边缘Y向应力释放梁2与边缘Y向边框3连接；
所述边缘Y向应力释放梁固定锚区4通过两侧的边缘X向应力释放梁5与边缘X向边框6连接。
所述边缘Y向应力释放梁2与边缘X向应力释放梁5为一端固定，一端导向(端点处切线角度保持不变)的弹性梁，其可为等宽度弹性梁或不等宽度弹性梁。边缘Y向应力释放梁2和边缘X向应力释放梁5的弯曲刚度小于边缘Y向边框3和边缘X向边框6的弯曲刚度的百分之一。对于等宽度的一端固定一端导向弹性梁，其刚度K＝EDW3/L3，E为材料杨氏模量，D为弹性梁厚度，W为弹性梁宽度，L为弹性梁长度。对于不等宽度弹性梁其刚度可通过软件仿真得到或借助Mathematica通过材料力学中的能量法计算得到，其公式为
其中U为弹性梁总形变能，M(x)为力矩，I(x)为距弹性梁固定端距离为x处截面惯性距，Δ为端点位移，F为端点处受力，K为弹性梁刚度。
当边缘Y向应力释放梁2与边缘X向应力释放梁5为多组并联的弹性梁时，其并联后总刚度为各弹性梁刚度之和。
所述边缘Y向应力释放梁2，其单根梁宽不小于5μm，梁长不大于边缘Y向边框3的二分之一。所述边缘X向应力释放梁5，其单根梁宽不小于5μm，梁长不大于边缘Y向边框6的二分之一。
所述驱动框架8为方框形，位于四周支撑结构内，关于X轴对称；两个驱动框架8关于Y轴对称。
所述驱动框架8通过框架四角的4组驱动弹性梁7与四周支撑结构连接。所述左右两侧两个驱动框架8通过驱动连接梁17相连。
所述驱动弹性梁7可为U型梁，U型梁的每一支可为单根梁或多根梁并联。各驱动弹性梁7方向平行。
所述检测框架13两端通过4组检测弹性梁12与驱动框架8相连。所述检测框架梳齿14位于检测框架13中的各框格中，与检测框架13相连，沿框格的两条平行边依次排列。
所述驱动梳齿锚区11上连接有多组驱动梳齿10；所述驱动框架8的侧边排列有多组驱动框架梳齿9；所述各驱动梳齿10及驱动框架梳齿9方向平行，各驱动梳齿10及驱动框架梳齿9交错排列，驱动梳齿10与驱动框架梳齿9构成变面积的检测电容结构。所述中心敏感结构的左右两部分可分别设计多组驱动梳齿锚区11且分别连接有多组驱动梳齿10，并与多组驱动框架梳齿9构成多组检测电容结构。
检测拾振梳齿锚区16位于检测框架13中的各框格，所述检测拾振梳齿15连接在检测拾振梳齿锚区16上，沿检测拾振梳齿锚区16的两侧排列；检测拾振梳齿15与检测框架梳齿14交错排列，所述各检测拾振梳齿15及检测框架梳齿14方向平行；检测拾振梳齿15与检测框架梳齿14构成变间隙的检测电容结构。
具有应力释放的双质量MEMS陀螺敏感结构，还包括衬底，边缘Y向应力释放梁固定锚区1、边缘X向应力释放梁固定锚区4、驱动梳齿锚区11和检测拾振梳齿锚区16固定在衬底上，衬底的材料为硅或者玻璃材料。
当双质量MEMS陀螺敏感结构所处环境温度变化时，尺寸热胀冷缩；由于衬底和四周支撑结构、中心敏感结构的热膨胀系数差异造成热应力，通过边缘Y向应力释放梁2和边缘X向应力释放梁5形变得到释放，从而降低了中心敏感结构、特别是弹性梁上的应力，提高了弹性梁刚度的一致性。
所述的各组电容结构通过电极引线引出到结构外部。当陀螺内部结构受到外界作用产生运动时，会造成检测电容变化，并通过CV电路转化为电信号。
该陀螺单侧中心敏感结构内部包含多组驱动梳齿10和驱动框架梳齿9构成的电容结构，并通过不同的驱动梳齿固定锚区11引出，连接至外围电路，选取其中某些驱动梳齿固定锚区11连接的驱动梳齿10作为驱动激励梳齿，其他驱动梳齿固定锚区11连接的驱动梳齿10作为驱动拾振梳齿。该陀螺工作过程中在左右两侧对称的驱动激励梳齿施加频率、相位及幅值均相同的直流偏压和交流激励信号，可对两侧质量块提高交变的静电力，使左右两侧质量块同频振动，且振动方向时刻相反。所述的驱动拾振梳齿与CV电路相连，可用于检测质量块振动，并通过闭环反馈调节驱动激励梳齿上的激励信号，实现振动幅值的控制。在陀螺工作过程中四周支撑框架所受两侧质量块运动过程中的弹性力大小相同，方向相反，相互抵消，从而极大幅度的降低了整个可动结构的支撑锚区—边缘Y向应力释放梁固定锚区1和边缘X向应力释放梁固定锚区4所受弹性力。
本发明中采用四周支撑结构，支撑整个可动结构，并在四周支撑结构上下两侧中心和左右两侧中心放置应力释放梁和应力释放梁固定锚区。当材料热胀冷缩时，且四周支撑结构及中心敏感结构与衬底热膨胀系数不同时，由于敏感结构为中心对称结构，敏感结构与衬底X方向热膨胀尺寸的差异会造成边缘X向应力释放梁弯曲形变，Y方向热膨胀尺寸的差异会造成边缘Y向应力释放梁弯曲形变。应力释放梁弯曲刚度小于四周支撑结构的框架刚度的百分之一，因此显著降低了四周支撑结构的框架及框架内部的中心敏感结构上所受的热应力，降低环境温度变化过程中结构内部弹性梁上的热应力，提高传感器输出特性的温度稳定性。
传统的MEMS陀螺结构工作过程中，质量块固定锚区一直承受幅值和方向交替性变化的高频剪切应力，易造成锚区疲劳失效，本发明中陀螺工作过程中左右两侧质量块同频振动，且振动方向时刻相反。四周支撑框架所受两侧质量块运动过程中的弹性力大小相同，方向相反，相互抵消，从而极大幅度的降低了整个可动结构的支撑锚区—边缘Y向应力释放梁固定锚区和边缘X向应力释放梁固定锚区所受弹性力，显著降低了锚区疲劳损耗，提高了传感器的可靠性。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未详细说明的部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (10)
1.一种具有应力释放的双质量MEMS陀螺敏感结构，其特征在于，包括四周支撑结构和中心敏感结构；
以所述MEMS陀螺敏感结构的中心点为原点，以横轴为X轴、纵轴为Y轴建立坐标系；
四周支撑结构包括边缘Y向应力释放梁固定锚区(1)、边缘Y向应力释放梁(2)、边缘Y向边框(3)、边缘X向应力释放梁固定锚区(4)、边缘X向释放梁(5)和边缘X向边框(6)；
所述边缘Y向边框(3)、边缘X向边框(6)相互连接形成方框形框架，边缘Y向边框(3)关于X轴对称，边缘X向边框(6)关于Y轴对称；所述边缘Y向应力释放梁固定锚区(1)通过两侧的边缘Y向应力释放梁(2)与边缘Y向边框(3)连接，边缘Y向应力释放梁固定锚区(1)位于边缘Y向边框(3)中点处；所述边缘X向应力释放梁固定锚区(4)通过两侧的边缘X向应力释放梁(5)与所述边缘X向边框(6)连接，所述边缘X向应力释放梁固定锚区(4)位于边缘X向边框(6)中点处；
所述中心敏感结构为左右对称的两部分结构和驱动连接梁(17)，每部分结构均包括驱动弹性梁(7)、驱动框架(8)、驱动框架梳齿(9)、驱动梳齿(10)、驱动梳齿锚区(11)、检测弹性梁(12)、检测框架(13)、检测框架梳齿(14)、检测拾振梳齿(15)和检测拾振梳齿锚区(16)；
所述驱动框架(8)位于四周支撑结构内，关于X轴对称；驱动框架(8)通过若干驱动弹性梁(7)与四周支撑结构连接；左右两侧的驱动框架(8)通过驱动连接梁(17)相连，关于Y轴对称；所述检测框架(13)两端通过检测弹性梁(12)与驱动框架(8)相连；所述检测框架梳齿(14)位于检测框架(13)中的各框格中，与检测框架(13)相连，沿框格的两条平行边依次排列；检测拾振梳齿锚区(16)位于检测框架(13)中的各框格，所述检测拾振梳齿(15)连接在检测拾振梳齿锚区(16)上，沿检测拾振梳齿锚区(16)的两侧排列；检测拾振梳齿(15)与检测框架梳齿(14)交错排列，所述各检测拾振梳齿(15)及检测框架梳齿(14)方向平行；检测拾振梳齿(15)与检测框架梳齿(14)构成变间隙的检测电容结构；
所述中心敏感结构的左右两部分中分别设置若干驱动梳齿锚区(11)；所述驱动梳齿锚区(11)上连接有若干组驱动梳齿(10)；所述驱动框架(8)的侧边排列有若干组驱动框架梳齿(9)；所述各驱动梳齿(10)及驱动框架梳齿(9)方向平行，各驱动梳齿(10)及驱动框架梳齿(9)交错排列，驱动梳齿(10)与驱动框架梳齿(9)构成变面积的检测电容结构。
2.根据权利要求1所述的一种具有应力释放的双质量MEMS陀螺敏感结构，其特征在于，还包括衬底，边缘Y向应力释放梁固定锚区(1)、边缘X向应力释放梁固定锚区(4)、驱动梳齿锚区(11)和检测拾振梳齿锚区(16)固定在衬底上，衬底的材料为硅或者玻璃材料。
3.根据权利要求1所述的一种具有应力释放的双质量MEMS陀螺敏感结构，其特征在于，所述边缘Y向应力释放梁(2)、边缘X向应力释放梁(5)各四组，分别位于各象限，每组应力释放梁为单根梁或多根梁并联。
4.根据权利要求3所述的一种具有应力释放的双质量MEMS陀螺敏感结构，其特征在于，所述边缘Y向应力释放梁(2)和边缘X向应力释放梁(5)为一端固定、另一端导向的弹性梁，为等宽度弹性梁或不等宽度弹性梁。
5.根据权利要求4所述的一种具有应力释放的双质量MEMS陀螺敏感结构，其特征在于，所述边缘Y向应力释放梁(2)中单根梁宽不小于5μm，梁长不大于边缘Y向边框(3)的1/2；所述边缘X向应力释放梁(5)中单根梁宽不小于5μm，梁长不大于边缘Y向边框(6)的1/2。
6.根据权利要求5所述的一种具有应力释放的双质量MEMS陀螺敏感结构，其特征在于，所述边缘Y向应力释放梁(2)和边缘X向应力释放梁(5)的弯曲刚度小于边缘Y向边框(3)和边缘X向边框(6)的框架刚度的1/100。
7.根据权利要求1所述的一种具有应力释放的双质量MEMS陀螺敏感结构，其特征在于，所述驱动弹性梁(7)为U型梁，位于各驱动框架(8)的四角，U型梁的每一支为单根梁或多根梁并联；各驱动弹性梁(7)方向平行。
8.根据权利要求1～7任一所述的一种具有应力释放的双质量MEMS陀螺敏感结构，其特征在于，当所述MEMS陀螺敏感结构所处环境温度变化时，尺寸热胀冷缩；由于衬底和四周支撑结构、中心敏感结构的热膨胀系数差异造成热应力，通过边缘Y向应力释放梁(2)和边缘X向应力释放梁(5)形变得到释放。
9.根据权利要求1～7任一所述的一种具有应力释放的双质量MEMS陀螺敏感结构，其特征在于，所述各组检测电容结构通过电极引线引出到结构外部，当陀螺内部结构受到外界作用产生运动时，会造成检测电容变化，并通过CV电路转化为电信号。
10.根据权利要求1～7任一所述的一种具有应力释放的双质量MEMS陀螺敏感结构，其特征在于，所述中心敏感结构内部包括若干组驱动梳齿(10)和驱动框架梳齿(9)构成的检测电容结构，并通过不同的驱动梳齿固定锚区(11)引出，连接至外围电路，选取其中一部分驱动梳齿固定锚区(11)连接的驱动梳齿(10)作为驱动激励梳齿，其他驱动梳齿固定锚区(11)连接的驱动梳齿(10)作为驱动拾振梳齿；陀螺在工作过程中，在左右两侧对称的驱动激励梳齿施加频率、相位及幅值均相同的直流偏压和交流激励信号，对两侧质量块提高交变的静电力，使左右两侧质量块同频振动，且振动方向时刻相反；驱动拾振梳齿与CV电路相连，用于检测质量块振动，并通过闭环反馈调节驱动激励梳齿上的激励信号，实现振动幅值的控制。
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