CN116625338A - 一种基于fbar的高灵敏度高精度离心式mems陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微电子机械系统器件领域，具体是一种基于FBAR的高灵敏度高精度离心式MEMS陀螺。本发明解决了现有MEMS陀螺检测灵敏度较低、检测精度较低的问题。一种基于FBAR的高灵敏度高精度离心式MEMS陀螺，包括力敏结构和检测元件；所述力敏结构包括正方形固定框；正方形固定框的左内侧面前部、前内侧面右部、右内侧面后部、后内侧面左部各延伸设置有一根检测梁；四根检测梁的端面各延伸设置有一个正方形质量块；所述检测元件包括四个底电极焊盘、四个顶电极焊盘、四根底电极引线、四根顶电极引线、四个薄膜体声波谐振器。本发明适用于工业控制、航空航天、国防军事、消费电子等领域。
Description
技术领域
本发明涉及微电子机械系统器件领域，具体是一种基于FBAR的高灵敏度高精度离心式MEMS陀螺。
背景技术
作为惯性技术的核心器件之一，MEMS陀螺在工业控制、航空航天、国防军事、消费电子等领域发挥着重要作用。但在实际应用中，现有MEMS陀螺存在如下问题：其一，现有MEMS陀螺由于检测元件所限，存在检测灵敏度较低的问题。其二，现有MEMS陀螺的力敏结构需要被驱动才能正常工作，而驱动方向的振动往往会对检测方向的运动产生影响，由此造成驱动对检测方向的耦合交叉干扰，从而导致检测精度较低。基于此，有必要发明一种基于FBAR的高灵敏度高精度离心式MEMS陀螺，以解决现有MEMS陀螺检测灵敏度较低、检测精度较低的问题。
发明内容
本发明为了解决现有MEMS陀螺检测灵敏度较低、检测精度较低的问题，提供了一种基于FBAR的高灵敏度高精度离心式MEMS陀螺。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于FBAR的高灵敏度高精度离心式MEMS陀螺，包括力敏结构和检测元件；
所述力敏结构包括正方形固定框；
正方形固定框的左内侧面前部、前内侧面右部、右内侧面后部、后内侧面左部各延伸设置有一根检测梁，且四根检测梁围绕正方形固定框的中心线旋转对称分布；四根检测梁的上表面均与正方形固定框的上表面齐平；四根检测梁的下表面均高于正方形固定框的下表面；
四根检测梁的端面各延伸设置有一个正方形质量块，且四个正方形质量块围绕正方形固定框的中心线旋转对称分布；四个正方形质量块的上表面与四根检测梁的上表面一一对应地齐平；四个正方形质量块的下表面与四根检测梁的下表面一一对应地齐平；
所述检测元件包括四个底电极焊盘、四个顶电极焊盘、四根底电极引线、四根顶电极引线、四个薄膜体声波谐振器；
四个底电极焊盘均固定于正方形固定框的上表面，且四个底电极焊盘围绕正方形固定框的中心线旋转对称分布；
四个顶电极焊盘均固定于正方形固定框的上表面，且四个顶电极焊盘围绕正方形固定框的中心线旋转对称分布；
四根底电极引线围绕正方形固定框的中心线旋转对称分布；
四根顶电极引线围绕正方形固定框的中心线旋转对称分布；
四个薄膜体声波谐振器一一对应地固定于四根检测梁的上表面根部，且四个薄膜体声波谐振器围绕正方形固定框的中心线旋转对称分布；
四个薄膜体声波谐振器的底电极一一对应地通过四根底电极引线与四个底电极焊盘连接；
四个薄膜体声波谐振器的顶电极一一对应地通过四根顶电极引线与四个顶电极焊盘连接。
工作时，四个底电极焊盘和四个顶电极焊盘均与外部射频电路或外部矢量网络分析仪连接。具体工作过程如下：当有角速度输入时，四个正方形质量块在离心力的作用下发生位移，并带动四根检测梁发生弯曲变形，由此使得四个薄膜体声波谐振器发生结构应变，从而使得四个薄膜体声波谐振器的谐振频率发生变化。此时，外部射频电路或外部矢量网络分析仪实时测量四个薄膜体声波谐振器的谐振频率变化量，并根据测量结果实时解算出输入角速度。
基于上述过程，与现有MEMS陀螺相比，本发明所述的一种基于FBAR的高灵敏度高精度离心式MEMS陀螺通过采用全新结构，具备了如下优点：其一，本发明采用薄膜体声波谐振器（FBAR, thin-film bulk acoustic wave resonators）作为检测元件，其通过利用薄膜体声波谐振器的谐振频率对其结构应变十分敏感的特点（由于薄膜体声波谐振器的谐振频率达到了GHz级别，因此微弱的结构应变即可引起较大的谐振频率变化），使得检测灵敏度大幅提高。其二，本发明的力敏结构无需被驱动即可正常工作，由此避免了驱动方向的振动对检测方向的运动产生影响，从而避免了驱动对检测方向的耦合交叉干扰，进而使得检测精度大幅提高。
本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有MEMS陀螺检测灵敏度较低、检测精度较低的问题，适用于工业控制、航空航天、国防军事、消费电子等领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图一。
图2是本发明的结构示意图二。
图3是本发明中薄膜体声波谐振器的压电振荡堆的结构示意图。
图中：101-正方形固定框，102-检测梁，103-正方形质量块，201-底电极焊盘，202-顶电极焊盘，203-底电极引线，204-顶电极引线，205-薄膜体声波谐振器。
具体实施方式
一种基于FBAR的高灵敏度高精度离心式MEMS陀螺，包括力敏结构和检测元件；
所述力敏结构包括正方形固定框101；
正方形固定框101的左内侧面前部、前内侧面右部、右内侧面后部、后内侧面左部各延伸设置有一根检测梁102，且四根检测梁102围绕正方形固定框101的中心线旋转对称分布；四根检测梁102的上表面均与正方形固定框101的上表面齐平；四根检测梁102的下表面均高于正方形固定框101的下表面；
四根检测梁102的端面各延伸设置有一个正方形质量块103，且四个正方形质量块103围绕正方形固定框101的中心线旋转对称分布；四个正方形质量块103的上表面与四根检测梁102的上表面一一对应地齐平；四个正方形质量块103的下表面与四根检测梁102的下表面一一对应地齐平；
所述检测元件包括四个底电极焊盘201、四个顶电极焊盘202、四根底电极引线203、四根顶电极引线204、四个薄膜体声波谐振器205；
四个底电极焊盘201均固定于正方形固定框101的上表面，且四个底电极焊盘201围绕正方形固定框101的中心线旋转对称分布；
四个顶电极焊盘202均固定于正方形固定框101的上表面，且四个顶电极焊盘202围绕正方形固定框101的中心线旋转对称分布；
四根底电极引线203围绕正方形固定框101的中心线旋转对称分布；
四根顶电极引线204围绕正方形固定框101的中心线旋转对称分布；
四个薄膜体声波谐振器205一一对应地固定于四根检测梁102的上表面根部，且四个薄膜体声波谐振器205围绕正方形固定框101的中心线旋转对称分布；
四个薄膜体声波谐振器205的底电极一一对应地通过四根底电极引线203与四个底电极焊盘201连接；
四个薄膜体声波谐振器205的顶电极一一对应地通过四根顶电极引线204与四个顶电极焊盘202连接。
所述正方形固定框101的外边长为5000μm~6000μm、内边长为3000μm~4000μm、框边宽度为500μm~600μm；所述检测梁102的长度为1000μm~1500μm、宽度为150μm~200μm、厚度为80μm~150μm；所述正方形质量块103的边长为300μm~500μm、厚度为80μm~150μm。
所述力敏结构在厚度为450μm~550μm的单晶硅中制备而成。
所述底电极焊盘201的下表面、所述顶电极焊盘202的下表面、所述底电极引线203的侧面、所述顶电极引线204的侧面均包覆有厚度为0.5μm~1μm的二氧化硅绝缘层。
所述薄膜体声波谐振器205的压电振荡堆由顶部铝电极层、氧化锌压电层、底部铝电极层、声波反射层自上而下层叠而成；所述声波反射层由第I二氧化硅层、第I钨层、第I铬层、第II二氧化硅层、第II钨层、第II铬层、第III二氧化硅层自上而下层叠而成。
所述薄膜体声波谐振器205的压电振荡堆的长度为100μm~150μm、宽度为80μm~100μm；所述顶部铝电极层的厚度为0.3μm~1.2μm；所述氧化锌压电层的厚度为1μm~1.2μm；所述底部铝电极层的厚度为0.3μm~1.2μm；所述第I二氧化硅层的厚度为0.4μm~0.6μm；所述第I钨层的厚度为0.4μm~0.6μm；所述第I铬层的厚度为0.05μm~0.1μm；所述第II二氧化硅层的厚度为0.4μm~0.6μm；所述第II钨层的厚度为0.4μm~0.6μm；所述第II铬层的厚度为0.05μm~0.1μm；所述第III二氧化硅层的厚度为0.4μm~0.6μm。
还包括玻璃衬底；正方形固定框101的下表面与玻璃衬底的上表面键合固定。
所述玻璃衬底的厚度为1500μm~2500μm。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于FBAR的高灵敏度高精度离心式MEMS陀螺，其特征在于：包括力敏结构和检测元件；
所述力敏结构包括正方形固定框（101）；
正方形固定框（101）的左内侧面前部、前内侧面右部、右内侧面后部、后内侧面左部各延伸设置有一根检测梁（102），且四根检测梁（102）围绕正方形固定框（101）的中心线旋转对称分布；四根检测梁（102）的上表面均与正方形固定框（101）的上表面齐平；四根检测梁（102）的下表面均高于正方形固定框（101）的下表面；
四根检测梁（102）的端面各延伸设置有一个正方形质量块（103），且四个正方形质量块（103）围绕正方形固定框（101）的中心线旋转对称分布；四个正方形质量块（103）的上表面与四根检测梁（102）的上表面一一对应地齐平；四个正方形质量块（103）的下表面与四根检测梁（102）的下表面一一对应地齐平；
所述检测元件包括四个底电极焊盘（201）、四个顶电极焊盘（202）、四根底电极引线（203）、四根顶电极引线（204）、四个薄膜体声波谐振器（205）；
四个底电极焊盘（201）均固定于正方形固定框（101）的上表面，且四个底电极焊盘（201）围绕正方形固定框（101）的中心线旋转对称分布；
四个顶电极焊盘（202）均固定于正方形固定框（101）的上表面，且四个顶电极焊盘（202）围绕正方形固定框（101）的中心线旋转对称分布；
四根底电极引线（203）围绕正方形固定框（101）的中心线旋转对称分布；
四根顶电极引线（204）围绕正方形固定框（101）的中心线旋转对称分布；
四个薄膜体声波谐振器（205）一一对应地固定于四根检测梁（102）的上表面根部，且四个薄膜体声波谐振器（205）围绕正方形固定框（101）的中心线旋转对称分布；
四个薄膜体声波谐振器（205）的底电极一一对应地通过四根底电极引线（203）与四个底电极焊盘（201）连接；
四个薄膜体声波谐振器（205）的顶电极一一对应地通过四根顶电极引线（204）与四个顶电极焊盘（202）连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于FBAR的高灵敏度高精度离心式MEMS陀螺，其特征在于：所述正方形固定框（101）的外边长为5000μm~6000μm、内边长为3000μm~4000μm、框边宽度为500μm~600μm；所述检测梁（102）的长度为1000μm~1500μm、宽度为150μm~200μm、厚度为80μm~150μm；所述正方形质量块（103）的边长为300μm~500μm、厚度为80μm~150μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于FBAR的高灵敏度高精度离心式MEMS陀螺，其特征在于：所述力敏结构在厚度为450μm~550μm的单晶硅中制备而成。
4.根据权利要求1所述的一种基于FBAR的高灵敏度高精度离心式MEMS陀螺，其特征在于：所述底电极焊盘（201）的下表面、所述顶电极焊盘（202）的下表面、所述底电极引线（203）的侧面、所述顶电极引线（204）的侧面均包覆有厚度为0.5μm~1μm的二氧化硅绝缘层。
5.根据权利要求1所述的一种基于FBAR的高灵敏度高精度离心式MEMS陀螺，其特征在于：所述薄膜体声波谐振器（205）的压电振荡堆由顶部铝电极层、氧化锌压电层、底部铝电极层、声波反射层自上而下层叠而成；所述声波反射层由第I二氧化硅层、第I钨层、第I铬层、第II二氧化硅层、第II钨层、第II铬层、第III二氧化硅层自上而下层叠而成。
6.根据权利要求5所述的一种基于FBAR的高灵敏度高精度离心式MEMS陀螺，其特征在于：所述薄膜体声波谐振器（205）的压电振荡堆的长度为100μm~150μm、宽度为80μm~100μm；所述顶部铝电极层的厚度为0.3μm~1.2μm；所述氧化锌压电层的厚度为1μm~1.2μm；所述底部铝电极层的厚度为0.3μm~1.2μm；所述第I二氧化硅层的厚度为0.4μm~0.6μm；所述第I钨层的厚度为0.4μm~0.6μm；所述第I铬层的厚度为0.05μm~0.1μm；所述第II二氧化硅层的厚度为0.4μm~0.6μm；所述第II钨层的厚度为0.4μm~0.6μm；所述第II铬层的厚度为0.05μm~0.1μm；所述第III二氧化硅层的厚度为0.4μm~0.6μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于FBAR的高灵敏度高精度离心式MEMS陀螺，其特征在于：还包括玻璃衬底；正方形固定框（101）的下表面与玻璃衬底的上表面键合固定。
8.根据权利要求7所述的一种基于FBAR的高灵敏度高精度离心式MEMS陀螺，其特征在于：所述玻璃衬底的厚度为1500μm~2500μm。
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