CN1603743A - 微梁直拉直压结构压阻微机械陀螺及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微梁直拉直压结构的压阻微机械陀螺及制作方法，其特征在于将加速度计作为陀螺的科里奥利加速度检测部分，把两个加速度计放在扭转驱动结构两侧，形成类似音叉原理的微机械陀螺；使用压阻四端器件，检测、控制陀螺的驱动幅度，实现陀螺灵敏度的温度自我补偿。其制备工艺是将体硅工艺和表面硅工艺相结合，用深反应离子刻蚀工艺完成主梁、微梁、扭转梁和质量块制作，最后将陀螺和盖板对准粘在一起完成制作。本发明提供的陀螺利用扩散在扭转梁上的四端器件实现压阻系数温度自我补偿，扦测时微梁没有弯曲，只有Z方向直拉直压。

Description

微梁直拉直压结构压阻微机械陀螺及制作方法

技术领域

本发明涉及一种微梁直拉直压结构压阻微机械陀螺及制作方法，特别是涉及一种高灵敏度而且能对灵敏度进行温度补偿的压阻微机械陀螺。属于微机械领域。

背景技术

微机械陀螺是一种测量角速度或角位移的传感器，灵敏度是衡量陀螺的重要指标。微机械陀螺的工作原理都是利用科里奥利(coriolis)加速度，可以认为微机械陀螺是一种测量coriolis加速度的加速度计。事实上微机械陀螺的设计也使用了很多微机械加速度计的结构。利用压阻效应检测信号具有灵敏度高，检测电路简单的特点，被许多微机械传感器采用。瑞士Neuchatel大学开发了一种音叉式微机械陀螺，把压敏电阻连成Wheastone(惠斯顿)电桥，用来检测信号。检测电路比较简单，但灵敏度比较低，只有4 nv/°/s(F.Paoletti，M.A.Gretillat，and N.F.de Rooij，“A siliconmicromachined vibrating gyroscope with piezoresistive detection andelectromagnetic excitation，”in Proc.IEEE Micro Electro MechanicalSystems Workshop(MEMS’96)，San Diego，CA，1996，pp.162-167.)。而李昕欣、鲍敏杭等人开发了一种悬臂梁-质量块结构的微机械陀螺，也使用压敏电阻检测信号。这种陀螺的悬臂梁使用了新颖的T型复合梁，但灵敏度也高，只有0.22μv/°/s(Xinxin Li，Minhang Bao，Heng Yang，ShaoqunShen，Denren Lu，“A micromechanical piezoresistive angular ratesensor with a composite beam structure，”Sensors and Actuators 72，1999，pp.217-223.)。其后黄树森、李昕欣等人利用微梁直拉直压原理又开发了一种高灵敏度的压阻微机械加速度计，灵敏度达到了惊人的106mv/5v/g(Shusen Huang，Xinxin Li，“A PIEZORESISTIVEACCELEROMETER WITH AXIALLY STRESSED TINY BEAMS FOR BOTH MUCH INCREASEDSENSITIVITY AND MUCH BROADENED FREQUENCY BANDWIDTH”，The 12thInternational Conference on Solid State Sensors，Actuators andMicrosystems，Boston，June 8-12，2003，pp.91-94)。但是缺少对灵敏度的温度补偿机制，限制了其使用。

能否设计一种利用直拉直压原理的高灵敏度微机械陀螺，同时又能灵敏度温度自补偿，是本发明的目的。

发明内容

本发明提供一种微梁直拉直压结构压阻微机械陀螺及制作方法。本发明特征在于将加速度计作为陀螺的科里奥利(coriolis)加速度检测部分，把两个加速度计放在扭转驱动结构两侧，形成类似音叉原理的微机械陀螺。使用压阻四端器件，既可以检测、控制陀螺的驱动幅度，又能实现陀螺灵敏度的温度自补偿。

本发明所述灵敏度可温度补偿的微梁直拉直压结构压阻陀螺主要由1个框架、2个主悬臂梁、4个微梁、2个扭转梁、1个四端器件和2个可动质量块组成。每个主悬臂梁两边对称地摆放2个微梁。主悬臂梁和2个微梁连着1个可动质量块。框架上对称地的有两个扭转梁。其中1个扭转梁上有一个四端器件。4个微梁上沿轴向扩散有压敏电阻，并连成惠斯顿电桥。

陀螺的工作原理是基于coriolis加速度。在静电力的驱动下，质量块绕扭转梁振动，即绕X方向振动。如果此时陀螺在Z方向有角速度Ω，则在Y方向会产生一个coriolis力，质量块就会沿Y方向振动。扩散在四个微梁上的压阻会分别受到拉应力和压应力，电桥的输出端就会有电压输出。

本发明可以细分为三个部分：检测模态的设计、驱动模态的设计和压阻温度系数自补偿。

首先，对检测模态的设计同时实现了高灵敏度和高共振频率.。

为了得到高灵敏度，微梁在检测信号时实现了轴向直拉直压，没有弯曲。当质量块受到Y方向coriolis加速度时，微梁与质量块相交处a点的位移由两部分组成：即一是随着主梁的弯曲带来的X方向的平动和二是以主梁—质量块交点b为旋转中心的转动(如图-3所示)，该转动又可以分解为X、Z两个方向的平动。通过优化结构设计，合理选择微梁在X方向的位置，a点在X方向的运动就能被正负抵消，只留下Z方向的位移，其X方向的运动为零。微梁只有轴向的变形，即沿Z方向直拉或者直压。微梁的尺寸很小(典型尺寸为2微米*50微米*50微米)，只需很小的应变能就能产生很大的信号。更重要的是，当微梁处于直拉直压的位置时，ANSYS模拟结果显示，微梁沿Z方向的平均应力比微梁处于其它位置时都要大，从而使灵敏度达到较高的水平。

陀螺的检测频率主要由主梁尺寸决定。主梁的典型尺寸是2000微米*60微米*500微米，比较硬。陀螺的检测频率比较高，本发明提出的陀螺的典型检测频率可达900Hz，从而可以有效地消除环境中的振动干扰。

驱动模态的设计的主要包括驱动方式的选择，阻尼的合理设计，以及驱动模态固有有频率的合适设计三部分。

陀螺利用静电驱动。在盖板上制做两个铝电极(图2b)，驱动电压分别是

V₀+V₁cos(ω_d·t)          (1)

V₀-V₁cos(ω_d·t)，        (2)

从而形成Push-Pull的驱动方法。驱动模态的振幅很小，

总的静电力近似的用(3)式表示：

$F=\frac{2\·A{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}{d^2}[V_0\·V_1\·\cos ({\mathrm{\ω}}_d\·t)]----\left(3\right)$

这样，陀螺驱动模态的振动频率就与驱动电压的频率相同，为检测电路的设计提供了便利。

静电力的大小和电极与质量块间的距离d的二次方成反比，想要在较低的电压下获得较大的驱动振幅，电极与质量块的距离必须很小。对于实际器件，质量块的长度为5200微米，宽度为3000微米，质量块与电极的间距只有10微米。阻尼比ξ＝8.6，严重过阻尼。而为了使驱动振幅在驱动频率(很接近检测模态固有频率)下有一定的放大，驱动模态的阻尼比选择为ξ＝0.2。为了达到这个目的，在下盖板上用DRIE工艺刻蚀了许多贯通的阻尼条(图2b)。

陀螺驱动模态下的空气阻尼主要是压膜阻尼。其阻尼系数

$c=\mathrm{\β}\left(\frac{B}{L}\right)\frac{{\mathrm{LB}}^3\mathrm{\μ}}{h^3},$

(c：阻尼系数；β(B/L)：修正系数；L：长；B：宽；μ：空气粘滞系数；h：间距)

由公式可见，在间距h不变时，质量块的宽度B起主要作用。用阻尼条把质量块分成若干宽度为B₁，B₂，…B_n的窄质量块，

即

B＝B₁+B₂+…+B_n

则可以推出 $B^3>B_1^3+B_2^3+\·\·\·+B_n^3---(B_1,B_2,\·\·\·B_n>0)$

所以总的阻尼被有效地减小。本发明设计的陀螺驱动模态的阻尼比只有0.2，而阻尼条造成的电极面积损失仅有2.16％。

本发明考虑到现有的压阻检测的主要不足就是压阻系数对温度的敏感。为了克服这一问题，我们在扭转梁上扩散了一个用于温度补偿的四端器件如图-4。四端器件同样是基于压阻效应的原理，其功能与压阻惠斯顿电桥类似。四端器件共有4个端口。其中两个接直流电源，另外两个是信号输出端。当四端器件受到应力的时候，输出端就有电压输出，且大小与应力成正比。四端器件与压敏电阻在工艺中同时扩散生成，它们的掺杂浓度相同，因此压阻系数也相同。扭转梁与微梁位置非常接近，温度几乎相同，温度变化也几乎相同，可以认为四端器件和电桥的压阻系数在温度变化时也是相等的。陀螺工作时，驱动幅度最大时扭转梁的剪应力最大，此时取样得到四端器件的最大输出电压，称作“额定参考电压”，它与输入角速度无关。当温度升高时，压阻系数下降，陀螺灵敏度就会变小，同时最大输出电压，即额定参考电压也会变小。这时有两种补偿方案。一是提高驱动电压，二是降低温度。本发明所用的方法是通过常规的反馈电路提高驱动电压，增大陀螺驱动振幅。当参考电压恢复额定值时，就好像环境像温度没有变化一样。所以陀螺的灵敏度也恢复额定值。温度降低时的情况与此类似。这样，温度变化引起的陀螺灵敏度的变化就得到了补偿。

同样，基于“额定参考电压”，四端器件还可以用来检测陀螺的驱动振幅，并通过反馈调节驱动电压来控制的陀螺的振幅，使振幅稳定。

本发明的主要特征是：

1.陀螺的驱动模态采用扭转结构；检测模态则利用差动水平挠动；

2.陀螺主要由主梁、微梁、扭转梁、四端器件和质量块组成；

3.驱动方式是静电驱动，检测方式是压阻检测；

4.检测时，微梁没有弯曲，只在Z方向直拉或直压；

5.压敏电阻扩散在四个微梁上，并连成惠斯顿电桥；

6.利用扩散在扭转梁上的四端器件实现压阻系数温度自我补偿；

本发明将体硅工艺和表面硅工艺相结合，用DRIE(Deep Reactive IonEtching，深反应离子刻蚀)工艺完成主梁、微梁、扭转梁和质量块制作，材料采用普通双面抛光N型(100)硅片。本器件的工艺分为陀螺本身的制造和盖板的制造两部分。

陀螺制作的工艺步骤简述如下：

1.淡硼扩散形成具有压阻效应的敏感电阻；

2.浓硼扩散形成欧姆接触区；

3.刻出引线孔；

4.正面蒸铝并刻出引线和焊盘；

5.采用DRIE工艺，在正面刻出图形；

6.再用DRIE工艺，在背面刻出图形；

7.去除中间的氧化层，释放结构。

盖板制作的工艺步骤简述如下：

1.腐蚀盖板正面的凹槽；

2.腐蚀盖板背面的凹槽；

3.在正面的凹槽里制成驱动铝电极；

4.用DRIE工艺，刻穿正、反面凹槽之间的硅片，刻出贯通阻尼条。

将陀螺和盖板对准，粘在一起，就完成了器件的工艺。

本发明的优点是：

1.灵敏度高；

2.能够温度自补偿；

3.采用包括DRIE在内的微机械集成制造工艺，实现了单片集成，极大的提高了制造成品率，同时降低了生产成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图-1是附图所使用的坐标。

图-2是陀螺结构示意图，其中(a)俯视图，(b)是剖面图。

1.框架；

2.扭转梁；

3.质量块；

4.微梁；

5.主悬臂梁；

6.四端器件；

7.铝电极；

8.阻尼条。

图-3是微梁直拉直压原理图。

图-4是四端器件示意图。

具体实施方式

本器件具体实施方案分为陀螺实施方式和陀螺盖板实施方式两部分。陀螺具体实施方式

1.选用N型双面抛光(100)硅片。其厚度为500微米，电阻率3-8欧姆*厘米。

2.淡硼扩散形成4个具有压阻效应的敏感电阻和一个四端器件，它们须沿<110>方向，以获得最大压阻系数。方块电阻100-300欧姆。

3.在形成欧姆接触区扩浓硼。

4.在欧姆接触区刻出引线孔。

5.给陀螺正面蒸铝、反刻铝，形成引线和焊盘。

6.光刻出正面刻蚀图形，并利用光刻胶作为刻蚀掩模材料，采用DRIE工艺在硅片正面加工出单元的正面图形。

7.光刻出陀螺背面的图形，用厚光刻胶作为刻蚀掩膜层，采用背面DRIE工艺刻蚀图形。

盖板具体实施方式

1.选用P型双面抛光(100)普通硅片，硅片厚度300微米。

2.沿<110>方向光刻出正面凹槽的图形，用KOH腐蚀，腐蚀深度10微米。

3.在硅片背面沿<110>方向光刻出背面凹槽的图形，用KOH腐蚀，腐蚀深度240微米。

4.氧化硅片，生成电绝缘层。在硅片正面蒸铝，再刻出电极。

5.在硅片正面光刻出阻尼条的图形，依次腐蚀图形里的铝和二氧化硅，再用DRIE把图形里的硅层刻穿。

将陀螺和盖板对准，粘在一起，至此本发明的器件结构全部完成。提供的灵敏度可温度补偿的微梁直拉直压结构的压阻微机械陀螺式将加速度计作为陀螺的科里奥利(coriolis)加速度检测部分，把两个加速度计放在扭转驱动结构两侧，形成类似音叉原理的微机械陀螺。使用压阻四端器件，既可以检测、控制陀螺的驱动幅度，又能实现陀螺灵敏度的温度自补偿。每个主悬臂梁5两边对称地摆放2个微梁4，主悬臂梁5和2个微梁连着1个可动质量块3，框架1上对称地的有两个扭转梁2，其中1个扭转梁上有一个四端器件6，4个微梁上沿轴向扩散有压敏电阻，并连成惠斯顿电桥。(图2)

四端器件6共有4个端口。其中两个接直流电源，另外两个是信号输出端(图4)。当四端器件受到应力的时候，输出端就有电压输出，且大小与应力成正比。四端器件与压敏电阻在工艺中同时扩散生成，它们的掺杂浓度相同，因此压阻系数也相同。扭转梁与微梁位置非常接近，温度几乎相同，温度变化也几乎相同，可以认为四端器件和电桥的压阻系数在温度变化时也是相等的。陀螺工作时，驱动幅度最大时扭转梁的剪应力最大，此时取样得到四端器件的最大输出电压，称作“额定参考电压”，它与输入角速度无关。当温度升高时，压阻系数下降，陀螺灵敏度就会变小，同时参考电压也会变小。本实施例所用的方法是通过常规的反馈电路来提高驱动电压，增大陀螺驱动振幅。当四端器件的输出电压恢复额定值时，就好像环境像温度没有变化一样。使陀螺的灵敏度也恢复额定值。温度降低时的情况与此类似。从而使温度变化引起的陀螺灵敏度的变化得到了补偿。

Claims (8)

1、一种微梁直拉直压结构的压阻微机械陀螺，其特征在于将加速度计作为陀螺的科里奥利加速度检测部分，把两个加速度计放在扭转驱动结构两侧，形成类似音叉原理的微机械陀螺；使用压阻四端器件，检测、控制陀螺的驱动幅度，实现陀螺灵敏度的温度自补偿。

2、按权利要求1所述的微梁直拉直压结构的压阻微机械陀螺，其特征在于所述的微梁直拉直压结构压阻陀螺主要由1个框架、2个主悬臂梁、4个微梁、2个扭转梁、1个四端器件和2个可动质量块组成；每个主悬臂梁两边对称地摆放2个微梁；主悬臂梁和2个微梁连着1个可动质量块；框架上对称地有两个扭转梁，其中1个扭转梁上有一个四端器件，4个微梁上沿轴向扩散有压敏电阻，并连成惠斯顿电桥；四端器件共有4个端口，二个接直流电源，两个为信号输出端。

3、按权利要求2所述地微梁直拉直压结构的压阻微机械陀螺，其特征在于微梁沿Z方向的平均应力比微梁处于其它位置时大；微梁的尺寸为2*50*50微米3，主梁的尺寸为2000*60*500微米³，陀螺的检测频率由主梁尺寸决定，检测频率可达900HZ，质量块的长度为5200微米，宽度为3000微米，质量块和电极的间距仅为10微米。

4、按权利要求1或2所述的微梁直拉直压结构的压阻微机械陀螺，其特征在于灵敏度的温度自动补偿是温度升高时通过反馈电路提高驱动电压，增大陀螺驱动振幅，当驱动电压恢复额定值时，陀螺的灵敏度也恢复到额定值，反之亦然。

5、制备如权利要求1或2所述的微梁直拉直压结构的压阻微机械陀螺，其特征在于将体硅工艺和表面硅工艺相结合，用深反应离子刻蚀工艺完成主梁、微梁、扭转梁和质量块制作，具体包括陀螺本身的制作和盖板制作两部分：

陀螺制作的工艺步骤是：

1.选用N型双面抛光(100)面硅片，淡硼扩散形成4个具有压阻效应的敏感电阻和一个四端器件；

2.浓硼扩散形成欧姆接触区；

3.刻出引线孔；

4.正面蒸铝并刻出引线和焊盘；

5.采用DRIE工艺，在正面刻出图形；

6.再用DRIE工艺，在背面刻出图形；

7.去除中间的氧化层，释放结构。

盖板制作的工艺是：

1.选用D型双面抛光(100)面硅片腐蚀盖板正面的凹槽；

2.腐蚀盖板背面的凹槽；

3.在正面的凹槽里制成驱动铝电极；

4.用DRIE工艺，刻穿正、反面凹槽之间的硅片，刻出阻尼条。

最后，将陀螺和盖板对准，粘在一起，完成器件的制作。

6、按权利要求5所述的微梁直拉直压结构的压阻微机械陀螺的制作方法，其特征在于陀螺制作中的压阻效应敏感电阻沿<110>方向，方块电阻为100-300欧姆。

7、按权利要求5所述的微梁直拉直压结构的压阻微机械陀螺的制作方法，其特征在于盖板正面、背面凹槽的腐蚀是用KOH腐蚀的。

8、按权利要求5所述的微梁直拉直压结构的压阻微机械陀螺的制作方法，其特征在于用DRIE工艺刻出的阻尼条是贯通的。

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