CN2397473Y - 栅型结构电容式微机械谐振陀螺 - Google Patents

Abstract

本实用新型是涉及一种尺寸在毫米量级的栅型结构电容式微机械谐振陀螺,主要由静电驱动电极、电容检测电、栅型结构驱动质量块与检测质量块、支撑质量块的悬空弹性折叠梁和限位锚点构成。其中质量块可以在平面上运动。因对惯性质量块振动的阻尼仅是滑移阻尼,在大气压条件下,器件品质因子可超过140。本陀螺用栅结构驱动,有利于信号处理,配上相应测量接口电路,灵敏度高,是一种结构简单,工艺易于实现的实用微型电容式微机械振动陀螺。

Description

栅型结构电容式微机械谐振陀螺

本实用新型涉及一种器件尺寸在毫米量级的栅结构电容式微机械谐振陀螺，属微电子机械领域。

陀螺仪是用于测量物体相对惯性空间转动的角速度或角位移的装置，在航空、航海、大地测量等领域有着极为重要的作用。随着微电子机械系统研究的发展，各种微机械陀螺引起极大关注。一方面汽车工业、导航、计算机、机器人以及消费电子等应用亟需大量的小型、廉价、对性能要求不高的陀螺，另一方面微电子机械系统的发展也需要寻找新的应用领域，促其进一步完善。目前振动式陀螺的研究呈现出一片方兴未艾的态势，大量新型陀螺结构不断被提出，种类繁多，各具特色。这些振动式微机械陀螺大部分是通过梳状电极静电驱动质量块在平面振动(X方向)，同时当体系存在与振动平面垂直(Z方向)的角速度时，科氏力作用于检测质量块，引起其沿Y方向振动，通过检测电容的变化可以感知角速度。为了有效地防止检测振动与驱动振动间的机械耦合，梳状振动式微机械陀螺采用悬空折叠梁支撑质量块。如U.C.Berkeley的William A.Clark和Roger T.Howe在1996年于Solid-State Sensor and Actuators Workship会议上发表的研究论文“Surface Micromachined Z-Axis Vibratory Rate Gyroscope”。然而这虽能减少检测振动与驱动振动间的机械耦合，但并不能完全消除机械耦合带来的干扰。同时器件的Q值在大气压条件下不高，而要工作在真空条件下。为了克服上述微型振动式陀螺的不足，，以及提高器件在大气压下的品质因子，本实用新型改进设计成一种新结构电容式微机械谐振陀螺，测振质量块的横向运动不会引起激振电容的变化，从而消除了机械耦合对输出信号的干扰。

本实用新型的目的是栅型结构电容式微机械谐振陀螺中的驱动质量块采用栅状结构，同时，该质量块也是一个可动电极，两个固定电极用于施加驱动电压。在驱动质量块上，同时制作有栅状或梳状检测电极，该电极为可动电极，与另外两个固定电极构成检测电容，驱动质量块和检振质量块为一整体。质量块由L型悬空弹性梁支撑，能沿衬底平面的X方向和Y方向运动。采用栅状质量块结构，可以避免在驱动和检测方向的压膜阻尼，而仅有滑膜阻尼，因而提高了器件在大气压下的品质因子，提高了灵敏度；此外检振质量块的横向运动不会改变驱动电容，有利于信号处理，提高器件的灵敏度。

本实用新型栅型结构电容式微机械振动陀螺主要由栅型结构静电驱动电极、梳状电容检测电极、驱动质量块与检测质量块为一整体、支撑质量块的L型悬空弹性折叠梁和限位锚点构成。其中质量块可以在平面上沿X方向和Y方向运动，质量块也是一个导电的可动电极。由于本陀螺用栅型结构驱动，可以提高静电驱动力，消除激振和检振两模态机械耦合带来的信号干扰，有利于信号处理。陀螺中的L型悬空弹性梁至少为两对。在栅型结构电容的交变静电力的驱动下，质量块在衬底平面上沿X方向振动，当陀螺随运动系统旋转，角速度方向垂直于衬底平面时，陀螺中的质量块受到科氏力的作用，质量块在衬底平面上沿Y方向振动，使两组测量电极与质量块构成的检测电容会发生相反的变化：一个电容(C1)变大(或变小)，另一个电容(C2)变小(或变大)，通过测量差分检测电容，可以获得对应的角速度。由于检振电容固定测量电极采用交叉排列结构，因而通过增加对数可以放大电容C1和C2的变化量。同时，由于激振电容采用栅状结构，其电容变化仅在质量块沿X方向运动时发生。由于激振驱动力与栅的边长以及栅的数量成正比，因而可以通过增加栅的数量和边长提高激振驱动力。可见，本实用新型陀螺激振驱动力相对于其它梳状谐振陀螺可以有很大提高，对于相同的角速度，即可增加信号的输出。同时，由于检振振动对激振振动驱动无影响，有利于接口电路设计与制作，是一种新结构陀螺。

本实用新型的优点是，由于采用栅状结构激振驱动电极，激振质量块与检振质量块是同一质量块，因此提高了激振驱动力和器件的灵敏度。而且，由于检振与激振振动模态耦合不改变驱动力，更有利于信号的处理。由于对惯性质量块振动的阻尼仅是滑移阻尼，在大气压工作条件下，结构的品质因子可达到得140，因而器件可在大气压条件下工作。此外，本实用新型陀螺结构新颖、简单，工艺易于实现，测量精度高，是一种可实际应用的固态微型陀螺。

下面结合附图对本实用新型发明主题的具体实施方式作进一步详细说明：

图1是本实用新型栅结构电容式微机械谐振陀螺的结构示意图。其中，1是两个互不相连的固定叉指激励驱动电极的键合点；2是两组交义放置的固定激励驱动电极；3是兼作可动电极惯性质量块的键合点；4是质量块的支撑锚点；5是两个互不相连的固定叉指检测电极的键合点；6是两组交叉放置的固定检测电极；7是导电的支撑惯性质量块的L型悬空弹性梁；8是由四根L型导电悬空弹性梁支于固定义指电极上方的惯性质量块；9是衬底玻璃片；10是限位块。

图2是本实用新型陀螺惯性质量块8与驱动固定电极2间电容C1、C2以及和检测固定电极6间电容C3、C4初始状态。

图3是本实用新型陀螺驱动惯性质量块8驱动时栅状质量块6与固定叉指电极2间电容状态及运动方向图。

图4是本实用新型陀螺检测角速度时惯性质量块8与固定叉指检测电极6间电容状态及运动方向图。

图5是本实用新型陀螺驱动及信号检测接口电路框图。其中，11是激励驱动电源；12是载波发生器；13是陀螺芯片；14是阻抗变换器；15是高通滤波器；16是高频放大器；17是相敏解调电路；18是低通滤波器；19是输出端。

制作本实用新型微陀螺芯片采用硅微机械加工工艺。首先参见附图1，在衬底玻璃片9上生长金属材料层并光刻固定电极2和6以及惯性质量块的键合点3；然后在硅片上氧化并光刻出锚点4，在氢氧化钾溶液中腐蚀，形成3微米高度的锚点区4；去除硅片上的氧化硅；将硅片具有锚点4的一面与玻璃片具有电极2、3、6的一面实施硅和玻璃的键合；将硅和玻璃键合后的片子放置在氢氧化钾溶液中腐蚀至硅片厚度为100微米；利用双面光刻技术，光刻出惯性质量块8图形；再用深反应离子刻蚀，刻蚀硅形成惯性质量块8结构，形成附图1所示的本实用新型陀螺结构，完成本实用新型陀螺芯片的制作。将芯片与本实用新型附图5中的由激励驱动电源11、载波发生器12、陀螺芯片13、阻抗变换器14、高通滤波器15、高频放大器16、相敏解调电路17、低通滤波器18和输出19组成的相应驱动和电容检测电路连接便形成本实用新型陀螺。当惯性质量块8的尺寸为3800微米×2060微米，L型悬空弹性梁7有四根，其长度沿驱动方向(X方向)为1500微米，沿垂直驱动方向(Y方向)为1510微米，宽度为20微米，厚为100微米  15对驱动固定电极2的宽度为28微米，间距为4微米，100对检测固定电极6的宽度为8微米，间距为2微米时，在5伏直流电压，10伏交流电压驱动下，惯性质量块8做附图3所示的运动，惯性质量块8在1°/秒的角速度下，沿Y方向做附图4所示的运动，最大位移为0.22微米，相应的电容变化率为2.7％。通过附图5相应的高精度电容测量电路，可测量出对应的角速度。

Claims (11)

1.一种栅型结构电容式微机械谐振陀螺，包括质量块、激振电极、检振电极、质量块分别与激振电极和检振电极构成的激振电容和检振电容，以及激振电路和检振电容测量接口电路，其特征在于有同一惯性质量块兼作可动栅型结构激振电极和检振电极、叉指形激振和检振固定电极、支撑质量块的悬空弹性梁和限位锚点。

2.根据权利要求1所述的栅型结构电容式微机械谐振陀螺，其特征在于激振质量块和检振质量块是同一质量块。

3.根据权利要求1所述的栅型结构电容式微机械谐振陀螺，其特征在于质量块的运动方向在衬底平面上。

4.根据权利要求1所述的栅型结构电容式微机械谐振陀螺，其特征在于栅状结构激振差分电容仅在质量块沿衬底平面X方向运动发生改变。

5.根据权利要求1所述的栅型结构电容式微机械谐振陀螺，其特征在于有按测量要求需要设置的至少两对使质量块可在X、Y方向运动的悬空弹性梁，如L型的悬空弹性梁。

6.根据权利要求1所述的栅型结构电容式微机械谐振陀螺，其特征在于激振叉指固定电极由交叉设置的左右两组构成。

7.根据权利要求1所述的栅型结构电容式微机械谐振陀螺，其特征在于检振梳状固定电极由交叉设置的左右两组构成。

8.根据权利要求1所述的栅型结构电容式微机械谐振陀螺，其特征在于检振和激振两个振动模态的耦合不会改变激振电容。

9.根据权利要求1所述的栅型结构电容式微机械谐振陀螺，，其特征在于质量块、检振固定电极和悬空弹性梁的材料为导电材料如硅或镍或镍铁或铜或铝或铬金。

10.根据权利要求1所述的栅型结构电容式微机械谐振陀螺，其特征在于检振电容结构可为梳状或栅型结构，其可动电极与激励驱动电容可动电极都在同一惯性质量块上。

11.根据权利要求1所述的栅型结构电容式微机械谐振陀螺，其特征在于可动驱动电极和检测电极的结构为栅型结构。

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