CN101759136A - 一种全解耦振动式微机械陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全解耦振动式微机械陀螺，属于微机电***中的惯性传感器技术领域。驱动质量块弹性支撑梁通过立柱固定在基片上，驱动质量块为方框形，其四角通过弹性支撑梁与立柱相连。检测质量块置于驱动质量块中，并通过弹性支撑梁与驱动质量块相连。驱动电容固定电极固定在基片上，驱动电容可动电极与驱动质量块相对固定，并与驱动电容固定电极位置相对。检测电容固定电极固定在微机械陀螺的基片上，检测电容可动电极固定在检测质量块下表面的绝缘层上，并通过导电柱与检测质量块导通。本发明的微机械陀螺，从结构设计上完全消除了驱动方向的振动对检测电容的干扰，提高了微机械陀螺灵敏度，而且不增加工艺难度和加工成本，易于批量生产。

Description

一种全解耦振动式微机械陀螺

技术领域

本发明涉及一种全解耦振动式微机械陀螺，属于微机电***(MEMS)中的惯性传感器技术领域。

背景技术

陀螺主要利用哥氏效应产生的哥氏力来测量运动物体相对惯性空间的角运动参数，在民用产品和国防产品领域可广泛用于对物体运动状态的测量及控制。传统的陀螺受体积、重量、功耗和成本等因素的限制，难以在民用领域推广应用。以集成电路(IC)工艺和精密机械加工工艺为基础制作的微机械陀螺具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等突出优点，因而可用于汽车运动状态控制***、摄像机稳定***、运动机械控制、机器人测控、大地测量、医用仪器等广泛的民用应用领域。

目前获得广泛应用的振动式微机械陀螺基本结构如图1所示。整个微机械陀螺的驱动质量块3、驱动电容可动电极5、驱动弹性梁1、检测质量块8、检测弹性梁2、检测电容可动电极6均被加工在同一硅片上，通过驱动弹性梁1固定在玻璃衬底上的锚点9上。驱动电容的固定电极4和检测电容的固定电极7也被固定在玻璃衬底上。x方向为微机械陀螺的横向驱动轴，y方向为纵向敏感轴。在驱动电容的固定电极4上施加周期性变化的电压，可使微机械陀螺驱动质量块3在驱动方向上产生周期性变化的静电驱动力，使驱动质量块3和检测质量块8产生x方向的振动。当z方向有敏感角速度输人时，由于哥氏力的作用，检测质量块8沿y方向产生振动，振幅的大小与静电驱动力以及z方向角速度大小成线性关系。随着检测质量块8的振动，检测电容的可动电极与固定电极之间的间距随即发生变化，使输出差动电容量改变，通过检测差动电容量的变化可实现振动幅度大小的检测，通过后级处理电路可获得z轴角速度。

上述的振动式微机械陀螺工作时存在着严重的驱动模态与检测模态之间的机械耦合问题，制约着微机械陀螺性能的进一步提高。图1所示的微机械陀螺在受到x方向静电力作用时，驱动质量块3带动检测质量块8同时沿x轴方向振动，使检测电容可动电极与固定电极的相对面积发生变化，导致检测电容的差动电容量也随之发生变化，从而给y方向振动信号的检测带来严重的干扰，降低了振动式微机械陀螺的性能，不易实现高精度的角速度测量。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有振动式微机械陀螺的机械耦合(驱动方向的振动会引起检测电容的变化)问题，提供了一种检测电容与驱动方向振动无关的振动式微机械陀螺，可消除驱动模态与检测模态之间的机械耦合问题，有效抑制驱动方向的振动给检测信号带来的寄生干扰，提高振动式微机械陀螺的性能。

本发明提出的全解耦振动式微机械陀螺，包括驱动质量块、驱动质量块弹性支撑梁、检测质量块、检测质量块弹性支撑梁、驱动电容可动电极、驱动电容固定电极、检测电容可动电极、检测电容固定电极、立柱和基片；所述的驱动质量块弹性支撑梁通过立柱固定在微机械陀螺的基片上；所述的驱动质量块为方框形，驱动质量块的四角通过驱动质量块弹性支撑梁与立柱相连；所述的检测质量块置于方框形的驱动质量块中，并通过检测质量块弹性支撑梁与驱动质量块相连；所述的驱动电容固定电极固定在微机械陀螺的基片上，所述的驱动电容可动电极与驱动质量块相对固定，驱动电容可动电极与驱动电容固定电极位置相对；所述的检测电容固定电极固定在微机械陀螺的基片上，且位于检测质量块的下方；所述的检测质量块的下表面设有绝缘层，检测电容可动电极固定在绝缘层上，并通过导电柱与检测质量块导通；检测电容可动电极与检测电容固定电极位置相对。

本发明提出的全解耦振动式微机械陀螺，其优点是：

1、现有振动式微机械陀螺在结构设计上就存在机械耦合问题，驱动振动运动会导致检测电容的差动电容量也随之发生变化，从而产生严重的检测干扰，降低了振动式微机械陀螺的性能，不易实现高精度的角速度测量。本发明的微机械陀螺检测电容只与检测质量块在x轴(检测)方向的运动有关，而与检测质量块在y轴(驱动)方向的运动无关，因此在结构设计上完全消除了驱动方向的振动对检测电容的干扰，可提高微机械陀螺的灵敏度。

2、与传统微机械陀螺的加工工艺相同，不增加工艺难度和加工成本，易于批量生产。

附图说明

图1是已有常规的振动式微机械陀螺平面结构示意图。

图2是本发明的全解耦振动式微机械陀螺的平面结构示意图。

图3是图2的A-A剖视图。

图1-图3中，1是驱动质量块弹性支撑梁，2是检测质量块弹性支撑梁，3是驱动质量块，4是驱动电容固定电极，5是驱动电容可动电极，6是检测电容可动电极，7是检测电容固定电极，8是检测质量块，9是锚点，10是立柱，11是基片，12是绝缘层，13是导电柱。

具体实施方式

本发明提出的全解耦振动式微机械陀螺，其结构如图2和图3所示，包括驱动质量块3、驱动质量块弹性支撑梁1、检测质量块8、检测质量块弹性支撑梁2、驱动电容可动电极5、驱动电容固定电极4、检测电容可动电极6、检测电容固定电极7、立柱10和基片11。驱动质量块弹性支撑梁1通过立柱10固定在微机械陀螺的基片11上。驱动质量块3为方框形，驱动质量块3的四角通过驱动质量块弹性支撑梁1与立柱11相连。检测质量块8置于方框形的驱动质量块3中，并通过检测质量块弹性支撑梁2与驱动质量块3相连。驱动电容固定电极4固定在微机械陀螺的基片11上，驱动电容可动电极5与驱动质量块3相对固定，驱动电容可动电极5与驱动电容固定电极4位置相对。检测电容固定电极7固定在微机械陀螺的基片11上，且位于检测质量块8的下方。检测质量块8的下表面设有绝缘层12，检测电容可动电极6固定在绝缘层12上，并通过导电柱13与检测质量块8导通，检测电容可动电极6与检测电容固定电极7位置相对。

本发明的全解耦振动式微机械陀螺中，基片11由玻璃衬底构成，除驱动电容和检测电容的固定电极外，其余部分均被蚀刻加工在同一硅片上，驱动质量块弹性支撑梁1通过立柱10固定在基片上，使硅片平面相对于基片平面悬空平行，驱动电容的固定电极和检测电容的固定电极也分别被固定在基片上，检测电容可动电极6与检测电容固定电极7在结构上形成差动检测电容。

本发明的全解耦振动式微机械陀螺中，驱动质量块3、驱动质量块弹性支撑梁1、检测质量块8、检测质量块弹性支撑梁2、驱动电容可动电极5、固定驱动质量块弹性支撑梁的立柱10等均采用常规的体硅加工工艺，通过掩膜、光刻和刻蚀等工艺，去除硅片上不需要的部分，最后得到完整的微结构。

本发明的一个实施例中，检测电容可动电极6由集成电路加工工艺形成在检测质量块8的底面上。首先采用氧化工艺在检测质量块8的底面制备绝缘层，使硅片与氧化剂在高温下进行反应，在硅片表面生长出一层二氧化硅膜，即绝缘层12。在二氧化硅膜上溅射覆盖铬、金、铂金属层，采用光刻工艺形成检测电容可动电极6。在玻璃基片上溅射覆盖铬、金、铂金属层，采用剥离工艺形成检测电容固定电极7。使用键合工艺将驱动质量块弹性支撑梁的立柱10和基片11粘接，驱动电容固定电极4和检测电容的固定电极7也通过键合工艺分别线粘在基片11上。

本发明的全解耦振动式微机械陀螺的工作原理是：

驱动质量块3在驱动质量块弹性支撑梁1的约束下，只能进行y方向的运动，检测质量块8在检测质量块弹性支撑梁2的约束下，只能进行x方向的运动。驱动质量块3在驱动电容固定电极4和驱动电容可动电极5的静电驱动力作用下沿y方向振动时，带动检测质量块8作相同的运动。检测质量块8的y向振动不会引起检测电容的电容量发生变化。

当在z轴方向有角速度输入时，检测质量块8受到沿x轴方向的哥氏力作用，迫使检测质量块8沿x轴方向左右振动。通过检测可动电极6与固定电极7的差动电容量变化，可实现z轴角速度的检测。

在结构设计时，驱动质量块3的弹性支撑梁1沿y轴方向的等效刚度很低，x轴方向的等效刚度很大，驱动质量块3在驱动电容的作用下只能作y轴方向的运动；检测质量块8的弹性支撑梁2沿x轴方向的等效刚度很低，y轴方向的等效刚度很大，检测质量块8在驱动质量块3的带动下可作与驱动质量块3相同的y轴向运动，也可相对驱动质量块3做x轴方向的运动。

当驱动质量块3沿y轴方向振动时，带动检测质量块8沿y轴同时振动。当在z轴方向有角速度输入时，检测质量块8受到沿x轴方向的哥氏力作用，迫使检测质量块8沿x轴方向左右振动，其振幅与输入角速度大小成正比。

本发明的检测电容固定电极7沿y向的长度较大，检测质量块8沿y轴振动时，检测质量块8下面的可动电极6与固定电极7的相对面积并不发生变化，也就是说，检测电容与检测质量的y方向振动无关，因此在结构设计上完全消除了驱动方向的振动对检测电容的干扰。检测质量块8受哥氏力作用沿x轴方向振动时，检测质量块8下面的可动电极6与固定电极7的相对面积发生变化，通过检测可动电极6与固定电极7的差动电容量变化，可实现z轴角速度的检测。

Claims (1)

1.一种全解耦振动式微机械陀螺，其特征在于，该微机械陀螺包括驱动质量块、驱动质量块弹性支撑梁、检测质量块、检测质量块弹性支撑梁、驱动电容可动电极、驱动电容固定电极、检测电容可动电极、检测电容固定电极、立柱和基片；所述的驱动质量块弹性支撑梁通过立柱固定在微机械陀螺的基片上；所述的驱动质量块为方框形，驱动质量块的四角通过驱动质量块弹性支撑梁与立柱相连；所述的检测质量块置于方框形的驱动质量块中，并通过检测质量块弹性支撑梁与驱动质量块相连；所述的驱动电容固定电极固定在微机械陀螺的基片上，所述的驱动电容可动电极与驱动质量块相对固定，驱动电容可动电极与驱动电容固定电极位置相对；所述的检测电容固定电极固定在微机械陀螺的基片上，且位于检测质量块的下方；所述的检测质量块的下表面设有绝缘层，检测电容可动电极固定在绝缘层上，并通过导电柱与检测质量块导通；检测电容可动电极与检测电容固定电极位置相对。

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