CN109682364B - 压电mems解耦结构及mems陀螺仪 - Google Patents

压电mems解耦结构及mems陀螺仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压电MEMS解耦结构及MEMS陀螺仪，该压电MEMS解耦结构，包括：一T型梁结构，包括一体化的横梁和纵梁，该T型梁结构自下而上依次包括：衬底、下电极层和压电材料层；第二上电极，作为检测电极，呈T型，位于T型梁结构之上，关于纵梁中心线对称；以及第一上电极和第三上电极，作为驱动电极，位于纵梁之上，对称分布于纵梁中心线两侧，与第二上电极位于纵梁上的部分相互独立。该解耦结构通过将其整体形状设置为一包含一体化横梁和纵梁的T型梁结构，并在该T型梁结构上设置关于纵梁中心线对称的T型检测电极和在纵梁上对称分布的两个驱动电极，实现了完全解耦，可有效提高陀螺仪的检测精度。

Description

压电MEMS解耦结构及MEMS陀螺仪
技术领域
本公开属于微电子技术领域，涉及一种压电MEMS解耦结构及MEMS陀螺仪。
背景技术
微机电***(MEMS，Micro-electro Mechanical Systems)器件由于具有体积小、功耗低、成本低、易于集成等优势，而被广泛应用在消费电子领域。MEMS陀螺仪是惯性导航中的核心器件，其根据科氏效应原理可检测旋转体的角速度。根据MEMS陀螺仪的基本原理，MEMS陀螺仪包括两个相互正交的谐振模态，即：驱动模态和检测模态。在驱动信号的激励下，陀螺仪结构会发生谐振。当有角速度时，由于科氏效应，在科里奥利力的作用下，在检测电极上会有检测信号输出。
然而由于结构上的耦合效应，当陀螺仪工作在驱动模态时，在没有外界角速度作用的情况下，陀螺仪结构在检测方向上也会有位移变化，检测电极上仍然会有信号输出，该现象即为MEMS陀螺仪的正交耦合效应。陀螺仪的正交耦合现象会严重影响陀螺仪的检测精度等特性，因此需要在结构设计中抑制正交耦合。常见的抑制正交耦合的方法有：静电调谐、驱动模态单自由度设计、检测模态单自由度设计等。但是由于基于科氏效应的陀螺仪本身就是依靠耦合实现的角速度检测，因此难以实现完全的解耦。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种压电MEMS解耦结构及MEMS陀螺仪，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种压电MEMS解耦结构，包括：一T型梁结构1，包括一体化的横梁11和纵梁12，该T型梁结构1自下而上依次包括：衬底101、下电极层102和压电材料层103；第二上电极142，作为检测电极，呈T型，位于T型梁结构1之上，关于纵梁中心线120对称；以及第一上电极141和第三上电极143，作为驱动电极，位于纵梁12之上，对称分布于纵梁中心线120两侧，与第二上电极142位于纵梁12上的部分相互独立。
在本公开的一些实施例中，纵梁12作为驱动梁，横梁11作为检测梁。
在本公开的一些实施例中，在驱动模态下，第一上电极141和第三上电极143连接至一对差分驱动信号，以驱动该T型梁结构1发生面内振动。
在本公开的一些实施例中，第一上电极141和第三上电极143的形状、尺寸相同。
在本公开的一些实施例中，第二上电极142在横梁上的部分呈长条状、蜿蜒状、或其组合。
在本公开的一些实施例中，衬底101的材料包括如下材料的一种或其组合：硅、二氧化硅、以及SOI。
在本公开的一些实施例中，压电材料层103的材料包括如下材料的一种或其组合：压电单晶体、压电多晶薄膜、多晶体压电陶瓷、高分子压电材料、以及聚合物-压电陶瓷复合材料。
在本公开的一些实施例中，压电MEMS解耦结构，还包括：锚点15，位于纵梁12的端点处。
根据本公开的另一个方面，提供了一种MEMS陀螺仪，包括本公开任一项提到的压电MEMS解耦结构。
在本公开的一些实施例中，MEMS陀螺仪，还包括：一质量块2，该质量块2中包含一容置空间，该容置空间用于放置压电MEMS解耦结构的横梁11和纵梁12。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的压电MEMS解耦结构及MEMS陀螺仪，具有以下有益效果：
该解耦结构的整体形状设置为一包含一体化横梁和纵梁的T型梁结构，第一上电极和第三上电极对称分布于纵梁中心线两侧，作为驱动电极，第二上电极为一关于纵梁中心线左右对称的T型电极，作为检测电极；在驱动模态下，基于压电材料的压电效应，通过在上下电极上施加电压，即可驱动整个结构发生面内的谐振，纵梁作为驱动梁，横梁作为检测梁，由于结构耦合，在T型梁的横梁上仍然会有位移变形，即驱动模态的振动会耦合到检测梁上，引起检测梁发生位移变形，由于第二上电极相对纵梁中心线是左右对称的，因正交耦合而导致的检测梁形变会在第二上电极处极化出等量的异号电荷，这些等量的异号电荷在第二上电极实现相互中和，因此T型梁结构和第二上电极的设置使得该结构整体表现为检测电极上无耦合信号输出，即实现了完全解耦，可有效提高陀螺仪的检测精度。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的压电MEMS解耦结构的示意图。
图2为根据本公开一实施例所示的带有两个压电MEMS解耦结构的MEMS陀螺仪的结构示意图。
图3为根据本公开一实施例所示的驱动模态下压电MEMS解耦结构实现解耦的示意图，其中，(a)为检测电极中对应电荷检测位置A、B、F、C、D示意，(b)为检测电极上正负电荷分布示意图。
【符号说明】
1-T型梁结构；
11-横梁； 12-纵梁；
101-衬底； 102-下电极层；
103-压电材料层；
141-第一上电极； 142-第二上电极；
143-第三上电极；
120-纵梁中心线； 15-锚点；
2-质量块。
具体实施方式
为了解决正交耦合现象导致的陀螺仪的检测精度下降、现有的抑制正交耦合的方法不能实现完全解耦的问题，本公开提出一种压电MEMS解耦结构及MEMS陀螺仪，通过将解耦结构的整体形状设置为一包含一体化横梁和纵梁的T型梁结构，并在该T型梁结构上设置关于纵梁中心线对称的T型检测电极和在纵梁上对称分布的两个驱动电极，以实现完全解耦，可有效提高陀螺仪的检测精度。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开中，“呈T型”表示该形状包含相交的一横向和一纵向。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种压电MEMS解耦结构。
图1为根据本公开一实施例所示的压电MEMS解耦结构的示意图。
参照图1所示，本公开的压电MEMS解耦结构，包括：
一T型梁结构1，包括一体化的横梁11和纵梁12，该T型梁结构1自下而上依次包括：衬底101、下电极层102和压电材料层103；
第二上电极142，作为检测电极，呈T型，位于T型梁结构1之上，关于纵梁中心线120对称；以及
第一上电极141和第三上电极143，作为驱动电极，位于纵梁12之上，对称分布于纵梁中心线120两侧，与第二上电极142位于纵梁12上的部分相互独立。
本实施例中，该压电MEMS解耦结构，还包括：锚点15，位于纵梁12的端点处，以进行该压电MEMS解耦结构的固定。
本实施例中，衬底101、下电极层102和压电材料层103的形状均为T型，共同构成T型梁结构1，T型梁结构1与位于该T型梁结构1之上的3个独立的上电极-第一上电极141、第二上电极142和第三上电极143整体形成压电MEMS解耦结构，在驱动模态下，基于压电材料的压电效应，通过在上下电极上施加电压，即可驱动整个结构发生面内的谐振。
下面来详细介绍本实施例的压电MEMS解耦结构的各个部分。
本实施例中，衬底101的材料包括如下材料的一种或几种：硅、二氧化硅、以及SOI(硅绝缘体，也称绝缘体上硅，在顶层硅和绝缘衬底硅之间包含一埋氧层)。
本实施例中，压电材料层103的材料包括如下材料的一种或几种：压电单晶体、压电多晶薄膜、多晶体压电陶瓷、高分子压电材料、以及聚合物-压电陶瓷复合材料，比如：氮化铝、石英、压电陶瓷等。
本实施例中，第一上电极141和第三上电极143，作为驱动电极，位于纵梁12之上，对称分布于纵梁中心线120两侧。在驱动模态下，在第一上电极141和第三上电极143连接至一对差分驱动信号，可以驱动该T型梁结构1发生面内振动。
本实施例中，对应纵梁12作为驱动梁，横梁11作为检测梁。第二上电极142，作为检测电极，呈T型，位于T型梁结构1之上，关于纵梁中心线120对称。
在本公开的一些实施例中，第一上电极141和第三上电极143的形状、尺寸相同。
例如，本实施例中，第一上电极141和第三上电极143均为矩形，且第一上电极141和第三上电极143的长度相等，宽度也相等。当然，在其它实施例中，第一上电极141和第三上电极143还可以是其他的形状。
在本公开的一些实施例中，第二上电极142在横梁上的部分呈长条状、蜿蜒状、或其组合。
例如，本实施例中，第二上电极142在横梁上的部分呈蜿蜒状。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种包含上述压电MEMS解耦结构的MEMS陀螺仪。
图2为根据本公开一实施例所示的带有两个压电MEMS解耦结构的MEMS陀螺仪的结构示意图。
参照图2所示，本实施例的MEMS陀螺仪，包括：两个压电MEMS解耦结构，以及一质量块2，该质量块2中包含一容置空间，该容置空间用于放置两个压电MEMS解耦结构的横梁11和纵梁12。
在本实施例中，如图2所示，两个压电MEMS解耦结构的锚点15，位于纵梁12的端点处。
为方便描述该压电MEMS解耦结构的解耦原理和特性，下面结合具体陀螺仪完整结构加以说明。
本实施例中，图2中的MEMS陀螺仪包含两个压电MEMS解耦结构和一个质量块2，2个锚点15分别设置在2个T型梁结构1的纵梁12的端点处。第一上电极141和第三上电极143作为一对差分驱动电极，驱动整个结构发生面内的振动，即为该MEMS陀螺仪的驱动模态，该MEMS陀螺仪(下面简称陀螺仪)用于检测z轴方向(即垂直于陀螺仪平面方向)的角速度。当有z轴的角速度作用在陀螺仪上时会产生科里奥利力，在科里奥利力的作用下陀螺仪的结构在x轴方向会发生振动，此振动模态即为检测模态，该检测模态的信号可由第二上电极142检测。以上即为该陀螺仪工作的基本原理。
正交耦合指的是，在没有外界角速度作用时，由陀螺仪的驱动模态耦合到检测结构上的信号大小。在本公开所示的包含压电MEMS解耦结构的MEMS陀螺仪中，敏感部件为T型梁结构1，该T型梁结构1的纵梁12作为驱动梁，横梁11作为检测梁。当陀螺仪工作在驱动模态时，由于结构耦合，在T型梁结构1的横梁11上仍然会有位移变形，即驱动模态的振动会耦合到检测梁上，引起检测梁发生位移变形。而本公开中的第二上电极142是关于纵梁中心线120左右对称的，因正交耦合而导致的检测梁形变会在第二上电极142处极化出等量的异号电荷，这些等量的异号电荷在第二上电极142上会相互中和，因此T型梁结构和第二上电极的设置使得该结构整体表现为检测电极-第二上电极142上无耦合信号输出，即实现了完全解耦。
图3为根据本公开一实施例所示的驱动模态下压电MEMS解耦结构实现解耦的示意图，其中，(a)为检测电极中对应检测电荷位置A、B、F、C、D示意，(b)为检测电极上正负电荷分布示意图。
在一实例中，如图3中(a)所示，在驱动模态下，检测电极(第二上电极142)位于横梁11上的部分设置几个对称分布的电荷检测位置A、B、F(位于中心)、C(与A对称)、D(与B对称)，其电荷分布情况对应如图3中(b)所示，第二上电极142位于横梁上的部分关于纵梁中心线120左右对称，对应在中心点F左侧的A、B点呈现不同量的正电荷，对应在A、B点对称分布的位置C(与A对称)、D(与B对称)点呈现分别与A、B点等量的负电荷，如此一来，等量的异号电荷会在检测电极上发生相互中和。
综上所述，本公开提供了一种压电MEMS解耦结构及MEMS陀螺仪，通过将解耦结构的整体形状设置为一包含一体化横梁和纵梁的T型梁结构，并在该T型梁结构上设置关于纵梁中心线对称的T型检测电极和在纵梁上对称分布的两个驱动电极，第一上电极和第三上电极对称分布于纵梁中心线两侧，作为驱动电极，第二上电极为一关于纵梁中心线左右对称的T型电极，作为检测电极；在驱动模态下，基于压电材料的压电效应，通过在上下电极上施加电压，即可驱动整个结构发生面内的谐振，纵梁作为驱动梁，横梁作为检测梁，由于结构耦合，在T型梁的横梁上仍然会有位移变形，即驱动模态的振动会耦合到检测梁上，引起检测梁发生位移变形，由于第二上电极相对纵梁中心线是左右对称的，因正交耦合而导致的检测梁形变会在第二上电极处极化出等量的异号电荷，这些等量的异号电荷在第二上电极实现相互中和，因此T型梁结构和第二上电极的设置使得该结构整体表现为检测电极上无耦合信号输出，即实现了完全解耦，可有效提高陀螺仪的检测精度。
应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“电连接”至该另一元件。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压电MEMS解耦结构，其特征在于，包括：
一T型梁结构(1)，包括一体化的横梁(11)和纵梁(12)，该T型梁结构(1)自下而上依次包括：衬底(101)、下电极层(102)和压电材料层(103)；
第二上电极(142)，作为检测电极，呈T型，位于所述T型梁结构(1)之上，关于纵梁中心线(120)对称；以及
第一上电极(141)和第三上电极(143)，作为驱动电极，位于所述纵梁(12)之上，对称分布于纵梁中心线(120)两侧，与所述第二上电极(142)位于纵梁(12)上的部分相互独立。
2.根据权利要求1所述的压电MEMS解耦结构，其中，所述纵梁(12)作为驱动梁，横梁(11)作为检测梁。
3.根据权利要求1所述的压电MEMS解耦结构，其中，在驱动模态下，所述第一上电极(141)和第三上电极(143)连接至一对差分驱动信号，以驱动该T型梁结构(1)发生面内振动。
4.根据权利要求1所述的压电MEMS解耦结构，其中，所述第一上电极(141)和第三上电极(143)的形状、尺寸相同。
5.根据权利要求1所述的压电MEMS解耦结构，其中，所述第二上电极(142)在横梁上的部分呈长条状、蜿蜒状、或其组合。
6.根据权利要求1所述的压电MEMS解耦结构，其中，所述衬底(101)的材料包括如下材料的一种或其组合：硅、二氧化硅、或SOI。
7.根据权利要求1所述的压电MEMS解耦结构，其中，所述压电材料层(103)的材料包括如下材料的一种或其组合：压电单晶体、压电多晶薄膜、多晶体压电陶瓷、高分子压电材料、以及聚合物-压电陶瓷复合材料。
8.根据权利要求1所述的压电MEMS解耦结构，还包括：
锚点(15)，位于所述纵梁(12)的端点处。
9.一种MEMS陀螺仪，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的压电MEMS解耦结构。
10.根据权利要求9所述的MEMS陀螺仪，还包括：一质量块(2)，该质量块(2)中包含一容置空间，该容置空间用于放置所述压电MEMS解耦结构的横梁(11)和纵梁(12)。
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