CN112747731B - 一种基于面外振动的五质量块双轴检测硅微谐振式陀螺 - Google Patents

一种基于面外振动的五质量块双轴检测硅微谐振式陀螺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于面外振动的五质量块双轴检测硅微谐振式陀螺，包括第一质量块、极板衬底、传递梁、2个处于对称位置敏感Y轴角速度的质量块、2个处于对称位置敏感X轴角速度的质量块、检测梳齿、锚点、杠杆支撑梁和边框。利用第一质量块与极板衬底形成电容结构使第一质量块产生Z轴方向上的简谐振动，通过第一质量块与其他四个质量块之间的支撑梁将该简谐运动传递到其他四个质量块上，使其他四个质量块实现与第一质量块相同的Z轴方向上的简谐运动，当X轴或Y轴方向的角速度发生，在四个质量块上产生科式力，通过梳齿检测结构实现对X轴和Y轴方向的角速度检测。本发明实现了面外振动五质量块双轴角速度的实时、高精度、高灵敏度的测量。

Description

一种基于面外振动的五质量块双轴检测硅微谐振式陀螺
技术领域
本发明属于微/纳机电***的技术领域，具体涉及一种基于面外振动的五质量块双轴检测硅微谐振式陀螺。
背景技术
陀螺是一种测量被测物体在空间中旋转角速度的传感器，故可用陀螺来辨别物体在单位时间内旋转的角度，是惯性导航领域重要的器件，在姿态控制等方面发挥着重要的作用。传统的陀螺仪包括机械转子陀螺、液浮陀螺、挠性陀螺、激光陀螺和光纤陀螺等。自上世纪八十年代开始，以IC工艺为基础的微机械加工技术开始应用于传感器的制造，此技术的诞生，极大的推动了微机械陀螺的发展，人们开始研制硅微型机械陀螺仪。1988年美国Draper实验室设计并加工出有报道以来的世界上第一只硅微机械陀螺。微机械陀螺的工作原理与振动式压电晶体陀螺相同。但加工方法、器件特性和应用前景等方面与压电晶体陀螺有着显著的区别。微机械陀螺是在单晶硅或石英晶体上借助半导体加工工艺制作，并把相关的电子线路也集成在同一芯片上。这种微电子与微机械的结合，满足了汽车、控制、消费电子等廉价、低精度陀螺的需求。
陀螺在不受外界力时，处于自由振动状态；当受到外界力的作用，陀螺受迫振动。当外界力的驱动频率与陀螺本身检测频率尽可能接近时，称陀螺处于谐振状态。在谐振状态下，陀螺会以最大振幅做简谐运动，实现最大的灵敏度。日本学者研制了一种梳齿式静电驱动，角速度敏感质量块在哥氏力作用下Z向振动的微机械陀螺。该陀螺是利用表面多晶硅加工技术制作的，采用了离子刻蚀调整结构参数来匹配驱动模态的谐振频率和检测模态的谐振频率以获得高灵敏度。加州大学伯克利分校报道了一种集成表面硅微工艺制作的梳状驱动、梳状电容检测的振动式微机械Z轴陀螺。加利福尼亚大学欧文分校采用两个机械结构，并将一个构件谐振的能量耦合到第二个构件中，对第二个构件的运动进行测量，实现两个自由度陀螺结构的设计。
针对现有的MEMS陀螺结构的研究调查均是对单轴角速度的测量，而对于同一时间点实现两个轴向角速度测量的解决办法是将两个单轴陀螺正交放置输出两个信号，也就是说同时使用两个单独的单轴陀螺来实现对两个轴向角速度的测量，没有实现一个陀螺结构对两个轴向角速度的同时检测。本发明设计的一种基于面外振动的五质量块双轴检测振动陀螺可以满足单独装置实时对两个轴向角速度的测量，从而使惯性测量单元中双轴检测的陀螺器件更好的发挥出体积小、结构灵活的优势。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有MEMS振动陀螺只能实现单轴检测的特点，提供一种可以同时实现双轴检测、结构灵活的一种基于面外振动的五质量块双轴检测硅微谐振式陀螺，实现一个器件同时完成两个轴向角速度的检测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于面外振动的五质量块双轴检测硅微谐振式陀螺，包括第一质量块、极板衬底、Y轴方向第一质量块、X轴方向第一质量块、Y轴方向第二质量块、X轴方向第二质量块、检测梳齿固定结构、检测梳齿可动结构、锚点、锚点质量块弹性梁、质量块连接梁、锚点框架连接梁和边框，检测梳齿固定结构与锚点固定在极板衬底上，第一质量块通过锚点质量块弹性梁与锚点连接，使第一质量块处于悬空状态，可以满足在Z轴方向的简谐振动；第一质量块与Y轴方向第一质量块、X轴方向第一质量块、Y轴方向第二质量块和X轴方向第二质量块分别通过质量块连接梁进行连接并处于悬空状态；检测梳齿可动结构与Y轴方向第一质量块、X轴方向第一质量块、Y轴方向第二质量块、X轴方向第二质量块均分别连接成一体，可与其实现在X轴、Y轴与Z轴方向上的产生的位移，并与检测梳齿固定结构形成检测梳齿电容；框架通过锚点框架连接梁与锚点连接形成固定结构；Y轴方向第一质量块、X轴方向第一质量块、Y轴方向第二质量块、X轴方向第二质量块几何尺寸一致，内部检测梳齿固定结构与检测梳齿可动结构振动方向有所差异。
进一步地，检测梳齿固定结构与锚点材料相同同为单晶硅固定在极板衬底上，且厚度相同；Y轴方向第一质量块、X轴方向第一质量块、Y轴方向第二质量块、X轴方向第二质量块、检测梳齿可动结构、锚点质量块弹性梁、质量块连接梁、锚点框架连接梁和边框材料相同并为单晶硅处于悬空状态，且底层处于同一水平面上，厚度相同。
进一步地，通过第一次刻蚀工艺在一块平整结构的单晶硅上将检测梳齿固定结构与锚点的柱状根部支撑部分加工成型；通过第二次刻蚀工艺将第一质量块、Y轴方向第一质量块、X轴方向第一质量块、Y轴方向第二质量块、X轴方向第二质量块、锚点质量块弹性梁、质量块连接梁、锚点框架连接梁和边框加工成型；通过第三次刻蚀工艺将位于Y轴方向第一质量块、X轴方向第一质量块、Y轴方向第二质量块、X轴方向第二质量块结构之中的检测梳齿可动结构加工成型；最后将加工出来的硅片进行翻转，在第一质量块的对面，即锚点的另一个端面固定好极板衬底。
进一步地，第一质量块、Y轴方向第一质量块、X轴方向第一质量块、Y轴方向第二质量块、X轴方向第二质量块、检测梳齿可动结构、锚点质量块弹性梁、质量块连接梁、锚点框架连接梁和边框均在同一水平面上；Y轴方向第一质量块与Y轴方向第二质量块在法向方向的位置完全对称，X轴方向第一质量块与X轴方向第二质量块在轴向方向的位置完全对称，且尺寸完全相同，该两对对称结构可同时感受被测角速度和环境的影响。
进一步地，该陀螺第一质量块与极板衬底形成电容结构，在通电状态下可实现第一质量块在面外(即Z轴)方向的简谐振动，该振动通过质量块连接梁分别传递给Y轴方向第一质量块、X轴方向第一质量块、Y轴方向第二质量块、X轴方向第二质量块使四个对称质量块处于面外(Z轴)方向的谐振状态，当X轴或Y轴的角速度产生，由科式原理可知，位于对称状态的两对质量块感受到科式力的作用产生沿该方向的位移，质量块的位移带动内部检测梳齿可动结构的位移，使检测梳齿进入变间隙式电容检测工作状态，实现电容检测。故该陀螺的激励—拾振方式均为电学方式，静电驱动，电容检测。
本发明原理在于：一种基于面外振动的五质量块双轴检测硅微谐振式陀螺，包括第一质量块、极板衬底、Y轴方向第一质量块、X轴方向第一质量块、Y轴方向第二质量块、X轴方向第二质量块、检测梳齿固定结构、检测梳齿可动结构、锚点、锚点质量块弹性梁、质量块连接梁、锚点框架连接梁和边框。
检测梳齿固定结构与锚点均固定在极板衬底上；Y轴方向第一质量块、X轴方向第一质量块、Y轴方向第二质量块、X轴方向第二质量块均通过质量块连接梁与第一质量块连接在一起，分别形成轴对称结构且Y轴方向第一质量块、X轴方向第一质量块、Y轴方向第二质量块、X轴方向第二质量块均尺寸一致；第一质量块与锚点通过锚点框架连接梁进行连接。
其中，所述第一质量块通过锚点连接梁与锚点连接，使第一质量块与Y轴方向第一质量块、X轴方向第一质量块、Y轴方向第二质量块、X轴方向第二质量块均处于同一水平面上的悬空状态；第一质量块、Y轴方向第一质量块、X轴方向第一质量块、Y轴方向第二质量块、X轴方向第二质量所用材料相同且通过质量块连接梁连接可以具有相同的垂直于质量块平面的振动，由此形成一个整体。
其中，检测梳齿固定结构底部与极板衬底连接不可动，检测梳齿可动部分与Y轴方向第一质量块、X轴方向第一质量块、Y轴方向第二质量块、X轴方向第二质量块内部连接，可随质量块的运动产生位移，并与检测梳齿固定结构形成检测电容结构。
其中，第一质量块与锚点通过锚点连接梁连接，锚点连接梁在X轴和Y轴向具有很大的刚度，在Z轴向上刚度较小，使第一质量块可以在Z轴向上产生运动而在X轴和Y轴方向上的位移较小。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明中，通过第一质量块产生的面外振动带动其他四个轴向的质量块同时产生面外振动，进而通过其他四个质量块实现同时对两个轴向角速度的测量，满足了同一陀螺结构对双轴角速度的检测的要求，使陀螺的体积更小、两个轴向角速度检测更快、抗冲击性更强，实现了MEMS双轴检测陀螺可靠性更好、对称测量减小共模干扰等特点，在航空、航天、航海、工业、消费电子领域具有很大的应用潜力。
附图说明
图1为本发明一种基于面外振动的五质量块双轴检测振动陀螺的结构俯视图；
图2为本发明一种基于面外振动的五质量块双轴检测振动陀螺的立体结构图；
图3为本发明一种基于面外振动的五质量块双轴检测振动陀螺的敏感结构图；
图4为科式效应示意图；
图5为科氏加速度分析图；
图6为平行板电容模型。
图中：1为第一质量块；2为极板衬底；3为Y轴方向第一质量块；4为X轴方向第一质量块；5为Y轴方向第二质量块；6为X轴方向第二质量块；7为检测梳齿固定结构；8为检测梳齿可动结构；9为锚点；10为锚点质量块弹性梁；11为质量块连接梁；12为锚点框架连接梁；13为边框。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1-3所示，一种基于面外振动的五质量块双轴检测谐振式陀螺角速度传感器，包括第一质量块1、极板衬底2、Y轴方向第一质量块3、X轴方向第一质量块4、Y轴方向第二质量块5、X轴方向第二质量块6、检测梳齿固定结构7、检测梳齿可动结构8、锚点9、锚点质量块弹性梁10、质量块连接梁11、锚点框架连接梁12和边框13。
该陀螺结构均为硅材料可以通过选择比较成熟的体硅或者表面硅工艺技术实现硅材料的制备，并通过利用刻蚀工艺、硅与极板衬底键合工艺实现陀螺结构，并实现大规模的制备生产。
将一片厚度较厚的硅片清洗干净，在其中的一面(选定后我们认为该面为第二面，下均称2面，另一面为1面)2面进行第一次光刻，光刻后进行第一次刻蚀形成锚点9与检测梳齿固定结构7的根部柱状结构与刻蚀好的平板硅片。
在第一次刻蚀后的平板硅片上进行第二次掩膜光刻，并进行刻蚀，刻蚀出第一质量块1、Y轴方向第一质量块3、X轴方向第一质量块4、Y轴方向第二质量块5、X轴方向第二质量块6、锚点9、锚点质量块弹性梁10、质量块连接梁11、锚点框架连接梁12和边框13的具体细节和结构。
在第二次刻蚀的基础上进行第三次掩膜光刻，并刻蚀出检测梳齿固定结构7、检测梳齿可动结构8的梳齿部分，使其形成梳齿检测结构。
在2面上锚点9与检测梳齿固定结构7柱状结构的根部我们将金属极板衬底与根部进行键合，将整个陀螺立体状态放置在金属极板衬底上，形成如图2所示的立体结构。
在1面上通过硅—电极键合工艺对第一质量块1、检测梳齿固定结构7和检测梳齿可动结构8进行电极键合，使第一质量块1可以通过电极得到电场力驱动，使检测梳齿固定结构7和检测梳齿可动结构8可以通过电极检测电容值发生的变化。
敏感结构部分如图3所示，同为硅材料形成的检测梳齿电容结构，通过第二次刻蚀实现制作，并通过金属极板衬底2的键合使检测梳齿固定结构7固定在金属极板衬底2上。
本发明的原理及工作过程是：第一质量块1与金属极板衬底2形成平行板电容结构，通过电极使第一质量块1与金属极板衬底2产生静电力，驱动第一质量块1在Z轴方向产生振动。第一质量块1因受锚点质量块弹性梁在X轴和Y轴向的限制，只能在Z轴方向上振动。并通过质量块弹性梁带动Y轴方向第一质量块3、X轴方向第一质量块4、Y轴方向第二质量块5、X轴方向第二质量块6在Z轴方向上共同振动。因另四个质量块只有质量块弹性梁带动而没有其他轴向的限制故可以无损承接来自于第一质量块1在Z轴方向上的振动，五个质量块同时同频振动。
当X轴向的角速度发生，位于Y轴方向第一质量块3与Y轴方向第二质量块5感受到科式力在Y轴方向上产生微小位移，位于Y轴方向第一质量块3与Y轴方向第二质量块5内部的检测梳齿可动结构8产生位移与检测梳齿固定结构7形成的电容输出产生变化，通过电容模拟信号的输出实现对X轴向角速度的检测。
当Y轴向的角速度发生，位于X轴方向第一质量块4与X轴方向第二质量块6感受到科式力在X轴方向上产生微小位移，位于X轴方向第一质量块4与X轴方向第二质量块6内部的检测梳齿可动结构8产生位移与检测梳齿固定结构7形成的电容输出产生变化，通过电容模拟信号的输出实现对Y轴向角速度的检测。
在本发明中，第一质量块1与金属极板衬底2形成的平行板电容通过静电力为五个质量块提供Z轴方向上的振动使五个质量块在Z轴方向上处于谐振状态。当X轴向和Y轴向的两种角速度同时输入，位于Y轴方向第一质量块3与Y轴方向第二质量块5敏感X轴向的角速度，位于X轴方向第一质量块4与X轴方向第二质量块6敏感Y轴向的角速度，通过各自质量块将科式力的变化转化为变面积式电容输出变化，实现对正交轴向角速度的测量。
如图5所示，设A为静坐标系OXYZ，B为动坐标系O’X’Y’Z’，且以角速度Ω转动。
则位移矢量：
Figure BDA0002866526370000061
式中：
Figure BDA0002866526370000062
表示相对A坐标系的位移矢量；
Figure BDA0002866526370000063
表示B坐标系的旋转位移矢量；
Figure BDA0002866526370000064
表示相对B坐标系的位移矢量；
位移矢量对时间求一阶导数为速度矢量，对时间求二阶导数为加速度矢量，可得：
Figure BDA0002866526370000065
Figure BDA0002866526370000066
式中，
Figure BDA0002866526370000067
——动坐标系B的相对速度
Figure BDA0002866526370000068
——动坐标系B的线性加速度；
Figure BDA0002866526370000069
——动点相对于动坐标系B的旋转加速度；
Figure BDA00028665263700000610
——动点的相对加速度；
Figure BDA00028665263700000611
——动点的牵连加速度；
Figure BDA00028665263700000612
——动点的科氏加速度；
动点的绝对加速度包含牵连加速度、相对加速度以及科氏加速度。
科氏加速度为：
Figure BDA00028665263700000613
方向垂直于牵连角速度
Figure BDA00028665263700000614
与
Figure BDA00028665263700000615
相对速度所组成的平面。在该一种基于面外振动的五质量块双轴检测谐振式陀螺角速度传感器中，第一质量块1与极板衬底2形成的驱动电容使第一质量块1在Z轴方向振动为相对速度所在平面，当X轴加速度发生为牵连加速度平面，则垂直于Z轴和X轴的Y轴产生科氏加速度；同理当Y轴加速度发生，垂直于Z轴和Y轴的X轴产生科氏加速度，进而产生科式力。
如图6所示，为平行板电容模型，ε为平行板电容的介电常数，L为相对长度，b为相对宽度，d0为平行板电容的间距，则电容的表达式为：
Figure BDA0002866526370000071
通过改变相对长度L和间距d0可实现对电容值的改变。通过电容值改变可以获取静电力的驱动。同样当外力使电容值发生变化，可以通过检测电容值变化得到外力值的大小。

Claims (1)

1.一种基于面外振动的五质量块双轴检测硅微谐振式陀螺，包括第一质量块(1)、极板衬底(2)、Y轴方向第一质量块(3)、X轴方向第一质量块(4)、Y轴方向第二质量块(5)、X轴方向第二质量块(6)、检测梳齿固定结构(7)、检测梳齿可动结构(8)、锚点(9)、锚点质量块弹性梁(10)、质量块连接梁(11)、锚点框架连接梁(12)和边框(13)，其特征在于：检测梳齿固定结构(7)与锚点(9)固定在极板衬底(2)上，第一质量块(1)通过锚点质量块弹性梁(10)与锚点(9)连接，使第一质量块(1)处于悬空状态，可以满足在Z轴方向的简谐振动；第一质量块(1)与Y轴方向第一质量块(3)、X轴方向第一质量块(4)、Y轴方向第二质量块(5)和X轴方向第二质量块(6)分别通过质量块连接梁(11)进行连接并处于悬空状态；检测梳齿可动结构(8)与Y轴方向第一质量块(3)、X轴方向第一质量块(4)、Y轴方向第二质量块(5)、X轴方向第二质量块(6)均分别连接成一体，可与其实现在X轴、Y轴与Z轴方向上的产生的位移，并与检测梳齿固定结构(7)形成检测梳齿电容；边框(13)通过锚点框架连接梁(12)与锚点(9)连接形成固定结构；Y轴方向第一质量块(3)、X轴方向第一质量块(4)、Y轴方向第二质量块(5)、X轴方向第二质量块(6)几何尺寸一致，内部检测梳齿固定结构(7)与检测梳齿可动结构(8)振动方向有所差异；
检测梳齿固定结构(7)与锚点(9)材料相同同为单晶硅固定在极板衬底(2)上，且厚度相同；Y轴方向第一质量块(3)、X轴方向第一质量块(4)、Y轴方向第二质量块(5)、X轴方向第二质量块(6)、检测梳齿可动结构(8)、锚点质量块弹性梁(10)、质量块连接梁(11)、锚点框架连接梁(12)和边框(13)材料相同并为单晶硅处于悬空状态，且底层处于同一水平面上，厚度相同；
通过第一次刻蚀工艺在一块平整结构的单晶硅上将检测梳齿固定结构(7)与锚点(9)的柱状根部支撑部分加工成型；通过第二次刻蚀工艺将第一质量块(1)、Y轴方向第一质量块(3)、X轴方向第一质量块(4)、Y轴方向第二质量块(5)、X轴方向第二质量块(6)、锚点质量块弹性梁(10)、质量块连接梁(11)、锚点框架连接梁(12)和边框(13)加工成型；通过第三次刻蚀工艺将位于Y轴方向第一质量块(3)、X轴方向第一质量块(4)、Y轴方向第二质量块(5)、X轴方向第二质量块(6)结构之中的检测梳齿可动结构(8)加工成型；最后将加工出来的硅片进行翻转，在第一质量块(1)的对面，即锚点(9)的另一个端面固定好极板衬底；
第一质量块(1)、Y轴方向第一质量块(3)、X轴方向第一质量块(4)、Y轴方向第二质量块(5)、X轴方向第二质量块(6)、检测梳齿可动结构(8)、锚点质量块弹性梁(10)、质量块连接梁(11)、锚点框架连接梁(12)和边框(13)均在同一水平面上；Y轴方向第一质量块(3)与Y轴方向第二质量块(5)在法向方向的位置完全对称，X轴方向第一质量块(4)与X轴方向第二质量块(6)在轴向方向的位置完全对称，且尺寸完全相同，该两对对称结构可同时感受被测角速度和环境的影响；
该陀螺第一质量块(1)与极板衬底(2)形成电容结构，在通电状态下可实现第一质量块在面外(即Z轴)方向的简谐振动，该振动通过质量块连接梁(11)分别传递给Y轴方向第一质量块(3)、X轴方向第一质量块(4)、Y轴方向第二质量块(5)、X轴方向第二质量块(6)使四个对称质量块处于面外(Z轴)方向的谐振状态，当X轴或Y轴的角速度产生，由科式原理可知，位于对称状态的两对质量块感受到科式力的作用产生沿该方向的位移，质量块的位移带动内部检测梳齿可动结构(8)的位移，使检测梳齿进入变间隙式电容检测工作状态，实现电容检测；故该陀螺的激励—拾振方式均为电学方式，静电驱动，电容检测。
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