专利名称：解耦微机械陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种角速度传感器，尤其涉及解耦微机械陀螺。
背景技术：
微机械陀螺是在硅微加工技术基础上发展起来的 一种角速度传感器， 其利用科里奥利力来测量物体的旋转角速度。与传统的角速度传感器相 比，微机械陀螺的体积较小、重量较轻、成本更低，同时还具有可靠性高、 抗振动冲击能力强、可大批量生产、价格便宜等诸多优点，因而在航空航 天、机器人自动控制、惯性导航、武器制导、汽车、消费类电子产品等领 域有非常广泛的应用前景。
微机械陀螺工作时，驱动和检测两个模态的机械耦合会严重影响陀螺 的性能，解决方法是增加结构复杂度，使驱动部分与检测部分独立运动，
实现所谓解耦结构。例如在申请号为200610010099.9的中国专利申请中公 开了 一种对称结构双级解耦单晶硅微机械陀螺仪，其采用完全对称的器件 结构、切向驱动和切向运动检测方式来降低系统阻尼获得较高的品质因 子，从而降低驱动模态和4企测才莫态之间的耦合。文献"A Single-Crystal Silicon Symmetrical and Decoupled MEMS Gyroscope on an Insulating Substrate. Journal of Microelectromechanical Systems.Vol.14, No.4, AUGUST 2005"也描述了一种完全对称的解耦微机械陀螺，它的驱动模态和检测模 态的固有频率完全匹配，从而提高了陀螺的解耦性。
然而以上介绍的微机械陀螺均存在如下缺陷由于微机械制造工艺中 刻蚀深宽比的限制，硅片的厚度较薄，使梳齿结构的检测电容较小，电容 的变化量也非常小，测量难度较大，从而限制了陀螺的灵敏度。此外，驱 动模态的振幅不能维持恒定，因此很难对角速度进行准确测量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种具有较高灵 敏度的微机械陀螺。根据本发明的一个方面，提供一种解耦微机械陀螺，包括玻璃衬底； 金属电极，其覆盖在所述玻璃衬底表面；可移动的中央质量块，其通过内 侧检测支撑梁与驱动梳齿结构相连接，并通过内侧驱动支撑梁与检测梳齿 结构相连接，其中，所述中央质量块和金属电极呈栅状，并且在检测梳齿 结构的电容发生变化时，所述中央质量块和金属电极之间的电容也发生变 化。
根据本发明的另 一个方面，所述中央质量块和金属电极的栅格排列方 向均与陀螺的驱动方向垂直。
其中，所述中央质量块为对称栅状结构，所述金属电极为叉指栅状结构。
根据本发明的再一个方面，还包括
驱动梳齿结构，其对称分布在所述中央质量块的左右两侧，通过内侧 检测支撑梁与所述中央质量块的上下两边相连接，并通过外侧驱动支撑梁 与位于所述驱动才危齿结构上下两端的锚点相连接；
检测梳齿结构，其对称分布在所述中央质量块的上下两侧，通过内侧 驱动支撑梁与所述中央质量块的左右两边相连接，并通过外侧检测支撑梁 与位于所述检观'J梳齿结构左右两端的锚点相连接；
驱动电极，呈梳齿状，其对称分布在所述驱动梳齿结构的左右两侧， 并与所述驱动梳齿结构配合，通过自己的锚点固定在所述玻璃衬底上；
检测电极，呈梳齿状，其对称分布在所述检测梳齿结构的上下两侧， 并与所述检测梳齿结构配合，通过自己的锚点固定在所述玻璃衬底上；
其中所述外侧驱动支撑梁和外侧^r测支撑梁完全相同，所述锚点设置 在所述外侧驱动支撑梁和外侧检测支撑梁的相交处。
根据本发明的又一个方面，还包括
驱动反馈电极，呈梳齿状，其位于所述驱动梳齿结构邻近所述中央质量 块的一侧或远离所述中央质量块的一侧，与所述驱动梳齿结构配合，并且通 过自己的锚点固定在所述玻璃衬底上，用于测量驱动模态的振幅并反馈给所 述驱动电极。
与现有技术相比，本发明具有以下优点
1.除梳齿结构的检测电容外，还提供了另一组栅状结构的检测电容， 从而使陀螺工作时能够检测到的电容变化量增加，提高陀螺的灵敏度；
52.能够充分利用空间，节约陀螺的制造成本。
图1为本发明实施例的硅结构示意图2为本发明实施例的玻璃衬底上的栅状金属电极示意图3示意了本发明的优选实施例中与玻璃村底相连接的硅结构的锚
占
附图标记一览表
1—玻璃衬底；2—可移动的中央质量块；3—驱动梳齿结构；4一检测梳齿 结构；5—驱动电极；6—驱动反馈电极；7—4企测电极；8—金属电极；9 _锚点；IO—外侧驱动支撑梁；ll一外侧检测支撑梁；12—硅结构；13— 内侧检测支撑梁；14—内侧驱动支撑梁。
具体实施例方式
以下，通过本发明的 一个优选的实施例说明本发明的优点。 图1为本发明优选实施例的微机械陀螺的硅结构示意图。该硅结构12 包括
可移动的对称栅状中央质量块2,其具有沿y轴方向排列的栅格，其 中所述y轴为才全测方向，与之垂直的x轴为驱动方向；所述中央质量块的 上下两边通过内侧检测支撑梁13与驱动梳齿结构3相连接，而其左右两 边通过内侧驱动支撑梁14与检测梳齿结构4相连接；
驱动梳齿结构3,其对称分布在所述中央质量块的左右两侧，通过外 侧驱动支撑梁10与位于所述驱动梳齿结构上下两端的锚点9相连接；
检测梳齿结构4，其对称分布在所述中央质量块的上下两侧，通过外 侧检测支撑梁11与位于所述检测梳齿结构左右两端的锚点9相连接；
驱动电极5，呈梳齿状，其对称分布在所述驱动梳齿结构的左右两侧 并与所述驱动梳齿结构配合，通过自己的锚点固定在玻璃衬底1上(如图 3所示);
检测电极7，呈梳齿状，其对称分布在所述检测梳齿结构的上下两侧 并与所述检测梳齿结构配合，通过自己的锚点固定在所述玻璃衬底上；
由于所述驱动支撑梁与检测支撑梁完全相同，两个振动模态的固有频 率可以完全匹配。
6可选地，还可以使用驱动反馈电极6。所述驱动反馈电极呈梳齿状并 与所述驱动梳齿结构配合，其可以位于所述驱动梳齿结构邻近所述中央质 量块的一侧(如图1所示)，也可以位于远离所述中央质量块的一侧(未 示出)，并通过自己的锚点固定在所述玻璃衬底上。其用于测量驱动模态 的振幅并反馈给所述驱动电极，从而达到维持驱动模态振幅恒定的目的。
图2为本发明优选实施例的玻璃衬底上的栅状金属电极示意图。金属 电极8为叉指栅状结构，其通常利用本领域公知的賊射等方法覆盖在所述 玻璃衬底上。所述栅状金属电极的栅格同样沿y轴方向排列，用以在陀螺 工作时和所述中央质量块产生电容变化。
图3示意了本发明的优选实施例中与玻璃衬底相连接的硅结构的锚 点。如图3所示，由于锚点9设置在所述外侧检测支撑梁与所述外侧驱动 支撑梁的相交处，使得驱动模态和检测模态的振动相对独立，系统具有很好 的解耦特性。
对于本领域的技术人员来说，应该理解，所述中央质量块和金属电极
如其栅格的边长、数量及排列等仅为示例性的。该构造的目的是，在陀螺 产生梳齿结构检测电容的同时，还可以由所述中央质量块与金属电极形成 栅状结构检测电容。优选地，所述中央质量块和金属电极的栅格排列方向 均与陀螺的驱动方向垂直。
当该微机械陀螺工作时，分别在所述驱动电极上施加^h。。sin纽，并将 所述中央质量块接地，中央质量块会受到交变的静电力作用而发生X轴方 向的振动，所述驱动反馈电极与驱动梳齿结构之间的电容发生改变，通过 测量这一电容变化并将其反馈到所述驱动电极，使得所述中央质量块以稳 定的振幅振动。当z方向有角速度输入时，中央质量块在哥氏力的作用下 在y轴方向产生振动。因此y轴方向的振动使得所述检测梳齿结构的电容 发生变化，同时所述中央质量块与玻璃衬底上的金属电极间的电容也会发 生变化，同时测量这两组电容变化，进行叠加，就可求出输入角速度的值。 所述检测梳齿结构的电容指检测梳齿结构与其两侧的4全测电极之间的电 容。
本实施例采用完全对称的器件结构，使得驱动模态和检测模态的固有 频率完全匹配，对工艺误差的容忍性较强。通过设计驱动桥L齿结构、检测 梳齿结构和锚点的连接关系，使得所述驱动梳齿结构只能在x轴方向振动，所述检测梳齿结构只能在y轴方向振动，从而实现了系统的解耦。驱动模 态和检测模态的振动都与玻璃衬底平面平行，系统的阻尼较小，在大气压 下也有较高的品质因子。此外，中央质量块接地，有效地隔离了驱动模态 和才全测模态之间的电》兹干扰。
虽然本发明已经通过实施例进行了描述，然而本发明并非局限于在此 所描述的实施例，在不脱离本发明精神和范围的情况下还包括所作出的各 种改变以及变化。
权利要求
1. 一种解耦微机械陀螺，包括玻璃衬底(1)；金属电极(8)，其覆盖在所述玻璃衬底(1)表面；可移动的中央质量块(2)，其通过内侧检测支撑梁(13)与驱动梳齿结构(3)相连接，并通过内侧驱动支撑梁(14)与检测梳齿结构(4)相连接，其特征在于，所述中央质量块(2)和金属电极(8)呈栅状，并且在检测梳齿结构(4)的电容发生变化时，所述中央质量块(2)和金属电极(8)之间的电容也发生变化。
2. 根据权利要求1所述的微机械陀螺，其特征在于，所述中央质量块 (2)和金属电极(8)的栅格排列方向均与陀螺的驱动方向垂直。
3. 根据权利要求2所述的微机械陀螺，其特征在于，所述中央质量块 (2)为对称栅状结构，所述金属电极(8)为叉指栅状结构。
4. 根据权利要求3所述的微机械陀螺，还包括驱动梳齿结构(3),其对称分布在所述中央质量块(2)的左右两侧， 通过内侧检测支撑梁(13)与所述中央质量块(2)的上下两边相连接， 并通过外侧驱动支撑梁(10)与位于所述驱动梳齿结构(3)上下两端的 锚点(9)相连接；检测梳齿结构(4),其对称分布在所述中央质量块(2)的上下两侧， 通过内侧驱动支撑梁(14)与所述中央质量块(2)的左右两边相连接， 并通过外侧检测支撑梁(11)与位于所述检测梳齿结构(3)左右两端的 锚点(9)相连接；驱动电极(5)，呈梳齿状，其对称分布在所述驱动梳齿结构(3)的 左右两侧，并与所述驱动梳齿结构(3)配合，通过自己的锚点固定在所 述玻璃衬底(1 )上；检测电极(7)，呈梳齿状，其对称分布在所述检测梳齿结构(4)的 上下两侧，并与所述检测梳齿结构(4)配合，通过自己的锚点固定在所 述玻璃衬底(1 )上；其中所述外侧驱动支撑梁(10)和外侧检测支撑梁(11)完全相同， 所述锚点(9)设置在所述外侧驱动支撑梁(10)和外侧检测支撑梁(11 ) 的相交处。
5. 根据权利要求4所述的微机械陀螺，还包括驱动反馈电极(6)，呈梳齿状，其位于所述驱动梳齿结构(3)邻近所述中央质量块(2)的一侧或远离所述中央质量块(2)的一侧，与所述 驱动梳齿结构(3)配合，并且通过自己的锚点固定在所述玻璃衬底(1)上，用于测量驱动模态的振幅并反馈给所述驱动电极(5)。
全文摘要
本发明提供一种解耦微机械陀螺，包括玻璃衬底(1)；金属电极(8)，其覆盖在玻璃衬底(1)表面；可移动的中央质量块(2)，其通过内侧检测支撑梁(13)与驱动梳齿结构(3)相连接，并通过内侧驱动支撑梁(14)与检测梳齿结构(4)相连接，其特征在于，所述中央质量块(2)和金属电极(8)呈栅状，从而在检测梳齿结构的电容发生变化时，所述中央质量块(2)和金属电极(8)之间的电容也发生变化。从而使陀螺工作时能够检测到的电容变化量增加，提高陀螺的灵敏度。
文档编号G01C19/5733GK101509771SQ20081005774
公开日2009年8月19日 申请日期2008年2月14日 优先权日2008年2月14日
发明者侯朝焕, 张燕燕, 张铁军, 王东辉 申请人:中国科学院声学研究所