工字型结构的硅微机械振动陀螺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微电子机械系统和微惯性测量技术，特别是一种工字型结构的硅微机 械振动陀螺。
【背景技术】
[0002] 硅微机械陀螺是一种测量转动角速率的惯性传感器，采用微机械加工技术实现结 构加工，并可以与所需的电子线路完全集成在一个硅片上，从而具有体积小、成本低、重量 轻、可靠性高等优点，在军民两用领域有着重要的应用价值。
[0003] 目前，硅微机械陀螺性能已从普通车用级发展到了接近战术级水平（l°/h)，但如 振动、温度等环境中的应用其性能较差，特别是振动环境。具有双质量的音叉陀螺被公认为 具有较好的振动抑制能力，但由于音叉陀螺具有两个质量块，低阶模态数多，又品质因数高 以及加工误差等原因，音叉陀螺仍然具有较大的振动误差，从而影响了其实际应用。
[0004] 2007年，裘安萍，施芹等提出了一种双质量振动式硅微陀螺(200710133223.5)，该 陀螺结构由左右两个质量块组成，质量块通过支撑系统与上下两根横梁相连，该横梁通过 两组扭杆与固定基座连接。试验表明，该陀螺具有误差小和灵敏度高等特点，具有较高的静 态性能。但该结构只通过位于中间的扭杆与锚点相连，结构的稳定性较差；同时，结构的低 阶模态多，且在工作模态附近，在振动环境中，这些模态的运动对陀螺输出有较大影响。此 外，扭杆的刚度会影响陀螺检测模态的频率，而扭杆直接与锚点相连，扭杆刚度受到加工应 力和封装应力的影响，从而影响陀螺输出，降低其温度性能。
[0005] 2014年，法国Tronics公司提出了一种z轴微机械陀螺(WO 2014/094996A1)，该z轴 微机械陀螺采用了与ZL 200710133223.5陀螺相同的结构形式，同样由左右两个质量块组 成，质量块通过支撑系统与上下两根横梁相连，该横梁通过耦合支撑梁与固定基座连接。此 外，该发明还列举了耦合支撑梁的几种方案，包括结构形式和布置方式。但该专利申报的结 构方案存在与ZL 200710133223.5陀螺同样的技术问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种误差小、机械灵敏度高、振动灵敏度低和温度灵敏度 低的硅微机械陀螺，能实现驱动模态与检测模态的运动解耦、大幅度振动和检测输出解耦。
[0007] 实现本发明目的的技术解决方案为:一种工字型结构的硅微机械振动陀螺，用于 测量垂直于基座水平的测量仪器，由上层单晶硅、中间层单晶硅、下层单晶硅构成，上层单 晶硅为布置有信号输入和输出线的硅微陀螺仪封装盖板，中间层单晶硅片上制作的为陀螺 仪机械结构，下层单晶硅为布置有固定基座的陀螺仪衬底，中间层单晶硅密封在由上层单 晶硅和下层单晶硅形成的密闭空腔；中间层单晶硅的机械结构包括子结构、工字型框架、扭 杆、多折梁和隔离结构，两个子结构对称布置在工字型框架内，并通过驱动梁与工字型框架 相连，工字型框架通过分布在下上端的扭杆、多折梁与隔离结构相连，该隔离结构与下层单 晶硅上的固定基座键合，使中间层单晶硅的机械结构悬空在上层单晶硅与下层单晶硅之 间。
[0008] 本发明与现有技术相比，其显著优点：（1)硅微机械陀螺结构通过四根多折梁和中 间的对扭杆与隔离结构相连，增加了结构的稳定性，提高了结构抗振动性能；（2)硅微机械 陀螺结构通过四根多折梁和上下中间的扭杆与隔离框架相连，增加了陀螺Z方向的支撑刚 度，客服了MEMS制备工艺厚度方向尺寸小而导致z方向刚度低的缺点；（3)两个子结构通过 工字型框架相连，增加了陀螺结构的X方向刚度和y方向刚度，有效抑制同相作用力的影响， 如振动、冲击；（4)驱动支撑梁和检测支持梁与工字型框架相连，工字型框架再通过扭杆和 多折梁与隔离结构相连，而隔离结构与固定基座相连，这种连接方式大大减小了加工应力 和封装应力的影响，减小了温度误差；（5)两个子结构通工字型框架连接在一起，再通过扭 杆和多折支撑梁与固定基座相连，实现了两个子结构的音叉运动；（6)两个子结构的驱动运 动和检测运动均为相向运动，形成梳齿差动电容检测，实现了敏感输出解耦，抑制了干扰信 号；（7)两个子结构左右对称布置，增加了输出信号，为单质量块输出信号的两倍；（8)采用 两组支承梁将驱动部分与检测部分分开，实现了驱动方向与检测方向的运动解耦，从而减 小误差信号。
[0009] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
【附图说明】
[0010] 图1是本发明一种工字型结构的硅微机械振动陀螺的结构示意图。
[0011] 图2是本发明硅微机械陀螺的驱动谐振器结构示意图。
[0012] 图3是本发明另一种工字型结构的硅微机械振动陀螺的结构示意图。
[0013] 图4是本发明硅微机械陀螺的开环检测方案的梳齿结构示意图。
[0014] 图5是本发明硅微机械陀螺的闭环检测方案的梳齿结构示意图。
【具体实施方式】
[0015] 本发明工字型结构的硅微机械振动陀螺，用于测量垂直于基座水平的测量仪器， 由上层单晶硅、中间层单晶硅、下层单晶硅构成，上层单晶硅为布置有信号输入和输出线的 硅微陀螺仪封装盖板，中间层单晶硅片上制作的为陀螺仪机械结构，下层单晶硅为布置有 固定基座的陀螺仪衬底，上层单晶硅封装盖板和下层单晶衬底形成了密闭空腔；中间层单 晶硅的机械结构包括子结构、工字型框架、扭杆、多折梁和隔离结构，两个子结构对称布置 在工字型框架内，并通过驱动梁与工字型框架相连，工字型框架通过分布在下上端的扭杆、 多折梁与隔离结构相连，该隔离结构与下层单晶硅上的固定基座键合，使中间层单晶硅的 机械结构悬空在上层单晶硅与下层单晶硅之间。
[0016] 结合图1，本发明工字型结构的硅微机械振动陀螺的中间层单晶硅片上的陀螺仪 机械结构由第一子结构100、第二子结构200、工字型框架2、第一多折梁3a、第二多折梁3b、 第三多折梁3c、第四多折梁3d、第一扭杆4a、第二扭杆4b、第一隔离结构5a和第二隔离结构 5b组成，第一子结构100和第二子结构200组成及结构完全相同，并关于y轴对称布置在工字 型框架2内（y轴方向为上下，X轴方向为左右）；第一子结构100通过第一驱动支撑梁104a、第 二驱动支撑梁104b、第三驱动支撑梁104c、第四驱动支撑梁104d与工字型框架2连接，第二 子结构200通过第五驱动支撑梁204a、第六驱动支撑梁204b、第七驱动支撑梁204c、第八驱 动支撑梁204d与工字型框架2连接;所述工字型框架2通过第一多折梁3a、第二多折梁3b、第 一扭杆4a与位于工字型框架2上方的第一隔离结构5a相连(第一扭杆4a位于第一多折梁3a、 第二多折梁3b中间）；工字型框架2通过第三多折梁3c、第四多折梁3d、第二扭杆4b与位于工 字型框架2下方的第二隔离结构5b相连(第二扭杆4b位于第三多折梁3c、第四多折梁3d之 间）；第一隔离结构5a与下层单晶硅上的第一固定基座6a、第二固定基座6b键合，第二隔离 结构5b与下层单晶硅上的第三固定基座6c和第四固定基座6d键合。
[0017]本发明工字型结构的娃微机械振动陀螺的第一子结构100包括第一回字形框架 101、第一检测支撑梁102a、第二检测支撑梁102b、第三检测支撑梁102c、第四检测支撑梁 102d、第一驱动谐振器105a、第二驱动谐振器105b、第一活动检测梳齿107、第一固定检测梳 齿108、第一检测梳齿固定电极106a和第二检测梳齿固定电极106b，第一回字形框架101上 设