硅微振动陀螺仪的制作方法

专利名称：硅微振动陀螺仪的制作方法
专利说明
一、技术领域本实用新型的硅微振动陀螺仪是一种较高精度的陀螺仪，属陀螺仪制造技术领域。
二背景技术：
微机电系统MEMS是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。它涉及机械工程、电子工程、材料工程、物理学。MEMS的出现就立即引起了世界各国科学家、产业界和政府部门的高度重视。经过几十年的发展，MEMS已成为世界瞩目的重大科技领域之一。
硅微型机械振动陀螺仪具有微型化、整体惯性小、响应速度快以及动态性能好等优异特性。因而决定了它今后的应用前景十分广阔。与硅微型机械振动陀螺仪同属硅微型惯性敏感器件的硅微型机械加速度计发展于八十年代初期，并于九十年代初期由Analog Devices、Bosch、VTI、Denso、IC Sensors、Motorola、TEMIC等公司成功推向市场。由此可以更加确信地推测，在今后的几年内，硅微型机械振动陀螺仪也将会作为又一种成熟的硅微惯性敏感器件，广泛应用于诸多领域。在军用领域，如新概念武器、智能弹药、微型飞机的自主导航制导系统；在民用领域，如汽车安全、机器控制、振动监测、机器人、飞行物体的姿态控制、稳定平台；在消费领域，如惯性鼠标、个人导航仪、摄影机的稳定控制、玩具和运动器材；在生物医药领域，如活体监测、振动诊断、轮椅等。因此，硅微型机械陀螺仪成为一个倍受关注的领域和研发热点。
1996年，美国加洲大学伯克利分校传感器与执行器研究中心(BerkeleySensor and Actuator Center)利用静电驱动、电容检测技术，研制一种Z轴硅微型振动陀螺仪。这种陀螺仪是通过一个H型支撑梁结构将陀螺仪活动结构悬挂起来，采用直线形梳状谐振器，可检测垂直于陀螺仪结构平面的轴向的输入角速度。
1998年，德国微机械及信息技术研究所(Institute of Micromachining andInformation Technology)同样利用静电驱动、电容检测技术，研制出一种双线振动Z轴陀螺仪。该陀螺仪可检测垂直于陀螺仪结构平面的轴向的输入角速度。
以上两种陀螺仪结构类似，都存在运动耦合的问题。因此，误差较大，不够稳定。
三
发明内容
1、发明目的本实用新型的目的是提供一种能实现驱动模态与检测模态的运动解耦以及检测输出解耦，达到误差小、稳定性好、灵敏度高的硅微振动陀螺仪。
2、技术方案本实用新型的硅微振动陀螺仪是用于垂直于基座水平面的测量仪器，由上、下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的陀螺仪机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线，陀螺仪上层机械结构的内框架通过内扭杆与外框架相连，外框架通过外扭杆和横梁连于固定基座，陀螺仪下层玻璃衬底上制作有地线、驱动输入引线，敏感输出信号引线、反馈信号引线，上层机械结构的固定基座对应安装在玻璃衬底上的固定基座键合点上，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上，外框架由对称的两组直线形梳状静电谐振器构成，每个静电谐振器由固定梳齿与活动梳齿对插组成，内框架由3组直线形敏感梳状电极和3组直线形反馈梳状电极组成，每组电极均由固定梳齿电极与活动梳齿电极交错对插组成，固定梳齿及反馈梳状电极与内框架之间构成梳齿差动电容，固定基座和固定基座键合点相连，固定梳齿、固定敏感梳齿电极和固定反馈梳齿电极对应与下层玻璃衬底的键合点相连，敏感梳状电极与反馈梳状电极均为不等距电极，即电极的左右间距不相等。
陀螺仪工作原理在梳状谐振器的固定梳齿2a、2b、2c、2d上，施加含直流偏置电压的相位相反的交变电压，由于交变的静电吸力的作用，使整个陀螺仪活动结构沿驱动轴向作线振动。设线振动波形为正弦波，振幅为X0，角频率为ωn，则线振动位移为x＝X0sinωnt线振动速度为V=dxdt=X0ωncosωnt]]>假使陀螺仪有绕Z轴方向的外界输入角速度ωz时，根据右手定则，检测质量在输出轴(Y轴)向会受到哥氏加速度的作用，其大小为ac＝2ωzVsin＝2ωzX0ωncosωntsin其中V为沿驱动轴向的线振动速度，为输入角速度和线振动速度之间右旋夹角。
设检测质量为ms，则作用于检测质量上的哥氏惯性力为Fc＝-msac＝-2msωzVsin哥氏惯性力的方向与哥氏加速度的方向相反。
当有外界角速度输入时，检测质量上各质点做简谐振动，其速度按简谐规律变化。因此，哥氏加速度和哥氏惯性力也是按简谐规律变化的。
由于沿输出轴向的哥氏惯性力作简谐交变，因而在稳态时内框架沿输出轴(Y轴)出现简谐线振动。线振动的幅值取决于输入角速度的大小，线振动的相位取决于输入角速度的方向。这样，使可动检测梳齿与固定检测梳齿之间的间隙就按一定的简谐振动规律变动。电容差值信号经电子线路处理后，可获得输出电压信号。输出电压信号的大小正比于输入角速度的大小。通过鉴相器比较输出电压信号与激振电压信号的相位关系，则可判明输入角速度的方向。
3、技术效果由于本陀螺仪采用内外挠性轴将驱动部分与检测部分分开的特殊结构，实现了驱动模态和检测模态的运动解耦。其误差小、稳定性好、灵敏度高。其次，采用梳齿差动电容检测，实现了敏感输出解耦，提高了频率稳定性和精度。
四

附图1是硅微振动陀螺仪上层的机械结构。
附图2是硅微振动陀螺仪的检测结构示意图。
附图3是硅微振动陀螺仪下层的玻璃衬底上的信号引线示意图。
五具体实施方式
下面根据上述附图叙述本实用新型的具体实施例结构及其工作原理。
附图1所示的是本陀螺仪制作在单晶硅片上的上层机械结构，由外框架7，内框架8，外扭杆5a、5b、5c、5d、5e、5f，内扭杆6a、6b、6c、6d和横梁9所组成。内框架8通过内扭杆6a、6b、6c、6d与外框架相连。而外框架7通过外扭杆5a、5b、5c、5d、5e、5f和横梁9连于固定基座1a、1b、1c、1d。外框架7由2组直线形梳状静电谐振器构成，每个静电谐振器由固定梳齿与活动梳齿对插组成。内框架8由3组直线形梳状敏感电极和3组直线形梳状反馈电极组成，每组电极均由固定梳齿电极与活动梳齿电极对插组成，固定梳齿3a、3b、3c、3d、3e、3f及4a、4b、4c、4d、4e、4f与内框架8上的活动梳齿构成差动电容，如附图2所示。整个陀螺仪的上层机械结构通过横梁9和固定基座1a、1b、1c、1d悬空安装在玻璃衬底之上。
玻璃衬底如附图3所示，包括信号引线和金属硅/玻璃键合点。信号引线包括地线10，驱动输入引线11a、11b、11c、11d，敏感输出信号引线13a、13b、13c、13d、13e、13f，反馈信号引线12a、12b；金属硅/玻璃静电键合点包括固定基座键合点14a、14b、14c、14d。其中固定基座1a、1b、1c、1d和固定基座键合点14a、14b、14c、14d相连，固定梳齿2a、2b、2c、2d，固定敏感梳齿电极3a、3b、3c、3d、3e、3f和固定反馈梳齿电极4a、4b、4c、4d、4e、4f与下层玻璃衬底的键合点15a、15b、15c、15d、16a、16b、16c、16d、16e、16f和17a、17b、17c、17d、17e、17f相连。
权利要求1.一种硅微振动陀螺仪，其特征在于该陀螺仪由上层制作在单晶硅片上的陀螺仪机械结构和下层制作在玻璃衬底上的信号引线所组成，陀螺仪上层机械结构的内框架(8)通过内扭杆(6a、6b、6c、6d)与外框架(7)相连，外框架(7)通过外扭杆(5a、5b、5c、5d、5e、5f)和横梁(9)连于固定基座(1a、1b、1c、1d)、陀螺仪下层玻璃衬底上制作有地线(10)、驱动输入引线(11a、11b、11c、11d)，敏感输出信号引线(13a、13b、13c、13d、13e、13f)，反馈信号引线(12a、12b)，上层机械结构的固定基座(1a、1b、1c、1d)对应安装在玻璃衬底上的固定基座键合点(14a、14b、14c、14d)上，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。
2.根据权利要求1所述的硅微振动陀螺仪，其特征在于外框架(7)由对称的两组直线形梳状静电谐振器构成，每个静电谐振器由固定梳齿(2a、2b、2c、2d)与外框架(7)上的活动梳齿对插组成，内框架(8)由3组直线形敏感梳状电极(3)和3组直线形反馈梳状电极(4)组成，每组电极均由固定梳齿电极与活动梳齿电极交错对插组成，固定梳齿(3a、3b、3c、3d、3e、3f)及反馈梳状电极(4a、4b、4c、4d、4e、4f)与内框架(8)上的活动梳齿构成梳齿差动电容。
3.根据权利要求1或2所述的硅微振动陀螺仪，其特征在于固定基座(1a、1b、1c、1d)和固定基座键合点(14a、14b、14c、14d)相连，固定梳齿(2a、2b、2c、2d)、固定敏感梳齿电极(3a、3b、3c、3d、3e、3f)和固定反馈梳齿电极(4a、4b、4c、4d、4e、4f)对应与下层玻璃衬底的键合点(15a、15b、15c、15d、16a、16b、16c、16d、16e、16f、17a、17b、17c、17d、17e、17f)相连。
4.根据权利要求3所述的硅微振动陀螺仪，其特征在于敏感梳状电极(3a、3b、3c、3d、3e、3f)与反馈梳状电极(4a、4b、4c、4d、4e、4f)均为不等距电极，即电极的左右间距不相等。
专利摘要硅微振动陀螺仪是一种较高精度的陀螺仪,该陀螺仪由制作在单晶硅片上的陀螺仪机械结构的上层部分和制作在玻璃衬底上的信号引线的下层部分所组成,陀螺仪上层机械结构的内框架通过内扭杆与外框架相连,外框架通过外扭杆和横梁连于固定基座,陀螺仪下层玻璃衬底上制作有地线、驱动输入引线,敏感输出信号引线、反馈信号引线,上层机械结构的固定基座安装在玻璃衬底上的固定基座键合点上,使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。
文档编号G01C19/5705GK2516942SQ0221837
公开日2002年10月16日 申请日期2002年1月17日 优先权日2002年1月17日
发明者裘安萍, 王寿荣, 周百令, 苏岩 申请人:东南大学