专利名称：一种音叉式微机械陀螺及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种音叉式微机械陀螺及其制作方法，更确切地说涉及一种器件尺寸在毫米量级的、用变面积电容实现驱动和检测的音叉式微机械陀螺及制作方法，属于微电子机械系统领域。
背景技术：
利用微机械技术制造而成的硅微机械陀螺和传统的陀螺相比，具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高、批量生产及易与电子线路集成等优点，可广泛应用在航空、航天、武器、汽车、医学等许多领域，具有巨大的市场潜力，目前已成为惯性陀螺发展的一个重要方向。现在国际上各种结构的硅微机械陀螺层出不穷，它们的共同特点是有互相垂直的两个振动方向，即振动激励方向和科氏力引起的敏感振动方向。
微机械陀螺通常采用的驱动方式有静电驱动和电磁驱动方式。静电驱动方式通常是利用两组电极之间的静电吸引力来实现。而电磁驱动方式主要是利用洛仑兹力来实现，驱动振幅较大，但是要采用较大的驱动电流，大的功耗容易引起器件发热，从而影响性能；另外制作工艺比较复杂，要制作绝缘层。陀螺的检测方式主要有压阻检测和电容检测，而压阻检测有较大的温度系数，从而性能较差。其中静电驱动、电容检测的硅微机械陀螺由于制作工艺容易实现，温度系数小等特点而被广泛采用。微机械陀螺的检测方式一般采用叉指状电容检测，通过叉指状电极间的距离变化来检测角速度信号，其优点是结构简单，但是叉指电容的叉指电极间存在着很大的压膜阻尼，使其品质因子(Q值)很低(只有10-20)，这限制了微机械陀螺灵敏度的提高，一般需要在真空状态下工作，增加了封装的难度及成本。
我们曾提出的具有条形电极结构的微机械陀螺(实用新型专利，ZL99239775.8)有效解决了系统中压膜阻尼的问题，该陀螺虽然可以实现大气下封装，但容易受到旁轴加速度信号的干扰，并且采用同一个质量块既作为驱动质量块，又作为检测质量块，容易引起机械耦合，降低分辨率。本发明欲提出改进成一种音叉式微机械陀螺，驱动质量块和检测质量块分开，减少了机械耦合，在驱动方向和检测方向都具有较高的Q值(大于1000)，能在大气下工作，可以从结构上实现对旁轴加速度信号干扰的抑制，从而引出了本发明的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种音叉式微机械陀螺及其制作方法，是一种具有制作工艺简单、灵敏度高的微机械陀螺。
本发明提供的微机械陀螺特征在于由第一基板及其上的四组驱动用条形固定对电极和两组检测用条形固定对电极、固定在第一基板上的中间锚点和两侧锚点、悬在第一基板上方的第二基板组成；第二基板主要包括悬在第一基板上方的可沿驱动方向振动的两个结构相同且对称的驱动质量块、中间锚点与驱动质量块相连接的第一弹性梁、两侧锚点与驱动质量块相连接的第二弹性梁、连接两个驱动质量块的耦合弹性梁、悬在第一基板上方的可沿垂直于驱动方向的检测方向振动的两个检测质量块、检测质量块与驱动质量块之间的连接弹性梁组成。
所述的每一个驱动质量块均通过四个弹性梁与第一基板锚接在一起，每一个检测质量块均通过四个弹性梁与驱动质量块连接。
所述的驱动质量块由可动条形驱动电极和连接可动条形驱动电极的边框组成。
所述的检测质量块由可动条形检测电极和连接可动条形检测电极的边框组成。
所述的可动条形驱动电极和第一基板上的驱动用条形固定对电极之间的间隙，与可动条形检测电极和第一基板上的检测用条形固定对电极之间的间隙相同，都不小于1微米。
所述的第一基板上的两组检测用条形固定对电极分别在前两组驱动用条形固定对电极之间和后两组驱动用条形固定对电极之间。
所述的可动条形驱动电极的各条形电极位于每组驱动用固定对电极对应条形电极对的正上方，可动条形检测电极的各条形电极位于每组检测用固定对电极对应条形电极对的正上方。
所述的驱动质量块与第一基板之间，检测质量块和第一基板之间均为滑膜阻尼；驱动质量块和检测质量块分开，采用变面积电容实现驱动和检测。
本发明的目的是采用微电子机械系统技术制作的，具体步骤是(1)用绝缘材料玻璃基板作为第一基板，但并不局限于玻璃基板，也可以选用表面有热氧化层的硅片基板。在第一基板的上表面通过蒸发或溅射形成铝材料的四组驱动用条形固定对电极，两组检测用条形固定对电极；(2)选用导电材料硅片，作为第二基板。利用碱性水溶液在硅片的下表面腐蚀形成间隙；(3)所述第一基板的上表面与所述第二基板的下表面相向键合；
(4)刻蚀第二基板，形成悬在第一基板上方的可沿驱动方向振动的两个结构相同且对称的驱动质量块、悬在第一基板上方的可沿垂直于驱动方向的检测方向振动的两个检测质量块、固定在第一基板上的中间锚点和两侧锚点、中间锚点与驱动质量块相连接的第一弹性梁、两侧锚点与驱动质量块相连接的第二弹性梁、连接两个驱动质量块的耦合弹性梁、检测质量块与驱动质量块之间的连接弹性梁。
综上所述，根据本发明可以实现由第一基板及其上的四组驱动用条形固定对电极和两组检测用条形固定对电极、固定在第一基板上的中间锚点和两侧锚点、悬在第一基板上方的第二基板组成的微机械陀螺；第二基板主要包括悬在第一基板上方的可沿驱动方向振动的两个结构相同且对称的驱动质量块、中间锚点与驱动质量块相连接的第一弹性梁、两侧锚点与驱动质量块相连接的第二弹性梁、连接两个驱动质量块的耦合弹性梁、悬在第一基板上方的可沿垂直于驱动方向的检测方向振动的两个检测质量块、检测质量块与驱动质量块之间的连接弹性梁。
本发明提供的音叉式结构的微机械陀螺是用变面积电容实现驱动和检测的，具有两个检测质量块，从而可以消除检测方向上的外界加速度信号引起的干扰，提高了系统的抗干扰性，而角速度信号是差模信号，灵敏度提高一倍。驱动质量块和检测质量块分开，有利于减小驱动模态和敏感模态之间的耦合，提高了分辨率。本发明利用变面积电容来实现对可动质量块的驱动和对角速度信号的检测，使驱动模态和检测模态的阻尼均为滑膜阻尼，远小于压膜阻尼，大大提高了驱动模态和检测模态的品质因子，从而可以有效地提高器件的灵敏度。在驱动用条形固定对电极中施加一定频率的交直流电压，可动条形驱动电极的各条形电极与其正下方的驱动用条形固定对电极之间产生交变的静电驱动力，在该静电力的作用下驱动两个结构相同且对称的驱动质量块作反相谐振运动，当沿垂直于器件平面方向有外部角速度时，两个检测质量块受Coriolis(互补)加速度作用沿垂直于驱动方向的检测方向作反相运动。当可动条形检测电极有位移时，可动条形检测电极与其正下方的检测用固定对电极构成的差分检测电容重叠面积发生变化，从而引起检测电容发生变化。差分检测电容变化与外界角速度成比例关系，因此通过测量差分检测电容变化，就可以得到外界角速度的大小。本发明陀螺结构新颖，制作工艺简单，有利于降低成本和提高成品率，灵敏度高，是一种可以实际应用的微机械陀螺。
下面通过
和实施例进一步阐明本发明实质性特点和显著进步，但本发明决非仅限于所介绍的实施例。
图1是第一基板上驱动和检测用条形固定对电极示意图。
图2是微机械陀螺结构的俯视图。
图3是微机械陀螺制作工艺流程图。
图中(a)第一基板上表面形成四组驱动和扦测用条形固定对电极及引线示意图(b)第二基板上腐蚀形成的间隙示意图(c)第一基板上表面与第二基板下表面相向键合示意图(d)键合后在第二基板上完成整个微机械制作示意图具体实施方式
以下实施例阐述本发明涉及的音叉式微机械陀螺及其制作方法的实质性的特点和显著进步，但本发明决非仅局限于介绍的实施例。
本发明的实施例涉及一种微机械陀螺，结合附图1及图2进行说明。如图1所示，第一基板1上形成有四组驱动用条形固定对电极1a、1b，驱动固定电极引线3a、3b，两组检测用条形固定对电极2a、2b，检测固定电极引线4a、4b，中间锚点电极引线14，两侧锚点电极引线13，并且两组检测用条形固定对电极2a、2b分别在前两组驱动用条形固定对电极1a、1b之间及后两组驱动用条形固定对电极1a、1b之间。如图2所示，与第二基板12相连的中间锚点4和两侧锚点5固定在第一基板1上，悬在第一基板1上方的第二基板12由结构相同且对称的两个驱动质量块2、两个驱动质量块之间的耦合弹性梁3、驱动质量块2与中间锚点4之间的第一弹性梁6、驱动质量块2与两侧锚点5之间的第二弹性梁7、悬在第一基板1上方的两个检测质量块8、检测质量块8与驱动质量块2之间的连接弹性梁9构成。驱动质量块2包括可动条形驱动电极10，检测质量块8包括可动条形检测电极11。可动条形驱动电极10的各条形电极位于每组驱动用固定对电极1a、1b对应条形电极对的正上方。可动条形检测电极11的各条形电极位于每组检测用固定对电极2a、2b对应条形电极对的正上方。可动条形驱动电极10和第一基板1上的驱动用固定对电极1a、1b之间的间隙，与可动条形检测电极11和第一基板1上的检测用固定对电极2a、2b之间的间隙相同，都不小于1微米。
本实施例涉及的微机械陀螺的制作方法，参考图3所示的工艺流程图进行说明，主要包括以下工艺步骤(a)选用绝缘材料玻璃基板作为第一基板1，但并不局限于玻璃基板，也可以选用表面有热氧化层的硅片基板。在第一基板1的上表面通过蒸发或溅射形成铝材料的四组驱动用条形固定对电极1a、1b，两组检测用条形固定对电极2a、2b。(图3(a))
(b)选用导电材料硅片，作为第二基板12。利用碱性水溶液在硅片12的下表面腐蚀形成间隙。(图3(b))(c)将第一基板1的上表面与第二基板12的下表面相向键合；(图3(c))(d)利用硅深刻蚀技术(DRIE)刻蚀第二基板12，形成悬在第一基板1上方的结构相同且对称的两个驱动质量块2、两个驱动质量块之间的耦合弹性梁3、固定在第一基板上的中间锚点4和两侧锚点5、驱动质量块2与中间锚点4之间的第一弹性梁6、驱动质量块2与两侧锚点5之间的第二弹性梁7、悬在第一基板1上方的两个检测质量块8、检测质量块8与驱动质量块2之间的连接弹性梁9。
由以上工艺步骤，制作出本发明涉及的微机械陀螺。结合图1和图2对传感器工作原理进行说明。在驱动固定电极引线3a、3b中施加一定频率的交直流电压，可动条形驱动电极10的各条形电极与其正下方的驱动用条形固定对电极1a、1b之间产生交变的静电驱动力，在该静电力的作用下驱动两个结构相同且对称的驱动质量块2沿箭头方向(X轴方向)作反相谐振运动，当沿垂直于器件平面方向有外部角速度时，在Y轴方向产生Coriolis加速度。两个检测质量块8受Coriolis加速度作用沿箭头方向(Y轴方向)作反相运动。可动条形检测电极11的任一条形电极与正下方对应的一对检测用条形固定对电极2a、2b构成检测电容C1、C2，当可动条形检测电极11有位移时，可动条形检测电极11与其正下方对应的检测用条形固定对电极2a、2b之间的重叠面积发生变化，从而引起检测电容C1、C2变化。差分检测电容变化(C1-C2)与外界角速度成比例关系，因此通过测量差分检测电容变化(C1-C2)，就可以得到外界角速度的大小。总的电容变化可以通过中间锚点电极引线14或两侧锚点电极引线13与检测固定电极引线4a、4b之间的电容变化来获得。由于本陀螺采用音叉式结构，具有两个检测质量块，从而可以消除检测方向上的外界加速度信号引起的干扰，提高了系统的抗干扰性，而角速度信号是差模信号，灵敏度可以提高一倍。
如上所述，在驱动质量块2与第一基板1之间、检测质量块8和第一基板1之间起主要作用的阻尼是滑膜阻尼，而滑膜阻尼比压膜阻尼要小很多，从而可以使驱动方向和检测方向的品质因子(Q值)可以大幅度提高(大于1000)，检测灵敏度也相应地大幅度提高，从而避免了真空封装；同时本发明采用微电子机械系统技术工艺制作，工艺简单，有利于提高成品率和降低制造成本。
当驱动质量块长度3490微米，宽度5700微米，5对驱动条形电极宽80微米，间距80微米。检测质量块长度1850微米，宽度4700微米，50对检测条形电极宽20微米，间距20微米。10对驱动固定电极宽度64微米，间距为16微米。100对检测固定电极宽度16微米，间距4微米。驱动折叠梁及中间连接折叠梁长1500微米，宽40微米，检测折叠梁长650微米，宽16微米，结构厚度300微米。该陀螺设计驱动模态频率和检测模态频率分别为3106Hz，3175Hz，驱动和检测模态的Q值分别可以达到1721和1450。驱动电压10V直流，5V交流，以驱动模态频率驱动，输入角速度为1°/s时，检测电容变化量约为400aF。电路的最小分辨率可以达到20aF，器件的最小分辨率可以达到0.05°/s。
权利要求
1.一种音叉式微机械陀螺，其特征在于(A)它是由第一基板(1)及其上的四组驱动用条形固定对电极(1a、1b)和两组检测用条形固定对电极(2a、2b)、固定在第一基板上的中间锚点(4)和两侧锚点(5)、悬在第一基板(1)上方的第二基板(12)组成；(B)第二基板主要包括可沿驱动方向振动的两个结构相同且对称的两个驱动质量块(2)、中间锚点(4)与驱动质量块相连接的第一弹性梁(6)、两侧锚点(4)与驱动质量块(2)相连接的第二弹性梁(7)、连接两个驱动质量块的耦合弹性梁(3)、可沿垂直于驱动方向的检测方向振动的两个检测质量块(8)、检测质量块(8)与驱动质量块(2)之间的连接弹性梁(9)组成；(C)第一基板上的两组检测用条形固定对电极(2a、2b)分别在前两组驱动用条形固定对电极(1a、1b)之间和后两组驱动用条形固定对电极(1a、1b)之间；
2.根据权利要求1所述的音叉式微机械陀螺，其特征在于每一个驱动质量块(2)通过四个弹性梁(9)与第一基板(1)锚接在一起，每一个检测质量块均通过四个弹性梁(9)与驱动质量块(2)连接。
3.根据权利要求1所述的音叉式微机械陀螺，其特征在于所述驱动质量块(2)是由可动条形驱动电极和连接可动条形驱动电极的边框组成。
4.根据权利要求1所述的音叉式微机械陀螺，其特征在于所述检测质量块由可动条形检测电极和连接可动条形检测电极的边框组成。
5.根据权利要求1所述的音叉式微机械陀螺，其特征在于可动条形驱动电极和第一基板上的驱动用条形固定对电极之间的间隙，与可动条形检测电极和第一基板上的检测用条形固定对电极之间的间隙相同，均不小于1微米。
6.根据权利要求3所述的音叉式微机械陀螺，其特征在于可动条形驱动电极(10)的各条形电极位于每组驱动用固定对电极(1a、1b)对应条形电极对的正上方，可动条形检测电极(11)的各条形电极位于每组检测用固定对电极(2a、2b)对应条形电极对的正上方。
7.根据权利要求1或2所述的音叉式微机械陀螺的制作方法，其特征在于驱动质量块(2)与第一基板(1)之间、检测质量块(8)和第一基板(1)之间为滑膜阻尼；驱动质量块和检测质量块分开，采用变面积电容实现驱动和扦测。
8.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的音叉式微机械陀螺的制作方法，其特征在于包括以下步骤a)在第一基板的上表面通过蒸发或溅射铝形成所述的四组驱动用条形固定对电极(1a、1b)和两组检测用条形固定对电极(2a、2b)；b)利用碱性水溶液在第二基板的下表面形成间隙；c)将所述第一基板(1)的上表面与第二基板(12)的下表面相向键合；d)利用硅深刻蚀技术刻蚀第二基板(12)，形成悬在第一基板(1)上方的可沿驱动方向振动的两个结构相同且对称的驱动质量块(2)、悬在第一基板上方的可沿垂直于驱动方向的检测方向振动的两个检测质量块(8)、固定在第一基板上的中间锚点(4)和两侧锚点(5)、中间锚点与驱动质量块相连接的第一弹性梁、两侧锚点与驱动质量块相连接的第二弹性梁、连接两个驱动质量块的耦合弹性梁、检测质量块与驱动质量块之间的连接弹性梁。
9.根据权利要求1所述的音叉式微机械陀螺的制作方法，其特征在于作为第一基板(1)或为绝缘玻璃基板，或表面有热氧化层的硅片基板；作为第二基板(12)是导电硅片。
全文摘要
本发明涉及一种音叉式微机械陀螺及其制作方法。微机械陀螺主它是由第一基板及其上的四组驱动用条形固定对电极和两组检测用条形固定对电极、固定在第一基板上的中间锚点和两侧锚点、悬在第一基板上方的第二基板组成；第二基板包括可沿驱动方向振动的两个结构相同且对称的驱动质量块、中间锚点与驱动质量块相连接的第一弹性梁、两侧锚点与驱动质量块相连接的第二弹性梁、连接两个驱动质量块的耦合弹性梁、可沿垂直于驱动方向的检测方向振动的两个检测质量块、检测质量块与驱动质量块之间的连接弹性梁组成。本陀螺采用微电子机械系统技术制作，采用变面积电容实现驱动和检测，驱动和检测方向均具有滑膜阻尼，灵敏度较高，是一种实用的微机械陀螺。
文档编号G01C19/5621GK1559882SQ200410016930
公开日2005年1月5日 申请日期2004年3月12日 优先权日2004年3月12日
发明者车录锋, 熊斌, 王跃林 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所, 中国科学院上海微系统与信息技术研究