专利名称：全顺向电容式微机械陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种全顺向电容式微机械陀螺，属于微电子机械系统领域和惯性 测量领域。
背景技术：
利用微机械技术制造的硅微机械陀螺与传统的陀螺相比，具有体积小、重量轻、成 本低、功耗低、可靠性高、可以批量生产以及易与CMOS接口电路集成等优点。可以广泛应用 在航空、航天、汽车、武器、医学、电子消费品等许多领域，具有巨大的市场潜力。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，即激 励振动方向和哥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。电磁驱动方式主要是 利用洛仑兹力来实现，驱动振幅大，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。所以采用静电驱动方式。微机 械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变间隙式偏置梳齿差分电容检测，通过梳 齿电极间的距离变化，即电容变化来检测哥氏力，进而来检测角速度信号，其优点是结构简 单，但是电容变化量与极板位移之间有较大的非线性，即检测输出与被检测的哥氏力之间 具有较为严重的非线性关系。为了提高变间隙式偏置梳齿差分电容的线性度，可以增加间 隙差值，但这将使检测质量块质量减小，影响陀螺的灵敏度。偏置梳齿差分电容间存在很大 的压膜阻尼，使其品质因子很低，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，增加了封装的难度和成本。由于变间隙式偏置梳齿差分电容采用变间隙的方式检 测电容变化，毛细黏附力、范德瓦尔斯力等近程力作用行程随之改变，这将影响微机械陀螺 的稳定性和可靠性。
发明内容
本发明目的在于提供一种全顺向电容式微机械陀螺，能够实现微机械陀螺的驱动 模态和检测模态的谐振频率匹配，降低两个模态之间耦合，在大气环境中工作也能获得高 线性度、高灵敏度及高可靠性的微机械陀螺。本发明的目的是这样实现的该一种全顺向电容式微机械陀螺，包括玻璃基片(1)、金属电极A(2)、B(14)、 C(16)、D(19)、顺向梳状驱动器A(6)、B(7)、质量块(8)、顺向梳齿差分电容(12)、驱动检测 电容(15)、固定电极A(5)、B(17)、C(18)、驱动框(4)、锚点A(IO)、B(13)、弹性梁A(3)、B(9)、 C(Il)；其中，金属电极A⑵、B(14)、C(16)、D(19)溅射在玻璃基片上，通过键合区键合在玻 璃基片上的硅片，并硅片上刻蚀出结构，该结构上包括位于中间的质量块(8)，顺向梳状驱 动器A(6)、B(7)放置于质量块的两端，顺向梳齿差分电容(1 放置于质量块另两侧，以及在驱动检测电容(15)放置于驱动外框两侧，固定电极A(5)、B(17)、C(18)与键合区相连，驱 动框(4)与锚点A(IO)、B(13)，驱动框(4)与质量块(8)通过U形弹性梁A(3)、B(9)、C(11) 相连，质量块(8)与顺向梳齿差分电容(1 通过U形解耦梁结构相连。本发明的有益效果本发明采用顺向的驱动、驱动检测和梳齿差分电容结构解决了电容变化量与位移 变化量成非线性的问题，提高了微机械陀螺的信噪比。易于微机械陀螺的驱动模态和检测 模态的谐振频率匹配。U形解耦梁结构设计灵活，不受空间尺寸限制，不受加工工艺的限制， 易于微机械陀螺的驱动模态和检测模态的谐振频率匹配，解决了驱动振动模态和检测振动 模态之间的耦合问题。U形解耦梁结构满足双极解耦功能。驱动系统被限制在驱动方向X 方向运动，而检测系统被限制在检测方向Y方向运动。
图1本发明结构示意图的俯视2本发明结构示意图的主视图
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明作更详细的描述本发明提出顺向梳齿差分电容与U形解耦梁结构，顺向梳齿差分电容的变化量与 极板位移之间成线性关系。梳齿电极间只存在滑膜阻尼，检测系统品质因子很高，陀螺在大 气条件下工作，也可获得较高的灵敏度。U形解耦梁结构实现了驱动系统和检测系统的完全 解耦，降低机械耦合误差，提高了信噪比。本发明可以从结构上实现微陀螺线性度、灵敏度 以及可靠性的提高，这就是本发明的目的。结合图1和2，它包括玻璃基片1、金属电极A2、B14、C16、D19、顺向梳状驱动器A6、 B7、质量块8、顺向梳齿差分电容12、驱动检测电容15、固定电极A5、B17、C18、驱动框4、锚点 A10、B13、弹性梁A3、B9、Cll ；其中，金属电极A2、B14、C16、D19溅射在玻璃基片上，通过键 合区键合在玻璃基片上的硅片，并硅片上刻蚀出结构，该结构上包括位于中间的质量块8， 顺向梳状驱动器A6、B7放置于质量块的两端，顺向梳齿差分电容12放置于质量块另两侧， 以及在驱动检测电容15放置于驱动外框两侧，固定电极A5、B17、C18与键合区相连，驱动框 4与锚点A10、B13，驱动框4与质量块8通过U形弹性梁A3、B9、C11相连，质量块8与顺向 梳齿差分电容12通过U形解耦梁结构相连。在梳状驱动器的固定电极5与活动电极7之间施加交流电信号时，固定电极加上 施加电压V1 = VDC+VAcsin(ot)，固定电极2b上施加电压V2 = VDC-VAcsin(ot)则在活动电 极上产生交变的静电力，质量块8在活动电极的牵引下，沿X轴向定义为驱动方向产生振动 定义为驱动振动模态。当Z方向有角速度输入时，质量块在Y轴向受到哥氏力的作用，当 该方向上产生振动，从而带动另一对活动电极沿Y轴向振动定义为敏感方向与敏感振动模 态，此时检测活动电极与检测固定电极间的电容增加，同时检测活动电极与检测固定电极 间的电容等量减小，则顺向梳齿差分电容的差分电容产生一交变信号。该电容变化幅值与 输入角速度成正比，通过接口电路检测电容变化从而可测得角速度信号。由于采用了双解 耦结构，双极解耦结构有效地消除了驱动和检测振动模态之间的耦合，检测活动电极只有敏感方向产生振动，而驱动活动电极只有驱动方向振动，均工作于滑膜阻尼下，在大气环境 下工作即可获得较大的品质因子，微机械陀螺的灵敏度得以提高。
权利要求
1.一种全顺向电容式微机械陀螺，其特征在于包括玻璃基片(1)、金属电极^^2)、 B (14)、C (16)、D (19)、顺向梳状驱动器A (6)、B (7)、质量块(8)、顺向梳齿差分电容(12)、 驱动检测电容(15)、固定电极A (5)、B (17)、C (18)、驱动框(4)、锚点A(IO)、B (13)、弹性梁 A(3)、B(9)、C(11)；其中，金属电极A⑵、B(14)、C(16)、D(19)溅射在玻璃基片上，通过键合 区键合在玻璃基片上的硅片，并硅片上刻蚀出结构，该结构上包括位于中间的质量块(8)， 顺向梳状驱动器A(6)、B(7)放置于质量块的两端，顺向梳齿差分电容(1 放置于质量块另 两侧，以及在驱动检测电容(15)放置于驱动外框两侧，固定电极A(5)、B(17)、C(18)与键合 区相连，驱动框(4)与锚点A(IO)、B (13)，驱动框(4)与质量块(8)通过U形弹性梁A (3)、 B(9)、C(11)相连，质量块(8)与顺向梳齿差分电容(12)通过U形解耦梁结构相连。
2.根据权利要求1所述的一种全顺向电容式微机械陀螺，其特征在于所述的驱动、驱 动检测和检测梳齿电容活动极板相对于固定极板均顺向运动。
3.根据权利要求1或2所述的一种全顺向电容式微机械陀螺，其特征在于所述的驱 动被限制在驱动方向X方向运动，而检测系统被限制在检测方向Y方向运动。
全文摘要
本发明为一种全顺向电容式微机械陀螺，包括玻璃基片(1)、金属电极A(2)、B(14)、C(16)、D(19)、顺向梳状驱动器A(6)、B(7)、质量块(8)、顺向梳齿差分电容(12)、驱动检测电容(15)、固定电极A(5)、B(17)、C(18)、驱动框(4)、锚点A(10)、B(13)、弹性梁A(3)、B(9)、C(11)；本发明采用顺向的驱动、驱动检测和梳齿差分电容结构解决了电容变化量与位移变化量成非线性的问题，提高了微机械陀螺的信噪比。U形解耦梁结构满足双极解耦功能。驱动系统被限制在驱动方向X方向运动，而检测系统被限制在检测方向Y方向运动。
文档编号G01C19/5656GK102042829SQ20091023565
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月10日 优先权日2009年10月10日
发明者刘海鹏, 梁新建, 高世桥 申请人:北京理工大学