基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪。该陀螺仪包括垂直两层，上层为硅微陀螺仪的机械模块，下层为敷有信号引线的玻璃衬底，陀螺仪的机械模块由两个完全相同的子模块构成，且水平对称放置，两个敏感质量块之间分别通过驱动耦合折叠梁和横梁在驱动方向和敏感方向连接，使得两个敏感质量块在驱动模态和检测模态都相互关联。每个子模块包括敏感质量块、驱动模块、驱动反馈模块、检测模块、驱动支承梁、驱动反馈支承梁、检测支承梁、驱动解耦梁、检测解耦梁、检测耦合支承梁、以及固定锚点。本发明中的两个子模块采用同频反相驱动模式，检测模块实现差分检测，能有效抑制外界冲击、温度以及加工缺陷的影响，抗共模误差能力强。
【专利说明】基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪
【技术领域】
[0001] 本发明属于微电子机械系统和微惯性测量领域，特别涉及一种基于双音叉效应的 对称全解耦双质量块硅微陀螺仪。
【背景技术】
[0002] 机械模块与电子系统的微型化与集成--微机电系统(MEMS)技术的出现，给惯性 传感器领域带来一场革命。其中，硅微陀螺仪具有微型化与集成化、高可靠性、低功耗、易于 数字化和智能化、动态性能好等优异性能。随着性能的不断提高，硅微陀螺仪已经取代了部 分传统的陀螺仪，在消费类电子、汽车工业、生物医药等领域取得了广泛的应用。
[0003] 现有技术中，双质量块硅微陀螺仪采用两个子模块相互独立、即两个敏感质量块 在驱动模态和检测模态都不关联，或者两个敏感质量块在驱动模态关联而在检测模态不关 联的模块设计方式，这就使得两个子模块的驱动和检测模态振动频率不能完全一致，且容 易受到同相模态、扭转模态等干扰模态的影响，难以实现准确的差分检测，抗共模干扰能力 差；同时，硅微陀螺仪多采用不解耦或者半解耦模块形式，驱动模态和检测模态之间存在较 大的耦合，在无哥氏力效应的情况下，其驱动模态的振动能量也会耦合到检测模态，产生较 大的输出误差。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种基于双音叉效应的对 称全解耦双质量块硅微陀螺仪，两个敏感质量块在驱动模态和检测模态都关联，其可达到 振动特性一致、振动平稳、全解耦、驱动幅度大、检测灵敏度高、抗干扰能力强、误差小的效 果。
[0005] 本发明提供一种基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪，其包括：
[0006] 玻璃衬底（lc)，其上布置有多个金属电极，且每一所述金属电极上设有多个键合 点（18al、18a2、18a3、18a4、18a5、18a6);
[0007] 机械模块（Id)包含两子模块（la、lb)，且两子模块（la、lb)对称设在所述衬底 上，且一所述子模块包括敏感质量块（4a)、驱动模块（5al)、驱动反馈模块（5a2)、检测模 块（6al、6a2)、驱动支承梁（7al、7a2)、驱动反馈支承梁（7a3、7a4)、检测支承梁（8al、8a2、 8 &3、8&4)、驱动解耦梁（10&1、10&2)、检测解耦梁（9 &1、9&2)、检测耦合支承梁（11&1、11 &2、 Ila3、lla4)、以及固定锚点（13al、13a2、13a3、13a4);
[0008] 其中，两所述敏感质量块（4a、4b)之间通过驱动耦合折叠梁（2a，2b)和横梁 (3a，3b)连接，固定锚点（13al、13a2、13a3、13a4、13a5、13a6)固接在所述衬底上的键合点 (18al、18a2、18a3、18a4、18a5、18a6)上。
[0009] 进一步地，所述驱动模块（5al)与所述驱动反馈模块（5a2)对称放置于每一所述 敏感质量块（4a)的两侧，所述驱动模块（5al)通过所述检测解耦梁（9al)与所述敏感质量 块（4a)相连；所述驱动反馈模块（5a2)通过所述检测解耦梁（9a2)与所述敏感质量块（4a) 相连；两所述检测模块（6al、6a2)对称放置于敏感质量块（4a)的另两侧，并分别通过驱动 解耦梁（10al、10a2)与敏感质量块（4a)相连；所述驱动模块（5al)通过所述驱动支承梁 (7al、7a2)与所述固定锚点（13al、13a2)相连，所述驱动反馈模块（5a2)通过所述驱动反馈 支承梁（7a3、7a4)与所述固定锚点（13a3、13a4)相连，所述检测模块^al、6a2)通过所述 检测支承梁（8al、8a2、8a3、8a4)与所述固定锚点（13al、13a2、13a3、13a4)相连。
[0010] 进一步地，所述子模块（la)沿着过其中心点的驱动方向对称，且同时沿着过其中 心点的检测方向对称。
[0011] 进一步地,所述金属电极包括公共电极（19a)、驱动电极（20al、20a2),所述驱动 模块（5al)还包括与所述公共电极（19a)连接的活动驱动梳齿（14al、14a2)、与所述驱动电 极（20al、20a2)连接的固定驱动梳齿锚点（13a7、13a8、13a9、13al0)和设置于固定驱动梳 齿锚点（13a7、13a8、13a9、13al0)上的固定驱动梳齿（15al、15a2、15a3、15a4)。
[0012] 进一步地，所述金属电极包括公共电极（19a)、驱动反馈电极（21al、21a2)，所述 驱动反馈模块（5a2)包括与所述公共电极（19a)连接的活动驱动反馈梳齿（14a3、14a4), 与所述驱动反馈电极（21al、21a2)连接的固定驱动反馈梳齿锚点（13all、13al2、13al3、 13al4)和设置于固定驱动反馈梳齿锚点（13all、13al2、13al3、13al4)上的固定驱动反馈 梳齿（15a5、15a6、15a7、15a8)。
[0013] 进一步地，所述金属电极包括公共电极（19a)、检测电极（22al、22a2)，所述检测 模块（6al、6a2)还包括与所述公共电极（19a)连接的活动检测梳齿（16al、16a2、16a3、 16a4)，与所述检测电极（22al、22a2)连接的固定检测梳齿锚点（13al5、13al6、13al7、 13al8、13al9、13a20、13a21、13a22、13a23、13a24、13a25、13a26、13a27、13a28、13a29、 13a30)和设置于固定检测梳齿锚点（13al5、13al6、13al7、13al8、13al9、13a20、13a21、 13a22、13a23、13a24、13a25、13a26、13a27、13a28、13a29、13a30)上的固定检测梳齿（17al、 17a2、17a3、17a4、17a5、17a6、17a7、17a8、17a9、17al0、17all、17al2、17al3、17al4、17al5、 17al6)。
[0014] 进一步地，所述驱动模块（5al)、所述驱动反馈模块（5a2)、所述检测模块（6al、 6a2)和所述敏感质量块（4a)两两之间保持一定间隔，所述驱动模块（5al)、所述驱动反馈 模块（5a2)和所述检测模块（6al、6a2)各配置有支承梁。
[0015] 进一步地，所述驱动模块（5al)和所述驱动反馈模块（5a2)用于在水平方向振动， 所述检测模块^al、6a2)用于在垂直方向振动；所述敏感质量块（4a)用于在平面内水平和 垂直方向运动。
[0016] 进一步地，所述两子模块（la、lb)在驱动状态和检测状态下同为同频反相工作模 式，所述检测模块（6al、6a2、6bl、6b2)实现差分检测。
[0017] 本发明与现有技术相比，其优点在于：
[0018] (1)驱动模块通过驱动耦合折叠梁连接，实现两个敏感质量块在驱动模态的关联； 检测模块通过检测耦合支承梁和横梁连接，实现两个敏感质量块在检测模态的关联；两个 敏感质量块在驱动模态和检测模态都关联使得两个子模块的驱动、检测模态固有频率相 同，进而保证两个子模块的振动特性趋于一致；
[0019] (2)基座直梁对检测运动进行调整，限制了检测同相、扭转等干扰模态，并调节驱 动模态与检测模态之间的频差；
[0020] (3)两个子模块完全相同并对称放置，驱动采用同频反相模式，当有角速度输入 时，检测模态也工作在同频反相模式，检测模块实现差分检测，能有效抑制外界冲击、温度 以及加工缺陷的影响，抗共模误差能力强；
[0021] (4)驱动模块中的梳齿电容采用变面积形式，滑膜阻尼小，驱动振幅大，品质因数 较高；检测模块中的梳齿电容采用变间距形式，电容变化量大，陀螺仪的灵敏度高；
[0022] (5)驱动模块、驱动反馈模块、检测模块、敏感质量块相互独立，驱动模块、驱动反 馈模块、检测模块有各自独立的支承梁，从而实现了陀螺仪驱动模态和检测模态之间的全 解耦，正交误差小，输出精度高。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1为本发明微陀螺仪的平面结构示意图；
[0024] 图2为本发明图1中微陀螺仪的驱动模块和驱动反馈模块示意图；
[0025] 图3为本发明图1中微陀螺仪的检测模块示意图；
[0026] 图4为本发明图1中微陀螺仪的衬底平面示意图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0028] 图1为本发明微陀螺仪的平面结构示意图。如图1所示，本发明提供一种微陀螺 仪，实现对垂直于陀螺仪机械模块水平面的输入角速度的测量。该微陀螺仪包括垂直两层， 上层为娃微陀螺仪的机械模块，下层为敷有信号引线的玻璃衬底。陀螺的机械模块Id由两 个完全相同的子模块la、lb构成，两个子模块la、lb都是角速度测量单元，且水平对称放 置；两个敏感质量块4a、4b之间通过驱动耦合折叠梁2a、2b建立驱动模态的关联，通过横梁 3a、3b建立检测模态的关联，横梁3a，3b通过基座直梁12al、12a2、12bl、12b2与固定锚点 13a5、13a6、13b5、13b6连接，建立关联后的两个子模块可以等效为两自由度的振动系统，在 驱动模态和检测模态都工作在同频反相的状况下，两个子模块的固有频率相同，从而保证 了两个子模块的振动特性趋于一致。
[0029] 其中，所述微陀螺仪机械Id优选地为单晶硅材料、多晶硅材料；
[0030] 子模块la、lb通过驱动支承梁7al、7a2、7b3、7b4、驱动反馈支承梁7a3、7a4、7bl、 7b2、检测支承梁 8al、8a2、8a3、8a4、8bl、8b2、8b3、8b4 与固定锚点 13al、13a2、13a3、13a4、 13bl、13b2、13b3、13b4相连，固定锚点13al、13a2、13a3、13a4、13a5、13a6、13bl、13b2、 13b3、13b4、13b5、13b6 分别固接于玻璃衬底上的键合点 18al、18a2、18a3、18a4、18a5、 18a6、18bl、18b2、18b3、18b4、18b5、18b6上，使得硅微陀螺仪的机械模块悬空；
[0031] 其中，子模块la、lb包括敏感质量块4a、4b、驱动模块5al、5b2、驱动反馈模块5a2、 5bl、检测模块6al、6a2、6bl、6b2、驱动支承梁7al、7a2、7b3、7b4、驱动反馈支承梁7a3、7a4、 7bl、7b2、检测支承梁 8al、8a2、8a3、8a4、8bl、8b2、8b3、8b4、驱动解耦梁10al、10a2、10bl、 10b2、检测解耦梁 9&1、932、％1、％2、检测耦合支承梁1131、1132、1133、11&4、11131、1讣2、 Ilb3、llb4 以及固定锚点 13al、13a2、13a3、13a4、13bl、13b2、13b3、13b4。
[0032] 其中，驱动模块5al、5b2和驱动反馈模块5a2、5bl对称放置于敏感质量块4a、4b 的水平两侧，驱动模块5al、5b2通过检测解耦梁9al、9b2与敏感质量块4a、4b相连，以驱动 敏感质量块4a、4b运动，驱动模块5al、5b2通过驱动支承梁7al、7a2、7b3、7b4与固定锚点 13al、13a2、13b3、13b4相连，使得驱动模块被限制在水平方向运动，因此驱动运动只能沿水 平方向。
[0033] 其中，驱动反馈模块5a2、5bl通过检测解耦梁9a2、9bl与敏感质量块4a、4b相连， 以检测敏感质量块4a、4b驱动方向的运动并反馈给驱动模块，从而实现对驱动运动的调 整，驱动反馈模块5a2、5bl通过驱动反馈支承梁7a3、7a4、7bl、7b2与固定锚点13a3、13a4、 13bl、13b2相连，驱动反馈模块被限制在水平方向运动，因此驱动反馈模块只能敏感驱动方 向的运动。
[0034] 其中，两个检测模块6al、6a2、6bl、6b2对称放置于敏感质量块4a、4b的垂直两 侦牝并通过驱动解耦梁10al、10a2、10bl、10b2与敏感质量块4a、4b相连，以检测敏感质量 块4a、4b检测方向的运动，检测模块6al、6a2、6bl、6b2通过检测支承梁8al、8a2、8a3、8a4、 8bl、8b2、8b3、8b4 与固定锚点 13al、13a2、13a3、13a4、13bl、13b2、13b3、13b4 相连，检测模 块6al、6a2、6bl、6b2被限制在垂直方向振动，因此检测模块只能敏感垂直方向的运动。
[0035] 本发明通过以上模块设置，驱动模态和检测模态之间实现了全解耦；敏感质量块 4a、4b可以有平面内水平、垂直两自由度的运动，从而建立驱动和检测两个方向之间的哥氏 力耦合。
[0036] 图2为本发明图1中微陀螺仪的驱动模块和驱动反馈模块示意图。如图2所示， 驱动模块5al、5b2采用梳齿电容静电驱动形式，相对于敏感质量块4a、4b，沿水平方向放 置，且均位于子模块la、lb的外侧；驱动模块5al、5b2各包含两组梳齿，两组梳齿垂直对称 布置，然而也可改变梳齿模块的组数而不影响本发明的实现。如图2所示，驱动模块5al中 的上部梳齿模块还包括：活动驱动梳齿14al位于中间，可沿驱动方向运动，固定驱动梳齿 15al、15a2分别位于活动驱动梳齿14al的水平两侧，并与固定驱动梳齿锚点13a7、13a9相 连接，同时，固定驱动梳齿锚点13a7、13a9分别固接在玻璃衬底上的键合点18a7、18a9上， 并分别与驱动电极20al、20a2连接，当在驱动电极20al、20a2分别施加相位相反的交流电 压土U dsinc〇dt，并叠加相同的直流偏置电压Up，并将连接于敏感质量块4a的公共电极19a 接地，因此活动驱动梳齿14al上的电平为零的情况下，活动驱动梳齿14al受到的驱动力 为：
[0037]
【权利要求】
1. 一种基于双音叉效应的对称全解稱双质量块娃微陀螺仪，其包括： 玻璃衬底（lc)，其上布置有多个金属电极，且每一所述金属电极上设有多个键合点 (18al、18a2、18a3、18a4、18a5、18a6); 机械模块（Id)包含两子模块（la、lb)，且两子模块（la、lb)对称设在所述衬底上， 且一所述子模块包括敏感质量块（4a)、驱动模块（5al)、驱动反馈模块（5a2)、检测模块 (6&1、6 &2)、驱动支承梁（7&1、7&2)、驱动反馈支承梁（7 &3、7&4)、检测支承梁（8&1、8&2、 8 &3、8&4)、驱动解耦梁（10&1、10&2)、检测解耦梁（9 &1、9&2)、检测耦合支承梁（11&1、11 &2、 Ila3、lla4)、以及固定锚点（13al、13a2、13a3、13a4); 其中，两所述敏感质量块（4a、4b)之间通过驱动耦合折叠梁（2a，2b)和横梁（3a，3b) 连接，固定锚点（13al、13a2、13a3、13a4、13a5、13a6)固接在所述衬底上的键合点（18al、 18a2、18a3、18a4、18a5、18a6)上。
2. 根据权利要求1所述的一种基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪，其 特征在于：所述驱动模块（5al)与所述驱动反馈模块（5a2)对称放置于每一所述敏感质量 块（4a)的两侧，所述驱动模块（5al)通过所述检测解耦梁（9al)与所述敏感质量块（4a) 相连；所述驱动反馈模块（5a2)通过所述检测解耦梁（9a2)与所述敏感质量块（4a)相连； 两所述检测模块^al、6a2)对称放置于敏感质量块（4a)的另两侧，并分别通过驱动解耦 梁（10al、10a2)与敏感质量块（4a)相连；所述驱动模块（5al)通过所述驱动支承梁（7al、 7a2)与所述固定锚点（13al、13a2)相连，所述驱动反馈模块（5a2)通过所述驱动反馈支承 梁（7a3、7a4)与所述固定锚点（13a3、13a4)相连，所述检测模块^al、6a2)通过所述检测 支承梁（8al、8a2、8a3、8a4)与所述固定锚点（13al、13a2、13a3、13a4)相连。
3. 根据权利要求1所述的一种基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪，其 特征在于：所述子模块（la)沿着过其中心点的驱动方向对称，且同时沿着过其中心点的检 测方向对称。
4. 根据权利要求1所述的一种基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪，其 特征在于：所述金属电极包括公共电极（19a)、驱动电极（20al、20a2)，所述驱动模块（5al) 还包括与所述公共电极（19a)连接的活动驱动梳齿（14al、14a2)、与所述驱动电极（20al、 20a2)连接的固定驱动梳齿锚点（13a7、13a8、13a9、13al0)和设置于固定驱动梳齿锚点 (13a7、13a8、13a9、13al0)上的固定驱动梳齿（15al、15a2、15a3、15a4)。
5. 根据权利要求1所述的一种基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪，其 特征在于：所述金属电极包括公共电极（19a)、驱动反馈电极（21al、21a2)，所述驱动反馈 模块（5a2)包括与所述公共电极（19a)连接的活动驱动反馈梳齿（14a3、14a4)，与所述驱 动反馈电极（21al、21a2)连接的固定驱动反馈梳齿锚点（13all、13al2、13al3、13al4)和设 置于固定驱动反馈梳齿锚点（13all、13al2、13al3、13al4)上的固定驱动反馈梳齿（15a5、 15a6、15a7、15a8)。
6. 根据权利要求1所述的一种基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪，其 特征在于：所述金属电极包括公共电极（19a)、检测电极（22al、22a2)，所述检测模块（6al、 6a2)还包括与所述公共电极（19a)连接的活动检测梳齿（16al、16a2、16a3、16a4)，与所 述检测电极（22al、22a2)连接的固定检测梳齿锚点（13al5、13al6、13al7、13al8、13al9、 13a20、13a21、13a22、13a23、13a24、13a25、13a26、13a27、13a28、13a29、13a30)和设置于固 定检测梳齿锚点（13al5、13al6、13al7、13al8、13al9、13a20、13a21、13a22、13a23、13a24、 13a25、13a26、13a27、13a28、13a29、13a30)上的固定检测梳齿（17al、17a2、17a3、17a4、 17a5、17a6、17a7、17a8、17a9、17al0、17all、17al2、17al3、17al4、17al5、17al6)。
7. 根据权利要求1所述的一种基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪，其 特征在于：所述驱动模块（5al)、所述驱动反馈模块（5a2)、所述检测模块（6al、6a2)和所述 敏感质量块（4a)两两之间保持一定间隔，所述驱动模块（5al)、所述驱动反馈模块（5a2)和 所述检测模块（6al、6a2)各配置有支承梁。
8. 根据权利要求1所述的一种基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪，其 特征在于：所述驱动模块（5al)和所述驱动反馈模块（5a2)用于在水平方向振动，所述检测 模块（6al、6a2)用于在垂直方向振动；所述敏感质量块（4a)用于在平面内水平和垂直方向 运动。
9. 根据权利要求1所述的一种基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪，其 特征在于：所述两子模块（la、lb)在驱动状态和检测状态下同为同频反相工作模式，所述 检测模块（6al、6a2、6bl、6b2)实现差分检测。
【文档编号】G01C19/5621GK104089612SQ201410362573
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】杨波, 戴波, 邓允朋, 柳小军, 王行军, 胡迪 申请人:东南大学