解耦型双质量硅微机械振动陀螺仪结构

本发明属于微电子机械系统和微惯性测量技术，特别是一种解耦型双质量硅微机械振动陀螺仪结构。

背景技术：

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，并可以与其测控电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。

目前，我国硅微机械陀螺仪实验室环境下的性能已从普通车用级发展到了接近战术级水平(1°/h)。硅微机械陀螺从实验室走向实际应用场合所要解决的两个关键问题是振动环境适应性和温度环境适应性。南京理工大学研制的工字型结构的硅微机械振动陀螺(201511004405.3)在振动量级为7.0grms时，振动变化量<10°/h，全温范围内的零偏稳定性接近10°/h，具备了工程化应用能力。在研究中发现，在目前工艺水平下，硅微机械陀螺的机械耦合误差较大，正交耦合误差小于300°/s和同相耦合误差小于10°/s的结构芯片约有40.3％。机械耦合误差对硅微机械振动陀螺性能有很大的影响，其中正交耦合误差将限制硅微机械陀螺的量程，而同相耦合误差则影响温度特性。机械耦合误差主要来源于驱动结构，为此，美国加州大学欧文分校于2009年提出了一种解耦型双质量陀螺结构(gyroscopearchitecturewithstructureforcedanti-phasedriveandlinearlycoupledanti-phasesense-mode，transducers2009)，采用多组支撑梁将驱动结构和检测结构的运动实现解耦，通过中间的质量块实现能量耦合，以减小驱动结构对检测运动的影响，从而减小机械耦合误差。基于陀螺结构驱动结构与检测结构运动解耦思想，东南大学(201410449942.8、201410362573.9、20140164249.6、201510479060.0)、南京理工大学(201610878919.x)和其他单位提出了解耦型双质量硅微机械陀螺。实际上，mems工艺比传统制造工艺的相对误差大约2～3个量级，加工误差造成结构不对称，解耦型双质量陀螺的驱动结构与检测结构之间仍然存在较大的耦合效应。特别是对于驱动结构分散布置时，一是由刻蚀产生的梳齿间隙误差大，则在驱动梳齿上产生较大的非理想力，产生较大的正交耦合误差和同相耦合误差；二是温度变化时产生的驱动梳齿固定电极变形大，则正交耦合误差和同相耦合误差的温度系数大，则陀螺的温度性能较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种机械耦合误差小、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，能实现驱动结构与检测结构的运动解耦和大幅度振动。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种解耦型双质量硅微机械振动陀螺，由上层单晶硅、中间层单晶硅和下层单晶硅构成，上层单晶硅为布置有信号输入/出的引线、吸气剂以及固定基座的硅微陀螺仪封装盖板，中间层单晶硅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；其特征在于，所述中间层单晶硅的机械结构包括两个全对称的第一子结构，第二子结构，分别位于两个子结构两侧的第一横梁、第二横梁，位于两个子结构之间的第一扭杆、第二扭杆和驱动耦合梁；所述第一子结构、第二子结构为解耦型单质量角速率检测单元，第一子结构的第一驱动结构和第二子结构的第二驱动结构为整体框架式结构，且第一驱动结构、第二驱动结构分别位于第一子结构、第二子结构的中心位置；第一驱动结构和第二驱动结构通过驱动耦合梁形成耦合，在静电力作用下沿着驱动轴做相向运动；第一、二子结构关于检测轴对称布置，通过第一、二横梁、第一、二扭杆与第一、二固定基座相连；第一、二固定基座分别与上层单晶硅和下层单晶硅的固定基座相连，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。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)子结构的驱动结构为整体框架式结构，位于子结构的中间，驱动梳齿集中布置，减小了工艺误差造成的齿间隙不对称和温度变化造成的基座位移变化，从而减小了同相耦合误差和正交耦合误差，以及同相耦合误差和正交耦合误差的温度系数，则提高了陀螺在温度环境下的性能；(2)两个子结构的驱动框通过中间的驱动耦合梁相连，则确保了两个子结构驱动运动的一致性，同时很好地隔离了驱动模态和x方向同相模态；(3)两个子结构的驱动结构、质量块与检测结构之间通过合理的支撑梁连接，实现了驱动结构运动与检测结构运动的解耦，从而大大降低了非理想情况下驱动结构运动耦合到检测结构；(4)单个子结构的检测梳齿关于驱动轴(x轴)对称，两个子结构关于检测轴(y轴)全对称，检测梳齿电容通过两次差分，大大减小了工艺误差对输出的影响。

附图说明

图1是本发明一种解耦型双质量硅微机械振动陀螺仪结构剖面示意图。

图2是本发明一种解耦型双质量硅微机械振动陀螺仪结构示意图。

图3是本发明硅微机械陀螺的驱动结构示意图。

图4是本发明硅微机械陀螺的变间距检测结构示意图。

图5是本发明硅微机械陀螺的变面积检测结构示意图。

图6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。

图7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

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

本发明一种解耦型双质量硅微机械振动陀螺仪结构，用于测量垂直于基座水平的角速率测量仪器，由上层单晶硅51、中间层单晶硅52和下层单晶硅53构成，上层单晶硅51为布置有信号输入/出的引线54、吸气剂55以及固定基座56的硅微陀螺仪封装盖板，中间层单晶硅52上制作的为陀螺仪机械结构，下层单晶硅53为布置有固定基座57的陀螺仪衬底，中间层单晶硅52密封在由上层单晶硅51和下层单晶硅53形成的密闭空腔中。中间层单晶硅52的机械结构包括两个全对称的子结构、横梁、耦合梁和扭杆，两个子结构关于检测轴(y轴)对称布置，通过横梁、扭杆与固定基座相连；子结构为解耦型单质量角速率检测单元，其中驱动结构为整体框架式结构，且位于子结构的中心位置。所有的固定基座与上层单晶硅和下层单晶硅的固定基座相连，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。

结合图2，本发明解耦型双质量硅微机械振动陀螺仪结构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、第一横梁2a、第二横梁2b、第一扭杆3a、第二扭杆3b和驱动耦合梁5组成，第一子结构100和第二子结构200组成及结构完全相同，并关于检测轴(y轴)对称布置；第一子结构100的第一驱动结构150通过驱动耦合梁5与第二子结构200的第二驱动结构250连接；第一子结构100的上端和第二子结构的上端与第一横梁2a的两端相连，再通过第一扭杆3a与第一固定基座4a相连；第一子结构100的下端和第二子结构的下端与第二横梁2b的两端相连，再通过第二扭杆3b与第二固定基座4b相连，第一固定基座4a和第二固定基座4b与上、下层单晶硅上对应的固定基座键合。

本发明解耦型双质量硅微机械振动陀螺仪结构的第一子结构100包括第一驱动结构150、第一、二、三、四检测隔离梁105a、105b、105c、105d、第一框架式质量块106、第一、二、三、四驱动隔离梁107a、107b、107c、107d、第一、二检测结构160a、160b、第一、二、三、四检测支撑梁109a、109b、109c、109d和第三、四、五固定基座4c、4d、4e。所述第一驱动结构150位于第一子结构100中间，第三固定基座4c位于第一驱动结构150的中间；第四、五固定基座4d、4e关于驱动轴对称布置在第一驱动结构150两侧；第一、二、三、四检测隔离梁105a、105b、105c，以及第一、二、三、四检测支撑梁109a、109b、109c、109d分别关于第三固定基座4c中心对称。

所述第三、四、五固定基座4c、4d、4e与上、下层单晶硅上对应的固定基座键合。第一驱动结构150位于第一子结构100中间，第一驱动结构150的上下两端的两侧分别通过第一、二检测隔离梁105a、105b和第三、四检测隔离梁105c、105d与第一框架式质量块106相连；第一检测结构160a与第二检测结构160b关于驱动轴(x轴)对称布置在第一框架式质量块106的两侧，第一框架式质量块106的上端两侧通过第一、二驱动隔离梁107a、107b与第一检测结构160a相连，第一框架式质量块106的下端两侧通过第三、四驱动隔离梁107c、107d与第二检测结构160b相连；第一检测结构160a下端两侧通过第一检测支撑梁109a和第二检测支撑梁109b分别与固定基座4d和4a相连，固定基座4a、4d与上、下层单晶硅上对应的固定基座键合；第二检测结构160b上端两侧通过第三检测支撑梁109c和第四检测支撑梁109d分别与固定基座4b和4e相连。

第二子结构200包括第二驱动结构250、第五、六、七、八检测隔离梁205a、205b、205c、205d、第二框架式质量块206、第五、六、七、八驱动隔离梁207a、207b、207c、207d、第一、二检测结构160a、160b、第五、六、七、八检测支撑梁209a、209b、209c、209d和第六、七、八固定基座4f、4g、4h。所述第二驱动结构250位于第二子结构200中间，第六固定基座4f位于第二驱动结构250的中间；第七、八固定基座4g、4h关于驱动轴对称布置在第二驱动结构250两侧；第五、六、七、八检测隔离梁205a、205b、205c，以及第五、六、七、八检测支撑梁209a、209b、209c、209d分别关于第六固定基座4f中心对称。

所述第六、七、八固定基座4f、4g、4h与上、下层单晶硅上对应的固定基座键合。第二驱动结构250位于第二子结构200中间，第二驱动结构250的上下两端分别通过第五、六检测隔离梁205a、205b和第七、八检测隔离梁205c、205d与第二框架式质量块206相连；第三检测结构260a与第四检测结构260b关于驱动轴(x轴)对称布置在第二框架式质量块206的两侧，第二框架式质量块206的上端两侧通过第五、六驱动隔离梁207a、207b与第三检测结构260a相连，第二框架式质量块206的下端两侧通过第七、八驱动隔离梁207c、207d与第四检测结构260b相连；第三检测结构260a下端两侧通过第五检测支撑梁209a和第六检测支撑梁209b分别与固定基座4a和4g相连，第二检测结构260b上端两侧通过第七检测支撑梁209c和第八检测支撑梁209d分别与固定基座4b和4h相连。

结合图2和图3，第一驱动结构150a包括第一驱动框架101、第一、二驱动支撑梁102a、102b、第一、二驱动梳齿固定电极103a、103b、第一、二驱动检测梳齿固定电极104a、104b。第一驱动框架101上设置了活动梳齿，部分活动梳齿与第一驱动梳齿固定电极103a和第二驱动梳齿固定电极103b上的固定梳齿构成驱动梳齿电容；部分活动梳齿与第一驱动检测梳齿固定电极104a和第二驱动测梳齿固定电极104b上的固定梳齿构成驱动检测梳齿电容；第一驱动梳齿固定电极103a、第二驱动梳齿固定电极103b、第一驱动检测梳齿固定电极104a和第二驱动测梳齿固定电极104b并排排列，其中第一驱动梳齿固定电极103a和第二驱动梳齿固定电极103b位于这四个固定电极中间；在第一驱动梳齿固定电极103a施加带直流偏置的交流电压，在第二驱动梳齿固定电极103b施加带直流偏置的反相交流电压，形成双边驱动；分别在第一驱动检测梳齿固定电极104a和第二驱动检测梳齿固定电极104b施加反相直流电压，形成差分电容检测。

本发明解耦型双质量硅微机械振动陀螺仪结构的检测结构可采用梳齿电容的变间距检测和变面积检测两种方案，图4为陀螺检测结构的变间距检测方案。结合图2和图4，第一检测结构160a与第二检测结构160b组成及结构完全相同，且对称布置在第一子结构100的上下两侧。第一检测结构160a包括第一检测框架108a、第一、二检测梳齿固定电极110a、110b、第一检测活动梳齿161a和第一检测固定梳齿162a；第一检测活动梳齿161a布置在第一检测框架108a上，第一检测固定梳齿162a布置在第一、二检测梳齿固定电极110a、110b上。第一检测活动梳齿161a与第一检测固定梳齿162a构成检测梳齿电容，第一检测结构160a与第二检测结构160b的检测梳齿电容构成差分检测。

图5为陀螺检测结构的变面积检测方案，第一检测结构160a包括第一检测框架108a、第一、二检测梳齿固定电极110a、110b、检测活动梳齿臂163、检测活动梳齿164、检测固定梳齿臂165和检测固定梳齿166；第一检测框架上布置检测活动梳齿臂163，检测活动梳齿臂163上布置检测活动梳齿164，第一检测梳齿固定电极110a上布置检测固定梳齿臂165，检测固定梳齿臂165上布置检测固定梳齿166，检测活动梳齿164与检测固定梳齿166构成检测梳齿电容。

本发明解耦型双质量硅微机械振动陀螺仪结构可采用开环和闭环两种方案，以梳齿电容的变间距检测结构进行说明。图6为该陀螺开环检测的检测梳齿结构示意图，由第一、二、三、四检测梳齿固定电极110a、110b、110c、110d、第五、六、七、八检测梳齿固定电极210a、210b、210c、210d、第一、二、三、四固定检测梳齿162a、162b、262a、262b和分别布置在第一、二、三、四检测框108a、108b、208a、208b上的第一、二、三、四活动检测梳齿161a、161b、261a、261b构成陀螺开环检测的检测梳齿结构，第一、二、三、四、五、六、七、八检测梳齿固定电极110a、110b、110c、110d、210a、210b、210c、210d上的第一、二、三、四固定检测梳齿162a、162b、262a、262b和分别布置在第一、二、三、四检测框108a、108b、208a、208b上的第一、二、三、四活动检测梳齿161a、161b、261a、261b对插组成八组检测梳齿电容；第一、二检测梳齿固定电极110a、110b上的第一固定检测梳齿162a与第一活动检测梳齿161a构成第一、二检测电容d1、d2，第三、四检测梳齿固定电极110c、110d上的第二固定检测梳齿162b与第二活动检测梳齿161b构成第三、四检测电容d3、d4，第一、二检测电容d1、d2与第三、四检测电容d3、d4的梳齿对称排列，构成了差分检测，用于检测第一子结构100的第一、二检测框架108a、108b在y轴向的运动位移；第五、六检测梳齿固定电极210a、210b上的第三固定检测梳齿262a与第三活动检测梳齿261a构成第五、六检测电容d5、d6，第七、八检测梳齿固定电极210c、210d上的第四固定检测梳齿262b与第四活动检测梳齿261b构成第二检测电容d7、d8，第五、六检测电容d5、d6与第七、八检测电容d7、d8的梳齿对称排列，构成了差分检测，用于检测第二子结构200的第三、四检测框架208a、208b在y轴向的运动位移；第一、二检测电容d1、d2与第五、六检测电容d5、d6的梳齿排列相同，第三、四检测电容d3、d4与第七、八检测电容d7、d8的梳齿排列相同，由于子结构100与子结构200相向运动，则第一、二检测电容d1、d2与第五、六检测电容d5、d6构成差分检测，第三、四检测电容d3、d4与第七、八检测电容d7、d8构成差分检测，两次差分检测大大抑制了加工误差和同向运动对输出的影响。

闭环检测的检测梳齿结构如附图7所示。由第一、二、三、四检测梳齿固定电极110a、110b、110c、110d、第五、六、七、八检测梳齿固定电极210a、210b、210c、210d、第一、二、三、四施力梳齿固定电极111a、111b、111c、111d、第五、六、七、八施力梳齿固定电极211a、211b、211c、211d、第一、二、三、四固定检测梳齿162a、162b、262a、262b和分别布置在第一、二、三、四检测框108a、108b、208a、208b上的第一、二、三、四活动检测梳齿161a、161b、261a、261b构成陀螺闭环检测的检测梳齿结构，在第一、二施力梳齿固定电极111a、111b上也设置第一固定检测梳齿162a，在第三、四施力梳齿固定电极11c、111d上也设置第二固定检测梳齿162b，在第五、六施力梳齿固定电极211a、211b上也设置第三固定检测梳齿262a，在第七、八施力梳齿固定电极211c、211d上也设置第二固定检测梳齿262b。第一、二、三、四、五、六、七、八检测梳齿固定电极110a、110b、110c、110d、210a、210b、210c、210d和第一、二、三、四、五、六、七、八施力梳齿固定电极111a、111b、111c、111d、211a、211b、211c、211d上的第一、二、三、四固定检测梳齿162a、162b、262a、262b与分别布置在第一、二、三、四检测框108a、108b、208a、208b上的第一、二、三、四活动检测梳齿161a、161b、261a、261b对插组成八组检测梳齿电容和八组施力电容；第一、二检测梳齿固定电极110a、110b上的第一固定检测梳齿162a与第一活动检测梳齿161a构成第一、二检测电容d1、d2，第三、四检测梳齿固定电极110c、110d上的第二固定检测梳齿162b与第二活动检测梳齿161b构成第三、四检测电容d3、d4，第一、二检测电容d1、d2与第三、四检测电容d3、d4的梳齿对称排列，构成了差分检测，用于检测第一子结构100的第一、二检测框架108a、108b在y轴向的运动位移；第五、六检测梳齿固定电极210a、210b上的第三固定检测梳齿262a与第三活动检测梳齿261a构成第五、六检测电容d5、d6，第七、八检测梳齿固定电极210c、210d上的第四固定检测梳齿262b与第四活动检测梳齿261b构成第二检测电容d7、d8，第五、六检测电容d5、d6与第七、八检测电容d7、d8的梳齿对称排列，构成了差分检测，用于检测第二子结构200的第三、四检测框架208a、208b在y轴向的运动位移；第一、二检测电容d1、d2与第五、六检测电容d5、d6的梳齿排列相同，第三、四检测电容d3、d4与第七、八检测电容d7、d8的梳齿排列相同，由于子结构100与子结构200相向运动，则第一、二检测电容d1、d2与第五、六检测电容d5、d6构成差分检测，第三、四检测电容d3、d4与第七、八检测电容d7、d8构成差分检测，两次差分检测大大抑制了加工误差和同向运动对输出的影响。第一、二施力梳齿固定电极111a、111b上的第一固定检测梳齿162a与第一检测框上的第一活动检测梳齿161a构成第一、二施力电容a1、a2，第三、四施力梳齿固定电极111c、111d上的第二固定检测梳齿162b与第二检测框上的第二活动检测梳齿161b构成第三、四施力电容a3、a4，第五、六施力梳齿固定电极211a、211b上的第三固定检测梳齿262a与第三检测框上的第三活动检测梳齿261a构成第五、六施力电容a5、a6，第七、八施力梳齿固定电极211c、211d上的第四固定检测梳齿262b与第四检测框上的第四活动检测梳齿261b构成第七、八施力电容a7、a8。在施力梳齿固定电极111a、111b、211a、211b上施加电压，产生静电力。检测电容d1～d8与施力电容a1～a8形成闭环检测，将第一、二、三、四检测结构108a、108b、208a、208b和第一、二框架式质量块106、206控制在平衡位置。

在第一驱动结构150的第一驱动梳齿固定电极103a和第二驱动结构250的第四驱动梳齿固定电极203b施加带直流偏置的交流电压(通过上层单晶硅的输入线输入)，在第二驱动梳齿固定电极103b和第三驱动梳齿固定电极203a施加带直流偏置的反相交流电压(通过上层单晶硅的输入线输入)，分别在第一驱动结构150和第二驱动结构250上产生幅值相等、相差180度的交变静电驱动力，静电驱动力幅值为：

式中，n为第一子结构100或第二子结构200的驱动活动梳齿数，ε为介电常数，h为陀螺结构的厚度，d为梳齿间距，ud为驱动电压的直流偏置电压，ua为交流电压，ωd为交流电压的角频率。因此，第一驱动结构150连同第一框架式质量块106与第二驱动结构250连同第二框架式质量块206在静电驱动力的作用下，沿驱动轴(x轴)作相向简谐线振动。

第一驱动框架101上的活动梳齿与第一、二驱动检测梳齿固定电极104a、104b上的固定梳齿构成的驱动检测梳齿电容和第二驱动框架201上的活动梳齿与第三、四驱动检测梳齿固定电极204a、204b上的固定梳齿构成的驱动检测梳齿电容，用于检测驱动振动，并反馈给驱动梳齿电容上使其做出调整，从而实现闭环驱动。

当驱动模态处于谐振时，线振动位移为：

式中，kx为陀螺驱动轴(x轴)的弹性刚度，qx为驱动模态的品质因数，t为时间。线振动速度为：

当陀螺仪有绕z轴的外界输入角速率ωz时，根据右手定则，陀螺检测轴(y轴)受到哥氏加速度的作用，其大小为：

式中，为输入角速率和线振动速度之间右旋夹角。

设第一、二框架式质量块106、206质量为ms，则作用在检测结构上的哥氏力为：

哥氏力的方向与哥氏加速度方向相反，因此，作用在第一、二框架式质量块106、206上的哥氏力方向相反。在哥氏力的作用下，第一框架式质量块106连同第一、二检测框架108a、108b、第二框架式质量块206连同第三、四检测框架208a、208b沿着检测轴(y轴)作相向简谐线振动。这样，使得活动检测梳齿与固定检测梳齿之间的间隙按一定的简谐振动规律变动，电容差值信号通过上层单晶硅的输出线经电子线路处理后，可获得输出电压信号。输出电压信号为第一子结构100和第二子结构200输出电压信号之和，且输出电压信号的大小正比于输入角速率的大小。通过鉴相器比较输出电压信号与激励信号的相位关系，则可判明输入角速率的方向。

本发明专利解耦型双质量硅微机械振动陀螺仪结构的驱动结构为整体框架式结构且位于子结构中间，减小工艺误差对陀螺性能的影响。本发明专利的解耦型双质量硅微机械振动陀螺仪结构、驱动结构分散布置的解耦型双质量硅微机械振动结构都采用了相同的soi工艺制备，圆片测试数据统计结果表明，本发明专利的陀螺结构的正交耦合误差小于100°/s且同相耦合误差小于1°/s的结构芯片有62.6％。而驱动结构分散布置的陀螺的正交耦合误差小于300°/s且同相耦合误差小于5°/s的结构芯片有44.8％。由此可见，本发明专利的发明效果显著。