变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明公开的一种变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺，涉及一种音叉式微机械陀螺，尤其涉及一种变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺，属于微机电系统(MEMS)技术领域。
【背景技术】
[0002]微机械陀螺发展迅速，已广泛应用于电子行业，汽车，惯性导航等领域，这得益于其体积小，成本低，能耗小以及可批量生产等优点。振动式微机械陀螺的工作原理是基于哥氏效应，利用驱动模态和检测模态之间的能量传递，来敏感角速度的变化。
[0003]随着微机械陀螺性能(分辨率、灵敏度、带宽)的不断提高，外界振动对陀螺的性能影响愈发突出。为此，国内外学者设计了各种双质量块音叉式陀螺来消除振动带来的影响。此类音叉式陀螺(这里定义为直接耦合式)，一般使用弹性梁直接耦合两个质量块，并采用变间距式偏置梳齿差分检测的方式。然而，对于直接耦合式音叉陀螺来说，无论驱动模态还是检测模态，同相模态频率小于反相工作模态频率，且两者的频率差很难增大。为了降低振动灵敏度，必须提高反相工作频率，这必然导致陀螺灵敏度下降。另一方面，变间距式偏置梳齿差分检测引入了位移与电容转换非线性问题，同时小间距也带来了量程小的问题。
【发明内容】
[0004]本发明公开的一种变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺，要解决的技术问题是提供一种能够实现驱动模态和检测模态的模态优化，降低振动灵敏度，获得高线性、大量程的微机械陀螺。
[0005]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0006]本发明公开的一种变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺，包括玻璃基底、金属电极；还包括MEMS结构，其中，硅片键合在玻璃基底上，对玻璃基底上的硅片进行光刻深刻蚀形成锚点，对玻璃基底进行光刻，并溅射金属，通过剥离形成金属电极，再在硅片进行光刻深刻蚀释放出MEMS结构。所述的MEMS结构包括锚点、左质量块、左质量块左检测框架、左质量块右检测框架、左质量块上驱动框架、左质量块下驱动框架、右质量块、右质量块左检测框架、右质量块右检测框架、右质量块上驱动框架、右质量块下驱动框架、双U型梁、单U型梁、杠杆结构、耦合菱形梁、变面积检测梳齿差分电容、差分驱动器、正交消除电极、驱动检测电容、调谐电极、闭环检测力平衡电极。所述的锚点用于分别固定杠杆结构、耦合菱形梁和单U型梁，所述的锚点数量根据固定需要而定；所述的金属电极数量根据后续处理电路需要而定。所述的MEMS结构采用能够充分利用结构空间的变面积检测梳齿差分电容以增加在有限空间内变面积检测梳齿差分电容的布设数量。耦合菱形梁位于MEMS结构中间部分，采用锚点与耦合菱形梁连接实现检测模态的模态优化；杠杆结构对称分布于锚点与耦合菱形梁上下两侧，采用锚点与杠杆结构连接实现驱动模态的模态优化。采用U型梁能够实现降低加工工艺缺陷造成的尺寸误差带来的正交耦合误差。双U型弹性梁比单U型梁降低正交耦合误差效果更好。采用双U型弹性梁或单U型梁根据结构空间限制而定。
[0007]所述的MEMS结构具体实现为对称结构。耦合菱形梁位于MEMS结构中间部分，耦合菱形梁向左依次为左质量块右检测框架、左质量块、左质量块左检测框架，同样，耦合菱形梁向右依次为右质量块左检测框架、右质量块、右质量块右检测框架。左质量块上侧和下侧分别设有左质量块上驱动框架、左质量块下驱动框架，同样，右质量块上侧和下侧分别设有右质量块上驱动框架、右质量块下驱动框架。耦合菱形梁上侧的杠杆结构位于左质量块上驱动框架与右质量块上驱动框架之间，同样，耦合菱形梁下侧的杠杆结构位于左质量块下驱动框架与右质量块下驱动框架之间，杠杆结构通过锚点固定。左质量块上驱动框架、左质量块下驱动框架、右质量块上驱动框架、右质量块下驱动框架分别包括差分驱动器和驱动检测电容。分别在左质量块右检测框架、右质量块左检测框架上布置变面积检测梳齿差分电容。分别在左质量块左检测框架、右质量块右检测框架上布置闭环检测力平衡电极。在左质量块四个对角位置分别布置调谐电极，同样，在右质量块四个对角位置分别布置调谐电极。分别在左质量块、右质量块中心部分布置正交消除电极。
[0008]有益效果:
[0009]1、本发明公开的一种变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺，采用变面积检测梳齿差分电容能够充分利用结构空间，在有限的结构空间下，可布设更多的变面积检测梳齿差分电容，因此，能够在不降低灵敏度的前提下，实现检测电容变化量与位移变化量的线性转换，同时有效解决变间距电容式微陀螺量程小的问题，即实现获得高线性、大量程的微机械陀螺；
[0010]2、本发明公开的一种变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺，采用锚点与耦合菱形梁连接实现检测模态的模态优化；采用锚点与杠杆结构连接实现驱动模态的模态优化。所述的模态优化指同相模态频率要高于反相模态频率，降低了微机械陀螺的振动灵敏度；
[0011]3、本发明公开的一种变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺，双U型弹性梁结构与单U型相比解耦性能更好，能够降低加工工艺缺陷造成的尺寸误差带来的正交耦合误差。
【附图说明】
[0012]图1本发明的结构示意图；
[0013]其中:1 一玻璃基底、2—金属电极、3—左质量块左检测框架、4一左质量块下驱动框架、5—左质量块上驱动框架、6—左质量块、7—双U型梁、8—杠杆结构、9一左质量块右检测框架、10 一销点、11 一親合菱形梁、12 一右质量块左检测框架、13 一变面积检测梳齿差分电容、14一差分驱动器、15—右质量块上驱动框架、16—单U型梁、17—驱动检测电容、18—调谐电极、19一正交消除电极、20—右质量块、21—右质量块右检测框架、22—闭环检测力平衡电极、23—右质量块下驱动框架。
【具体实施方式】
[0014]为进一步阐述本发明达到预期目的所采取的技术手段及功效，使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，结合附图及实施例对本发明的【具体实施方式】、结构特征及其功效做如下详细说明。
[0015]如图1所示，本实施例公开的一种变面积电容式双模态优化的音叉式微机械陀螺，包括玻璃基底1、金属电极2 ;还包括MEMS结构，其中，硅片键合在玻璃基底1上，对玻璃基底1上的硅片进行光刻深刻蚀形成锚点10，对玻璃基底1进行光刻，并溅射金属，通过剥离形成金属电极2，再在硅片进行光刻深刻蚀释放出MEMS结构。所述的MEMS结构包括锚点10、左质量块6、左质量块左检测框架3、左质量块右检测框架9、左质量块上驱动框架5、左质量块下驱动框架4、右质量块20、右质量块左检测框架12、右质量块右检测框架21、右质量块上驱动框架15、右质量块下驱动框架23、双U型梁7、单U型梁16、杠杆结构8、耦合菱形梁11、变面积检测梳齿差分电容13、差分驱动器14、正交消除电极19、驱动检测电容17、调谐电极18、闭环检测力平衡电极22。所述的锚点10用于分别固定杠杆结构8、耦合菱形梁11和单U型梁16，所述的锚点10数量根据固定需要而定；所述的金属电极2数量根据后续处理电路需要而定。所述的MEMS结构采用能够充分利用结构空间的变面积检测梳齿差分电容13以增加在有限空间内变面积检测梳齿差分电容13的布设数量。耦合菱形梁11位于MEMS结构中间部分，采用锚点10与耦合菱形梁11连接实现检测模态的模态优化；杠杆结构8对称分布于锚点10与耦合菱形梁11上下两侧，采用锚点10与杠杆结构8连接实现驱动模态的模态优化。采用U型梁能够实现降低加工工艺缺陷造成的尺寸误差带来的正交耦合误差。双U型弹性