專利名稱：雙自由度雙解耦微機械振動陀螺傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種傳感器結構，具體地說是一種微機械振動陀螺傳感器。
背景技術：
基于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的微機械慣性儀表具有體積小、成本低、可與集成電路兼容等優(yōu)點，因此有著廣闊的應用前景。
微機械陀螺是近年來MEMS領域研究的一個熱點。振動式微機械陀螺是其中的主要一種。它是基于科氏力的原理工作的一種微結構。這一類陀螺的工作狀態(tài)受工藝加工的質量和精度、工作時的溫度、氣壓、阻尼等因素的影響。這種陀螺的靈敏度與檢測模態(tài)固有頻率和驅動模態(tài)固有頻率之間存在著很大的折中問題。并且，振動式陀螺驅動模態(tài)和檢測模態(tài)之間會存在一定的耦合誤差。這些問題都限制了這種陀螺的應用。
傳統(tǒng)的微機械振動陀螺通常采用單自由度檢測方式，即檢測方向具有單一的質量塊，這種陀螺的檢測帶寬為驅動固有頻率和檢測固有頻率之差，而陀螺的檢測靈敏度隨著帶寬的增大急劇減小，造成了帶寬和靈敏度之間的折中矛盾問題。在檢測電極設計時，通常采用平行極板的壓膜阻尼檢測的方式，這使得檢測方向的品質因數(shù)很小，而傳統(tǒng)陀螺檢測模態(tài)的相應受品質因數(shù)影響很大，這進一步減小了陀螺的檢測靈敏度。同時，傳統(tǒng)陀螺一般采用單級解耦的結構，在陀螺驅動時，檢測質量塊隨驅動質量塊運動，這會給檢測模態(tài)帶來一定的耦合誤差。這些問題都不利于提高陀螺檢測靈敏度和增大工作帶寬
發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供一種可以使在相同工藝難度條件下、相同靜態(tài)電容值的前提下增大陀螺的檢測帶寬，增大檢測模態(tài)的品質因數(shù)，減小阻尼對靈敏度的影響，并在一定程度上消除耦合誤差的雙自由度雙解耦微機械振動陀螺傳感器。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的它包括鍵合在玻璃基片上的驅動方向鍵合塊、驅動固定電極鍵合塊、檢測方向鍵合塊和檢測固定電極鍵合塊，驅動方向鍵合塊通過驅動方向彈性梁與驅動質量塊相連，檢測方向鍵合塊通過第一自由度檢測質量塊的彈性梁與第一自由度檢測質量塊相連，驅動固定電極鍵合塊上連接驅動固定電極，驅動活動電極連接于驅動質量塊上，檢測方向鍵合塊上連接檢測固定電極，檢測活動電極與第二自由度檢測質量塊相連，第二自由度檢測質量塊通過第二自由度檢測質量塊的彈性梁與第一自由度檢測質量塊相連，在驅動質量塊與第一自由度檢測質量塊之間設置有隔離質量塊，隔離質量塊的兩側分別通過隔離質量塊與驅動質量塊連接的彈性梁和隔離質量塊與檢測質量塊連接的彈性梁與驅動質量塊和第一自由度檢測質量塊相連。整體結構左右對稱分布，上下對稱式分布。
本發(fā)明的檢測質量塊的設計，采用雙自由度質量塊，即兩個質量塊通過一根一維的彈性梁連接在一起共同構成檢測質量塊，以此來增大帶寬并減小品質因數(shù)對靈敏度的影響；將檢測電極制作在其中一個質量塊上，并采用活動電極相對固定電極平行運動的電容檢測方式以增大檢測品質因數(shù)；采用雙級解耦的結構設計，即在驅動質量和檢測質量之間加入一個隔離質量塊，以使驅動質量和檢測質量相對獨立運動，從而消除耦合誤差。
隔離質量塊通過兩個方向的彈性梁與驅動質量塊和檢測質量塊相連，用相互嵌套的方式將驅動質量塊和檢測質量塊隔離開；檢測質量塊為兩個，兩檢測質量快通過彈性梁相連，構成雙自由度檢測；檢測活動電極制作在內部檢測質量塊上，檢測時，檢測電極相互平行運動，產(chǎn)生滑膜阻尼。
本發(fā)明在很大程度上緩解了帶寬和檢測靈敏度之間的矛盾，增大模態(tài)的品質因數(shù)并減小了阻尼對靈敏度的影響，同時在一定程度上消除了耦合誤差的影響。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1、帶寬大，靈敏度高；2、受工藝和品質因數(shù)影響小；3、檢測方向品質因數(shù)高；4、耦合誤差影響小。


附圖是本發(fā)明的結構示意圖。
具體實施方式
該發(fā)明的制作過程大致有如下三個步驟1、在硅的背面用ICP干法刻蝕，刻出鍵合所需的臺面(8個固定塊)；2、用靜電鍵合將步驟1刻蝕出的鍵合臺面鍵合在玻璃基片上形成8個固定塊；3、在硅的正面用ICP刻蝕出傳感器的梁、質量塊、固定和活動電極圖形，釋放梁、質量塊和電極結構。
下面結合附圖對本發(fā)明作更詳細的描述雙自由度雙解耦微機械振動陀螺傳感器的組成包括鍵合在玻璃基片上的驅動方向鍵合塊12、驅動固定電極鍵合塊17、檢測方向鍵合塊9和檢測固定電極鍵合塊6，驅動方向鍵合塊通過驅動方向彈性梁11與驅動質量塊10相連，檢測方向鍵合塊通過第一自由度檢測質量塊的彈性梁14與第一自由度檢測質量塊5相連，驅動固定電極鍵合塊上連接驅動固定電極16，驅動活動電極15連接于驅動質量塊上，檢測方向鍵合塊上連接檢測固定電極4，檢測活動電極3與第二自由度檢測質量塊2相連，第二自由度檢測質量塊通過第二自由度檢測質量塊的彈性梁1與第一自由度檢測質量塊相連，在驅動質量塊與第一自由度檢測質量塊之間設置有隔離質量塊7，隔離質量塊的兩側分別通過隔離質量塊與驅動質量塊連接的彈性梁8和隔離質量塊與檢測質量塊連接的彈性梁13與驅動質量塊和第一自由度檢測質量塊相連。整體結構左右對稱分布，上下對稱式分布。
工作過程一當向驅動電極15、16施加驅動電壓時，驅動質量塊在驅動力作用下運動，驅動方向彈性梁11發(fā)生彈性形變，由于彈性梁8在驅動方向剛性很大，此時的形變很小，通過彈性梁8帶動隔離質量塊7隨著驅動質量塊沿驅動方向運動，彈性梁13發(fā)生彈性形變，同彈性梁8相同，彈性梁14發(fā)生形變很小，此時，檢測質量塊2、5幾乎不發(fā)生位移。
工作過程二當出現(xiàn)垂直于陀螺的角速度信號時，在科氏力的作用下，檢測質量塊2、5會沿檢測方向振動，此時，彈性梁1、14都發(fā)生彈性形變，彈性梁13在檢測方向上剛性很大，此時的形變很小，隔離質量塊7隨著檢測質量塊2、5沿檢測方向運動，彈性梁8發(fā)生彈性形變，和彈性梁13相同，彈性梁11此時的形變很小，驅動質量塊10在檢測方向幾乎不發(fā)生位移。
工作過程三在出現(xiàn)垂直于陀螺的角速度信號時，檢測質量塊2、5會沿檢測方向運動，彈性梁1、14都發(fā)生彈性形變，此時，由于彈性梁1的存在，在檢測質量塊2、5振動時，二者之間產(chǎn)生一定的振動耦合，從而使陀螺在一個較寬的頻率范圍內，都具有較大的靈敏度，即增大了陀螺的帶寬。
權利要求
1.一種雙自由度雙解耦微機械振動陀螺傳感器，它包括鍵合在玻璃基片上的驅動方向鍵合塊、驅動固定電極鍵合塊、檢測方向鍵合塊和檢測固定電極鍵合塊，其特征是驅動方向鍵合塊通過驅動方向彈性梁與驅動質量塊相連，檢測方向鍵合塊通過第一自由度檢測質量塊的彈性梁與第一自由度檢測質量塊相連，驅動固定電極鍵合塊上連接驅動固定電極，驅動活動電極連接于驅動質量塊上，檢測方向鍵合塊上連接檢測固定電極，檢測活動電極與第二自由度檢測質量塊相連，第二自由度檢測質量塊通過第二自由度檢測質量塊的彈性梁與第一自由度檢測質量塊相連，在驅動質量塊與第一自由度檢測質量塊之間設置有隔離質量塊，隔離質量塊的兩側分別通過隔離質量塊與驅動質量塊連接的彈性梁和隔離質量塊與檢測質量塊連接的彈性梁與驅動質量塊和第一自由度檢測質量塊相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的雙自由度雙解耦微機械振動陀螺傳感器，其特征是整體結構左右對稱分布，上下對稱式分布。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種雙自由度雙解耦微機械振動陀螺傳感器。驅動方向鍵合塊通過彈性梁與驅動質量塊相連，檢測方向鍵合塊通過彈性梁與第一自由度檢測質量塊相連，驅動固定電極鍵合塊上連接驅動固定電極，驅動活動電極連接于驅動質量塊上，檢測方向鍵合塊上連接檢測固定電極，檢測活動電極與第二自由度檢測質量塊相連，第二自由度檢測質量塊通過彈性梁與第一自由度檢測質量塊相連，在驅動質量塊與第一自由度檢測質量塊之間設置有隔離質量塊，隔離質量塊的兩側分別通過彈性梁與驅動質量塊和第一自由度檢測質量塊相連。本發(fā)明的優(yōu)點在于傳感器耦合誤差小、帶寬大、靈敏度受環(huán)境影響小、易于加工等。
文檔編號G01C19/5684GK101050966SQ200710072230
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月21日 優(yōu)先權日2007年5月21日
發(fā)明者劉曉為, 陳偉平, 尹亮, 唐佳祿, 譚曉昀 申請人:哈爾濱工業(yè)大學