專利名稱：硅微角振動(dòng)輸出陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)和微慣性測(cè)量技術(shù)，特別是一種硅微角振動(dòng)輸出陀螺儀。
背景技術(shù)：
微機(jī)械慣性儀表包括微機(jī)械陀螺儀(MMG)和微機(jī)械加速度計(jì)(MMA)。利用微電子加工工藝允許將微機(jī)械結(jié)構(gòu)與所需的電子線路完全集成在一個(gè)硅片上，從而達(dá)到性能、價(jià)格、體積、重量、可靠性諸方面的高度統(tǒng)一。因而，這類儀表具有一系列的優(yōu)點(diǎn)(如體積小、 重量輕、價(jià)格便宜、可靠性高、能大批量生產(chǎn)等)，在軍民兩方面都具有廣泛的應(yīng)用前景。在民用方面，主要用于汽車工業(yè)、工業(yè)監(jiān)控及消費(fèi)類產(chǎn)品和機(jī)器人技術(shù)，如氣囊、防抱死系統(tǒng)、 偏航速率傳感器、翻滾速率傳感器、圖象穩(wěn)定及玩具等等；在軍用領(lǐng)域，主要用于靈巧炸彈、 智能炮彈、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、新概念武器和微型飛機(jī)的自主導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)等。1993年，美國(guó)德雷珀實(shí)驗(yàn)室通過(guò)在玻璃表面復(fù)蓋硅層技術(shù)制作了一種新穎的微機(jī)械陀螺-音叉式線振動(dòng)陀螺。該陀螺儀由雙質(zhì)量塊、支承梁和橫梁組成，陀螺儀采用線振動(dòng)驅(qū)動(dòng)和角振動(dòng)檢測(cè)的方式，可以敏感陀螺儀平面內(nèi)軸向的角速率。由于該陀螺儀的驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)與敏感運(yùn)動(dòng)完全耦合，限制了其靈敏度的提高。2007年，裘安萍、蘇巖等人研制了雙質(zhì)量振動(dòng)式硅微陀螺儀(申請(qǐng)?zhí)?200710133223.幻，在驅(qū)動(dòng)力的作用下雙質(zhì)量在做平行于襯底的線振動(dòng)，有角速率輸入時(shí)， 雙質(zhì)量塊做平行于襯底的垂直于驅(qū)動(dòng)方向的線振動(dòng)，通過(guò)檢測(cè)敏感電容的變化，測(cè)試輸入角速率。該陀螺儀采用了八根驅(qū)動(dòng)支承梁和八根敏感支承梁實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模態(tài)與敏感模態(tài)的分離。由于微電子工藝的相對(duì)誤差較大，加工誤差對(duì)陀螺儀性能有很大的影響。2009年，裘安萍、蘇巖等人又研制了擺動(dòng)式硅微陀螺儀(申請(qǐng)?zhí)?200920037290. 1)。采用扭桿和橫梁，使陀螺儀繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)陀螺儀的敏感運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)方向與檢測(cè)方向的運(yùn)動(dòng)解耦。扭桿代替了敏感支承梁，減小了支承梁數(shù)目，降低了加工誤差對(duì)陀螺儀性能的影響。但是在體硅工藝中，對(duì)豎直扭桿的加工具有相當(dāng)大的難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模態(tài)與檢測(cè)模態(tài)的運(yùn)動(dòng)解耦，受加工誤差影響較小，具有高靈敏度、高穩(wěn)定性的硅微角振動(dòng)輸出陀螺儀。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種雙質(zhì)量硅微角振動(dòng)輸出陀螺儀，由上層的機(jī)械結(jié)構(gòu)和下層的玻璃襯底構(gòu)成，上層機(jī)械結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相同的子結(jié)構(gòu)組成，這兩個(gè)子結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱布置，并通過(guò)質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)相互連接。同時(shí)兩個(gè)子結(jié)構(gòu)分別與橫梁連接，該橫梁通過(guò)水平扭桿與固定基座連接，固定基座安裝在玻璃襯底上的固定基座鍵合點(diǎn)上，使上層的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分懸空在下層的玻璃襯底部分之上。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為(1)與雙質(zhì)量振動(dòng)式硅微陀螺儀(申請(qǐng)?zhí)?00710133223. 5)相比，扭桿代替了敏感支承梁，使陀螺儀的敏感運(yùn)動(dòng)由線運(yùn)動(dòng)變?yōu)榻沁\(yùn)動(dòng)，減少了干擾模態(tài)的數(shù)目，降低了加工精度的影響，提高了陀螺儀的靈敏度和穩(wěn)定性；( 與擺動(dòng)式硅微陀螺儀(申請(qǐng)?zhí)?00920037^0. 1)相比，水平扭桿代替了豎直扭桿，實(shí)現(xiàn)敏感運(yùn)動(dòng)，降低了加工過(guò)程的難度；C3)與雙質(zhì)量振動(dòng)式硅微陀螺儀(申請(qǐng)?zhí)?200710133223. 5)和擺動(dòng)式硅微陀螺儀(申請(qǐng)?zhí)?200920037290. 1)相比，兩個(gè)子結(jié)構(gòu)通過(guò)質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)相互連接，增大了工作模態(tài)間與干擾模態(tài)間的頻率差，減小了干擾模態(tài)對(duì)陀螺儀性能的影響；(4)與雙質(zhì)量振動(dòng)式硅微陀螺儀(申請(qǐng)?zhí)?200710133223. 5)相比，兩個(gè)子結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱布置，增加了輸出信號(hào)，為單質(zhì)量塊輸出信號(hào)的兩倍，同時(shí)角振動(dòng)輸出信號(hào)為線振動(dòng)輸出信號(hào)的兩倍，所以大大提高了陀螺儀的靈敏度；( 采用扭桿和橫梁，使陀螺儀繞ζ軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)陀螺儀的敏感運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)方向與檢測(cè)方向的運(yùn)動(dòng)解耦，從而減小誤差信號(hào)；(6)兩個(gè)子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)和檢測(cè)運(yùn)動(dòng)均為相向運(yùn)動(dòng)，形成梳齒差動(dòng)電容檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了敏感輸出解耦，抑制了干擾信號(hào)。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。


圖1是本發(fā)明硅微角振動(dòng)輸出陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明硅微角振動(dòng)輸出陀螺儀下層的玻璃襯底上的信號(hào)引線示意圖。
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖1，本發(fā)明硅微角振動(dòng)輸出陀螺儀，用于測(cè)量Z軸方向的角速率。該陀螺儀由上層的機(jī)械結(jié)構(gòu)和下層的玻璃襯底構(gòu)成。陀螺儀上層機(jī)械結(jié)構(gòu)由一對(duì)完全相同的子結(jié)構(gòu) 100,200組成，這兩個(gè)子結(jié)構(gòu)100、200左右對(duì)稱布置，并通過(guò)質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)6相互連接， 同時(shí)兩個(gè)子結(jié)構(gòu)100、200均與橫梁3a、北連接。第一橫梁3a通過(guò)第一組水平扭桿h、2b、 2c,2d與第一固定基座Ia連接。第二橫梁北通過(guò)第二組水平扭桿&、2f、2g、2h與第二固定基座Ib連接。質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)6由兩個(gè)連接桿6a、6b和一個(gè)連接框6c構(gòu)成，兩個(gè)連接桿6a、6b的一端分別與連接框6c連接，另一端連接兩個(gè)子結(jié)構(gòu)100、200。第一組水平扭桿中的第一、第二扭桿h、2b和第二組水平扭桿中的第五、第六扭桿&、2f沿X軸方向布置， 第一組水平扭桿中的第三、第四扭桿2c、2d和第二組水平扭桿中的第七、第八扭桿2g、》!沿 Y軸方向布置。第一子結(jié)構(gòu)100由第一質(zhì)量塊101、驅(qū)動(dòng)支承梁l(^a、105b、105c、105d、驅(qū)動(dòng)電容、驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容和檢測(cè)電容組成。第二子結(jié)構(gòu)200由第二質(zhì)量塊201、驅(qū)動(dòng)支承梁20fe、 205b、205c、205d、驅(qū)動(dòng)電容、驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容和檢測(cè)電容組成。第一質(zhì)量塊101通過(guò)驅(qū)動(dòng)支承梁10fe、105b、105c、105d與橫梁3a、!3b相連，其中第一、第二驅(qū)動(dòng)支承梁10fe、105b與第一橫梁3a連接，第三、第四驅(qū)動(dòng)支承梁105c、105d與第二橫梁北連接。第二質(zhì)量塊201通過(guò)驅(qū)動(dòng)支承梁20fe、205b、205c、205d與橫梁3a、;3b相連，其中第五、第六驅(qū)動(dòng)支承梁20fe、 205b與第一橫梁3a相連，第七、第八驅(qū)動(dòng)支承梁205c、205d與第二橫梁北相連。第一質(zhì)量塊101上下對(duì)稱分布的活動(dòng)梳齒與至少四個(gè)固定驅(qū)動(dòng)梳齒103a、l(X3b、103c、103d交錯(cuò)對(duì)插排列形成驅(qū)動(dòng)電容，活動(dòng)梳齒與至少兩個(gè)固定驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒104a、104b交錯(cuò)對(duì)插排列形成驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容，左右對(duì)稱分布的活動(dòng)敏感梳齒與三個(gè)固定敏感梳齒10加、102b、102c交錯(cuò)對(duì)插排列形成敏感電容；第二質(zhì)量塊201上下對(duì)稱分布的活動(dòng)梳齒與至少四個(gè)固定驅(qū)動(dòng)梳齒203a、203b、203c、203d交錯(cuò)對(duì)插排列形成驅(qū)動(dòng)電容，活動(dòng)梳齒與至少兩個(gè)固定驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒2(Ma、204b交錯(cuò)對(duì)插排列形成驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容，左右對(duì)稱分布的活動(dòng)敏感梳齒與三個(gè)固定敏感梳齒2(^a、202b、202c交錯(cuò)對(duì)插排列形成敏感電容。在固定驅(qū)動(dòng)梳齒103a、103b、 103c、103d、203a、203b、203c、203d上施加帶直流偏置的交流電壓，實(shí)現(xiàn)陀螺儀的單邊靜電驅(qū)動(dòng)。整個(gè)陀螺儀的上層結(jié)構(gòu)通過(guò)第一組水平扭桿加、213、2(3、2(1與第一固定基座Ia連接， 通過(guò)第二組水平扭桿&、2f、2g、a!與第二固定基座Ib連接，使其懸空安裝在玻璃襯底之上。第一固定基座Ia和第一固定鍵合點(diǎn)如相連，第二固定基座Ib和第二固定鍵合點(diǎn)4b相連，固定驅(qū)動(dòng)梳齒 103a、10:3b、103c、103d、203a、20;3b、203c、203d、固定驅(qū)動(dòng)反饋梳齒 104a、 104b、2(Ma、204b、固定敏感梳齒102a、10沘、102c、2(^a、202b、202c分別與下層玻璃襯底的對(duì)應(yīng)鍵合點(diǎn) 112aU12bU12cU12d,212a,212b,212c,212dU13aU13b,213a,213bUlla, lllb、lllc、211a、211b、211c 相連。玻璃襯底5如附圖2所示，包括信號(hào)引線和金屬硅/玻璃鍵合點(diǎn)。信號(hào)引線包括地線，驅(qū)動(dòng)輸入引線109a、109b、209a、209b，驅(qū)動(dòng)反饋輸入引線110、210，敏感輸出信號(hào)引線108、208 ；金屬硅/玻璃鍵合點(diǎn)包括固定基座鍵合點(diǎn)^、4b，固定驅(qū)動(dòng)梳齒鍵合點(diǎn)112a、 112b、112c、112d 和 212a、212b、212c、212d，固定驅(qū)動(dòng)反饋梳齒鍵合點(diǎn) 113a、113b 和 213a、 213b,固定敏感梳齒鍵合點(diǎn) llla、lllb、lllc 和 211a、211b、211c。本發(fā)明的硅微角振動(dòng)輸出陀螺儀，采用單邊靜電驅(qū)動(dòng)，電容檢測(cè)的工作方式。在子結(jié)構(gòu)100的固定驅(qū)動(dòng)梳齒103a、10:3b、103c、103d上施加含直流偏置電壓的交流電壓，產(chǎn)生交變的靜電力，靜電驅(qū)動(dòng)力為
權(quán)利要求
1.一種硅微角振動(dòng)輸出陀螺儀，由上層的機(jī)械結(jié)構(gòu)和下層的玻璃襯底構(gòu)成，其特征在于陀螺儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相同的子結(jié)構(gòu)[100、200]左右對(duì)稱布置，兩個(gè)子結(jié)構(gòu)[100、 200]通過(guò)質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)[6]相互連接，質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)W]由兩個(gè)連接桿[6a、6b]和一個(gè)連接框Wc]構(gòu)成，兩個(gè)連接桿Wa、6b]的一端分別與連接框Wc]連接，另一端連接兩個(gè)子結(jié)構(gòu)[100、200]；整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)通過(guò)第一組水平扭桿[h、2b、2c、2d]與第一固定基座 [la]連接，通過(guò)第二組水平扭桿De、2f、2g、2h]與第二固定基座[lb]連接，使上層的機(jī)械結(jié)構(gòu)懸空在下層的玻璃襯底之上；兩組水平扭桿Da、2b、2c、2dje、2f、2g、2h]均在XY平面內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅微角振動(dòng)輸出陀螺儀，其特征在于第一組扭桿中的第一、 第二扭桿[h、2b]和第二組扭桿中的第五、第六扭桿De、2f]沿X軸方向布置；第一組扭桿中的第三、第四扭桿[2c、2d]和第二組扭桿中的第七、第八扭桿[2g、2h]沿Y軸方向布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅微角振動(dòng)輸出陀螺儀，其特征在于第一子結(jié)構(gòu)[100]由第一質(zhì)量塊[10]、驅(qū)動(dòng)支承梁[105a、l(^b、105c、105d]、以及第一質(zhì)量塊[101]四周的驅(qū)動(dòng)電容、驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容和敏感電容組成，第一質(zhì)量塊[101]與四根驅(qū)動(dòng)支承梁[10fe、105b、 105c、105d]連接，其中第一、第二驅(qū)動(dòng)支承梁[105110 ]與第一橫梁[3a]連接，第三、第四驅(qū)動(dòng)支承梁[105c、105d]與第二橫梁[3b]連接；第二子結(jié)構(gòu)[200]由第二質(zhì)量塊[20]、 驅(qū)動(dòng)支承梁[205a、2(^b、205c、205d]、以及第二質(zhì)量塊[201]四周的驅(qū)動(dòng)電容、驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容和敏感電容組成，第二質(zhì)量塊[201]與四根驅(qū)動(dòng)支承梁[20fe、205b、205c、205d]連接，其中第五、第六驅(qū)動(dòng)支承梁[20fe、205b]與第一橫梁[3a]相連，第七、第八驅(qū)動(dòng)支承梁[205c、 205d]與第二橫梁[3b]相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的硅微角振動(dòng)輸出陀螺儀，其特征在于第一橫梁[3a]通過(guò)第一組水平扭桿[h、2b、2c、2d]與第一固定基座[la]連接；第二橫梁[3b]通過(guò)第二組水平扭桿口e、2f、2g、2h]與第二固定基座[lb]連接。
5.根據(jù)權(quán)利3所述的硅微角振動(dòng)輸出陀螺儀，其特征在于第一質(zhì)量塊[101]上下對(duì)稱分布的活動(dòng)梳齒與固定驅(qū)動(dòng)梳齒[103a、103b、103c、103d]交錯(cuò)對(duì)插排列形成驅(qū)動(dòng)電容， 活動(dòng)梳齒與固定驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒[l(Ma、104b]交錯(cuò)對(duì)插排列形成驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容，左右對(duì)稱分布的活動(dòng)敏感梳齒與固定敏感梳齒[102a、102b、102c]交錯(cuò)對(duì)插排列形成敏感電容；第二質(zhì)量塊[201]上下對(duì)稱分布的活動(dòng)梳齒與固定驅(qū)動(dòng)梳齒[203a、203b、203c、203d]交錯(cuò)對(duì)插排列形成驅(qū)動(dòng)電容，活動(dòng)梳齒與固定驅(qū)動(dòng)檢測(cè)梳齒[2(Ma、204b]交錯(cuò)對(duì)插排列形成驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電容，左右對(duì)稱分布的活動(dòng)敏感梳齒與固定敏感梳齒[202a、202b、202c]交錯(cuò)對(duì)插排列形成敏感電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的硅微角振動(dòng)輸出陀螺儀，其特征在于第一固定基座[la]和第一固定鍵合點(diǎn)Wa]相連，第二固定基座[lb]和第二固定鍵合點(diǎn)Wb]相連，固定驅(qū)動(dòng)梳齒[103a、103b、103c、103d、203a、203b、203c、203d]、固定驅(qū)動(dòng)反饋梳齒[104a、104b、204a、 204b]、固定敏感梳齒[l(^a、102b、102c、202a、2(^b、202c]分別與下層玻璃襯底的對(duì)應(yīng)鍵合點(diǎn)[112a、112b、112c、112d、212a、212b、212c、212d、113a、113b、213a、213b、111a、111b、 lllc、211a、211b、211c]相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硅微角振動(dòng)輸出陀螺儀，由上、下兩層構(gòu)成，上層為制作在單晶硅片上的陀螺儀機(jī)械結(jié)構(gòu)，下層為制作在玻璃襯底上的信號(hào)引線，上層機(jī)械結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相同的子結(jié)構(gòu)組成，這兩個(gè)子結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱布置，并通過(guò)質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)相互連接。同時(shí)兩個(gè)子結(jié)構(gòu)分別與橫梁連接，該橫梁通過(guò)水平扭桿與固定基座連接，固定基座安裝在玻璃襯底上的固定基座鍵合點(diǎn)上，使上層的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分懸空在下層的玻璃襯底部分之上，下層玻璃襯底上布置信號(hào)引線以及鍵合點(diǎn)。本發(fā)明采用水平扭桿和橫梁，使陀螺儀繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)陀螺儀的敏感運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)方向與檢測(cè)方向的運(yùn)動(dòng)解耦，并且減少了干擾模態(tài)的數(shù)目，降低了對(duì)加工精度的要求，提高了陀螺儀的靈敏度。
文檔編號(hào)G01C19/56GK102252668SQ20111017067
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月23日
發(fā)明者丁衡高, 姜劭棟, 施芹, 蘇巖, 裘安萍 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)