變面積電容式雙模態(tài)優(yōu)化的音叉式微機(jī)械陀螺的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開的一種變面積電容式雙模態(tài)優(yōu)化的音叉式微機(jī)械陀螺，涉及一種音叉式微機(jī)械陀螺，尤其涉及一種變面積電容式雙模態(tài)優(yōu)化的音叉式微機(jī)械陀螺，屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]微機(jī)械陀螺發(fā)展迅速，已廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)，汽車，慣性導(dǎo)航等領(lǐng)域，這得益于其體積小，成本低，能耗小以及可批量生產(chǎn)等優(yōu)點。振動式微機(jī)械陀螺的工作原理是基于哥氏效應(yīng)，利用驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)之間的能量傳遞，來敏感角速度的變化。
[0003]隨著微機(jī)械陀螺性能(分辨率、靈敏度、帶寬)的不斷提高，外界振動對陀螺的性能影響愈發(fā)突出。為此，國內(nèi)外學(xué)者設(shè)計了各種雙質(zhì)量塊音叉式陀螺來消除振動帶來的影響。此類音叉式陀螺(這里定義為直接耦合式)，一般使用彈性梁直接耦合兩個質(zhì)量塊，并采用變間距式偏置梳齒差分檢測的方式。然而，對于直接耦合式音叉陀螺來說，無論驅(qū)動模態(tài)還是檢測模態(tài)，同相模態(tài)頻率小于反相工作模態(tài)頻率，且兩者的頻率差很難增大。為了降低振動靈敏度，必須提高反相工作頻率，這必然導(dǎo)致陀螺靈敏度下降。另一方面，變間距式偏置梳齒差分檢測引入了位移與電容轉(zhuǎn)換非線性問題，同時小間距也帶來了量程小的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明公開的一種變面積電容式雙模態(tài)優(yōu)化的音叉式微機(jī)械陀螺，要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)的模態(tài)優(yōu)化，降低振動靈敏度，獲得高線性、大量程的微機(jī)械陀螺。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明公開的一種變面積電容式雙模態(tài)優(yōu)化的音叉式微機(jī)械陀螺，包括玻璃基底、金屬電極；還包括MEMS結(jié)構(gòu)，其中，硅片鍵合在玻璃基底上，對玻璃基底上的硅片進(jìn)行光刻深刻蝕形成錨點，對玻璃基底進(jìn)行光刻，并濺射金屬，通過剝離形成金屬電極，再在硅片進(jìn)行光刻深刻蝕釋放出MEMS結(jié)構(gòu)。所述的MEMS結(jié)構(gòu)包括錨點、左質(zhì)量塊、左質(zhì)量塊左檢測框架、左質(zhì)量塊右檢測框架、左質(zhì)量塊上驅(qū)動框架、左質(zhì)量塊下驅(qū)動框架、右質(zhì)量塊、右質(zhì)量塊左檢測框架、右質(zhì)量塊右檢測框架、右質(zhì)量塊上驅(qū)動框架、右質(zhì)量塊下驅(qū)動框架、雙U型梁、單U型梁、杠桿結(jié)構(gòu)、耦合菱形梁、變面積檢測梳齒差分電容、差分驅(qū)動器、正交消除電極、驅(qū)動檢測電容、調(diào)諧電極、閉環(huán)檢測力平衡電極。所述的錨點用于分別固定杠桿結(jié)構(gòu)、耦合菱形梁和單U型梁，所述的錨點數(shù)量根據(jù)固定需要而定；所述的金屬電極數(shù)量根據(jù)后續(xù)處理電路需要而定。所述的MEMS結(jié)構(gòu)采用能夠充分利用結(jié)構(gòu)空間的變面積檢測梳齒差分電容以增加在有限空間內(nèi)變面積檢測梳齒差分電容的布設(shè)數(shù)量。耦合菱形梁位于MEMS結(jié)構(gòu)中間部分，采用錨點與耦合菱形梁連接實現(xiàn)檢測模態(tài)的模態(tài)優(yōu)化；杠桿結(jié)構(gòu)對稱分布于錨點與耦合菱形梁上下兩側(cè)，采用錨點與杠桿結(jié)構(gòu)連接實現(xiàn)驅(qū)動模態(tài)的模態(tài)優(yōu)化。采用U型梁能夠?qū)崿F(xiàn)降低加工工藝缺陷造成的尺寸誤差帶來的正交耦合誤差。雙U型彈性梁比單U型梁降低正交耦合誤差效果更好。采用雙U型彈性梁或單U型梁根據(jù)結(jié)構(gòu)空間限制而定。
[0007]所述的MEMS結(jié)構(gòu)具體實現(xiàn)為對稱結(jié)構(gòu)。耦合菱形梁位于MEMS結(jié)構(gòu)中間部分，耦合菱形梁向左依次為左質(zhì)量塊右檢測框架、左質(zhì)量塊、左質(zhì)量塊左檢測框架，同樣，耦合菱形梁向右依次為右質(zhì)量塊左檢測框架、右質(zhì)量塊、右質(zhì)量塊右檢測框架。左質(zhì)量塊上側(cè)和下側(cè)分別設(shè)有左質(zhì)量塊上驅(qū)動框架、左質(zhì)量塊下驅(qū)動框架，同樣，右質(zhì)量塊上側(cè)和下側(cè)分別設(shè)有右質(zhì)量塊上驅(qū)動框架、右質(zhì)量塊下驅(qū)動框架。耦合菱形梁上側(cè)的杠桿結(jié)構(gòu)位于左質(zhì)量塊上驅(qū)動框架與右質(zhì)量塊上驅(qū)動框架之間，同樣，耦合菱形梁下側(cè)的杠桿結(jié)構(gòu)位于左質(zhì)量塊下驅(qū)動框架與右質(zhì)量塊下驅(qū)動框架之間，杠桿結(jié)構(gòu)通過錨點固定。左質(zhì)量塊上驅(qū)動框架、左質(zhì)量塊下驅(qū)動框架、右質(zhì)量塊上驅(qū)動框架、右質(zhì)量塊下驅(qū)動框架分別包括差分驅(qū)動器和驅(qū)動檢測電容。分別在左質(zhì)量塊右檢測框架、右質(zhì)量塊左檢測框架上布置變面積檢測梳齒差分電容。分別在左質(zhì)量塊左檢測框架、右質(zhì)量塊右檢測框架上布置閉環(huán)檢測力平衡電極。在左質(zhì)量塊四個對角位置分別布置調(diào)諧電極，同樣，在右質(zhì)量塊四個對角位置分別布置調(diào)諧電極。分別在左質(zhì)量塊、右質(zhì)量塊中心部分布置正交消除電極。
[0008]有益效果:
[0009]1、本發(fā)明公開的一種變面積電容式雙模態(tài)優(yōu)化的音叉式微機(jī)械陀螺，采用變面積檢測梳齒差分電容能夠充分利用結(jié)構(gòu)空間，在有限的結(jié)構(gòu)空間下，可布設(shè)更多的變面積檢測梳齒差分電容，因此，能夠在不降低靈敏度的前提下，實現(xiàn)檢測電容變化量與位移變化量的線性轉(zhuǎn)換，同時有效解決變間距電容式微陀螺量程小的問題，即實現(xiàn)獲得高線性、大量程的微機(jī)械陀螺；
[0010]2、本發(fā)明公開的一種變面積電容式雙模態(tài)優(yōu)化的音叉式微機(jī)械陀螺，采用錨點與耦合菱形梁連接實現(xiàn)檢測模態(tài)的模態(tài)優(yōu)化；采用錨點與杠桿結(jié)構(gòu)連接實現(xiàn)驅(qū)動模態(tài)的模態(tài)優(yōu)化。所述的模態(tài)優(yōu)化指同相模態(tài)頻率要高于反相模態(tài)頻率，降低了微機(jī)械陀螺的振動靈敏度；
[0011]3、本發(fā)明公開的一種變面積電容式雙模態(tài)優(yōu)化的音叉式微機(jī)械陀螺，雙U型彈性梁結(jié)構(gòu)與單U型相比解耦性能更好，能夠降低加工工藝缺陷造成的尺寸誤差帶來的正交耦合誤差。
【附圖說明】
[0012]圖1本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]其中:1 一玻璃基底、2—金屬電極、3—左質(zhì)量塊左檢測框架、4一左質(zhì)量塊下驅(qū)動框架、5—左質(zhì)量塊上驅(qū)動框架、6—左質(zhì)量塊、7—雙U型梁、8—杠桿結(jié)構(gòu)、9一左質(zhì)量塊右檢測框架、10 一銷點、11 一親合菱形梁、12 一右質(zhì)量塊左檢測框架、13 一變面積檢測梳齒差分電容、14一差分驅(qū)動器、15—右質(zhì)量塊上驅(qū)動框架、16—單U型梁、17—驅(qū)動檢測電容、18—調(diào)諧電極、19一正交消除電極、20—右質(zhì)量塊、21—右質(zhì)量塊右檢測框架、22—閉環(huán)檢測力平衡電極、23—右質(zhì)量塊下驅(qū)動框架。
【具體實施方式】
[0014]為進(jìn)一步闡述本發(fā)明達(dá)到預(yù)期目的所采取的技術(shù)手段及功效，使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明的【具體實施方式】、結(jié)構(gòu)特征及其功效做如下詳細(xì)說明。
[0015]如圖1所示，本實施例公開的一種變面積電容式雙模態(tài)優(yōu)化的音叉式微機(jī)械陀螺，包括玻璃基底1、金屬電極2 ;還包括MEMS結(jié)構(gòu)，其中，硅片鍵合在玻璃基底1上，對玻璃基底1上的硅片進(jìn)行光刻深刻蝕形成錨點10，對玻璃基底1進(jìn)行光刻，并濺射金屬，通過剝離形成金屬電極2，再在硅片進(jìn)行光刻深刻蝕釋放出MEMS結(jié)構(gòu)。所述的MEMS結(jié)構(gòu)包括錨點10、左質(zhì)量塊6、左質(zhì)量塊左檢測框架3、左質(zhì)量塊右檢測框架9、左質(zhì)量塊上驅(qū)動框架5、左質(zhì)量塊下驅(qū)動框架4、右質(zhì)量塊20、右質(zhì)量塊左檢測框架12、右質(zhì)量塊右檢測框架21、右質(zhì)量塊上驅(qū)動框架15、右質(zhì)量塊下驅(qū)動框架23、雙U型梁7、單U型梁16、杠桿結(jié)構(gòu)8、耦合菱形梁11、變面積檢測梳齒差分電容13、差分驅(qū)動器14、正交消除電極19、驅(qū)動檢測電容17、調(diào)諧電極18、閉環(huán)檢測力平衡電極22。所述的錨點10用于分別固定杠桿結(jié)構(gòu)8、耦合菱形梁11和單U型梁16，所述的錨點10數(shù)量根據(jù)固定需要而定；所述的金屬電極2數(shù)量根據(jù)后續(xù)處理電路需要而定。所述的MEMS結(jié)構(gòu)采用能夠充分利用結(jié)構(gòu)空間的變面積檢測梳齒差分電容13以增加在有限空間內(nèi)變面積檢測梳齒差分電容13的布設(shè)數(shù)量。耦合菱形梁11位于MEMS結(jié)構(gòu)中間部分，采用錨點10與耦合菱形梁11連接實現(xiàn)檢測模態(tài)的模態(tài)優(yōu)化；杠桿結(jié)構(gòu)8對稱分布于錨點10與耦合菱形梁11上下兩側(cè)，采用錨點10與杠桿結(jié)構(gòu)8連接實現(xiàn)驅(qū)動模態(tài)的模態(tài)優(yōu)化。采用U型梁能夠?qū)崿F(xiàn)降低加工工藝缺陷造成的尺寸誤差帶來的正交耦合誤差。雙U型彈性