Mems陀螺儀的機(jī)械耦合誤差抑制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于MEMS (微機(jī)電系統(tǒng)）和微慣性測量技術(shù)，特別涉及一種MEMS陀螺 儀的機(jī)械耦合誤差抑制裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 20世紀(jì)80年代中期，隨著半導(dǎo)體加工技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械結(jié)構(gòu)與電子系統(tǒng)的微型化 與集成一一微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS)技術(shù)的出現(xiàn)，給慣性傳感器領(lǐng)域帶來一場革命。自德雷珀實(shí) 驗(yàn)室于1991年首次展示其研制的硅微陀螺儀以來，基于表面加工、體硅加工或者兩者混合 加工技術(shù)的硅微陀螺儀不斷涌現(xiàn)。微機(jī)械陀螺儀以其微型化與集成化、可靠性高、功耗低、 易于數(shù)字化和智能化、響應(yīng)快等優(yōu)異性能，決定了它具有廣闊的應(yīng)用前景和軍事應(yīng)用價(jià)值。 硅微陀螺儀根據(jù)不同的性能等級可分為速率級、戰(zhàn)術(shù)級及慣導(dǎo)級。速率機(jī)的硅微陀螺儀可 用在汽車、機(jī)器人、工業(yè)控制、玩具等領(lǐng)域。戰(zhàn)術(shù)級的硅微陀螺儀主要用于空中、地面、海上 導(dǎo)航及姿態(tài)航向的基準(zhǔn)系統(tǒng)，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、智能炮彈、新概念武器等軍事領(lǐng)域。慣導(dǎo)級的硅微 陀螺儀用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈、空間飛行器、自主式潛艇導(dǎo)航等領(lǐng)域，慣性級硅微陀螺儀也成為各發(fā) 達(dá)國家研究的熱點(diǎn)。
[0003] 我國對于硅微陀螺儀的研究起步較晚，目前對于硅微陀螺儀的研究仍停留在實(shí)驗(yàn) 室階段，且各項(xiàng)性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后，嚴(yán)重限制了自主研制的硅微陀螺儀的軍事應(yīng)用和商用 化進(jìn)程。基于單質(zhì)量硅微陀螺儀理論基礎(chǔ)的雙質(zhì)量硅微陀螺儀，通過驅(qū)動模態(tài)的同幅同頻 反向驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)敏感模態(tài)哥氏加速度的差分檢測，它能夠有效地消除軸向加速度等共模干 擾的影響，環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，是工程應(yīng)用的首選結(jié)構(gòu)。但由于加工缺陷等因素的存在，驅(qū)動 模態(tài)的振動能量也會耦合到檢測模態(tài)，產(chǎn)生較大的輸出誤差。針對這一情況，硅微陀螺儀的 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)歷了從不解耦到半解耦，再到全解耦的發(fā)展過程。全解耦的結(jié)構(gòu)從形式上看解 耦最徹底，但由于某些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的缺陷，使得兩者之間依然存在一定的耦合效應(yīng)，而且 還可能產(chǎn)生部分結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、隨動等效應(yīng)，這樣就使硅微陀螺儀的性能降低。因此，在設(shè)計(jì)過 程中應(yīng)注意結(jié)構(gòu)的形式及相關(guān)結(jié)構(gòu)的布局，從本質(zhì)上減小誤差，提高硅微陀螺儀的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本實(shí)用新型提供一種驅(qū)動模態(tài)和檢 測模態(tài)的全解耦、檢測靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、溫度性能優(yōu)越、正交誤差小的MEMS陀螺儀 的機(jī)械耦合誤差抑制裝置。
[0005] 技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的MEMS陀螺儀的機(jī)械耦合誤差抑制裝 置，包括上下兩層，上層為振動機(jī)械結(jié)構(gòu)，下層為玻璃襯底；
[0006] 所述玻璃襯底包括若干電極引線與若干鍵合點(diǎn)，所述電極引線包括公共電極、驅(qū) 動電極與檢測電極三種；
[0007] 所述振動機(jī)械結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)左右對稱放置的完全相同的單質(zhì)量角速度測量單元 子結(jié)構(gòu)；振動機(jī)械結(jié)構(gòu)四角處設(shè)有四個(gè)整體固定錨點(diǎn)，兩個(gè)單質(zhì)量角速度測量單元子結(jié)構(gòu) 之間連接有驅(qū)動耦合折疊梁，且兩個(gè)單質(zhì)量角速度測量單元子結(jié)構(gòu)的上下各有一根橫梁， 且兩個(gè)單質(zhì)量角速度測量單元子結(jié)構(gòu)同一側(cè)的橫梁相連；所述橫梁通過基座直梁與整體固 定錨點(diǎn)連接；在驅(qū)動模態(tài)下，兩個(gè)單質(zhì)量角速度測量單元子結(jié)構(gòu)通過驅(qū)動耦合折疊梁建立 關(guān)聯(lián)，在檢測模態(tài)下，兩個(gè)單質(zhì)量角速度測量單元子結(jié)構(gòu)之間通過橫梁建立關(guān)聯(lián)；
[0008] 每個(gè)單質(zhì)量角速度測量單元子結(jié)構(gòu)均包括敏感質(zhì)量、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、檢測機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)穩(wěn) 固平衡梁、驅(qū)動折疊梁、檢測折疊梁、驅(qū)動解耦梁、檢測解耦梁與子結(jié)構(gòu)固定錨點(diǎn)；所述驅(qū)動 機(jī)構(gòu)位于敏感質(zhì)量的左右兩側(cè)，所述檢測機(jī)構(gòu)位于敏感質(zhì)量的上下兩側(cè)，所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)與 檢測機(jī)構(gòu)圍成一個(gè)口字形，敏感質(zhì)量位于口字形正中，口字形內(nèi)部四角處設(shè)置有四個(gè)子結(jié) 構(gòu)固定錨點(diǎn)；所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)與敏感質(zhì)量之間連有檢測解耦梁，檢測解耦梁位于敏感質(zhì)量的 上下兩側(cè)，驅(qū)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方向?yàn)樽笥曳较?；檢測機(jī)構(gòu)與敏感質(zhì)量之間連有驅(qū)動解耦梁，驅(qū) 動解耦梁位于敏感質(zhì)量的左右兩側(cè)，檢測機(jī)構(gòu)運(yùn)動的平衡點(diǎn)在驅(qū)動解耦梁與檢測機(jī)構(gòu)的連 接點(diǎn)處，且檢測機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方向?yàn)樯舷路较?；?qū)動機(jī)構(gòu)、檢測機(jī)構(gòu)、驅(qū)動解耦梁、檢測解耦梁 四者組成一個(gè)田字；驅(qū)動機(jī)構(gòu)上下兩側(cè)設(shè)有驅(qū)動折疊梁，驅(qū)動折疊梁將驅(qū)動機(jī)構(gòu)固定在子 結(jié)構(gòu)固定錨點(diǎn)上；檢測機(jī)構(gòu)左右；兩側(cè)設(shè)有檢測折疊梁，檢測折疊梁將檢測機(jī)構(gòu)固定在子 結(jié)構(gòu)固定錨點(diǎn)上；所述驅(qū)動折疊梁與檢測折疊梁均勻離各自最近的子結(jié)構(gòu)固定錨點(diǎn)相連； 同時(shí)通過橫梁下梁與橫梁相連，所述橫梁下梁位于檢測機(jī)構(gòu)靠近橫梁的一側(cè)；
[0009] 每個(gè)整體固定錨點(diǎn)與子結(jié)構(gòu)固定錨點(diǎn)分別固接于玻璃襯底上的不同的鍵合點(diǎn)，使 振動機(jī)械結(jié)構(gòu)懸浮在玻璃襯底上；兩個(gè)敏感質(zhì)量各有一個(gè)公共電極與之相連。
[0010] 進(jìn)一步地，所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)上下兩側(cè)還設(shè)有結(jié)構(gòu)穩(wěn)固平衡梁，所述結(jié)構(gòu)穩(wěn)固平衡梁 與離其最近的整體固定錨點(diǎn)連接。
[0011] 進(jìn)一步地，所述驅(qū)動解耦梁采用單梁的形式。
[0012] 進(jìn)一步地，所述橫梁下梁采用單梁的形式，且與橫梁單點(diǎn)連接。
[0013] 進(jìn)一步地，所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)包含兩組驅(qū)動梳齒，兩組驅(qū)動梳齒左右對稱布置，每組驅(qū) 動梳齒均包括活動驅(qū)動梳齒與固定驅(qū)動梳齒，活動驅(qū)動梳齒連在驅(qū)動機(jī)構(gòu)的邊框上，固定 驅(qū)動梳齒與固定驅(qū)動梳齒錨點(diǎn)連接，且與活動驅(qū)動梳齒鑲嵌式布置，固定驅(qū)動梳齒錨點(diǎn)固 連在所述玻璃襯底上的對應(yīng)位置的鍵合點(diǎn)上；同時(shí)所有固定驅(qū)動梳齒與玻璃襯底上的驅(qū)動 電極連接。
[0014] 進(jìn)一步地，所述檢測機(jī)構(gòu)包含兩組檢測梳齒，兩組檢測梳齒上下對稱布置，每組檢 測梳齒均包括活動檢測梳齒與固定檢測梳齒，活動檢測梳齒連在檢測機(jī)構(gòu)的邊框上，固定 檢測梳齒與固連在玻璃襯底上的固定檢測梳齒錨點(diǎn)連接，且與活動檢測梳齒鑲嵌式布置， 固定檢測梳齒錨點(diǎn)固連在所述玻璃襯底上的對應(yīng)位置的鍵合點(diǎn)上；同時(shí)所有固定檢測梳齒 與玻璃襯底上的檢測電極連接。
[0015] 有益效果：（1)驅(qū)動解耦梁采用長度較長的單梁，梁的剛度減小，減少檢測機(jī)構(gòu)在 驅(qū)動方向的隨動效應(yīng)，單梁的占用空間變小，更易放置，與橫梁下梁和檢測折疊梁的剛度配 合，可以消除檢測機(jī)構(gòu)在驅(qū)動模態(tài)下的轉(zhuǎn)動效應(yīng)。單梁的使用可以使敏感質(zhì)量的質(zhì)量增大， 敏感質(zhì)量的轉(zhuǎn)動效應(yīng)減小，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且單梁的使用，敏感質(zhì)量的轉(zhuǎn)動效應(yīng)向檢測 機(jī)構(gòu)的傳遞會大大減??；（2)橫梁下梁采用單梁的形式，且與橫梁單點(diǎn)連接，可以減小在檢 測模態(tài)下橫梁的非線性變形對檢測機(jī)構(gòu)的影響，減少檢測機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動效應(yīng)，與檢測折疊梁 共同限制檢測機(jī)構(gòu)，使其只在檢測方線性運(yùn)動；（3)橫梁下梁與橫梁的連接點(diǎn)是橫梁非線 性變形的極點(diǎn)，可減小在檢測模態(tài)下橫梁非線性變形向檢測機(jī)構(gòu)的傳遞；(4)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固平 衡梁的采用，并通過設(shè)定結(jié)構(gòu)穩(wěn)固平衡梁與驅(qū)動耦合梁的剛度比，驅(qū)動耦合梁的存在造成 子結(jié)構(gòu)左右驅(qū)動機(jī)構(gòu)受力不均衡的現(xiàn)象，使左右驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動狀態(tài)保持一致，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)固 平衡梁可以使檢測模態(tài)下的驅(qū)動機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動效應(yīng)減小。
【附圖說明】
[0016] 附圖1是本實(shí)用新型MEMS陀螺儀的機(jī)械耦合誤差抑制裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 附圖2是本實(shí)用新型機(jī)械耦合誤差抑制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 附圖3是本實(shí)用新型MEMS陀螺儀的驅(qū)動機(jī)構(gòu)和驅(qū)動反饋機(jī)構(gòu)示意圖；
[0019] 附圖4是本實(shí)用新型MEMS陀螺儀的檢測機(jī)構(gòu)示意圖；
[0020] 附圖5是本實(shí)用新型MEMS陀螺儀的玻璃襯底示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作更進(jìn)一步的說明。
[0022] 結(jié)合附圖1，本實(shí)用新型MEMS陀螺儀的機(jī)械耦合誤差抑制方法和裝置實(shí)現(xiàn)對垂直 于x-y水平面的輸入角速度的測量。結(jié)構(gòu)分為上下兩層，上層為硅微陀螺儀的振動機(jī)械結(jié) 構(gòu)，下層為粘附有信號引線的玻璃襯底。陀螺的機(jī)械結(jié)構(gòu)由兩個(gè)對稱放置的完全相同的單 質(zhì)量角速度測量單元子結(jié)構(gòu)la、Ib構(gòu)成；在驅(qū)動模態(tài)下，兩個(gè)單質(zhì)量角速度測量單元子結(jié) 構(gòu)之間通過驅(qū)動親合折疊梁3a、3b建立關(guān)聯(lián)，在檢測模態(tài)下，通過橫梁4