CN102252668B - 硅微角振动输出陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种硅微角振动输出陀螺仪，由上、下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的陀螺仪机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线，上层机械结构由两个相同的子结构组成，这两个子结构左右对称布置，并通过质量块连接机构相互连接。同时两个子结构分别与横梁连接，该横梁通过水平扭杆与固定基座连接，固定基座安装在玻璃衬底上的固定基座键合点上，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上，下层玻璃衬底上布置信号引线以及键合点。本发明采用水平扭杆和横梁，使陀螺仪绕z轴转动，实现陀螺仪的敏感运动，实现了驱动方向与检测方向的运动解耦，并且减少了干扰模态的数目，降低了对加工精度的要求，提高了陀螺仪的灵敏度。

Description

硅微角振动输出陀螺仪

技术领域

本发明属于微电子机械系统和微惯性测量技术，特别是一种硅微角振动输出陀螺仪。

背景技术

微机械惯性仪表包括微机械陀螺仪(MMG)和微机械加速度计(MMA)。利用微电子加工工艺允许将微机械结构与所需的电子线路完全集成在一个硅片上，从而达到性能、价格、体积、重量、可靠性诸方面的高度统一。因而，这类仪表具有一系列的优点(如体积小、重量轻、价格便宜、可靠性高、能大批量生产等)，在军民两方面都具有广泛的应用前景。在民用方面，主要用于汽车工业、工业监控及消费类产品和机器人技术，如气囊、防抱死系统、偏航速率传感器、翻滚速率传感器、图象稳定及玩具等等；在军用领域，主要用于灵巧炸弹、智能炮弹、战术导弹、新概念武器和微型飞机的自主导航制导系统等。

1993年，美国德雷珀实验室通过在玻璃表面复盖硅层技术制作了一种新颖的微机械陀螺-音叉式线振动陀螺。该陀螺仪由双质量块、支承梁和横梁组成，陀螺仪采用线振动驱动和角振动检测的方式，可以敏感陀螺仪平面内轴向的角速率。由于该陀螺仪的驱动运动与敏感运动完全耦合，限制了其灵敏度的提高。

2007年，裘安萍、苏岩等人研制了双质量振动式硅微陀螺仪(申请号：200710133223.5)，在驱动力的作用下双质量在做平行于衬底的线振动，有角速率输入时，双质量块做平行于衬底的垂直于驱动方向的线振动，通过检测敏感电容的变化，测试输入角速率。该陀螺仪采用了八根驱动支承梁和八根敏感支承梁实现驱动模态与敏感模态的分离。由于微电子工艺的相对误差较大，加工误差对陀螺仪性能有很大的影响。

2009年，裘安萍、苏岩等人又研制了摆动式硅微陀螺仪(申请号：200920037290.1)。采用扭杆和横梁，使陀螺仪绕Z轴转动，实现陀螺仪的敏感运动，实现了驱动方向与检测方向的运动解耦。扭杆代替了敏感支承梁，减小了支承梁数目，降低了加工误差对陀螺仪性能的影响。但是在体硅工艺中，对竖直扭杆的加工具有相当大的难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能实现驱动模态与检测模态的运动解耦，受加工误差影响较小，具有高灵敏度、高稳定性的硅微角振动输出陀螺仪。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种双质量硅微角振动输出陀螺仪，由上层的机械结构和下层的玻璃衬底构成，上层机械结构由两个相同的子结构组成，这两个子结构左右对称布置，并通过质量块连接机构相互连接。同时两个子结构分别与横梁连接，该横梁通过水平扭杆与固定基座连接，固定基座安装在玻璃衬底上的固定基座键合点上，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)与双质量振动式硅微陀螺仪(申请号：200710133223.5)相比，扭杆代替了敏感支承梁，使陀螺仪的敏感运动由线运动变为角运动，减少了干扰模态的数目，降低了加工精度的影响，提高了陀螺仪的灵敏度和稳定性；(2)与摆动式硅微陀螺仪(申请号：200920037290.1)相比，水平扭杆代替了竖直扭杆，实现敏感运动，降低了加工过程的难度；(3)与双质量振动式硅微陀螺仪(申请号：200710133223.5)和摆动式硅微陀螺仪(申请号：200920037290.1)相比，两个子结构通过质量块连接机构相互连接，增大了工作模态间与干扰模态间的频率差，减小了干扰模态对陀螺仪性能的影响；(4)与双质量振动式硅微陀螺仪(申请号：200710133223.5)相比，两个子结构左右对称布置，增加了输出信号，为单质量块输出信号的两倍，同时角振动输出信号为线振动输出信号的两倍，所以大大提高了陀螺仪的灵敏度；(5)采用扭杆和横梁，使陀螺仪绕z轴转动，实现陀螺仪的敏感运动，实现了驱动方向与检测方向的运动解耦，从而减小误差信号；(6)两个子结构的驱动运动和检测运动均为相向运动，形成梳齿差动电容检测，实现了敏感输出解耦，抑制了干扰信号。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明硅微角振动输出陀螺仪的结构示意图。

图2是本发明硅微角振动输出陀螺仪下层的玻璃衬底上的信号引线示意图。

具体实施方式

结合图1，本发明硅微角振动输出陀螺仪，用于测量Z轴方向的角速率。该陀螺仪由上层的机械结构和下层的玻璃衬底构成。陀螺仪上层机械结构由一对完全相同的子结构100、200组成，这两个子结构100、200左右对称布置，并通过质量块连接机构6相互连接，同时两个子结构100、200均与横梁3a、3b连接。第一横梁3a通过第一组水平扭杆2a、2b、2c、2d与第一固定基座1a连接。第二横梁3b通过第二组水平扭杆2e、2f、2g、2h与第二固定基座1b连接。质量块连接机构6由两个连接杆6a、6b和一个连接框6c构成，两个连接杆6a、6b的一端分别与连接框6c连接，另一端连接两个子结构100、200。第一组水平扭杆中的第一、第二扭杆2a、2b和第二组水平扭杆中的第五、第六扭杆2e、2f沿X轴方向布置，第一组水平扭杆中的第三、第四扭杆2c、2d和第二组水平扭杆中的第七、第八扭杆2g、2h沿Y轴方向布置。第一子结构100由第一质量块101、驱动支承梁105a、105b、105c、105d、驱动电容、驱动检测电容和检测电容组成。第二子结构200由第二质量块201、驱动支承梁205a、205b、205c、205d、驱动电容、驱动检测电容和检测电容组成。第一质量块101通过驱动支承梁105a、105b、105c、105d与横梁3a、3b相连，其中第一、第二驱动支承梁105a、105b与第一横梁3a连接，第三、第四驱动支承梁105c、105d与第二横梁3b连接。第二质量块201通过驱动支承梁205a、205b、205c、205d与横梁3a、3b相连，其中第五、第六驱动支承梁205a、205b与第一横梁3a相连，第七、第八驱动支承梁205c、205d与第二横梁3b相连。第一质量块101上下对称分布的活动梳齿与至少四个固定驱动梳齿103a、103b、103c、103d交错对插排列形成驱动电容，活动梳齿与至少两个固定驱动检测梳齿104a、104b交错对插排列形成驱动检测电容，左右对称分布的活动敏感梳齿与三个固定敏感梳齿102a、102b、102c交错对插排列形成敏感电容；第二质量块201上下对称分布的活动梳齿与至少四个固定驱动梳齿203a、203b、203c、203d交错对插排列形成驱动电容，活动梳齿与至少两个固定驱动检测梳齿204a、204b交错对插排列形成驱动检测电容，左右对称分布的活动敏感梳齿与三个固定敏感梳齿202a、202b、202c交错对插排列形成敏感电容。在固定驱动梳齿103a、103b、103c、103d、203a、203b、203c、203d上施加带直流偏置的交流电压，实现陀螺仪的单边静电驱动。整个陀螺仪的上层结构通过第一组水平扭杆2a、2b、2c、2d与第一固定基座1a连接，通过第二组水平扭杆2e、2f、2g、2h与第二固定基座1b连接，使其悬空安装在玻璃衬底之上。第一固定基座1a和第一固定键合点4a相连，第二固定基座1b和第二固定键合点4b相连，固定驱动梳齿103a、103b、103c、103d、203a、203b、203c、203d、固定驱动反馈梳齿104a、104b、204a、204b、固定敏感梳齿102a、102b、102c、202a、202b、202c分别与下层玻璃衬底的对应键合点112a、112b、112c、112d、212a、212b、212c、212d、113a、113b、213a、213b、111a、111b、111c、211a、211b、211c相连。

玻璃衬底5如附图2所示，包括信号引线和金属硅/玻璃键合点。信号引线包括地线，驱动输入引线109a、109b、209a、209b，驱动反馈输入引线110、210，敏感输出信号引线108、208；金属硅/玻璃键合点包括固定基座键合点4a、4b，固定驱动梳齿键合点112a、112b、112c、112d和212a、212b、212c、212d，固定驱动反馈梳齿键合点113a、113b和213a、213b，固定敏感梳齿键合点111a、111b、111c和211a、211b、211c。

本发明的硅微角振动输出陀螺仪，采用单边静电驱动，电容检测的工作方式。在子结构100的固定驱动梳齿103a、103b、103c、103d上施加含直流偏置电压的交流电压，产生交变的静电力，静电驱动力为：

$F_d=2\mathrm{n\ϵ}\frac{h}{d}{U}_a{U}_d\sin {\mathrm{\ω}}_{d}t---\left(1\right)$

式中，n为谐振器的活动梳齿数，ε为介电常数，h为结构的厚度，d为梳齿间距，U_d为驱动电压的直流偏置电压，U_a为交流电压，ω_d为交流电压的角频率。

同理，在子结构200的固定梳齿203a、203b、203c、203d上施加含直流偏置的交流电压，产生交变的静电力，该静电力与作用在子结构100上的静电驱动力相差180度。

因此子结构100和200的整个活动结构在静电驱动力的作用下，沿驱动轴作相向简谐线振动。当驱动交流电压的频率与陀螺仪驱动模态的固有频率一致时，线振动位移为：

$x=\frac{F_{d0}{Q}_x}{k_x}\cos {\mathrm{\ω}}_{d}t---\left(2\right)$

式中，F_d0为静电驱动力幅值，k_x为X方向的弹性刚度，Q_x为驱动模态的品质因数。线振动速度为：

$V=\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=\frac{F_{d0}{Q}_x}{k_x}{\mathrm{\ω}}_d\sin {\mathrm{\ω}}_{d}t---\left(3\right)$

当陀螺仪有绕z轴的外界输入角速率ω_z时，根据右手定则，检测质量受到检测轴方向的哥氏加速度作用，其大小为：

式中，

为输入角速率和线振动速度之间右旋夹角。

设检测质量为m_s，则作用在检测质量上的哥氏惯性力为：

哥氏惯性力的方向与哥氏加速度方向相反，因此，作用在质量块101、201上的哥氏惯性力的方向相反，形成力矩作用在陀螺仪结构上，使得子结构100、200和横梁3a、3b以陀螺仪的几何中心为中心绕敏感轴作角振动。这样，使得活动敏感梳齿与固定敏感梳齿之间的间隙按一定的简谐振动规律变动，电容差值信号经电子线路处理后，可获得输出电压信号。输出电压信号为子结构100、200输出电压信号之和，且输出电压信号的大小正比于输入角速率的大小。通过鉴相器比较输出电压信号与激励信号的相位关系，则可判明输入角速率的方向。

Claims (4)

1.一种硅微角振动输出陀螺仪，由上层的机械结构和下层的玻璃衬底构成，其特征在于：陀螺仪的机械结构由两个相同的子结构第一子结构[100]和第二子结构[200]左右对称布置，第一子结构[100]和第二子结构[200]通过质量块连接机构[6]相互连接，质量块连接机构[6]由两个连接杆[6a、6b]和一个连接框[6c]构成，两个连接杆[6a、6b]的一端分别与连接框[6c]连接，另一端连接第一子结构[100]和第二子结构[200]；整个机械结构通过第一组水平扭杆[2a、2b、2c、2d]与第一固定基座[1a]连接，通过第二组水平扭杆[2e、2f、2g、2h]与第二固定基座[1b]连接，使上层的机械结构悬空在下层的玻璃衬底之上；两组水平扭杆[2a、2b、2c、2d、2e、2f、2g、2h]均在XY平面内；

所述第一组扭杆中的第一、第二扭杆[2a、2b]和第二组扭杆中的第五、第六扭杆[2e、2f]沿X轴方向布置；第一组扭杆中的第三、第四扭杆[2c、2d]和第二组扭杆中的第七、第八扭杆[2g、2h]沿Y轴方向布置；

所述第一子结构[100]由第一质量块[101]、驱动支承梁[105a、105b、105c、105d]、以及第一质量块[101]四周的驱动电容、驱动检测电容和敏感电容组成，第一质量块[101]与四根驱动支承梁[105a、105b、105c、105d]连接，其中第一、第二驱动支承梁[105a、105b]与第一横梁[3a]连接，第三、第四驱动支承梁[105c、105d]与第二横梁[3b]连接；第二子结构[200]由第二质量块[201]、驱动支承梁[205a、205b、205c、205d]、以及第二质量块[201]四周的驱动电容、驱动检测电容和敏感电容组成，第二质量块[201]与四根驱动支承梁[205a、205b、205c、205d]连接，其中第五、第六驱动支承梁[205a、205b]与第一横梁[3a]相连，第七、第八驱动支承梁[205c、205d]与第二横梁[3b]相连。

2.根据权利要求1所述的硅微角振动输出陀螺仪，其特征在于：第一横梁[3a]通过第一组水平扭杆[2a、2b、2c、2d]与第一固定基座[1a]连接；第二横梁[3b]通过第二组水平扭杆[2e、2f、2g、2h]与第二固定基座[1b]连接。

3.根据权利要求1所述的硅微角振动输出陀螺仪，其特征在于：第一质量块[101]上下对称分布的活动梳齿与固定驱动梳齿[103a、103b、103c、103d]交错对插排列形成驱动电容，活动梳齿与固定驱动检测梳齿[104a、104b]交错对插排列形成驱动检测电容，左右对称分布的活动敏感梳齿与固定敏感梳齿[102a、102b、102c]交错对插排列形成敏感电容；第二质量块[201]上下对称分布的活动梳齿与固定驱动梳齿[203a、203b、203c、203d]交错对插排列形成驱动电容，活动梳齿与固定驱动检测梳齿[204a、204b]交错对插排列形成驱动检测电容，左右对称分布的活动敏感梳齿与固定敏感梳齿[202a、202b、202c]交错对插排列形成敏感电容。

4.根据权利要求1所述的硅微角振动输出陀螺仪，其特征在于：第一固定基座[1a]和第一固定键合点[4a]相连，第二固定基座[1b]和第二固定键合点[4b]相连，固定驱动梳齿[103a、103b、103c、103d、203a、203b、203c、203d]、固定驱动反馈梳齿[104a、104b、204a、204b]、固定敏感梳齿[102a、102b、102c、202a、202b、202c]分别与下层玻璃衬底的对应键合点[112a、112b、112c、112d、212a、212b、212c、212d、113a、113b、213a、213b、111a、111b、111c、211a、211b、211c]相连。

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