CN103234535B - 一种石英音叉式双轴微陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MEMS角速度传感器，特别涉及一种石英音叉式双轴微陀螺仪，属于惯性测量器件技术领域。本发明的双轴微陀螺仪由具有一定厚度的z向切割石英晶片经过湿法刻蚀工艺加工而成。具体包括：四个驱动叉指、四个敏感叉指、六边形框架、左横梁、右横梁、中心固支结构、多个驱动电极、y轴敏感电极和z轴敏感电极。能同时检测y轴向和z轴向的角速度，驱动叉指与敏感叉指的分离降低了轴间的交叉耦合，保证陀螺的测量精度。y轴敏感电极和z轴敏感电极分别布置在不同的叉指上，降低了电极的制作难度，保证了工艺的可实现性。六边形框架减小了陀螺的误差。中心固支结构保证了陀螺工作的稳定性。

Description

一种石英音叉式双轴微陀螺仪

技术领域

本发明涉及一种MEMS角速度传感器，特别涉及一种石英音叉式双轴微陀螺仪，属于惯性测量器件技术领域。

背景技术

石英微陀螺仪是一种MEMS角速率传感器，是姿态控制和惯性制导的核心器件，具有体积小、重量轻、可靠性高等优点。随着近年来微细加工技术的发展，石英微陀螺仪性能稳步提升，呈现出结构多样化、体积小型化、多轴测量、电路数字化等特点。

美国CST公司所制造的石英微陀螺仪最为成熟，其陀螺仪芯片的典型结构为H型结构，是一种y轴敏感的陀螺仪，如图1所示。驱动叉指与敏感叉指分别分布在中心框架的上下方，两种叉指之间的耦合小且灵敏度高。该结构的石英微陀螺已经批量生产，具有高精度、高稳定性、低噪声的优点。同时，该公司也生产多轴测量的微陀螺仪，其功耗低、成本低、具有很好的温度特性与抗冲击特性，主要应用于军事方面，但该陀螺仪是由多个单轴陀螺仪组合封装而成的测量单元，并非运用单一陀螺芯片进行多轴测量，这限制了器件的进一步小型化。

日本的EPSON公司所制造的多叉指型单轴石英微陀螺仪已经应用于汽车刹车系统、图像的稳定及机器人控制等领域。其产品的典型结构为双T型，是一种z轴敏感的单轴陀螺仪，如图2所示。该结构具有四个驱动叉指与两个敏感叉指，四个驱动叉指分布在中间方框的两侧，两个敏感叉指分别连接在方框的上方和下方。其优点是降低了制作工艺的难度，且体积可以做得很小，封装后的尺寸为5×3.2×1.3mm³，扩大了该陀螺的应用领域。该公司生产的多轴陀螺产品也是由多个单轴陀螺组合而成，仍存在不易于进一步小型化的问题。

在电极的制作方面，国内已经可以成功制作出侧面分块电极。中国专利“一种三维石英敏感结构金属化加工方法”（申请公布号：CN102110771A），提出了一种可在同一侧面加工制作不同极性的侧面电极的方法，可用于石英微器件的批量生产中。该方法为单芯片石英微陀螺仪工艺上的可实现性提供了依据。

总之，与石英微陀螺仪相关的微细加工技术越来越成熟，目前已经具备足够的条件在单一芯片上制造出多轴测量的石英微陀螺仪，使得器件进一步小型化，扩大其应用范围，以满足市场的需求。但目前已知的单芯片石英微陀螺仪结构仍存在以下技术上的不足之处：电极布置较为复杂，工艺上不易于实现；两轴间存在较大的交叉耦合，影响了陀螺的测量精度。

发明内容

本发明的目的是为了实现单芯片双轴微陀螺仪，同时降低其电极的制作难度、减小两轴间的交叉耦合，提出一种石英音叉式双轴微陀螺仪。该陀螺仪集合了美国H型音叉结构和日本双T型音叉结构的特点，实现了运用一块石英芯片能同时检测两个轴向角速度的功能。

一种石英音叉式双轴微陀螺仪，由具有一定厚度的z向切割石英晶片经过湿法刻蚀工艺加工而成。具体包括：四个驱动叉指、四个敏感叉指、六边形框架、左横梁、右横梁、中心固支结构、多个驱动电极、y轴敏感电极和z轴敏感电极。所述y轴和z轴的确定原则为：由以六边形框架的中心为原点，右横梁为x正向，按照右手原则建立的坐标系来确定。

所述的中心固支结构包括上连接梁、下连接梁和固定方块。固定方块位于六边形框架中心，上连接梁、下连接梁分别从固定方块的y轴正方向、负方向引出，连接到六边形框架与x轴平行的上下两边的中点。

所述的六边形框架的两个对称顶点分别分布在x轴的正方向与负方向上，左横梁沿x轴负方向、与六边形框架的顶点连接；右横梁沿x轴正方向、与六边形框架的顶点连接。

所述的四个驱动叉指结构相同，分别为第一驱动叉指、第二驱动叉指、第三驱动叉指和第四驱动叉指。第一驱动叉指、第二驱动叉指对称位于x轴的两侧、垂直于左横梁；第三驱动叉指、第四驱动叉指对称位于x轴的两侧、垂直于右横梁。第一驱动叉指、第二驱动叉指与第三驱动叉指、第四驱动叉指相对六边形框架中心对称。

所述的四个敏感叉指结构相同，分别为第一敏感叉指、第二敏感叉指、第三敏感叉指和第四敏感叉指。第一敏感叉指、第二敏感叉指、第三敏感叉指和第四敏感叉指分别与y轴平行，位于第一驱动叉指、第二驱动叉指、第三驱动叉指、第四驱动叉指和六边形框架之间；且第一敏感叉指、第二敏感叉指与第三敏感叉指、第四敏感叉指相对六边形框架中心对称。

所述的驱动电极分为驱动正电极与驱动负电极。驱动正电极分别布置在第一、第二驱动叉指的上下表面和第三、第四驱动叉指的左右侧面；驱动负电极电极分别布置在第一、第二驱动叉指的左右侧面和第三、第四驱动叉指的上下表面。其中上表面电极与下表面电极通过叉指顶端相连接，左侧面电极与右侧面电极通过引线相连接。

所述y轴敏感电极分为y轴敏感正电极与y轴敏感负电极。y轴敏感正电极布置在第三敏感叉指左侧面的下半部和右侧面的上半部及第四敏感叉指左侧面的上半部和右侧面的下半部；y轴敏感负电极布置在第三敏感叉指左侧面的上半部和右侧面的下半部及第四敏感叉指左侧面的下半部和右侧面的上半部。

所述z轴敏感电极分为z轴敏感正电极与z轴敏感负电极。z轴敏感正电极布置在第一敏感叉指和第二敏感叉指的上下表面；z轴敏感负电极布置在第一敏感叉指和第二敏感叉指的左右侧面。

上述多个驱动电极和敏感电极的引线汇集于中心固支结构的固定方块，并从此引出。上述位于侧面的电极覆盖整个侧面；位于上下表面的电极在叉指长度方向整个覆盖，在宽度方向与侧面电极留有一定距离，防止与侧面电极相接触造成短路。

本发明的石英音叉式双轴微陀螺仪的工作流程为：当分别对各个正负驱动电极施加相位相反电信号时，通过逆压电效应使得四个驱动叉指在x轴方向做简谐振动；当y轴有角速度输入时，四个驱动叉指产生z方向的科氏力，并通过左右横梁将振动耦合到四个敏感叉指上，使得四个敏感叉指沿z轴方向振动，通过y轴敏感电极收集到的电荷进行放大、滤波、解调可测得y轴向的角速度；当z轴有角速度输入时，四个驱动叉指产生y方向的科氏力，并通过左右横梁将振动耦合到四个敏感叉指上，使得四个敏感叉指沿x轴方向振动，通过z轴敏感电极收集到的电荷进行放大、滤波、解调可测得z轴向的角速度。

有益效果

1、运用一块石英芯片，可同时检测y轴向和z轴向的角速度。

2、驱动叉指与敏感叉指的分离降低了轴间的交叉耦合，保证陀螺的测量精度。

3、y轴敏感电极和z轴敏感电极分别布置在不同的叉指上，降低了电极的制作难度，保证了工艺的可实现性。

4、六边形框架有效抑制了驱动叉指与敏感叉指之间的机械耦合，减小了陀螺的误差。

5、中心固支结构有效隔离了其他振动模态对工作模态的影响，保证了陀螺工作的稳定性。

附图说明

图1是背景技术中H型石英音叉的结构；

图2是背景技术中双T型石英音叉的结构；

图3是本发明的石英音叉结构及驱动电极和敏感电极的布置；其中（a）为石英音叉总体结构图，（b）为图（a）中A-A剖面的结构图，（c）为图（a）中B-B剖面的结构图,（d）为图（a）中C-C剖面的结构图；

图4是本发明石英音叉工作时的驱动模态；

图5是本发明石英音叉工作时的y轴敏感模态；

图6是本发明石英音叉工作时的z轴敏感模态；

图7是具体实施方式中石英音叉叉指在不同振动方向下的电场分布；其中（a）为叉指沿z方向振动时的电场分布图，（b）为叉指沿x方向振动时的电场分布图；

标号说明：110-第一驱动叉指、120-第二驱动叉指、130-第三驱动叉指、140-第四驱动叉指、201-左横梁、202-右横梁、310-第一敏感叉指、320-第二敏感叉指、410-第三敏感叉指、420-第四敏感叉指、501-六边形框架、502-上连接梁、503-下连接梁、504-固定方块、111-第一驱动叉指表面电极、112-第一驱动叉指左侧面电极、113-第一驱动叉指右侧面电极、121-第二驱动叉指表面电极、122-第二驱动叉指左侧面电极、123-第二驱动叉指右侧面电极、131-第三驱动叉指表面电极、132-第三驱动叉指右侧面电极、133-第三驱动叉指左侧面电极、141-第四驱动叉指表面电极、142-第四驱动叉指右侧面电极、143-第四驱动叉指左侧面电极、311-第一敏感叉指表面电极、312-第一敏感叉指右侧面电极、313-第一敏感叉指左侧面电极、321-第二敏感叉指表面电极、322-第二敏感叉指左侧面电极、323-第二敏感叉指右侧面电极、411-第三敏感叉指右侧面上半部电极、412-第三敏感叉指左侧面上半部电极、413-第三敏感叉指右侧面下半部电极、414-第三敏感叉指左侧面下半部电极、421-第四敏感叉指右侧面上半部电极、422-第四敏感叉指左侧面上半部电极、423-第四敏感叉指右侧面下半部电极、424-第四敏感叉指左侧面下半部电极。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明的音叉结构是由具有一定厚度的z向切割石英晶片经过湿法刻蚀工艺加工而成。图3是本发明的具体结构，包括：四个驱动叉指、四个敏感叉指、两个横梁、六边形框架和中心固支结构。第一驱动叉指110、第二驱动叉指120、第三驱动叉指130、第四驱动叉指140，以及四个敏感叉指310、320、410、420平均分布在六边形框架501的两侧，其中第一敏感叉指310和第二敏感叉指320是用于z轴检测的敏感叉指，第三敏感叉指410和第四敏感叉指420是用于y轴检测的敏感叉指；左横梁201和右横梁202为连接驱动叉指和敏感叉指的两个横梁，连接于六边形框架501的左右两个顶点处；上连接梁502、下连接梁503和固定方块504组成中心固支结构。

本发明各个驱动电极的分布如图3（a）所示：第一驱动叉指表面电极111、第二驱动叉指表面电极121、第三驱动叉指右侧面电极132、第三驱动叉指左侧面电极133、第四驱动叉指右侧面电极142和第四驱动叉指左侧面电极143是驱动正电极，第一驱动叉指左侧面电极112、第一驱动叉指右侧面电极113、第二驱动叉指左侧面电极122、第二驱动叉指右侧面电极123、第三驱动叉指表面电极131和第四驱动叉指表面电极141是驱动负电极，其中第一驱动叉指表面电极111、第二驱动叉指表面电极121、第三驱动叉指表面电极131和第四驱动叉指表面电极141布置在叉指的上下表面，第一驱动叉指左侧面电极112、第一驱动叉指右侧面电极113、第二驱动叉指左侧面电极122、第二驱动叉指右侧面电极123、第三驱动叉指右侧面电极132、第三驱动叉指左侧面电极133、第四驱动叉指右侧面电极142和第四驱动叉指左侧面电极143布置在叉指的左右侧面，在yz平面内的截面图如图3(b)所示；第一敏感叉指表面电极311和第二敏感叉指表面电极321是z轴敏感正电极，布置在叉指的上下表面，第一敏感叉指右侧面电极312、第一敏感叉指左侧面电极313、第二敏感叉指左侧面电极322和第二敏感叉指右侧面电极323是z轴敏感负电极，布置在叉指的左右侧面，该组电极的布置与驱动电极布置相同；第三敏感叉指左侧面上半部电极412、第三敏感叉指右侧面下半部电极413、第四敏感叉指右侧面上半部电极421和第四敏感叉指左侧面下半部电极424是y轴敏感正电极，第三敏感叉指右侧面上半部电极411、第三敏感叉指左侧面下半部电极414、第四敏感叉指左侧面上半部电极422和第四敏感叉指右侧面下半部电极423是y轴敏感负电极，在yz平面内电极的布置如图3(c)和(d)所示。

如图4所示，分别对驱动正电极和驱动负电极施加相位相反的周期性电压信号时，通过石英晶体的逆压电效应使得第一驱动叉指110、第二驱动叉指120、第三驱动叉指130和第四驱动叉指140产生x方向的周期性弯曲振动。当输入的周期性电压信号的频率与驱动叉指的本征频率相同时，驱动叉指产生x方向的参考振动。

如图5所示，当第一驱动叉指110、第二驱动叉指120、第三驱动叉指130和第四驱动叉指140产生x方向的参考振动时，若y轴有角速度输入，则驱动叉指产生z方向的科氏力，并产生沿z方向的简谐振动，同时左横梁201和右横梁202沿z轴方向做方向相反的简谐振动，该振动耦合到第一敏感叉指310、第二敏感叉指320、第三敏感叉指410和第四敏感叉指420上，并产生沿z方向的简谐振动。由于石英晶体的压电效应，在第一敏感叉指310、第二敏感叉指320、第三敏感叉指410和第四敏感叉指420上产生如图7(a)所示的电场，z轴敏感正电极和z轴敏感负电极所收集的正负电荷相互中和，输出为零；同时y轴敏感正电极与y轴敏感负电极形成差分电荷，经过放大、滤波及解调可得到y轴输入的角速度。

如图6所示，当第一驱动叉指110、第二驱动叉指120、第三驱动叉指130和第四驱动叉指140产生x方向的参考振动时，若z轴有角速度输入，则驱动叉指产生y方向的科氏力，并产生沿y方向的简谐振动，同时左横梁201和右横梁202沿y轴方向做方向相反的简谐振动，该振动耦合到第一敏感叉指310、第二敏感叉指320、第三敏感叉指410和第四敏感叉指420上，并产生沿x方向的振动。由于石英晶体的压电效应，在第一敏感叉指310、第二敏感叉指320、第三敏感叉指410和第四敏感叉指420上产生如图7(b)所示的电场，y轴敏感正电极和y轴敏感负电极所收集的正负电荷相互中和，输出为零；同时z轴敏感正电极与z轴敏感负电极形成差分电荷，经过放大、滤波及解调可得到z轴输入的角速度。

以上，对本发明的一个实例进行了详细描述，此外本发明还有以下优点：驱动叉指和敏感叉指的分离降低了两轴间交叉耦合，保证了陀螺的测量精度；左横梁201和右横梁202连接到六边形框架501的两个顶点处能够有效抑制驱动叉指对敏感叉指的机械耦合，减小陀螺的误差；中心固支结构能够有效隔离其他振动模态的影响，保证陀螺工作的稳定性；y轴敏感电极与z轴敏感电极分别布置在不同的叉指上，降低了工艺难度，保证了该结构在工艺上的可实现性。但本发明还存在不足之处，由于石英晶体的各向异性，经过湿法刻蚀工艺后，y轴敏感模态与z轴敏感模态仍会存在一定程度的耦合误差，可通过优化电极布置或增加两种模态频率之差来减小耦合误差带来的影响，进一步提高陀螺的测量精度。

以上所述为本发明的优选实例，本发明的保护范围不仅局限于该实例。利用多叉指结构将H型音叉和双T型音叉的工作模态相结合，将驱动叉指与敏感叉指相分离，并在单一芯片上实现双轴角速度检测是本发明的基本思想，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的范畴。

Claims (5)

1.一种石英音叉式双轴微陀螺仪，其特征在于：具体包括四个驱动叉指、四个敏感叉指、六边形框架、左横梁、右横梁、中心固支结构、多个驱动电极、y轴敏感电极和z轴敏感电极；

所述的中心固支结构包括上连接梁、下连接梁和固定方块；固定方块位于六边形框架中心，上连接梁、下连接梁分别从固定方块的y轴正方向、负方向引出，连接到六边形框架与x轴平行的上下两边的中点；

所述的六边形框架的两个对称顶点分别分布在x轴的正方向与负方向上，左横梁沿x轴负方向、与六边形框架的顶点连接；右横梁沿x轴正方向、与六边形框架的顶点连接；

所述的四个驱动叉指结构相同，分别为第一驱动叉指、第二驱动叉指、第三驱动叉指和第四驱动叉指；第一驱动叉指、第二驱动叉指对称位于x轴的两侧、垂直于左横梁；第三驱动叉指、第四驱动叉指对称位于x轴的两侧、垂直于右横梁；第一驱动叉指、第二驱动叉指与第三驱动叉指、第四驱动叉指相对六边形框架中心对称；

所述的四个敏感叉指结构相同，分别为第一敏感叉指、第二敏感叉指、第三敏感叉指和第四敏感叉指；第一敏感叉指、第二敏感叉指、第三敏感叉指和第四敏感叉指分别与y轴平行，位于第一驱动叉指、第二驱动叉指、第三驱动叉指、第四驱动叉指和六边形框架之间；且第一敏感叉指、第二敏感叉指与第三敏感叉指、第四敏感叉指相对六边形框架中心对称；

所述的驱动电极分为驱动正电极与驱动负电极；驱动正电极分别布置在第一、第二驱动叉指的上下表面和第三、第四驱动叉指的左右侧面；驱动负电极电极分别布置在第一、第二驱动叉指的左右侧面和第三、第四驱动叉指的上下表面；其中上表面电极与下表面电极通过叉指顶端相连接，左侧面电极与右侧面电极通过引线相连接；

所述y轴敏感电极分为y轴敏感正电极与y轴敏感负电极；y轴敏感正电极布置在第三敏感叉指左侧面的下半部和右侧面的上半部及第四敏感叉指左侧面的上半部和右侧面的下半部；y轴敏感负电极布置在第三敏感叉指左侧面的上半部和右侧面的下半部及第四敏感叉指左侧面的下半部和右侧面的上半部；

所述z轴敏感电极分为z轴敏感正电极与z轴敏感负电极；z轴敏感正电极布置在第一敏感叉指和第二敏感叉指的上下表面；z轴敏感负电极布置在第一敏感叉指和第二敏感叉指的左右侧面。

2.根据权利要求1所述的一种石英音叉式双轴微陀螺仪，其特征在于：以六边形框架的中心为原点，右横梁为x正向，按照右手原则建立的坐标系来确定y轴和z轴。

3.根据权利要求1所述的一种石英音叉式双轴微陀螺仪，其特征在于：多个驱动电极和敏感电极的引线汇集于中心固支结构的固定方块，并从此引出。

4.根据权利要求1所述的一种石英音叉式双轴微陀螺仪，其特征在于：位于侧面的电极覆盖整个侧面；位于上下表面的电极在叉指长度方向整个覆盖，在宽度方向与侧面电极留有一定距离，防止与侧面电极相接触造成短路。

5.根据权利要求1所述的一种石英音叉式双轴微陀螺仪，其特征在于：由具有一定厚度的z向切割石英晶片经过湿法刻蚀工艺加工而成。