專利名稱：一種全解耦電容式微機械陀螺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種全解耦電容式微機械陀螺，屬于微機電系統(tǒng)(以下簡稱MEMS)中 的慣性傳感器技術領域。
背景技術：
陀螺主要利用哥氏效應產(chǎn)生的哥氏力來測量運動物體相對慣性空間的角運動參 數(shù)，在民用產(chǎn)品和國防產(chǎn)品領域可廣泛用于對物體運動狀態(tài)的測量及控制。傳統(tǒng)的陀螺受 體積、重量、功耗和成本等因素的限制，難以在民用領域推廣應用。以集成電路(IC)工藝和 精密機械加工工藝為基礎制作的微機械陀螺具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等突出 優(yōu)點，因而可用于汽車運動狀態(tài)控制系統(tǒng)、攝像機穩(wěn)定系統(tǒng)、運動機械控制、機器人測控、大 地測量、醫(yī)用儀器等廣泛的民用應用領域。 目前獲得廣泛應用的振動式微機械陀螺基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個微機械陀螺的 驅(qū)動質(zhì)量塊3、驅(qū)動電容可動電極5、驅(qū)動彈性梁1、檢測質(zhì)量塊8、檢測彈性梁2、檢測電容可 動電極6均被加工在同一硅片上，通過驅(qū)動彈性梁1固定在玻璃襯底上的錨點9上。驅(qū)動 電容的固定電極4和檢測電容的固定電極7也被固定在玻璃襯底上。x方向為微機械陀螺 的橫向驅(qū)動軸，y方向為縱向敏感軸。在驅(qū)動電容的固定電極4上施加周期性變化的電壓， 可使微機械陀螺驅(qū)動質(zhì)量塊3在驅(qū)動方向上產(chǎn)生周期性變化的靜電驅(qū)動力，使驅(qū)動質(zhì)量塊 3和檢測質(zhì)量塊8產(chǎn)生x方向的振動。當z方向有敏感角速度輸人時，由于哥氏力的作用， 檢測質(zhì)量塊8沿y方向產(chǎn)生振動，振幅的大小與靜電驅(qū)動力以及z方向角速度大小成線性 關系。隨著檢測質(zhì)量塊8的振動，檢測電容的可動電極與固定電極之間的間距隨即發(fā)生變 化，使輸出差動電容量改變，通過檢測差動電容量的變化可實現(xiàn)振動幅度大小的檢領U，通過 后級處理電路可獲得z軸角速度。 上述的振動式微機械陀螺工作時存在著嚴重的驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)之間的機械 耦合問題，制約著微機械陀螺性能的進一步提高。圖1所示的微機械陀螺在受到x方向靜 電力作用時，驅(qū)動質(zhì)量塊3帶動檢測質(zhì)量塊8同時沿x軸方向振動，使檢測電容可動電極與 固定電極的相對面積發(fā)生變化，導致檢測電容的差動電容量也隨之發(fā)生變化，從而給y方 向振動信號的檢測帶來嚴重的干擾，降低了振動式微機械陀螺的性能，不易實現(xiàn)高精度的 角速度測量。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種全解耦電容式微機械陀螺，提供了一種檢測電容與驅(qū)動 方向振動無關的振動式微機械陀螺結(jié)構(gòu)，可完全消除驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)之間的機械耦合 問題，有效抑制驅(qū)動方向的機械振動給檢測信號帶來的寄生干擾，提高振動式微機械陀螺 的性能。 本發(fā)明提出的全解耦電容式微機械陀螺，包括檢測質(zhì)量塊、檢測彈性梁、檢測電容 可動電極、檢測電容固定電極、驅(qū)動彈性梁、縱向隔離梁、橫向隔離梁、驅(qū)動電容可動電極、驅(qū)動電容固定電極和立柱；所述的立柱固定在微機械陀螺的基片上；所述的驅(qū)動彈性梁和 檢測彈性梁圍成方框，驅(qū)動彈性梁和檢測彈性梁分別通過立柱與微機械陀螺的基片相對固 定；所述的橫向隔離梁和縱向隔離梁圍成的方框位于上述由驅(qū)動彈性梁和檢測彈性梁圍成 的方框中，所述的檢測質(zhì)量塊位于由橫向隔離梁和縱向隔離梁圍成的方框中，檢測質(zhì)量塊 的四角分別與橫向隔離梁和縱向隔離梁相連；所述的檢測電容可動電極和驅(qū)動電容可動電 極分別與檢測彈性梁和驅(qū)動彈性梁相連；所述的檢測電容固定電極和驅(qū)動電容固定電極分 別固定在微機械陀螺的基片上，且分別與檢測電容可動電極和驅(qū)動電容可動電極的位置相 對；所述的橫向隔離梁與驅(qū)動電容固定電極相對固定，所述的縱向隔離梁與檢測電容可動 電極相對固定。 本發(fā)明提出的全解耦電容式微機械陀螺，具有以下優(yōu)點 1 、本發(fā)明的全解耦電容式微機械陀螺中，檢測電容可動電極在檢測折疊梁的約束
下，只能進行橫向運動；驅(qū)動電容可動電極在驅(qū)動折疊梁的約束下，只能進行縱向運動；敏
感質(zhì)量塊進行平面運動時，由于縱向隔離梁和橫向隔離的作用，敏感質(zhì)量塊的橫向運動只
能弓I起檢測電容可動電極的運動，敏感質(zhì)量塊的縱向運動只能弓I起驅(qū)動電容可動電極的運
動，因此檢測電容可動電極和驅(qū)動電容可動電極的運動各自相互獨立，因此在結(jié)構(gòu)設計上
完全解決了電容式微機械陀螺驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)之間的機械交叉耦合問題。 2、本發(fā)明的電容式微機械陀螺只有一個質(zhì)量塊，在相同體積下具有較高的質(zhì)量，
易于實現(xiàn)高靈敏度角速度測量。 3、本發(fā)明提出的電容式微機械陀螺，與傳統(tǒng)電容式微機械陀螺的加工方法完全相 同，不增加生產(chǎn)工藝難度和加工成本，易于批量生產(chǎn)。
圖1是已有的雙軸電容式微機械加速度計的平面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的平面結(jié)構(gòu)示意圖。 圖1和圖2中，1是驅(qū)動彈性梁，2是檢測彈性梁，3是驅(qū)動質(zhì)量塊，4是驅(qū)動電容固 定電極，5是驅(qū)動電容可動電極，6是檢測電容可動電極，7是檢測電容固定電極，8是檢測質(zhì) 量塊，9是錨點，10是縱向隔離梁，11是立柱，12是橫向隔離梁。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的全解耦電容式微機械陀螺，其平面結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，包括檢 測質(zhì)量塊8、檢測彈性梁2、檢測電容可動電極6、檢測電容固定電極7、驅(qū)動彈性梁1、縱向隔 離梁10、橫向隔離梁12、驅(qū)動電容可動電極5、驅(qū)動電容固定電極4和立柱11。立柱11固 定在微機械陀螺的基片(圖中未示出)上。驅(qū)動彈性梁1和檢測彈性2梁圍成方框，驅(qū)動 彈性梁1和檢測彈性梁2分別通過立柱11與微機械陀螺的基片相對固定。橫向隔離梁12 和縱向隔離梁10圍成的方框位于上述由驅(qū)動彈性梁1和檢測彈性梁2圍成的方框中。檢 測質(zhì)量塊8位于由橫向隔離梁12和縱向隔離梁10圍成的方框中，檢測質(zhì)量塊8的四角分 別與橫向隔離梁12和縱向隔離梁10相連。檢測電容可動電極6和驅(qū)動電容可動電極5分 別與檢測彈性梁2和驅(qū)動彈性梁1相連。檢測電容固定電極7和驅(qū)動電容固定電極4分別 固定在微機械陀螺的基片上，且分別與檢測電容可動電極6和驅(qū)動電容可動電極5的位置相對。橫向隔離梁12與驅(qū)動電容固定電極4相對固定，所述的縱向隔離梁10與檢測電容 可動電極6相對固定。 本發(fā)明的全解耦電容式微機械陀螺中，敏感質(zhì)量塊、橫向和縱向隔離梁、檢測電容 可動電極和驅(qū)動電容可動電極等，均采用常規(guī)的體硅加工工藝，通過掩膜、光刻和刻蝕等工 藝，去除硅片上不需要的部分，最后得到完整的微結(jié)構(gòu)。微機械陀螺中的基片可以采用玻璃 襯底材料。 本發(fā)明的全解耦電容式微機械陀螺中，檢測電容固定電極7和驅(qū)動電容固定電極 4固定在玻璃襯底的基片上，檢測電容可動電極6與檢測電容固定電極7組成檢測電容，驅(qū) 動電容可動電極5與驅(qū)動電容固定電極4組成驅(qū)動電容。
本發(fā)明的全解耦電容式微機械陀螺的工作原理是 在驅(qū)動電容固定電極4上施加周期性變化的電壓，使驅(qū)動電容可動電極5在y方 向上產(chǎn)生周期性變化的靜電驅(qū)動力。由于驅(qū)動彈性梁1沿y軸方向的等效剛度很低，因此 驅(qū)動電容可動電極5在驅(qū)動彈性梁1的約束下，只能作y軸方向的振動；由于橫向隔離梁12 沿y軸方向的等效剛度很大，因此驅(qū)動電容可動電極5通過橫向隔離梁12可帶動檢測質(zhì)量 塊8做相同的y向振動。由于檢測折疊梁2沿y方向的剛度很大，縱向隔離梁10沿y軸方 向的等效剛度很低，因此檢測測質(zhì)量塊8的y向振動無法傳遞到檢測電容可動電極6，檢測 電容可動電極6保持靜止不動，完全消除了振動模態(tài)對檢測模態(tài)的干擾影響。
當在z軸方向有角速度輸入時，檢測質(zhì)量塊8受到沿x軸方向的哥氏力作用，迫使 檢測質(zhì)量塊8沿x軸方向左右振動，振幅的大小與靜電驅(qū)動力以及z方向角速度大小成線 性關系。由于縱向隔離梁10沿x軸方向的等效剛度很大，因此檢測質(zhì)量塊8通過縱向隔離 梁10可帶動檢測電容可動電極6做相同的x向振動。由于橫向隔離梁12沿x軸方向的等 效剛度很低，驅(qū)動彈性梁1沿x軸方向的等效剛度很高，因此檢測質(zhì)量塊8的x向振動無法 傳遞到驅(qū)動電容可動電極5上，完全消除了檢測模態(tài)對振動模態(tài)的干擾影響。
通過檢測可動電極6與固定電極7的差動電容量變化，可實現(xiàn)z軸角速度的檢測。
綜上所述，本發(fā)明在設計上對振動式微機械陀螺進行了創(chuàng)新，在驅(qū)動質(zhì)量塊和檢 測質(zhì)量塊合二為一的情況下，可保證驅(qū)動電容可動電極的y方向運動只傳遞到檢測質(zhì)量塊 上，而檢測質(zhì)量塊的x方向的運動只傳遞到驅(qū)動電容可動電極上，因此驅(qū)動電容可動電極 的運動與檢測電容可動電極的運動互不相關，從結(jié)構(gòu)設計上完全消除了機械耦合帶來的測 量干擾，提高了微機械陀螺靈敏度。本發(fā)明與傳統(tǒng)微機械陀螺的加工方法完全相同，不增加 工藝難度和加工成本，易于批量生產(chǎn)。
權(quán)利要求
一種全解耦電容式微機械陀螺，其特征在于，該微機械陀螺包括檢測質(zhì)量塊、檢測彈性梁、檢測電容可動電極、檢測電容固定電極、驅(qū)動彈性梁、縱向隔離梁、橫向隔離梁、驅(qū)動電容可動電極、驅(qū)動電容固定電極和立柱；所述的立柱固定在微機械陀螺的基片上；所述的驅(qū)動彈性梁和檢測彈性梁圍成方框，驅(qū)動彈性梁和檢測彈性梁分別通過立柱與微機械陀螺的基片相對固定；所述的橫向隔離梁和縱向隔離梁圍成的方框位于上述由驅(qū)動彈性梁和檢測彈性梁圍成的方框中，所述的檢測質(zhì)量塊位于由橫向隔離梁和縱向隔離梁圍成的方框中，檢測質(zhì)量塊的四角分別與橫向隔離梁和縱向隔離梁相連；所述的檢測電容可動電極和驅(qū)動電容可動電極分別與檢測彈性梁和驅(qū)動彈性梁相連；所述的檢測電容固定電極和驅(qū)動電容固定電極分別固定在微機械陀螺的基片上，且分別與檢測電容可動電極和驅(qū)動電容可動電極的位置相對；所述的橫向隔離梁與驅(qū)動電容固定電極相對固定，所述的縱向隔離梁與檢測電容可動電極相對固定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種全解耦電容式微機械陀螺，屬于微機電系統(tǒng)中的慣性傳感器技術領域。其中，立柱固定在基片上，驅(qū)動彈性梁和檢測彈性梁圍成方框，且分別通過立柱與基片相對固定。橫向隔離梁和縱向隔離梁圍成的方框位于上述方框中。檢測質(zhì)量塊位于由橫向隔離梁和縱向隔離梁圍成的方框中，其四角分別與之相連。檢測電容可動電極和驅(qū)動電容可動電極分別與檢測彈性梁和驅(qū)動彈性梁相連。檢測電容固定電極和驅(qū)動電容固定電極分別固定在基片上，且分別與檢測電容可動電極和驅(qū)動電容可動電極的位置相對。本發(fā)明從結(jié)構(gòu)設計上消除了機械耦合帶來的測量干擾，提高了微機械陀螺的靈敏度，且不增加生產(chǎn)的工藝難度和加工成本，易于批量生產(chǎn)。
文檔編號B81B7/02GK101746708SQ200910243959
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月25日
發(fā)明者王慶, 高宏 申請人:紫光股份有限公司