專利名稱：擺動式硅微陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機械系統(tǒng)和微慣性測量技術(shù)，特別是一種擺動式硅微陀螺儀。
背景技術(shù)：
微機械慣性儀表包括微機械陀螺儀(MMG)和微機械加速度計(MMA)。利用微電子 加工工藝允許將微機械結(jié)構(gòu)與所需的電子線路完全集成在一個硅片上，從而達到性能、 價格、體積、重量、可靠性諸方面的高度統(tǒng)一。因而，這類儀表具有一系列的優(yōu)點(如 體積小、重量輕、價格便宜、可靠性高、能大批量生產(chǎn)等)，在軍民兩方面都具有廣泛 的應(yīng)用前景。在民用方面，主要用于汽車工業(yè)、工業(yè)監(jiān)控及消費類產(chǎn)品和機器人技術(shù)， 如氣囊、防抱死系統(tǒng)、偏航速率傳感器、翻滾速率傳感器、圖象穩(wěn)定及玩具等等；在軍 用領(lǐng)域，主要用于靈巧炸彈、智能炮彈、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、新概念武器和微型飛機的自主導(dǎo)航 制導(dǎo)系統(tǒng)等。
1993年，美國德雷珀實驗室通過在玻璃表面復(fù)蓋硅層技術(shù)制作了一種新穎的微機械 陀螺一音叉式線振動陀螺。該陀螺儀由雙質(zhì)量塊、支承梁和橫梁組成，在驅(qū)動力的作用 下雙質(zhì)量在做平行于襯底的線振動，有角速率輸入時，雙質(zhì)量塊做垂直于襯底平面的角 振動，通過檢測質(zhì)量塊與襯底間的電容變化，測試輸入角速率。為提高陀螺儀的檢測電 容可減小襯底與質(zhì)量塊的間距或增大它們的重疊面積，但這又大大增加了阻尼，陀螺儀 的靈敏度不能有效得到增大。此外，質(zhì)量塊與襯底間的很小間距使得活動結(jié)構(gòu)受到懸浮 力的影響，增加了干擾信號。
2007年，裘安萍、蘇巖等人研制了的雙質(zhì)量振動式硅微陀螺儀(雙質(zhì)量振動式硅微 陀螺儀200710133223.5)，該陀螺儀由雙質(zhì)量塊、支承梁和橫梁組成，在驅(qū)動力的作用 下雙質(zhì)量在做平行于襯底的線振動，有角速率輸入時，雙質(zhì)量塊做平行于襯底的另一個 方向的線振動，通過檢測敏感電容的變化，測試輸入角速率。該陀螺儀采用了八根驅(qū)動 支承梁和八根敏感支承梁實現(xiàn)驅(qū)動模態(tài)與敏感模態(tài)的分離。由于微電子工藝的相對誤差 較大，加工誤差對陀螺儀性能有很大的影響
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能實現(xiàn)驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)的運動解耦，受加工誤差影響較小，且具有高靈敏度、抗干擾能力強的硅微陀螺儀。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為 一種擺動式硅微陀螺儀，由上、下兩層構(gòu)成，上層為制作在單晶硅片上的陀螺儀機械結(jié)構(gòu)，下層為制作在玻璃襯底上的信號引線，該下層
玻璃襯底上布置信號弓I線以及鍵合點，陀螺儀上層機械結(jié)構(gòu)由一對完全相同的子結(jié)構(gòu)組成，該兩個子結(jié)構(gòu)沿Y軸對稱設(shè)置，并分別與橫梁連接，該橫梁通過兩組扭桿與下層玻璃襯底相鍵合，使上層的機械結(jié)構(gòu)部分懸空在下層的玻璃襯底部分之上。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為(1)兩個子結(jié)構(gòu)左右對稱布置，增加了輸出信號，為單質(zhì)量塊輸出信號的兩倍，提高了陀螺儀的靈敏度；(2)采用扭桿和橫梁，使陀螺儀繞Z軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)陀螺儀的敏感運動，實現(xiàn)了驅(qū)動方向與檢測方向的運動解耦；(3)扭桿代替了敏感支承梁，減小了支承梁數(shù)目，降低了加工誤差對陀螺性能的影響較?。?4)兩個子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動運動和檢測運動均為相向運動，形成梳齒差動電容檢測，實現(xiàn)了敏感輸出解耦，抑制了干擾信號；(5)兩個子結(jié)構(gòu)的梳齒反對稱布置，在兩個子
結(jié)構(gòu)的驅(qū)動梳齒上施加相同的驅(qū)動電壓，便可使得兩個子結(jié)構(gòu)相向運動，從而簡化了電路。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)描述。


圖1是本發(fā)明擺動式硅微陀螺儀一種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明擺動式硅微陀螺儀另一種實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明擺動式硅微陀螺儀的下層玻璃襯底上的信號引線示意圖。
具體實施例方式
實施例l:結(jié)合圖l，本發(fā)明擺動式硅微陀螺儀，用于測量垂直于基座水平的測量儀器，由上、下兩層構(gòu)成，上層為制作在單晶硅片上的陀螺儀機械結(jié)構(gòu)，下層為制作在玻璃襯底5上的信號引線，該下層玻璃襯底5上布置信號引線108、 208、 109a、 109b、209a、 209b、 110、 210以及鍵合點4a、 4b 、 llla、 lllb、 211a、 211b、 112a、 112b、112c、 112d、 212a、 212b、 212c、 212d、 113a、 113b、 213a、 213b，陀螺儀上層機械結(jié)構(gòu)由一對完全相同的子結(jié)構(gòu)100、 200組成，該兩個子結(jié)構(gòu)100、 200沿Y軸對稱設(shè)置，并分別與橫梁3a、 3b連接，該橫梁3a、 3b通過兩組扭桿與固定基座la、 lb連接，該固定基座la、 lb與下層玻璃襯底5相鍵合，使上層的機械結(jié)構(gòu)部分懸空在下層的玻璃襯底部分之上。每組扭桿分別由一根或一根扭桿以上組成，如可以為兩根扭桿2a、 2b、2c、 2d，扭桿在XY平面內(nèi)。
'實施例2:結(jié)合圖2，本發(fā)明擺動式硅微陀螺儀，由上、下兩層構(gòu)成，上層為制作在單晶硅片上的陀螺儀機械結(jié)構(gòu)，下層為制作在玻璃襯底5上的信號引線，該下層玻璃襯底5上布置信號引線108、 208、 109a、 109b、 209a、 209b、 110、 210以及鍵合點4a、4b、 llla、 lllb、 211a、 211b、 112a、 112b、 112c、 112d、 212a、 212b、 212c、 212d、 113a、113b、 213a、 213b，陀螺儀上層機械結(jié)構(gòu)由一對完全相同的子結(jié)構(gòu)100、 200組成，該兩個子結(jié)構(gòu)IOO、 200沿檢測軸(Y軸)對稱設(shè)置，并分別與橫梁3a、 3b連接，該橫梁3a、 3b通過兩組扭桿12a、 12b與下層玻璃襯底5相連，使上層的機械結(jié)構(gòu)部分懸空在下層的玻璃襯底部分之上。每組扭桿由一根扭桿12a、 12b組成，扭桿垂直于XY平面。
圖l所示的四根扭桿2a、 2b、 2c、 2d與陀螺儀結(jié)構(gòu)布置在同一個平面，通過其彎曲可實現(xiàn)陀螺儀繞敏感軸(Z軸)的擺動。扭桿12a、 12b與陀螺儀結(jié)構(gòu)平面垂直時，通過其轉(zhuǎn)動可實現(xiàn)陀螺儀繞敏感軸(Z軸)的擺動，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。這兩種方案都可以繞敏感軸(Z軸)的擺動，陀螺儀上層機械結(jié)構(gòu)基本相同，只是其實現(xiàn)的方式為兩種，即扭桿在XY平面內(nèi)或扭桿垂直于XY平面。
本發(fā)明擺動式硅微陀螺儀的每個子結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊IOI、 201，驅(qū)動支承梁105a、105b、 105c、 105d、 205a、 205b、 205c、 205d，驅(qū)動電容，驅(qū)動檢測電容和敏感電容，每個質(zhì)量塊101、 201分別通過各自的驅(qū)動支承梁105a、 105b、 105c、 105d、 205a、 205b、205c、 205d與橫梁3a、 3b相連。每個質(zhì)量塊IOI、 201四周對稱分布直線形活動梳齒，其中沿驅(qū)動軸(X軸)對稱分布的活動驅(qū)動梳齒與固定驅(qū)動梳齒103a、 103b、 103c、 103d、203a、 203b、 203c、 203d交錯對插排列形成驅(qū)動電容，在固定驅(qū)動梳齒103a、 103b、103c、 103d、 203a、 203b、 203c、 203d上施加帶直流偏置的交流電壓，實現(xiàn)陀螺儀的單邊靜電驅(qū)動。活動驅(qū)動檢測梳齒與固定驅(qū)動檢測梳齒104a、 104b、 204a、 204b交錯對插排列形成驅(qū)動檢測電容；質(zhì)量塊IOI、 201沿檢測軸(Y軸)對稱分布活動敏感梳齒
6與固定敏感梳齒102a、 102b、 202a、 202b交錯對插排列形成敏感電容。在固定驅(qū)動梳齒103a、 103b、 103c、 103d、 203a、 203b、 203c、 203d上施加帶直流偏置的交流電壓,實現(xiàn)陀螺儀的單邊靜電驅(qū)動。
本發(fā)明擺動式硅微陀螺儀的固定基座la、 lb和固定鍵合點4a、 4b相連，固定驅(qū)動梳齒103a、 103b、 103c、 103d、 203a、 203b、 203c、 203d，固定驅(qū)動檢測梳齒104a、 104b、204a、 204b，固定敏感梳齒102a、 102b、 202a、 202b分別與下層玻璃襯底5的對應(yīng)鍵合點112a、 112b、 112c、 112d、 212a、 212b、 212c、 212d、 113a、 113b、 213a、 213b、llla、 lllb、 211a、 211b相連。如附圖3所示，玻璃襯底5包括信號引線和金屬硅/玻璃鍵合點。信號引線包括地線，驅(qū)動輸入引線109a、 109b、 209a、 209b，驅(qū)動反饋輸入引線110、 210，敏感輸出信號引線108、 208;金屬硅/玻璃鍵合點包括固定基座鍵合點4a、4b，固定驅(qū)動梳齒鍵合點112a、 112b、 112c、 112d和212a、 212b、 212c、 212d,固定驅(qū)動反饋梳齒鍵合點U3a、賜和213a、213b,固定敏感梳齒鍵合點llla、 lllb和211a、211b。其中固定基座la、 lb和固定基座鍵合點4a、 4b相連，固定驅(qū)動梳齒103a、 103b、103c、 103d與固定驅(qū)動梳齒鍵合點112a、 112b、 112c、 112d對應(yīng)相連；固定驅(qū)動梳齒203a、 203b、 203c、 203d與固定驅(qū)動梳齒鍵合點212a、 212b、 212c、 212d對應(yīng)相連；固定驅(qū)動檢測梳齒104a、 104b與固定驅(qū)動檢測梳齒鍵合點113a、 113b對應(yīng)相連；固定驅(qū)動檢測梳齒204a、 204b與固定驅(qū)動檢測梳齒鍵合點213a、 213b對應(yīng)相連；固定敏感梳齒102a、 102b與敏感梳齒鍵合點llla、 lllb對應(yīng)相連；固定敏感梳齒202a、 202b與敏感梳齒鍵合點211a、 211b對應(yīng)相連。
本發(fā)明的擺動式硅微陀螺儀，采用單邊靜電驅(qū)動，電容檢測的工作方式。在子結(jié)構(gòu)100的固定驅(qū)動梳齒103a、 103b、 103c、 103d上施加含直流偏置電壓的交流電壓，產(chǎn)生交變的靜電力，靜電驅(qū)動力為
Frf =2"3t/。"rfsincy/ (1)
式中，w為諧振器的活動梳齒數(shù)，s為介電常數(shù)，A為結(jié)構(gòu)的厚度，"為梳齒間距，C/d為驅(qū)動電壓的直流偏置電壓，C/。為交流電壓，A為交流電壓的角頻率。
同理，在子結(jié)構(gòu)200的固定梳齒203a、 203b、 203c、 203d上施加含直流偏置的交
7流電壓，產(chǎn)生交變的靜電力，該靜電力與作用在子結(jié)構(gòu)100上的靜電驅(qū)動力相差180度。因此子結(jié)構(gòu)100和200的整個活動結(jié)構(gòu)在靜電驅(qū)動力的作用下，沿驅(qū)動軸(X軸)作相向簡諧線振動。當(dāng)驅(qū)動交流電壓的頻率與陀螺儀驅(qū)動模態(tài)的固有頻率一致時，線振動位移為
x = ^^coscV (2)、
式中，i^。為靜電驅(qū)動力幅值，、為x方向的彈性剛度，a為驅(qū)動模態(tài)的品質(zhì)因數(shù)。線
振動速度為
y = _^=^L i ^ (3)
當(dāng)陀螺儀有繞z軸的外界輸入角速率^時，根據(jù)右手定則，檢測質(zhì)量受到檢測軸(Y
軸)方向的哥氏加速度作用，其大小為
"c = 2fi>zF sin p = 2<yzft^ rf0& sin p sin o>/ (4 )
式中，p為輸入角速率和線振動速度之間右旋夾角。
設(shè)檢測質(zhì)量為^，則作用在檢測質(zhì)量上的哥氏慣性力為
Fc = -附A = —2mAK sin p (5 )
哥氏慣性力的方向與哥氏加速度方向相反，因此，作用在質(zhì)量塊IOI、 201上的哥氏慣性力的方向相反，形成力矩作用在陀螺儀結(jié)構(gòu)上，使得子結(jié)構(gòu)IOO、 200和橫梁3a、3b以陀螺儀的幾何中心為中心繞敏感軸(Z軸)作角振動。這樣，使得活動敏感梳齒與固定敏感梳齒之間的間隙按一定的簡諧振動規(guī)律變動，電容差值信號經(jīng)電子線路處理后，可獲得輸出電壓信號。輸出電壓信號為子結(jié)構(gòu)IOO、 200輸出電壓信號之和，且輸出電壓信號的大小正比于輸入角速率的大小。通過鑒相器比較輸出電壓信號與激勵信號的相位關(guān)系，則可判明輸入角速率的方向。
權(quán)利要求
1、一種擺動式硅微陀螺儀，由上、下兩層構(gòu)成，上層為制作在單晶硅片上的陀螺儀機械結(jié)構(gòu)，下層為制作在玻璃襯底[5]上的信號引線，該下層玻璃襯底[5]上布置信號引線[108、208、109a、109b、209a、209b、110、210]以及鍵合點[4a、4b、111a、111b、211a、211b、112a、112b、112c、112d、212a、212b、212c、212d、113a、113b、213a、213b]，其特征在于陀螺儀上層機械結(jié)構(gòu)由一對完全相同的子結(jié)構(gòu)[100、200]組成，該兩個子結(jié)構(gòu)[100、200]沿Y軸對稱設(shè)置，并分別與橫梁[3a、3b]連接，該橫梁[3a、3b]通過兩組扭桿與下層玻璃襯底[5]相鍵合，使上層的機械結(jié)構(gòu)部分懸空在下層的玻璃襯底部分之上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的擺動式硅微陀螺儀，其特征在于兩組扭桿與固定基座[la、 lb]連接，該固定基座[la、 lb]與下層玻璃襯底[5]相鍵合，每組扭桿分別由一根或一根扭桿以上組成，扭桿在XY平面內(nèi)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的擺動式硅微陀螺儀，其特征在于兩組扭桿與下層玻璃襯底[5]相連，每組扭桿由一根扭桿[12a、 12b]組成，扭桿垂直于XY平面。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的擺動式硅微陀螺儀，其特征在于每個子結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊[IOI、 201]、驅(qū)動支承梁[105a、 105b、 105c、 105d、 205a、 205b、 205c、 205d]、驅(qū)動電容、驅(qū)動檢測電容和敏感電容，每個質(zhì)量塊[IOI、 201]分別通過各自的驅(qū)動支承梁[105a、 105b、 105c、 105d、 205a、 205b、 205c、 205d]與橫梁[3a、 3b]相連。
5、 根據(jù)權(quán)利4所述的擺動式硅微陀螺儀，其特征在于每個質(zhì)量塊[IOI、 201]四周對稱分布直線形活動梳齒，其中沿X軸對稱分布的活動驅(qū)動梳齒與固定驅(qū)動梳齒[103a、103b、 103c、 103d、 203a、 203b、 203c、 203d]交錯對插排列形成驅(qū)動電容，活動驅(qū)動檢測梳齒與固定驅(qū)動檢測梳齒[104a、 104b、 204a、 204b]交錯對插排列形成驅(qū)動檢測電容；質(zhì)量塊[IOI 、 201]沿Y軸對稱分布活動敏感梳齒與固定敏感梳齒[102a、 102b、 202a、 202b]交錯對插排列形成敏感電容。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的擺動式硅微陀螺儀，其特征在于在固定驅(qū)動梳齒[103a、103b、 103c、 103d、 203a、 203b、 203c、 203d]上施加帶直流偏置的交流電壓，實現(xiàn)陀螺儀的單邊靜電驅(qū)動。
7、根據(jù)權(quán)利要求5所述的擺動式硅微陀螺儀，其特征在于固定基座[la、 lb]和固定鍵合點[4a、 4b]相連，固定驅(qū)動梳齒[103a、 103b、 103c、 103d、 203a、 203b、 203c、203d]、固定驅(qū)動檢測梳齒[104a、 104b、 204a、 204b]、固定敏感梳齒[102a、 102b、 202a、202b]分別與下層玻璃襯底的對應(yīng)鍵合點[112a、 112b、 112c、 112d、 212a、 212b、 212c、212d、 113a、 113b、 213a、 213b、 llla、 lllb、 211a、 211b]相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種擺動式硅微陀螺儀，由上、下兩層構(gòu)成，上層為制作在單晶硅片上的陀螺儀機械結(jié)構(gòu)，下層為制作在玻璃襯底上的信號引線，該下層玻璃襯底上布置信號引線以及鍵合點，陀螺儀上層機械結(jié)構(gòu)由一對完全相同的子結(jié)構(gòu)組成，該兩個子結(jié)構(gòu)沿Y軸對稱設(shè)置，并分別與橫梁連接，該橫梁通過兩組扭桿與下層玻璃襯底相鍵合，使上層的機械結(jié)構(gòu)部分懸空在下層的玻璃襯底部分之上。本發(fā)明采用扭桿和橫梁，使陀螺儀繞z軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)陀螺儀的敏感運動，實現(xiàn)了驅(qū)動方向與檢測方向的運動解耦；扭桿代替了敏感支承梁，減小了支承梁數(shù)目，降低了加工誤差對陀螺性能的影響較小。
文檔編號G01C19/5719GK101498580SQ20091002442
公開日2009年8月5日 申請日期2009年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月24日
發(fā)明者丁衡高, 芹 施, 巖 蘇, 裘安萍 申請人:南京理工大學(xué)