專利名稱：擺動(dòng)式硅微陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)和微慣性測量技術(shù)，特別是一種擺動(dòng)式硅微陀螺儀。
背景技術(shù)：
微機(jī)械慣性儀表包括微機(jī)械陀螺儀(MMG)和微機(jī)械加速度計(jì)(MMA)。利用微電子加工工藝允許將微機(jī)械結(jié)構(gòu)與所需的電子線路完全集成在一個(gè)硅片上，從而達(dá)到性能、價(jià)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(diǎn)(如體積小、重量輕、價(jià)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(fèi)類產(chǎn)品和機(jī)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(jī)的自主導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)等。
1993年，美國德雷珀實(shí)驗(yàn)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(jī)械陀螺一音叉式線振動(dòng)陀螺。該陀螺儀由雙質(zhì)量塊、支承梁和橫梁組成，在驅(qū)動(dòng)力的作用下雙質(zhì)量在做平行于襯底的線振動(dòng)，有角速率輸入時(shí)，雙質(zhì)量塊做垂直于襯底平面的角振動(dòng)，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(dòng)結(jié)構(gòu)受到懸浮力的影響，增加了干擾信號(hào)。
2007年，裘安萍、蘇巖等人研制了的雙質(zhì)量振動(dòng)式硅微陀螺儀(雙質(zhì)量振動(dòng)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(dòng)力的作用下雙質(zhì)量在做平行于襯底的線振動(dòng)，有角速率輸入時(shí)，雙質(zhì)量塊做平行于襯底的另一個(gè)方向的線振動(dòng)，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(dòng)支承梁和八根敏感支承梁實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)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
本實(shí)用新型的目的在于提供一種能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模態(tài)與檢測模態(tài)的運(yùn)動(dòng)解耦，受加工誤差影響較小，且具有高靈敏度、抗干擾能力強(qiáng)的硅微陀螺儀。
實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)方案為 一種擺動(dòng)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(jī)械結(jié)構(gòu)，下層為制作在玻璃襯底上的信號(hào)引線，該下層玻璃襯底上布置信號(hào)弓I線以及鍵合點(diǎn)，陀螺儀上層機(jī)械結(jié)構(gòu)由一對完全相同的子結(jié)構(gòu)組成，該兩個(gè)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(jī)械結(jié)構(gòu)部分懸空在下層的玻璃襯底部分之上。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為(1)兩個(gè)子結(jié)構(gòu)左右對稱布置，增加了輸出信號(hào)，為單質(zhì)量塊輸出信號(hào)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(dòng)，實(shí)現(xiàn)陀螺儀的敏感運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)方向與檢測方向的運(yùn)動(dòng)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(gè)子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)和檢測運(yùn)動(dòng)均為相向運(yùn)動(dòng)，形成梳齒差動(dòng)電容檢測，實(shí)現(xiàn)了敏感輸出解耦，抑制了干擾信號(hào)；(5)兩個(gè)子結(jié)構(gòu)的梳齒反對稱布置，在兩個(gè)子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)梳齒上施加相同的驅(qū)動(dòng)電壓，便可使得兩個(gè)子結(jié)構(gòu)相向運(yùn)動(dòng)，從而簡化了電路。
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

圖1是本實(shí)用新型擺動(dòng)式硅微陀螺儀一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實(shí)用新型擺動(dòng)式硅微陀螺儀另一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本實(shí)用新型擺動(dòng)式硅微陀螺儀的下層玻璃襯底上的信號(hào)引線示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l:結(jié)合圖l，本實(shí)用新型擺動(dòng)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(jī)械結(jié)構(gòu)，下層為制作在玻璃襯底5上的信號(hào)引線，該下層玻璃襯底5上布置信號(hào)引線108、208、109a、109b、209a、 209b、 110、 210以及鍵合點(diǎn)4a、 4b 、 llla、 lllb、 211a、 211b、 112a、 112b、112c、 112d、 212a、 212b、 212c、 212d、 113a、 113b、 213a、 213b，陀螺儀上層機(jī)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(gè)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(jī)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(shí)施例2:結(jié)合圖2，本實(shí)用新型擺動(dòng)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(jī)械結(jié)構(gòu)，下層為制作在玻璃襯底5上的信號(hào)引線，該下層玻璃襯底5上布置信號(hào)引線108、 208、 109a、 109b、 209a、 209b、 110、 210以及鍵合點(diǎn)4a、 4b、 llla、 lllb、 211a、 211b、 112a、 112b、 112c、 112d、 212a、 212b、 212c、212d、 113a、 113b、 213a、 213b，陀螺儀上層機(jī)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(gè)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(jī)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(gè)平面，通過其彎曲可實(shí)現(xiàn)陀螺儀繞敏感軸(Z軸)的擺動(dòng)。扭桿12a、 12b與陀螺儀結(jié)構(gòu)平面垂直時(shí)，通過其轉(zhuǎn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)陀螺儀繞敏感軸(Z軸)的擺動(dòng)，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(dòng)，陀螺儀上層機(jī)械結(jié)構(gòu)基本相同，只是其實(shí)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。
本實(shí)用新型擺動(dòng)式硅微陀螺儀的每個(gè)子結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量塊101 、201,驅(qū)動(dòng)支承梁105a、105b、 105c、 105d、 205a、 205b、 205c、 205d，驅(qū)動(dòng)電容，驅(qū)動(dòng)檢測電容和敏感電容，每個(gè)質(zhì)量塊101、 201分別通過各自的驅(qū)動(dòng)支承梁105a、 105b、 105c、 105d、 205a、 205b、205c、 205d與橫梁3a、 3b相連。每個(gè)質(zhì)量塊101、 201四周對稱分布直線形活動(dòng)梳齒，其中沿驅(qū)動(dòng)軸(X軸)對稱分布的活動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒與固定驅(qū)動(dòng)梳齒103a、 103b、 103c、 103d、203a、 203b、 203c、 203d交錯(cuò)對插排列形成驅(qū)動(dòng)電容，在固定驅(qū)動(dòng)梳齒103a、 103b、103c、 103d、 203a、 203b、 203c、 203d上施加帶直流偏置的交流電壓，實(shí)現(xiàn)陀螺儀的單邊靜電驅(qū)動(dòng)。活動(dòng)驅(qū)動(dòng)檢測梳齒與固定驅(qū)動(dòng)檢測梳齒104a、 104b、 204a、 204b交錯(cuò)對插排列形成驅(qū)動(dòng)檢測電容；質(zhì)量塊IOI、 201沿檢測軸(Y軸)對稱分布活動(dòng)敏感梳齒與固定敏感梳齒102a、 102b、 202a、 202b交錯(cuò)對插排列形成敏感電容。在固定驅(qū)動(dòng)梳齒103a、 103b、 103c、 103d、 203a、 203b、 203c、 203d上施加帶直流偏置的交流電壓，實(shí)現(xiàn)陀螺儀的單邊靜電驅(qū)動(dòng)。
本實(shí)用新型擺動(dòng)式硅微陀螺儀的固定基座la、 lb和固定鍵合點(diǎn)4a、 4b相連，固定驅(qū)動(dòng)梳齒103a、 103b、 103c、 103d、 203a、 203b、 203c、 203d，固定驅(qū)動(dòng)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(diǎn)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(hào)引線和金屬硅/玻璃鍵合點(diǎn)。信號(hào)引線包括地線，驅(qū)動(dòng)輸入引線109a、 109b、 209a、 209b，驅(qū)動(dòng)反饋輸入引線IIO、 210，敏感輸出信號(hào)引線108、 208;金屬硅/玻璃鍵合點(diǎn)包括固定基座鍵合點(diǎn)4a、 4b，固定驅(qū)動(dòng)梳齒鍵合點(diǎn)112a、 112b、 112c、 112d和212a、 212b、 212c、212d，固定驅(qū)動(dòng)反饋梳齒鍵合點(diǎn)113a、 113b和213a、 213b，固定敏感梳齒鍵合點(diǎn)llla、111b和211a、 211b。其中固定基座la、 lb和固定基座鍵合點(diǎn)4a、 4b相連，固定驅(qū)動(dòng)梳齒103a、 103b、 103c、 103d與固定驅(qū)動(dòng)梳齒鍵合點(diǎn)112a、 112b、 112c、 112d對應(yīng)相連；固定驅(qū)動(dòng)梳齒203a、 203b、 203c、 203d與固定驅(qū)動(dòng)梳齒鍵合點(diǎn)212a、 212b、 212c、 212d對應(yīng)相連；固定驅(qū)動(dòng)檢測梳齒104a、 104b與固定驅(qū)動(dòng)檢測梳齒鍵合點(diǎn)113a、 113b對應(yīng)相連；固定驅(qū)動(dòng)檢測梳齒204a、 204b與固定驅(qū)動(dòng)檢測梳齒鍵合點(diǎn)213a、 213b對應(yīng)相連；固定敏感梳齒102a、 102b與敏感梳齒鍵合點(diǎn)llla、 lllb對應(yīng)相連；固定敏感梳齒202a、202b與敏感梳齒鍵合點(diǎn)211a、 211b對應(yīng)相連。
本實(shí)用新型的擺動(dòng)式硅微陀螺儀，采用單邊靜電驅(qū)動(dòng)，電容檢測的工作方式。在子結(jié)構(gòu)IOO的固定驅(qū)動(dòng)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(dòng)力為
式中，"為諧振器的活動(dòng)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，t/d為驅(qū)動(dòng)電壓的直流偏置電壓，t/。為交流電壓，^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
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(dòng)力相差180度。因此子結(jié)構(gòu)100和200的整個(gè)活動(dòng)結(jié)構(gòu)在靜電驅(qū)動(dòng)力的作用下，沿驅(qū)動(dòng)軸(X軸)
作相向簡諧線振動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)交流電壓的頻率與陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)的固有頻率一致時(shí)，線振
動(dòng)位移為
X = ^LCOSfi>/ (2)
、
式中，巧。為靜電驅(qū)動(dòng)力幅值，^為X方向的彈性剛度，込為驅(qū)動(dòng)模態(tài)的品質(zhì)因數(shù)。線
振動(dòng)速度為
F-生-:^iz (3)& 、
當(dāng)陀螺儀有繞z軸的外界輸入角速率化時(shí)，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
ae = 2< zr sin伊=2ft z<yrfsin ^ sin ( 4 )
式中，p為輸入角速率和線振動(dòng)速度之間右旋夾角。
設(shè)檢測質(zhì)量為化，則作用在檢測質(zhì)量上的哥氏慣性力為
_FC == —2wsfiJzr 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(dòng)。這樣，使得活動(dòng)敏感梳齒與固定敏感梳齒之間的間隙按一定的簡諧振動(dòng)規(guī)律變動(dòng)，電容差值信號(hào)經(jīng)電子線路處理后，可獲得輸出電壓信號(hào)。輸出電壓信號(hào)為子結(jié)構(gòu)IOO、 200輸出電壓信號(hào)之和，且輸出電壓信號(hào)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(hào)與激勵(lì)信號(hào)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(dòng)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(jī)械結(jié)構(gòu)，下層為制作在玻璃襯底[5]上的信號(hào)引線，該下層玻璃襯底[5]上布置信號(hào)引線[108、208、109a、109b、209a、209b、110、210]以及鍵合點(diǎn)[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(jī)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(gè)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(jī)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(dòng)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(dòng)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(dòng)式硅微陀螺儀，其特征在于每個(gè)子結(jié)構(gòu)包括質(zhì)量 塊[IOI、 201]、驅(qū)動(dòng)支承梁[105a、 105b、 105c、 105d、 205a、 205b、 205c、 205d]、驅(qū)動(dòng) 電容、驅(qū)動(dòng)檢測電容和敏感電容，每個(gè)質(zhì)量塊[IOI、 201]分別通過各自的驅(qū)動(dòng)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(dòng)式硅微陀螺儀，其特征在于每個(gè)質(zhì)量塊[IOI、 201]四周 對稱分布直線形活動(dòng)梳齒，其中沿X軸對稱分布的活動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒與固定驅(qū)動(dòng)梳齒[103a、 103b、 103c、 103d、 203a、 203b、 203c、 203d]交錯(cuò)對插排列形成驅(qū)動(dòng)電容，活動(dòng)驅(qū)動(dòng)檢 測梳齒與固定驅(qū)動(dòng)檢測梳齒[104a、 104b、 204a、 204b]交錯(cuò)對插排列形成驅(qū)動(dòng)檢測電容； 質(zhì)量塊[IOI、201]沿Y軸對稱分布活動(dòng)敏感梳齒與固定敏感梳齒[102a、 102b、202a、202b] 交錯(cuò)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(dòng)式硅微陀螺儀，其特征在于在固定驅(qū)動(dòng)梳齒[103a、 103b、 103c、 103d、 203a、 203b、 203c、 203d]上施加帶直流偏置的交流電壓，實(shí)現(xiàn)陀螺 儀的單邊靜電驅(qū)動(dòng)。
7、根據(jù)權(quán)利要求5所述的擺動(dòng)式硅微陀螺儀，其特征在于固定基座[la、 lb]和固 定鍵合點(diǎn)[4a、 4b]相連，固定驅(qū)動(dòng)梳齒[103a、 103b、 103c、 103d、 203a、 203b、 203c、 203d]、固定驅(qū)動(dòng)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(diǎn)[112a、 112b、 112c、 112d、 212a、 212b、 212c、 212d、 113a、 113b、 213a、 213b、 llla、 lllb、 211a、 211b]相連。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種擺動(dòng)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(jī)械結(jié)構(gòu)，下層為制作在玻璃襯底上的信號(hào)引線，該下層玻璃襯底上布置信號(hào)引線以及鍵合點(diǎn)，陀螺儀上層機(jī)械結(jié)構(gòu)由一對完全相同的子結(jié)構(gòu)組成，該兩個(gè)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(jī)械結(jié)構(gòu)部分懸空在下層的玻璃襯底部分之上。本實(shí)用新型采用扭桿和橫梁，使陀螺儀繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)陀螺儀的敏感運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)方向與檢測方向的運(yùn)動(dòng)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(hào)G01C19/5642GK201344802SQ200920037290
公開日2009年11月11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)