專利名稱：對(duì)稱結(jié)構(gòu)雙級(jí)解耦單晶硅微機(jī)械陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)械陀螺儀，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域和慣性測(cè)量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
與傳統(tǒng)的慣性器件相比，硅微機(jī)械慣性器件具有體積小、成本低、功耗低以及易與CMOS接口電路集成等優(yōu)點(diǎn)。隨著微機(jī)械加速度計(jì)在汽車電子系統(tǒng)中的成功應(yīng)用，作為微機(jī)械慣性器件的主要元件，高性能微機(jī)械陀螺儀的研究備受重視。目前有以下三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)制約著微機(jī)械陀螺儀性能的進(jìn)一步提高。
1、微機(jī)械陀螺的驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)的諧振頻率的匹配問題。微機(jī)械陀螺在工作時(shí)主要有兩個(gè)垂直的振動(dòng)模態(tài)，即驅(qū)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)振動(dòng)模態(tài)。為了提高靈敏度，通常需要在設(shè)計(jì)時(shí)要將驅(qū)動(dòng)方向諧振頻率和檢測(cè)方向的諧振頻率盡量匹配。
2、驅(qū)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)振動(dòng)模態(tài)之間的耦合。即驅(qū)動(dòng)方向的振動(dòng)也會(huì)引起檢測(cè)方向的振動(dòng)，從而給信號(hào)檢測(cè)增加了難度。
3、提高系統(tǒng)的品質(zhì)因子來提高靈敏度。目前通常采用真空封裝的方式，這會(huì)增加器件成本，同時(shí)降低系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于提供一種驅(qū)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)振動(dòng)模態(tài)的諧振頻率易于匹配，可降低兩個(gè)模態(tài)之間的耦合，在大氣環(huán)境下工作也能獲得較高品質(zhì)因子，靈敏度高的對(duì)稱結(jié)構(gòu)雙級(jí)解耦單晶硅微機(jī)械陀螺儀。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括玻璃基片、濺射在玻璃基片上的金屬電極、通過鍵合區(qū)鍵合在玻璃基片上的硅片和在硅片上蝕刻出的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)包括位于中間的質(zhì)量塊，對(duì)稱分布在質(zhì)量塊兩側(cè)的梳狀驅(qū)動(dòng)器，對(duì)稱分布在質(zhì)量塊另兩側(cè)的梳狀檢測(cè)器，固定電極與鍵合區(qū)相連，活動(dòng)電極與框相連，驅(qū)動(dòng)框與質(zhì)量塊之間有檢測(cè)解耦梁，檢測(cè)框與質(zhì)量塊之間有驅(qū)動(dòng)解耦梁，框的兩端連接有彈性梁。
本發(fā)明還可以包括1、彈性梁和解耦梁均采用雙級(jí)折梁結(jié)構(gòu)。
2、驅(qū)動(dòng)框被限制在驅(qū)動(dòng)方向X方向運(yùn)動(dòng)，而檢測(cè)框則被限制在檢測(cè)方向Y方向運(yùn)動(dòng)。
3、驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)活動(dòng)電極均采用切向運(yùn)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)振動(dòng)模態(tài)均以滑膜阻尼為主，且兩阻尼完全匹配。
本發(fā)明采用完全對(duì)稱的器件結(jié)構(gòu)，切向驅(qū)動(dòng)和切向運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方式來降低系統(tǒng)阻尼獲得較高的品質(zhì)因子，彈性梁與解耦梁結(jié)構(gòu)均能降低模態(tài)之間的耦合。本發(fā)明是一種全新的微機(jī)械振動(dòng)式陀螺儀機(jī)構(gòu)，使得驅(qū)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)振動(dòng)模態(tài)的諧振頻率易于匹配，同時(shí)通過雙級(jí)解耦結(jié)構(gòu)降低兩個(gè)模態(tài)之間的耦合，在大氣環(huán)境下工作也能獲得較高品質(zhì)因子，從而使得微機(jī)械陀螺有較高的靈敏度。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的俯視圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的描述結(jié)合圖1和圖2，它包括玻璃基片15、濺射在玻璃基片上的金屬電極、通過整體鍵合區(qū)1、驅(qū)動(dòng)固定電極鍵合區(qū)4、檢測(cè)固定電極鍵合區(qū)10鍵合在玻璃基片上的硅片和在硅片上蝕刻出的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)包括位于中間的質(zhì)量塊14，對(duì)稱分布在質(zhì)量塊兩側(cè)的梳狀驅(qū)動(dòng)器，對(duì)稱分布在質(zhì)量塊另兩側(cè)的梳狀檢測(cè)器，驅(qū)動(dòng)固定電極3a、3b與驅(qū)動(dòng)固定電極鍵合區(qū)相連，檢測(cè)固定電極9a、9b與檢測(cè)固定電極鍵合區(qū)相連，驅(qū)動(dòng)活動(dòng)電極6與驅(qū)動(dòng)框5相連，驅(qū)動(dòng)框與質(zhì)量塊之間有檢測(cè)解耦梁7，檢測(cè)活動(dòng)電極11與檢測(cè)框13相連，檢測(cè)框與質(zhì)量塊之間有驅(qū)動(dòng)解耦梁12，驅(qū)動(dòng)框的兩端連接有驅(qū)動(dòng)彈性梁2，檢測(cè)框的兩端連接檢測(cè)彈性梁8。彈性梁和解耦梁均采用雙級(jí)折梁結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)框被限制在驅(qū)動(dòng)方向X方向運(yùn)動(dòng)，而檢測(cè)框則被限制在檢測(cè)方向Y方向運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)活動(dòng)電極均采用切向運(yùn)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)振動(dòng)模態(tài)均以滑膜阻尼為主，且兩阻尼完全匹配。
在梳狀驅(qū)動(dòng)器的固定電極3a、3b、9a、9b與活動(dòng)電極6、11之間施加交流電信號(hào)時(shí)，固定電極a/3a上施加電壓V1＝VDC+VACsin(ωt)，固定電極b/3b上施加電壓V2＝VDC-VACsin(ωt)，則在活動(dòng)電極上產(chǎn)生交變的靜電力，慣性質(zhì)量塊14在活動(dòng)電極的牽引下，沿X軸向定義為驅(qū)動(dòng)方向產(chǎn)生振動(dòng)定義為驅(qū)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)。當(dāng)Z方向有角速度輸入時(shí)，質(zhì)量塊在Y軸向受到哥氏力的作用，在該方向上產(chǎn)生振動(dòng)，從而帶動(dòng)另一對(duì)活動(dòng)電極11沿Y軸方向振動(dòng)定義為敏感方向與敏感振動(dòng)模態(tài)，此時(shí)檢測(cè)活動(dòng)電極11與檢測(cè)固定電極a/9a之間的電容增加，同時(shí)檢測(cè)活動(dòng)電極11與檢測(cè)固定電極b/9b之間的電容等量減少，則差分電容檢測(cè)器的差分電容產(chǎn)生一交變信號(hào)。該電容變化幅值與輸入角速度成正比，通過接口電路檢測(cè)電容變化從而可測(cè)得角速度信號(hào)。由于采用了雙解耦結(jié)構(gòu)，雙級(jí)解耦結(jié)構(gòu)有效地消除了驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)振動(dòng)模態(tài)之間的耦合，檢測(cè)活動(dòng)電極只在敏感方向發(fā)生振動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)活動(dòng)電極只在驅(qū)動(dòng)方向振動(dòng)，均工作于滑膜阻尼下，在大氣環(huán)境下工作即可獲得較大的品質(zhì)因子，從而使微機(jī)械陀螺的靈敏度得以提高。同時(shí)陀螺結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)振動(dòng)模態(tài)頻率易匹配，也有利于消除由于工藝誤差帶來的頻率差異。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)稱結(jié)構(gòu)雙級(jí)解耦單晶硅微機(jī)械陀螺儀，它包括玻璃基片、濺射在玻璃基片上的金屬電極、通過鍵合區(qū)鍵合在玻璃基片上的硅片和在硅片上蝕刻出的結(jié)構(gòu)，其特征是其結(jié)構(gòu)包括位于中間的質(zhì)量塊，對(duì)稱分布在質(zhì)量塊兩側(cè)的梳狀驅(qū)動(dòng)器，對(duì)稱分布在質(zhì)量塊另兩側(cè)的梳狀檢測(cè)器，固定電極與鍵合區(qū)相連，活動(dòng)電極與框相連，驅(qū)動(dòng)框與質(zhì)量塊之間有檢測(cè)解耦梁，檢測(cè)框與質(zhì)量塊之間有驅(qū)動(dòng)解耦梁，框的兩端連接有彈性梁。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)稱結(jié)構(gòu)雙級(jí)解耦單晶硅微機(jī)械陀螺儀，其特征是彈性梁和解耦梁均采用雙級(jí)折梁結(jié)構(gòu)，構(gòu)成雙級(jí)解耦結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的對(duì)稱結(jié)構(gòu)雙級(jí)解耦單晶硅微機(jī)械陀螺儀，其特征是驅(qū)動(dòng)框被限制在驅(qū)動(dòng)方向X方向運(yùn)動(dòng)，而檢測(cè)框則被限制在檢測(cè)方向Y方向運(yùn)動(dòng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的對(duì)稱結(jié)構(gòu)雙級(jí)解耦單晶硅微機(jī)械陀螺儀，其特征是驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)活動(dòng)電極均采用切向運(yùn)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)振動(dòng)模態(tài)均以滑膜阻尼為主，且兩阻尼完全匹配。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的對(duì)稱結(jié)構(gòu)雙級(jí)解耦單晶硅微機(jī)械陀螺儀，其特征是驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)活動(dòng)電極均采用切向運(yùn)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)振動(dòng)模態(tài)均以滑膜阻尼為主，且兩阻尼完全匹配。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種對(duì)稱結(jié)構(gòu)雙級(jí)解耦單晶硅微機(jī)械陀螺儀，它包括玻璃基片、通過鍵合區(qū)鍵合在玻璃基片上的硅片和在硅片上蝕刻出的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)包括位于中間的質(zhì)量塊，對(duì)稱分布在質(zhì)量塊兩側(cè)的梳狀驅(qū)動(dòng)器，對(duì)稱分布在質(zhì)量塊另兩側(cè)的梳狀檢測(cè)器，固定電極與鍵合區(qū)相連，活動(dòng)電極與框相連，驅(qū)動(dòng)框與質(zhì)量塊之間有檢測(cè)解耦梁，檢測(cè)框與質(zhì)量塊之間有驅(qū)動(dòng)解耦梁，框的兩端連接有彈性梁。本發(fā)明是一種全新的微機(jī)械振動(dòng)式陀螺儀機(jī)構(gòu)，使得驅(qū)動(dòng)振動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)振動(dòng)模態(tài)的諧振頻率易于匹配，同時(shí)降低兩個(gè)模態(tài)之間的耦合，在大氣環(huán)境下工作也能獲得較高品質(zhì)因子，從而使得微機(jī)械陀螺有較高的靈敏度。
文檔編號(hào)G01C19/5684GK1851401SQ200610010099
公開日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月31日
發(fā)明者劉曉為, 陳偉平, 霍明學(xué), 譚曉昀, 陳宏 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)