一種雙軸石英角速度傳感器芯片的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種雙軸石英角速度傳感器芯片，包括均沿Y向設(shè)置的兩平行的驅(qū)動梁、兩平行的Y軸檢測梁、Z軸檢測梁和連接梁，連接梁兩端與兩驅(qū)動梁和兩Y軸檢測梁連接形成H形結(jié)構(gòu)，Z軸檢測梁一端與連接梁中部固接并與Y軸檢測梁位于同一側(cè)，Z軸檢測梁另一端與固定塊固接；兩驅(qū)動梁的上下表面和左右側(cè)壁均覆蓋有激勵電極；兩Y軸檢測梁的左右側(cè)壁均覆蓋有敏感電極，左右側(cè)壁的敏感電極均由上下平行分開的兩部分構(gòu)成；Z軸檢測梁的上下表面和左右側(cè)壁均覆蓋有敏感電極。本實用新型為單片一體集成結(jié)構(gòu)，相對于兩個單軸石英角速度傳感器組裝而成的雙軸產(chǎn)品，更便于微型化和批量制作。驅(qū)動梁和檢測梁分開設(shè)置，機械耦合小且靈敏度高。
【專利說明】一種雙軸石英角速度傳感器芯片

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及角速度檢測技術(shù)，具體涉及一種雙軸石英角速度傳感器芯片，屬于慣性傳感【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]角速度傳感器又名陀螺儀，為慣性傳感器的一種，廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)和消費電子等多個領(lǐng)域。依據(jù)工作原理的不同，陀螺可分為機械陀螺、激光陀螺、光纖陀螺、靜電陀螺、半球諧振陀螺、微機械陀螺等，其中微機械陀螺為低精度陀螺，但由于采用MEMS(微電子機械系統(tǒng))工藝制作，具有體積小、成本低、可靠性高和適合大批量生產(chǎn)等獨特優(yōu)勢，特別適合于對精度要求不高但對價格、體積和功耗要求嚴(yán)格的領(lǐng)域。
[0003]微機械陀螺按照基底材料的不同可分為硅微陀螺和石英微陀螺兩類，兩種基材的陀螺在國內(nèi)外均并行發(fā)展，在軍民領(lǐng)域的應(yīng)用各有特色。與硅微陀螺相比，石英微陀螺的機械結(jié)構(gòu)和信號處理均比較簡單，該特點有利于提高微陀螺的性能。
[0004]石英晶體在Z軸方向沒有壓電效應(yīng)，使得單片式雙軸或三軸角速度傳感器芯片的結(jié)構(gòu)設(shè)計較為困難，國內(nèi)外相關(guān)公司或研究單位推出的石英角速度傳感器產(chǎn)品均為單軸產(chǎn)品，雙軸和三軸產(chǎn)品均非單片結(jié)構(gòu)，而是通過兩個或三個單軸產(chǎn)品組裝而成，不利于體積的微型化和成本的低廉化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本實用新型的目的是提供一種利于微型化、結(jié)構(gòu)簡單且適合批量制作的雙軸石英角速度傳感器芯片。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0007]—種雙軸石英角速度傳感器芯片，包括兩平行的驅(qū)動梁、兩平行的Y軸檢測梁、一根Z軸檢測梁和連接梁，所述驅(qū)動梁、Y軸檢測梁和Z軸檢測梁位于同一平面且其長度方向均沿Y向設(shè)置，連接梁兩端與兩驅(qū)動梁和兩Y軸檢測梁連接形成H形結(jié)構(gòu)，兩驅(qū)動梁位于連接梁同一側(cè)，兩Y軸檢測梁位于連接梁另一側(cè)，Z軸檢測梁一端與連接梁中部固接并與Y軸檢測梁位于同一側(cè)，Z軸檢測梁另一端與固定塊固接；
[0008]兩驅(qū)動梁的上下表面和左右側(cè)壁均覆蓋有激勵電極，同一驅(qū)動梁的上下表面的激勵電極連接在一起用于與激勵電源的正極/負(fù)極連接，該同一驅(qū)動梁的左右側(cè)壁的激勵電極連接在一起用于與激勵電源的負(fù)極/正極連接；兩驅(qū)動梁上下表面激勵電極和左右側(cè)壁激勵電極與激勵電源的連接極性相反以使兩個驅(qū)動梁沿X方向做彎曲反向振動；
[0009]兩Y軸檢測梁的左右側(cè)壁均覆蓋有敏感電極，左右側(cè)壁的敏感電極均由上下平行分開的兩部分構(gòu)成，用于收集Y軸檢測模態(tài)下的Z向平面外振動所引起的壓電電荷；
[0010]所述Z軸檢測梁的上下表面和左右側(cè)壁均覆蓋有敏感電極，用于收集Z軸檢測模態(tài)下的X向平面內(nèi)振動所引起的壓電電荷。
[0011]所述驅(qū)動梁、Y軸檢測梁、Z軸檢測梁、連接梁和固定塊在同一塊具有壓電效應(yīng)的石英晶體基材上一體制作而成。
[0012]相比現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型具有以下優(yōu)點:
[0013]1、雙軸石英角速度傳感器為單片一體集成結(jié)構(gòu)，相對于兩個單軸石英角速度傳感器組裝而成的雙軸產(chǎn)品，更便于微型化和批量制作。
[0014]2、驅(qū)動梁和檢測梁分開設(shè)置，機械耦合小且靈敏度高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1-本實用新型雙軸石英角速度傳感器芯片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2-圖1的Al-Al剖視圖；
[0017]圖3-圖1的Bl-Bl剖視圖；
[0018]圖4-圖1的Cl-Cl剖視圖。
[0019]圖5-本實用新型雙軸石英角速度傳感器芯片的驅(qū)動模態(tài)示意圖；
[0020]圖6-本實用新型雙軸石英角速度傳感器芯片的Y軸檢測模態(tài)示意圖；
[0021]圖7-本實用新型雙軸石英角速度傳感器芯片的Z軸檢測模態(tài)示意圖。
[0022]其中:1-雙軸石英角速度傳感器；2_驅(qū)動梁；3-Y軸檢測梁；4-Ζ軸檢測梁；5_連接梁；6-固定塊；7a?7d-驅(qū)動梁激勵電極；8a?8d_Y軸檢測梁敏感電極；9a?9d_Z軸檢測梁敏感電極。

【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0024]如圖1所示，本實用新型雙軸石英角速度傳感器芯片1，包括兩平行的驅(qū)動梁2、兩平行的Y軸檢測梁3、一根Z軸檢測梁4和連接梁5，所述驅(qū)動梁2、Y軸檢測梁3和Z軸檢測梁4位于同一平面且其長度方向均沿Y向設(shè)置，連接梁5兩端與兩驅(qū)動梁2和兩Y軸檢測梁3連接形成H形結(jié)構(gòu)，兩驅(qū)動梁2位于連接梁5同一側(cè)，兩Y軸檢測梁3位于連接梁5另一側(cè)。Z軸檢測梁4 一端與連接梁5中部固接并與Y軸檢測梁位于同一側(cè)，Z軸檢測梁4另一端與固定塊6固接。為突出結(jié)構(gòu)形狀，圖1中未示出表面電極圖形。
[0025]參見圖2，兩驅(qū)動梁2的上下表面和左右側(cè)壁均覆蓋有激勵電極7a?7d，同一驅(qū)動梁的上下表面的激勵電極7b、7c連接在一起用于與激勵電源的正極/負(fù)極連接，該同一驅(qū)動梁的左右側(cè)壁的激勵電極7a、7d連接在一起用于與激勵電源的負(fù)極/正極連接。兩驅(qū)動梁上下表面激勵電極和左右側(cè)壁激勵電極與激勵電源的連接極性相反以使兩個驅(qū)動梁沿X方向做彎曲反向振動。即如果左側(cè)驅(qū)動梁的上下表面激勵電極與激勵電源的正極連接，那么左側(cè)驅(qū)動梁的左右側(cè)壁激勵電極就與激勵電源的負(fù)極連接，此時右側(cè)驅(qū)動梁的上下表面激勵電極與激勵電源的負(fù)極連接，右側(cè)驅(qū)動梁的左右側(cè)壁激勵電極與激勵電源的正極連接?；蛘咦髠?cè)驅(qū)動梁的上下表面激勵電極與激勵電源的負(fù)極連接，那么左側(cè)驅(qū)動梁的左右側(cè)壁激勵電極就與激勵電源的正極連接，此時右側(cè)驅(qū)動梁的上下表面激勵電極與激勵電源的正極連接，右側(cè)驅(qū)動梁的左右側(cè)壁激勵電極與激勵電源的負(fù)極連接。
[0026]如圖3所示，兩Y軸檢測梁3的左右側(cè)壁均覆蓋有敏感電極8a?8d，左右側(cè)壁的敏感電極均由上下平行分開的兩部分構(gòu)成，用于收集Y軸檢測模態(tài)下的Z向平面外振動所引起的壓電電荷。
[0027]如圖4所示，所述Z軸檢測梁4的上下表面和左右側(cè)壁均覆蓋有敏感電極9a?9d，用于收集Z軸檢測模態(tài)下的X向平面內(nèi)振動所引起的壓電電荷。在用于電荷檢測輸出時，上下表面的敏感電極9b、9c連接在一起,左右側(cè)壁的敏感電極9a、9d連接在一起。
[0028]圖5?7分別為雙軸角速度傳感器芯片的驅(qū)動模態(tài)、Y軸檢測模態(tài)、Z軸檢測模態(tài)示意圖。如圖5所示，激勵電極7a?7d與外部激勵電源連接后在兩個驅(qū)動梁2內(nèi)部形成方向相反的激勵電場，由逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的作用力使得兩個驅(qū)動梁2作X方向的左右彎曲振動。
[0029]如圖6所示，有Y軸角速度輸入時，兩個驅(qū)動梁2產(chǎn)生Z方向哥式力并激勵驅(qū)動梁2作Z向平面外的振動，進(jìn)而帶動Y軸檢測梁3的Z向平面外的振動，該振動所產(chǎn)生的形變由于壓電效應(yīng)在Y軸檢測梁3的側(cè)壁感應(yīng)出壓電電荷，電荷量與輸入的角速度成線性關(guān)系，并通過覆蓋于Y軸檢測梁3側(cè)壁的平行分開的敏感電極8a?8d進(jìn)行收集，經(jīng)外部處理電路測量后即可得出Y軸向的輸入角速度。
[0030]如圖7所示，有Z軸角速度輸入時，兩個驅(qū)動梁2產(chǎn)生的Y方向哥式力激勵兩個驅(qū)動梁2作上下平面內(nèi)振動，帶動Z軸檢測梁作X方向左右彎曲振動，該振動所產(chǎn)生的形變由于壓電效應(yīng)在Z軸檢測梁4的側(cè)壁感應(yīng)出壓電電荷，電荷量與輸入的角速度成線性關(guān)系，并通過覆蓋于Z軸檢測梁4表面和側(cè)壁的敏感電極9a?9d進(jìn)行收集，經(jīng)外部處理電路測量后即可得出Z軸向的輸入角速度。
[0031]本實用新型雙軸角速度傳感器芯片I在同一基材上加工形成，即構(gòu)成傳感器芯片的兩驅(qū)動梁2、兩Y軸檢測梁3、Z軸檢測梁4、連接梁5和固定塊6在同一塊基材上一體制作而成，為整體式，該基材為具有壓電效應(yīng)的石英晶體。
[0032]由此可見，通過將驅(qū)動梁等結(jié)構(gòu)一體化集成，當(dāng)兩個敏感軸向任一方向有角速度輸入時，會引起相應(yīng)檢測梁的彎曲振動及表面壓電電荷，檢測梁上產(chǎn)生的電荷量與輸入角速度存在線性關(guān)系，通過測量表面電荷量即可得到輸入角速度值。相對于兩個單軸角速度傳感器組裝而成的雙軸產(chǎn)品，可以在同一個芯片上集成制作，無需后續(xù)的兩軸組裝，因而更便于微型化和批量制作，成本更低。該芯片結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動梁和其它兩個軸向的檢測梁分開設(shè)置，機械耦合小且便于后序的參數(shù)調(diào)節(jié)；驅(qū)動梁和檢測梁分開設(shè)置后，激勵強度大，檢測靈敏度更高。
[0033]本實用新型的上述實施例僅僅是為說明本實用新型所作的舉例，而并非是對本實用新型的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不同形式的變化和變動。這里無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬于本實用新型的技術(shù)方案所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本實用新型的保護范圍之列。
【權(quán)利要求】
1.一種雙軸石英角速度傳感器芯片，其特征在于:包括兩平行的驅(qū)動梁、兩平行的Y軸檢測梁、一根Z軸檢測梁和連接梁，所述驅(qū)動梁、Y軸檢測梁和Z軸檢測梁位于同一平面且其長度方向均沿Y向設(shè)置，連接梁兩端與兩驅(qū)動梁和兩Y軸檢測梁連接形成H形結(jié)構(gòu)，兩驅(qū)動梁位于連接梁同一側(cè)，兩Y軸檢測梁位于連接梁另一側(cè)，Z軸檢測梁一端與連接梁中部固接并與Y軸檢測梁位于同一側(cè)，Z軸檢測梁另一端與固定塊固接； 兩驅(qū)動梁的上下表面和左右側(cè)壁均覆蓋有激勵電極，同一驅(qū)動梁的上下表面的激勵電極連接在一起用于與激勵電源的正極/負(fù)極連接，該同一驅(qū)動梁的左右側(cè)壁的激勵電極連接在一起用于與激勵電源的負(fù)極/正極連接；兩驅(qū)動梁上下表面激勵電極和左右側(cè)壁激勵電極與激勵電源的連接極性相反以使兩個驅(qū)動梁沿X方向做彎曲反向振動； 兩Y軸檢測梁的左右側(cè)壁均覆蓋有敏感電極，左右側(cè)壁的敏感電極均由上下平行分開的兩部分構(gòu)成，用于收集Y軸檢測模態(tài)下的Z向平面外振動所引起的壓電電荷； 所述Z軸檢測梁的上下表面和左右側(cè)壁均覆蓋有敏感電極，用于收集Z軸檢測模態(tài)下的X向平面內(nèi)振動所引起的壓電電荷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙軸石英角速度傳感器芯片，其特征在于:所述驅(qū)動梁、Y軸檢測梁、Z軸檢測梁、連接梁和固定塊在同一塊具有壓電效應(yīng)的石英晶體基材上一體制作而成。
【文檔編號】G01C19/5621GK203929075SQ201420386615
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月14日
【發(fā)明者】林丙濤, 朱振忠, 李文蘊, 蔣昭興, 滿欣, 趙建華 申請人:中國電子科技集團公司第二十六研究所