技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)和微慣性測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于角速度敏感的仿生毛發(fā)式硅微陀螺儀。

背景技術(shù)：

MEMS傳感器是采用微機(jī)械加工技術(shù)制造的新型傳感器,是MEMS器件的一個(gè)重要分支。隨著微電子技術(shù)、集成電路技術(shù)和加工工藝的發(fā)展,MEMS傳感器憑借體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易于集成以及耐惡劣工作環(huán)境等優(yōu)勢(shì),極大地促進(jìn)了傳感器的微型化、智能化、多功能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。MEMS傳感器正逐步占據(jù)傳感器市場(chǎng),并逐漸取代傳統(tǒng)機(jī)械傳感器的主導(dǎo)地位,已得到消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、航空航天、機(jī)械、化工及醫(yī)藥等各領(lǐng)域的青睞。

毛發(fā)式傳感器是近幾年新出現(xiàn)的一種MEMS傳感器設(shè)計(jì)思路。毛發(fā)式傳感器通過(guò)現(xiàn)有MEMS工藝技術(shù)進(jìn)行加工，仿照自然界中的毛發(fā)結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳感器設(shè)計(jì)，毛發(fā)式傳感器將傳感器的敏感動(dòng)作由以往的二維結(jié)構(gòu)也就是平面范圍拓展到了三維也就是空間范圍內(nèi)，極大地提高了MEMS傳感器的感知范圍。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有多家研究機(jī)構(gòu)開始了對(duì)毛發(fā)式傳感器的研究。荷蘭特溫特大學(xué)的G.J.M.Krijnen教授初步研發(fā)了一種毛發(fā)式陀螺儀，通過(guò)頂部的聚合物纖毛對(duì)哥氏力進(jìn)行敏感，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界輸入角速度的測(cè)量。但是，目前大部分機(jī)構(gòu)研發(fā)的毛發(fā)式陀螺儀，功能單一，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，實(shí)用性較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種檢測(cè)靈敏度高、性噪比高且檢測(cè)結(jié)果精確度非常高的用于角速度敏感的仿生毛發(fā)式硅微陀螺儀。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的一種用于角速度敏感的仿生毛發(fā)式硅微陀螺儀，由上層聚合物毛發(fā)、中層硅微傳感器和設(shè)有電路的底層玻璃襯底組成，所述中層硅微傳感器包括圓形質(zhì)量塊以及與圓形質(zhì)量塊同圓心的環(huán)形質(zhì)量塊，所述圓形質(zhì)量塊和環(huán)形質(zhì)量塊之間設(shè)置有兩個(gè)扭力梁，所述上層聚合物毛發(fā)粘合在圓形質(zhì)量塊中心，所述環(huán)形質(zhì)量塊的圓周側(cè)部均勻的設(shè)置有若干梳齒組和方波支撐梁，所述梳齒組和方波支撐梁相互交錯(cuò)排列。

優(yōu)選地，所述環(huán)形質(zhì)量塊上設(shè)置有四個(gè)梳齒組和四個(gè)方波支撐梁，相鄰的兩個(gè)梳齒組間隔為90度，相鄰的兩個(gè)方波支撐梁間隔為90度。

優(yōu)選地，所述兩個(gè)扭力梁以圓形質(zhì)量塊的軸線為基準(zhǔn)相互對(duì)稱。

優(yōu)選地，所述梳齒組由左梳齒、右梳齒和中梳齒構(gòu)成，其中中梳齒固定在環(huán)形質(zhì)量塊上，左梳齒和右梳齒固定在底層玻璃襯底上。

優(yōu)選地，所述方波支撐梁與錨點(diǎn)固定連接。

優(yōu)選地，所述梳齒組中梳齒的方向平行于環(huán)形質(zhì)量塊的切線方向。

優(yōu)選地，所述圓形質(zhì)量塊在底層玻璃襯底上的投影區(qū)域內(nèi)以扭力梁的軸線方向?yàn)榍懈罘较蛟O(shè)有第一半圓形金屬電極和第二半圓形金屬電極。

本發(fā)明中上層聚合物毛發(fā)的設(shè)置能夠增加中層硅微傳感器的質(zhì)量，從而能夠有效的提高檢測(cè)的靈敏度，方波支撐梁連接著錨點(diǎn)，錨點(diǎn)通過(guò)金屬電極與底層玻璃襯底鍵合，這樣使得中層硅微傳感器能夠懸空于底層玻璃襯底，這樣在兩個(gè)扭力梁的支撐下，圓形質(zhì)量塊能夠在扭力梁所處的軸線方向進(jìn)行左右扭轉(zhuǎn)，當(dāng)圓形質(zhì)量塊在進(jìn)行左右扭轉(zhuǎn)時(shí)，圓形質(zhì)量塊與第一半圓形金屬電極和第二半圓形金屬電極所構(gòu)成的電容的極板的間距會(huì)發(fā)生改變，圓形質(zhì)量塊與第一半圓形金屬電極和第二半圓形金屬電極所構(gòu)成的電容檢測(cè)機(jī)構(gòu)的電容容值也會(huì)發(fā)生改變。

本發(fā)明中當(dāng)環(huán)形質(zhì)量塊受到其切線方向的作用力時(shí)，環(huán)形質(zhì)量塊會(huì)圍繞其圓心旋轉(zhuǎn)一定角度，因此方波支撐梁與環(huán)形質(zhì)量塊相連的那一端也會(huì)跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，由于方波支撐梁與錨點(diǎn)相連的那一端固定不動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中方波支撐梁中的方波結(jié)構(gòu)會(huì)被拉長(zhǎng)，產(chǎn)生與作用力方向相反的彈性力。

有益效果：本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)而言具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）在圓形質(zhì)量塊上粘合了上層聚合物毛發(fā)，增加了中層硅微傳感器的質(zhì)量，從而有效的放大了檢測(cè)機(jī)構(gòu)的敏感動(dòng)作，提高了檢測(cè)的靈敏度。

（2）采用圓形質(zhì)量塊、環(huán)形質(zhì)量塊和扭力梁相組合的結(jié)構(gòu)，使得驅(qū)動(dòng)部分和檢測(cè)部分良好地隔開，減小了輸出噪聲信號(hào)，提高了性噪比。

（3）方波支撐梁的設(shè)計(jì)，相比與常用的直梁設(shè)計(jì)，其諧振頻率低，結(jié)構(gòu)靈敏度高，同時(shí)能較好地釋放加工時(shí)留下的殘余應(yīng)力，減少對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中硅微傳感器的俯視圖；

圖3為本發(fā)明中制作在底層玻璃襯底上的電路示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明提供一種用于角速度敏感的仿生毛發(fā)式硅微陀螺儀，用于測(cè)量X軸方向輸入的角速度，本發(fā)明包括上層聚合物毛發(fā)1、中層硅微傳感器和設(shè)有電路的底層玻璃襯底，所述上層聚合物毛發(fā)1由聚合物SU-8經(jīng)過(guò)拉伸得到，所述中層硅微傳感器包括圓形質(zhì)量塊2以及與圓形質(zhì)量塊2同圓心的環(huán)形質(zhì)量塊3，所述圓形質(zhì)量塊2和環(huán)形質(zhì)量塊3之間設(shè)置有第一扭力梁4-1和第二扭力梁4-2，所述上層聚合物毛發(fā)1粘合在圓形質(zhì)量塊2中心，所述環(huán)形質(zhì)量塊3的圓周側(cè)部設(shè)有四個(gè)梳齒組5和方波支撐梁6，所述梳齒組5和方波支撐梁6相互交錯(cuò)排列，四個(gè)梳齒組5分別為第一梳齒組5-1、第二梳齒組5-2、第三梳齒組5-3和第四梳齒組5-4，四個(gè)方波支撐梁6分別為第一方波支撐梁6-1、第二方波支撐梁6-2、第三方波支撐梁6-3和第四方波支撐梁6-4，所述第一方波支撐梁6-1、第二方波支撐梁6-2、第三方波支撐梁6-3和第四方波支撐梁6-4分別與第一錨點(diǎn)7-1、第二錨點(diǎn)7-2、第三錨點(diǎn)7-3和第四錨點(diǎn)7-4相連。

本發(fā)明中第一梳齒組5-1、第二梳齒組5-2、第三梳齒組5-3和第四梳齒組5-4結(jié)構(gòu)都完全相同且相鄰的間隔為90度，具體以第一梳齒組5-1為例，第一梳齒組5-1由第一左梳齒5-1a、第一右梳齒5-1b和第一中梳齒5-1c構(gòu)成，其中第一中梳齒5-1c固定在環(huán)形質(zhì)量塊3上，第一左梳齒5-1a和第一右梳齒5-1b固定在底層玻璃襯底上，且第一左梳齒5-1a和第一右梳齒5-1b插接在第一中梳齒5-1c上。

本發(fā)明中第一梳齒組5-1、第二梳齒組5-2、第三梳齒組5-3和第四梳齒組5-4的梳齒方向平行于環(huán)形質(zhì)量塊3的切線方向，其中第一梳齒組5-1和第三梳齒組5-3作為驅(qū)動(dòng)梳齒組，組成變間距式靜電電容驅(qū)動(dòng)極板，第二梳齒組5-2和第四梳齒組5-4作為檢測(cè)梳齒組，組成變間距式電容檢測(cè)結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明中的底層玻璃襯底上第一半圓形金屬電極809b和第二半圓形金屬電極809c為兩個(gè)半圓形電極，電極809a和809d分別為其引出的電極；電極801a與第一左梳齒5-1a鍵合，電極801b為其引出電極；電極802a與第一右梳齒5-1b鍵合，電極802b為其引出電極；電極803a與第二左梳齒5-2a鍵合，電極803b為其引出電極；電極804a與第二右梳齒5-2b鍵合，電極804b為其引出電極；電極805a與第三左梳齒5-3a鍵合，電極805b為其引出電極；電極806a與第三右梳齒5-3b鍵合，電極806b為其引出電極；電極807a與第四左梳齒5-4a鍵合，電極807b為其引出電極；電極808a與第四右梳齒5-4b鍵合，電極808b為其引出電極；電極810a與第一錨點(diǎn)7-1鍵合、電極810b與第二錨點(diǎn)7-2鍵合、電極810c與第三錨點(diǎn)7-3鍵合、電極810d與第四錨點(diǎn)7-4鍵合，其中電極810a、電極810b、電極810c和電極810d相互連接，電極810e為其引出電極。

第一梳齒組5-1和第三梳齒組5-3作為驅(qū)動(dòng)梳齒組采用梳齒電容靜電驅(qū)動(dòng)形式，具體以第一梳齒組5-1為例，當(dāng)在電極801b、802b分別施加相位相反的交流電壓 ，并疊加相同的直流偏置電壓，第一中梳齒5-1c上的電平為零的情況下，第一中梳齒5-1c受到的驅(qū)動(dòng)力為：

式中，為第一中梳齒5-1c的單邊梳齒個(gè)數(shù)，h為梳齒的厚度，為介電常數(shù)，為梳齒間隙。在驅(qū)動(dòng)力的作用下，環(huán)形質(zhì)量塊3在第一方波支撐梁6-1、第二方波支撐梁6-2、第三方波支撐梁6-3和第四方波支撐梁6-4的支撐下，以圓形質(zhì)量塊2的圓心為旋轉(zhuǎn)中心，在XOY平面上做往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，環(huán)形質(zhì)量塊3帶動(dòng)著圓形質(zhì)量塊2也在XOY平面上做往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為例，若此時(shí)有沿X軸正方向輸入的角速度，則根據(jù)哥氏力的右手判別定則，以第一扭力梁4-1和第二扭力梁4-2的軸線為界，對(duì)于圓形質(zhì)量塊2的左半圓，其受到向上的哥氏力作用，對(duì)于圓形質(zhì)量塊2的右半圓，其受到向下的哥氏力作用，則圓形質(zhì)量塊2將帶動(dòng)上層聚合物毛發(fā)1翻轉(zhuǎn)。

圓形質(zhì)量塊2與設(shè)置在其下方的第一半圓形金屬電極809b和第二半圓形金屬電極809c構(gòu)成兩個(gè)對(duì)稱的電容結(jié)構(gòu)，其中圓心質(zhì)量塊2作為這兩個(gè)電容的公共極板，當(dāng)進(jìn)行角速度檢測(cè)時(shí)，圓形質(zhì)量塊2產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，第一半圓形金屬電極809b和第二半圓形金屬電極809c與圓形質(zhì)量塊2所構(gòu)成的兩個(gè)電容的容值會(huì)跟隨翻轉(zhuǎn)的角度發(fā)生改變，檢測(cè)電路分別通過(guò)電極809a和電極810e及電極809d和電極810e來(lái)檢測(cè)兩個(gè)電容容值的變化，通過(guò)檢測(cè)容值的變化，可以得到偏轉(zhuǎn)的角度，進(jìn)一步可計(jì)算出輸入角速度的大小。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。