專利名稱：一種用于測(cè)量角速度的全解耦電容式微機(jī)械陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于測(cè)量角速度的全解耦電容式微機(jī)械陀螺，屬于微機(jī)電系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱MEMS)中的慣性傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
陀螺主要利用哥氏效應(yīng)產(chǎn)生的哥氏力來測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)慣性空間的角運(yùn)動(dòng)參 數(shù)，在民用產(chǎn)品和國(guó)防產(chǎn)品領(lǐng)域可廣泛用于對(duì)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的測(cè)量及控制。傳統(tǒng)的陀螺受 體積、重量、功耗和成本等因素的限制，難以在民用領(lǐng)域推廣應(yīng)用。以集成電路(IC)工藝和 精密機(jī)械加工工藝為基礎(chǔ)制作的微機(jī)械陀螺具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等突出 優(yōu)點(diǎn)，因而可用于汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制系統(tǒng)、攝像機(jī)穩(wěn)定系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)機(jī)械控制、機(jī)器人測(cè)控、大 地測(cè)量、醫(yī)用儀器等廣泛的民用應(yīng)用領(lǐng)域。目前獲得廣泛應(yīng)用的振動(dòng)式微機(jī)械陀螺基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)微機(jī)械陀螺的 驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊3、驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng)電極5、驅(qū)動(dòng)彈性梁1、檢測(cè)質(zhì)量塊8、檢測(cè)彈性梁2、檢測(cè)電容可 動(dòng)電極6均被加工在同一硅片上，通過驅(qū)動(dòng)彈性梁1固定在玻璃襯底上的錨點(diǎn)9上。驅(qū)動(dòng) 電容的固定電極4和檢測(cè)電容的固定電極7也被固定在玻璃襯底上。χ方向?yàn)槲C(jī)械陀螺 的橫向驅(qū)動(dòng)軸，y方向?yàn)榭v向敏感軸。在驅(qū)動(dòng)電容的固定電極4上施加周期性變化的電壓， 可使微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊3在驅(qū)動(dòng)方向上產(chǎn)生周期性變化的靜電驅(qū)動(dòng)力，使驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊 3和檢測(cè)質(zhì)量塊8產(chǎn)生χ方向的振動(dòng)。當(dāng)ζ方向有敏感角速度輸人時(shí)，由于哥氏力的作用， 檢測(cè)質(zhì)量塊8沿y方向產(chǎn)生振動(dòng)，振幅的大小與靜電驅(qū)動(dòng)力以及ζ方向角速度大小成線性 關(guān)系。隨著檢測(cè)質(zhì)量塊8的振動(dòng)，檢測(cè)電容的可動(dòng)電極與固定電極之間的間距隨即發(fā)生變 化，使輸出差動(dòng)電容量改變，通過檢測(cè)差動(dòng)電容量的變化可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)幅度大小的檢測(cè)，通過 后級(jí)處理電路可獲得ζ軸角速度。上述的振動(dòng)式微機(jī)械陀螺工作時(shí)存在著嚴(yán)重的驅(qū)動(dòng)模態(tài)與檢測(cè)模態(tài)之間的機(jī)械 耦合問題，制約著微機(jī)械陀螺性能的進(jìn)一步提高。圖1所示的微機(jī)械陀螺在受到X方向靜 電力作用時(shí)，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊3帶動(dòng)檢測(cè)質(zhì)量塊8同時(shí)沿χ軸方向振動(dòng)，使檢測(cè)電容可動(dòng)電極與 固定電極的相對(duì)面積發(fā)生變化，導(dǎo)致檢測(cè)電容的差動(dòng)電容量也隨之發(fā)生變化，從而給y方 向振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)帶來嚴(yán)重的干擾，降低了振動(dòng)式微機(jī)械陀螺的性能，不易實(shí)現(xiàn)高精度的 角速度測(cè)量。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提出一種用于測(cè)量角速度的全解耦電容式微機(jī)械陀螺，設(shè)計(jì) 一種檢測(cè)電容與驅(qū)動(dòng)方向振動(dòng)無關(guān)的振動(dòng)式微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)，以完全消除驅(qū)動(dòng)模態(tài)與檢測(cè) 模態(tài)之間的機(jī)械耦合問題，有效抑制驅(qū)動(dòng)方向的機(jī)械振動(dòng)給檢測(cè)信號(hào)帶來的寄生干擾，提 高振動(dòng)式微機(jī)械陀螺的性能。本實(shí)用新型提出的用于測(cè)量角速度的全解耦電容式微機(jī)械陀螺，包括檢測(cè)質(zhì)量 塊、檢測(cè)彈性梁、檢測(cè)電容可動(dòng)電極、檢測(cè)電容固定電極、驅(qū)動(dòng)彈性梁、縱向隔離梁、橫向隔離梁、驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng)電極、驅(qū)動(dòng)電容固定電極和立柱；所述的立柱固定在微機(jī)械陀螺的基片 上；所述的驅(qū)動(dòng)彈性梁和檢測(cè)彈性梁圍成方框，驅(qū)動(dòng)彈性梁和檢測(cè)彈性梁分別通過立柱與 微機(jī)械陀螺的基片相對(duì)固定；所述的橫向隔離梁和縱向隔離梁圍成的方框位于上述由驅(qū)動(dòng) 彈性梁和檢測(cè)彈性梁圍成的方框中，所述的檢測(cè)質(zhì)量塊位于由橫向隔離梁和縱向隔離梁圍 成的方框中，檢測(cè)質(zhì)量塊的四角分別與橫向隔離梁和縱向隔離梁相連；所述的檢測(cè)電容可 動(dòng)電極和驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng)電極分別與檢測(cè)彈性梁和驅(qū)動(dòng)彈性梁相連；所述的檢測(cè)電容固定電 極和驅(qū)動(dòng)電容固定電極分別固定在微機(jī)械陀螺的基片上，且分別與檢測(cè)電容可動(dòng)電極和驅(qū) 動(dòng)電容可動(dòng)電極的位置相對(duì)；所述的橫向隔離梁與驅(qū)動(dòng)電容固定電極相對(duì)固定，所述的縱 向隔離梁與檢測(cè)電容可動(dòng)電極相對(duì)固定。本實(shí)用新型提出的用于測(cè)量角速度的全解耦電容式微機(jī)械陀螺，具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本實(shí)用新型的用于測(cè)量角速度的全解耦電容式微機(jī)械陀螺中，檢測(cè)電容可動(dòng)電 極在檢測(cè)折疊梁的約束下，只能進(jìn)行橫向運(yùn)動(dòng)；驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng)電極在驅(qū)動(dòng)折疊梁的約束下， 只能進(jìn)行縱向運(yùn)動(dòng)；敏感質(zhì)量塊進(jìn)行平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于縱向隔離梁和橫向隔離的作用，敏 感質(zhì)量塊的橫向運(yùn)動(dòng)只能引起檢測(cè)電容可動(dòng)電極的運(yùn)動(dòng)，敏感質(zhì)量塊的縱向運(yùn)動(dòng)只能引起 驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng)電極的運(yùn)動(dòng)，因此檢測(cè)電容可動(dòng)電極和驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng)電極的運(yùn)動(dòng)各自相互獨(dú) 立，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上完全解決了電容式微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)與檢測(cè)模態(tài)之間的機(jī)械交叉 耦合問題。2、本實(shí)用新型的電容式微機(jī)械陀螺只有一個(gè)質(zhì)量塊，在相同體積下具有較高的質(zhì) 量，易于實(shí)現(xiàn)高靈敏度角速度測(cè)量。3、本實(shí)用新型提出的電容式微機(jī)械陀螺，與傳統(tǒng)電容式微機(jī)械陀螺的加工方法完 全相同，不增加生產(chǎn)工藝難度和加工成本，易于批量生產(chǎn)。

圖1是已有的雙軸電容式微機(jī)械加速度計(jì)的平面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型提出的用于測(cè)量角速度的全解耦電容式微機(jī)械陀螺的平面結(jié) 構(gòu)示意圖。圖1和圖2中，1是驅(qū)動(dòng)彈性梁，2是檢測(cè)彈性梁，3是驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊，4是驅(qū)動(dòng)電容固 定電極，5是驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng)電極，6是檢測(cè)電容可動(dòng)電極，7是檢測(cè)電容固定電極，8是檢測(cè)質(zhì) 量塊，9是錨點(diǎn)，10是縱向隔離梁，11是立柱，12是橫向隔離梁。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提出的用于測(cè)量角速度的全解耦電容式微機(jī)械陀螺，其平面結(jié)構(gòu)示意 圖如圖2所示，包括檢測(cè)質(zhì)量塊8、檢測(cè)彈性梁2、檢測(cè)電容可動(dòng)電極6、檢測(cè)電容固定電極 7、驅(qū)動(dòng)彈性梁1、縱向隔離梁10、橫向隔離梁12、驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng)電極5、驅(qū)動(dòng)電容固定電極4 和立柱11。立柱11固定在微機(jī)械陀螺的基片(圖中未示出)上。驅(qū)動(dòng)彈性梁1和檢測(cè)彈 性2梁圍成方框，驅(qū)動(dòng)彈性梁1和檢測(cè)彈性梁2分別通過立柱11與微機(jī)械陀螺的基片相對(duì) 固定。橫向隔離梁12和縱向隔離梁10圍成的方框位于上述由驅(qū)動(dòng)彈性梁1和檢測(cè)彈性梁 2圍成的方框中。檢測(cè)質(zhì)量塊8位于由橫向隔離梁12和縱向隔離梁10圍成的方框中，檢測(cè) 質(zhì)量塊8的四角分別與橫向隔離梁12和縱向隔離梁10相連。檢測(cè)電容可動(dòng)電極6和驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng)電極5分別與檢測(cè)彈性梁2和驅(qū)動(dòng)彈性梁1相連。檢測(cè)電容固定電極7和驅(qū)動(dòng)電 容固定電極4分別固定在微機(jī)械陀螺的基片上，且分別與檢測(cè)電容可動(dòng)電極6和驅(qū)動(dòng)電容 可動(dòng)電極5的位置相對(duì)。橫向隔離梁12與驅(qū)動(dòng)電容固定電極4相對(duì)固定，所述的縱向隔離 梁10與檢測(cè)電容可動(dòng)電極6相對(duì)固定。本實(shí)用新型的用于測(cè)量角速度的全解耦電容式微機(jī)械陀螺中，敏感質(zhì)量塊、橫向 和縱向隔離梁、檢測(cè)電容可動(dòng)電極和驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng)電極等，均采用常規(guī)的體硅加工工藝，通 過掩膜、光刻和刻蝕等工藝，去除硅片上不需要的部分，最后得到完整的微結(jié)構(gòu)。微機(jī)械陀 螺中的基片可以采用玻璃襯底材料。本實(shí)用新型的用于測(cè)量角速度的全解耦電容式微機(jī)械陀螺中，檢測(cè)電容固定電極 7和驅(qū)動(dòng)電容固定電極4固定在玻璃襯底的基片上，檢測(cè)電容可動(dòng)電極6與檢測(cè)電容固定電 極7組成檢測(cè)電容，驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng)電極5與驅(qū)動(dòng)電容固定電極4組成驅(qū)動(dòng)電容。本實(shí)用新型的用于測(cè)量角速度的全解耦電容式微機(jī)械陀螺的工作原理是在驅(qū)動(dòng)電容固定電極4上施加周期性變化的電壓，使驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng)電極5在y方 向上產(chǎn)生周期性變化的靜電驅(qū)動(dòng)力。由于驅(qū)動(dòng)彈性梁1沿y軸方向的等效剛度很低，因此 驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng)電極5在驅(qū)動(dòng)彈性梁1的約束下，只能作y軸方向的振動(dòng)；由于橫向隔離梁12 沿y軸方向的等效剛度很大，因此驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng)電極5通過橫向隔離梁12可帶動(dòng)檢測(cè)質(zhì)量 塊8做相同的y向振動(dòng)。由于檢測(cè)折疊梁2沿y方向的剛度很大，縱向隔離梁10沿y軸方 向的等效剛度很低，因此檢測(cè)測(cè)質(zhì)量塊8的y向振動(dòng)無法傳遞到檢測(cè)電容可動(dòng)電極6，檢測(cè) 電容可動(dòng)電極6保持靜止不動(dòng)，完全消除了振動(dòng)模態(tài)對(duì)檢測(cè)模態(tài)的干擾影響。當(dāng)在z軸方向有角速度輸入時(shí)，檢測(cè)質(zhì)量塊8受到沿x軸方向的哥氏力作用，迫使 檢測(cè)質(zhì)量塊8沿x軸方向左右振動(dòng)，振幅的大小與靜電驅(qū)動(dòng)力以及z方向角速度大小成線 性關(guān)系。由于縱向隔離梁10沿x軸方向的等效剛度很大，因此檢測(cè)質(zhì)量塊8通過縱向隔離 梁10可帶動(dòng)檢測(cè)電容可動(dòng)電極6做相同的x向振動(dòng)。由于橫向隔離梁12沿x軸方向的等 效剛度很低，驅(qū)動(dòng)彈性梁1沿x軸方向的等效剛度很高，因此檢測(cè)質(zhì)量塊8的x向振動(dòng)無法 傳遞到驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng)電極5上，完全消除了檢測(cè)模態(tài)對(duì)振動(dòng)模態(tài)的干擾影響。通過檢測(cè)可動(dòng)電極6與固定電極7的差動(dòng)電容量變化，可實(shí)現(xiàn)z軸角速度的檢測(cè)。綜上所述，本實(shí)用新型在設(shè)計(jì)上對(duì)振動(dòng)式微機(jī)械陀螺進(jìn)行了創(chuàng)新，在驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊 和檢測(cè)質(zhì)量塊合二為一的情況下，可保證驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng)電極的y方向運(yùn)動(dòng)只傳遞到檢測(cè)質(zhì) 量塊上，而檢測(cè)質(zhì)量塊的x方向的運(yùn)動(dòng)只傳遞到驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng)電極上，因此驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng) 電極的運(yùn)動(dòng)與檢測(cè)電容可動(dòng)電極的運(yùn)動(dòng)互不相關(guān)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上完全消除了機(jī)械耦合帶來 的測(cè)量干擾，提高了微機(jī)械陀螺靈敏度。本實(shí)用新型與傳統(tǒng)微機(jī)械陀螺的加工方法完全相 同，不增加工藝難度和加工成本，易于批量生產(chǎn)。
權(quán)利要求一種用于測(cè)量角速度的全解耦電容式微機(jī)械陀螺，其特征在于，該微機(jī)械陀螺包括檢測(cè)質(zhì)量塊、檢測(cè)彈性梁、檢測(cè)電容可動(dòng)電極、檢測(cè)電容固定電極、驅(qū)動(dòng)彈性梁、縱向隔離梁、橫向隔離梁、驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng)電極、驅(qū)動(dòng)電容固定電極和立柱；所述的立柱固定在微機(jī)械陀螺的基片上；所述的驅(qū)動(dòng)彈性梁和檢測(cè)彈性梁圍成方框，驅(qū)動(dòng)彈性梁和檢測(cè)彈性梁分別通過立柱與微機(jī)械陀螺的基片相對(duì)固定；所述的橫向隔離梁和縱向隔離梁圍成的方框位于上述由驅(qū)動(dòng)彈性梁和檢測(cè)彈性梁圍成的方框中，所述的檢測(cè)質(zhì)量塊位于由橫向隔離梁和縱向隔離梁圍成的方框中，檢測(cè)質(zhì)量塊的四角分別與橫向隔離梁和縱向隔離梁相連；所述的檢測(cè)電容可動(dòng)電極和驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng)電極分別與檢測(cè)彈性梁和驅(qū)動(dòng)彈性梁相連；所述的檢測(cè)電容固定電極和驅(qū)動(dòng)電容固定電極分別固定在微機(jī)械陀螺的基片上，且分別與檢測(cè)電容可動(dòng)電極和驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng)電極的位置相對(duì)；所述的橫向隔離梁與驅(qū)動(dòng)電容固定電極相對(duì)固定，所述的縱向隔離梁與檢測(cè)電容可動(dòng)電極相對(duì)固定。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用于測(cè)量角速度的全解耦電容式微機(jī)械陀螺，屬于微機(jī)電系統(tǒng)中的慣性傳感器技術(shù)領(lǐng)域。立柱固定在基片上，驅(qū)動(dòng)彈性梁和檢測(cè)彈性梁圍成方框，且分別通過立柱與基片相對(duì)固定。橫向隔離梁和縱向隔離梁圍成的方框位于上述方框中。檢測(cè)質(zhì)量塊位于由橫向隔離梁和縱向隔離梁圍成的方框中，其四角分別與之相連。檢測(cè)電容可動(dòng)電極和驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng)電極分別與檢測(cè)彈性梁和驅(qū)動(dòng)彈性梁相連。檢測(cè)電容固定電極和驅(qū)動(dòng)電容固定電極分別固定在基片上，且分別與檢測(cè)電容可動(dòng)電極和驅(qū)動(dòng)電容可動(dòng)電極的位置相對(duì)。本實(shí)用新型從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上消除了機(jī)械耦合帶來的測(cè)量干擾，提高了微機(jī)械陀螺的靈敏度，且不增加生產(chǎn)的工藝難度和加工成本，易于批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)G01P3/46GK201561983SQ20092027826
公開日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2009年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月25日
發(fā)明者王慶, 高宏 申請(qǐng)人:紫光股份有限公司