專利名稱：一種音叉式微機械陀螺及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種音叉式微機械陀螺及其制作方法，更確切地說涉及一種器件尺寸在毫米量級的、用變面積電容實現(xiàn)驅(qū)動和檢測的音叉式微機械陀螺及制作方法，屬于微電子機械系統(tǒng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
利用微機械技術(shù)制造而成的硅微機械陀螺和傳統(tǒng)的陀螺相比，具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高、批量生產(chǎn)及易與電子線路集成等優(yōu)點，可廣泛應用在航空、航天、武器、汽車、醫(yī)學等許多領(lǐng)域，具有巨大的市場潛力，目前已成為慣性陀螺發(fā)展的一個重要方向。現(xiàn)在國際上各種結(jié)構(gòu)的硅微機械陀螺層出不窮，它們的共同特點是有互相垂直的兩個振動方向，即振動激勵方向和科氏力引起的敏感振動方向。
微機械陀螺通常采用的驅(qū)動方式有靜電驅(qū)動和電磁驅(qū)動方式。靜電驅(qū)動方式通常是利用兩組電極之間的靜電吸引力來實現(xiàn)。而電磁驅(qū)動方式主要是利用洛侖茲力來實現(xiàn)，驅(qū)動振幅較大，但是要采用較大的驅(qū)動電流，大的功耗容易引起器件發(fā)熱，從而影響性能；另外制作工藝比較復雜，要制作絕緣層。陀螺的檢測方式主要有壓阻檢測和電容檢測，而壓阻檢測有較大的溫度系數(shù)，從而性能較差。其中靜電驅(qū)動、電容檢測的硅微機械陀螺由于制作工藝容易實現(xiàn)，溫度系數(shù)小等特點而被廣泛采用。微機械陀螺的檢測方式一般采用叉指狀電容檢測，通過叉指狀電極間的距離變化來檢測角速度信號，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，但是叉指電容的叉指電極間存在著很大的壓膜阻尼，使其品質(zhì)因子(Q值)很低(只有10-20)，這限制了微機械陀螺靈敏度的提高，一般需要在真空狀態(tài)下工作，增加了封裝的難度及成本。
我們曾提出的具有條形電極結(jié)構(gòu)的微機械陀螺(實用新型專利，ZL99239775.8)有效解決了系統(tǒng)中壓膜阻尼的問題，該陀螺雖然可以實現(xiàn)大氣下封裝，但容易受到旁軸加速度信號的干擾，并且采用同一個質(zhì)量塊既作為驅(qū)動質(zhì)量塊，又作為檢測質(zhì)量塊，容易引起機械耦合，降低分辨率。本發(fā)明欲提出改進成一種音叉式微機械陀螺，驅(qū)動質(zhì)量塊和檢測質(zhì)量塊分開，減少了機械耦合，在驅(qū)動方向和檢測方向都具有較高的Q值(大于1000)，能在大氣下工作，可以從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)對旁軸加速度信號干擾的抑制，從而引出了本發(fā)明的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種音叉式微機械陀螺及其制作方法，是一種具有制作工藝簡單、靈敏度高的微機械陀螺。
本發(fā)明提供的微機械陀螺特征在于由第一基板及其上的四組驅(qū)動用條形固定對電極和兩組檢測用條形固定對電極、固定在第一基板上的中間錨點和兩側(cè)錨點、懸在第一基板上方的第二基板組成；第二基板主要包括懸在第一基板上方的可沿驅(qū)動方向振動的兩個結(jié)構(gòu)相同且對稱的驅(qū)動質(zhì)量塊、中間錨點與驅(qū)動質(zhì)量塊相連接的第一彈性梁、兩側(cè)錨點與驅(qū)動質(zhì)量塊相連接的第二彈性梁、連接兩個驅(qū)動質(zhì)量塊的耦合彈性梁、懸在第一基板上方的可沿垂直于驅(qū)動方向的檢測方向振動的兩個檢測質(zhì)量塊、檢測質(zhì)量塊與驅(qū)動質(zhì)量塊之間的連接彈性梁組成。
所述的每一個驅(qū)動質(zhì)量塊均通過四個彈性梁與第一基板錨接在一起，每一個檢測質(zhì)量塊均通過四個彈性梁與驅(qū)動質(zhì)量塊連接。
所述的驅(qū)動質(zhì)量塊由可動條形驅(qū)動電極和連接可動條形驅(qū)動電極的邊框組成。
所述的檢測質(zhì)量塊由可動條形檢測電極和連接可動條形檢測電極的邊框組成。
所述的可動條形驅(qū)動電極和第一基板上的驅(qū)動用條形固定對電極之間的間隙，與可動條形檢測電極和第一基板上的檢測用條形固定對電極之間的間隙相同，都不小于1微米。
所述的第一基板上的兩組檢測用條形固定對電極分別在前兩組驅(qū)動用條形固定對電極之間和后兩組驅(qū)動用條形固定對電極之間。
所述的可動條形驅(qū)動電極的各條形電極位于每組驅(qū)動用固定對電極對應條形電極對的正上方，可動條形檢測電極的各條形電極位于每組檢測用固定對電極對應條形電極對的正上方。
所述的驅(qū)動質(zhì)量塊與第一基板之間，檢測質(zhì)量塊和第一基板之間均為滑膜阻尼；驅(qū)動質(zhì)量塊和檢測質(zhì)量塊分開，采用變面積電容實現(xiàn)驅(qū)動和檢測。
本發(fā)明的目的是采用微電子機械系統(tǒng)技術(shù)制作的，具體步驟是(1)用絕緣材料玻璃基板作為第一基板，但并不局限于玻璃基板，也可以選用表面有熱氧化層的硅片基板。在第一基板的上表面通過蒸發(fā)或濺射形成鋁材料的四組驅(qū)動用條形固定對電極，兩組檢測用條形固定對電極；(2)選用導電材料硅片，作為第二基板。利用堿性水溶液在硅片的下表面腐蝕形成間隙；(3)所述第一基板的上表面與所述第二基板的下表面相向鍵合；
(4)刻蝕第二基板，形成懸在第一基板上方的可沿驅(qū)動方向振動的兩個結(jié)構(gòu)相同且對稱的驅(qū)動質(zhì)量塊、懸在第一基板上方的可沿垂直于驅(qū)動方向的檢測方向振動的兩個檢測質(zhì)量塊、固定在第一基板上的中間錨點和兩側(cè)錨點、中間錨點與驅(qū)動質(zhì)量塊相連接的第一彈性梁、兩側(cè)錨點與驅(qū)動質(zhì)量塊相連接的第二彈性梁、連接兩個驅(qū)動質(zhì)量塊的耦合彈性梁、檢測質(zhì)量塊與驅(qū)動質(zhì)量塊之間的連接彈性梁。
綜上所述，根據(jù)本發(fā)明可以實現(xiàn)由第一基板及其上的四組驅(qū)動用條形固定對電極和兩組檢測用條形固定對電極、固定在第一基板上的中間錨點和兩側(cè)錨點、懸在第一基板上方的第二基板組成的微機械陀螺；第二基板主要包括懸在第一基板上方的可沿驅(qū)動方向振動的兩個結(jié)構(gòu)相同且對稱的驅(qū)動質(zhì)量塊、中間錨點與驅(qū)動質(zhì)量塊相連接的第一彈性梁、兩側(cè)錨點與驅(qū)動質(zhì)量塊相連接的第二彈性梁、連接兩個驅(qū)動質(zhì)量塊的耦合彈性梁、懸在第一基板上方的可沿垂直于驅(qū)動方向的檢測方向振動的兩個檢測質(zhì)量塊、檢測質(zhì)量塊與驅(qū)動質(zhì)量塊之間的連接彈性梁。
本發(fā)明提供的音叉式結(jié)構(gòu)的微機械陀螺是用變面積電容實現(xiàn)驅(qū)動和檢測的，具有兩個檢測質(zhì)量塊，從而可以消除檢測方向上的外界加速度信號引起的干擾，提高了系統(tǒng)的抗干擾性，而角速度信號是差模信號，靈敏度提高一倍。驅(qū)動質(zhì)量塊和檢測質(zhì)量塊分開，有利于減小驅(qū)動模態(tài)和敏感模態(tài)之間的耦合，提高了分辨率。本發(fā)明利用變面積電容來實現(xiàn)對可動質(zhì)量塊的驅(qū)動和對角速度信號的檢測，使驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)的阻尼均為滑膜阻尼，遠小于壓膜阻尼，大大提高了驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)的品質(zhì)因子，從而可以有效地提高器件的靈敏度。在驅(qū)動用條形固定對電極中施加一定頻率的交直流電壓，可動條形驅(qū)動電極的各條形電極與其正下方的驅(qū)動用條形固定對電極之間產(chǎn)生交變的靜電驅(qū)動力，在該靜電力的作用下驅(qū)動兩個結(jié)構(gòu)相同且對稱的驅(qū)動質(zhì)量塊作反相諧振運動，當沿垂直于器件平面方向有外部角速度時，兩個檢測質(zhì)量塊受Coriolis(互補)加速度作用沿垂直于驅(qū)動方向的檢測方向作反相運動。當可動條形檢測電極有位移時，可動條形檢測電極與其正下方的檢測用固定對電極構(gòu)成的差分檢測電容重疊面積發(fā)生變化，從而引起檢測電容發(fā)生變化。差分檢測電容變化與外界角速度成比例關(guān)系，因此通過測量差分檢測電容變化，就可以得到外界角速度的大小。本發(fā)明陀螺結(jié)構(gòu)新穎，制作工藝簡單，有利于降低成本和提高成品率，靈敏度高，是一種可以實際應用的微機械陀螺。
下面通過


和實施例進一步闡明本發(fā)明實質(zhì)性特點和顯著進步，但本發(fā)明決非僅限于所介紹的實施例。

圖1是第一基板上驅(qū)動和檢測用條形固定對電極示意圖。
圖2是微機械陀螺結(jié)構(gòu)的俯視圖。
圖3是微機械陀螺制作工藝流程圖。
圖中(a)第一基板上表面形成四組驅(qū)動和扦測用條形固定對電極及引線示意圖(b)第二基板上腐蝕形成的間隙示意圖(c)第一基板上表面與第二基板下表面相向鍵合示意圖(d)鍵合后在第二基板上完成整個微機械制作示意圖具體實施方式
以下實施例闡述本發(fā)明涉及的音叉式微機械陀螺及其制作方法的實質(zhì)性的特點和顯著進步，但本發(fā)明決非僅局限于介紹的實施例。
本發(fā)明的實施例涉及一種微機械陀螺，結(jié)合附圖1及圖2進行說明。如圖1所示，第一基板1上形成有四組驅(qū)動用條形固定對電極1a、1b，驅(qū)動固定電極引線3a、3b，兩組檢測用條形固定對電極2a、2b，檢測固定電極引線4a、4b，中間錨點電極引線14，兩側(cè)錨點電極引線13，并且兩組檢測用條形固定對電極2a、2b分別在前兩組驅(qū)動用條形固定對電極1a、1b之間及后兩組驅(qū)動用條形固定對電極1a、1b之間。如圖2所示，與第二基板12相連的中間錨點4和兩側(cè)錨點5固定在第一基板1上，懸在第一基板1上方的第二基板12由結(jié)構(gòu)相同且對稱的兩個驅(qū)動質(zhì)量塊2、兩個驅(qū)動質(zhì)量塊之間的耦合彈性梁3、驅(qū)動質(zhì)量塊2與中間錨點4之間的第一彈性梁6、驅(qū)動質(zhì)量塊2與兩側(cè)錨點5之間的第二彈性梁7、懸在第一基板1上方的兩個檢測質(zhì)量塊8、檢測質(zhì)量塊8與驅(qū)動質(zhì)量塊2之間的連接彈性梁9構(gòu)成。驅(qū)動質(zhì)量塊2包括可動條形驅(qū)動電極10，檢測質(zhì)量塊8包括可動條形檢測電極11?？蓜訔l形驅(qū)動電極10的各條形電極位于每組驅(qū)動用固定對電極1a、1b對應條形電極對的正上方?？蓜訔l形檢測電極11的各條形電極位于每組檢測用固定對電極2a、2b對應條形電極對的正上方?？蓜訔l形驅(qū)動電極10和第一基板1上的驅(qū)動用固定對電極1a、1b之間的間隙，與可動條形檢測電極11和第一基板1上的檢測用固定對電極2a、2b之間的間隙相同，都不小于1微米。
本實施例涉及的微機械陀螺的制作方法，參考圖3所示的工藝流程圖進行說明，主要包括以下工藝步驟(a)選用絕緣材料玻璃基板作為第一基板1，但并不局限于玻璃基板，也可以選用表面有熱氧化層的硅片基板。在第一基板1的上表面通過蒸發(fā)或濺射形成鋁材料的四組驅(qū)動用條形固定對電極1a、1b，兩組檢測用條形固定對電極2a、2b。(圖3(a))
(b)選用導電材料硅片，作為第二基板12。利用堿性水溶液在硅片12的下表面腐蝕形成間隙。(圖3(b))(c)將第一基板1的上表面與第二基板12的下表面相向鍵合；(圖3(c))(d)利用硅深刻蝕技術(shù)(DRIE)刻蝕第二基板12，形成懸在第一基板1上方的結(jié)構(gòu)相同且對稱的兩個驅(qū)動質(zhì)量塊2、兩個驅(qū)動質(zhì)量塊之間的耦合彈性梁3、固定在第一基板上的中間錨點4和兩側(cè)錨點5、驅(qū)動質(zhì)量塊2與中間錨點4之間的第一彈性梁6、驅(qū)動質(zhì)量塊2與兩側(cè)錨點5之間的第二彈性梁7、懸在第一基板1上方的兩個檢測質(zhì)量塊8、檢測質(zhì)量塊8與驅(qū)動質(zhì)量塊2之間的連接彈性梁9。
由以上工藝步驟，制作出本發(fā)明涉及的微機械陀螺。結(jié)合圖1和圖2對傳感器工作原理進行說明。在驅(qū)動固定電極引線3a、3b中施加一定頻率的交直流電壓，可動條形驅(qū)動電極10的各條形電極與其正下方的驅(qū)動用條形固定對電極1a、1b之間產(chǎn)生交變的靜電驅(qū)動力，在該靜電力的作用下驅(qū)動兩個結(jié)構(gòu)相同且對稱的驅(qū)動質(zhì)量塊2沿箭頭方向(X軸方向)作反相諧振運動，當沿垂直于器件平面方向有外部角速度時，在Y軸方向產(chǎn)生Coriolis加速度。兩個檢測質(zhì)量塊8受Coriolis加速度作用沿箭頭方向(Y軸方向)作反相運動?？蓜訔l形檢測電極11的任一條形電極與正下方對應的一對檢測用條形固定對電極2a、2b構(gòu)成檢測電容C1、C2，當可動條形檢測電極11有位移時，可動條形檢測電極11與其正下方對應的檢測用條形固定對電極2a、2b之間的重疊面積發(fā)生變化，從而引起檢測電容C1、C2變化。差分檢測電容變化(C1-C2)與外界角速度成比例關(guān)系，因此通過測量差分檢測電容變化(C1-C2)，就可以得到外界角速度的大小。總的電容變化可以通過中間錨點電極引線14或兩側(cè)錨點電極引線13與檢測固定電極引線4a、4b之間的電容變化來獲得。由于本陀螺采用音叉式結(jié)構(gòu)，具有兩個檢測質(zhì)量塊，從而可以消除檢測方向上的外界加速度信號引起的干擾，提高了系統(tǒng)的抗干擾性，而角速度信號是差模信號，靈敏度可以提高一倍。
如上所述，在驅(qū)動質(zhì)量塊2與第一基板1之間、檢測質(zhì)量塊8和第一基板1之間起主要作用的阻尼是滑膜阻尼，而滑膜阻尼比壓膜阻尼要小很多，從而可以使驅(qū)動方向和檢測方向的品質(zhì)因子(Q值)可以大幅度提高(大于1000)，檢測靈敏度也相應地大幅度提高，從而避免了真空封裝；同時本發(fā)明采用微電子機械系統(tǒng)技術(shù)工藝制作，工藝簡單，有利于提高成品率和降低制造成本。
當驅(qū)動質(zhì)量塊長度3490微米，寬度5700微米，5對驅(qū)動條形電極寬80微米，間距80微米。檢測質(zhì)量塊長度1850微米，寬度4700微米，50對檢測條形電極寬20微米，間距20微米。10對驅(qū)動固定電極寬度64微米，間距為16微米。100對檢測固定電極寬度16微米，間距4微米。驅(qū)動折疊梁及中間連接折疊梁長1500微米，寬40微米，檢測折疊梁長650微米，寬16微米，結(jié)構(gòu)厚度300微米。該陀螺設計驅(qū)動模態(tài)頻率和檢測模態(tài)頻率分別為3106Hz，3175Hz，驅(qū)動和檢測模態(tài)的Q值分別可以達到1721和1450。驅(qū)動電壓10V直流，5V交流，以驅(qū)動模態(tài)頻率驅(qū)動，輸入角速度為1°/s時，檢測電容變化量約為400aF。電路的最小分辨率可以達到20aF，器件的最小分辨率可以達到0.05°/s。
權(quán)利要求
1.一種音叉式微機械陀螺，其特征在于(A)它是由第一基板(1)及其上的四組驅(qū)動用條形固定對電極(1a、1b)和兩組檢測用條形固定對電極(2a、2b)、固定在第一基板上的中間錨點(4)和兩側(cè)錨點(5)、懸在第一基板(1)上方的第二基板(12)組成；(B)第二基板主要包括可沿驅(qū)動方向振動的兩個結(jié)構(gòu)相同且對稱的兩個驅(qū)動質(zhì)量塊(2)、中間錨點(4)與驅(qū)動質(zhì)量塊相連接的第一彈性梁(6)、兩側(cè)錨點(4)與驅(qū)動質(zhì)量塊(2)相連接的第二彈性梁(7)、連接兩個驅(qū)動質(zhì)量塊的耦合彈性梁(3)、可沿垂直于驅(qū)動方向的檢測方向振動的兩個檢測質(zhì)量塊(8)、檢測質(zhì)量塊(8)與驅(qū)動質(zhì)量塊(2)之間的連接彈性梁(9)組成；(C)第一基板上的兩組檢測用條形固定對電極(2a、2b)分別在前兩組驅(qū)動用條形固定對電極(1a、1b)之間和后兩組驅(qū)動用條形固定對電極(1a、1b)之間；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音叉式微機械陀螺，其特征在于每一個驅(qū)動質(zhì)量塊(2)通過四個彈性梁(9)與第一基板(1)錨接在一起，每一個檢測質(zhì)量塊均通過四個彈性梁(9)與驅(qū)動質(zhì)量塊(2)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音叉式微機械陀螺，其特征在于所述驅(qū)動質(zhì)量塊(2)是由可動條形驅(qū)動電極和連接可動條形驅(qū)動電極的邊框組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音叉式微機械陀螺，其特征在于所述檢測質(zhì)量塊由可動條形檢測電極和連接可動條形檢測電極的邊框組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音叉式微機械陀螺，其特征在于可動條形驅(qū)動電極和第一基板上的驅(qū)動用條形固定對電極之間的間隙，與可動條形檢測電極和第一基板上的檢測用條形固定對電極之間的間隙相同，均不小于1微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的音叉式微機械陀螺，其特征在于可動條形驅(qū)動電極(10)的各條形電極位于每組驅(qū)動用固定對電極(1a、1b)對應條形電極對的正上方，可動條形檢測電極(11)的各條形電極位于每組檢測用固定對電極(2a、2b)對應條形電極對的正上方。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的音叉式微機械陀螺的制作方法，其特征在于驅(qū)動質(zhì)量塊(2)與第一基板(1)之間、檢測質(zhì)量塊(8)和第一基板(1)之間為滑膜阻尼；驅(qū)動質(zhì)量塊和檢測質(zhì)量塊分開，采用變面積電容實現(xiàn)驅(qū)動和扦測。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5或6所述的音叉式微機械陀螺的制作方法，其特征在于包括以下步驟a)在第一基板的上表面通過蒸發(fā)或濺射鋁形成所述的四組驅(qū)動用條形固定對電極(1a、1b)和兩組檢測用條形固定對電極(2a、2b)；b)利用堿性水溶液在第二基板的下表面形成間隙；c)將所述第一基板(1)的上表面與第二基板(12)的下表面相向鍵合；d)利用硅深刻蝕技術(shù)刻蝕第二基板(12)，形成懸在第一基板(1)上方的可沿驅(qū)動方向振動的兩個結(jié)構(gòu)相同且對稱的驅(qū)動質(zhì)量塊(2)、懸在第一基板上方的可沿垂直于驅(qū)動方向的檢測方向振動的兩個檢測質(zhì)量塊(8)、固定在第一基板上的中間錨點(4)和兩側(cè)錨點(5)、中間錨點與驅(qū)動質(zhì)量塊相連接的第一彈性梁、兩側(cè)錨點與驅(qū)動質(zhì)量塊相連接的第二彈性梁、連接兩個驅(qū)動質(zhì)量塊的耦合彈性梁、檢測質(zhì)量塊與驅(qū)動質(zhì)量塊之間的連接彈性梁。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的音叉式微機械陀螺的制作方法，其特征在于作為第一基板(1)或為絕緣玻璃基板，或表面有熱氧化層的硅片基板；作為第二基板(12)是導電硅片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種音叉式微機械陀螺及其制作方法。微機械陀螺主它是由第一基板及其上的四組驅(qū)動用條形固定對電極和兩組檢測用條形固定對電極、固定在第一基板上的中間錨點和兩側(cè)錨點、懸在第一基板上方的第二基板組成；第二基板包括可沿驅(qū)動方向振動的兩個結(jié)構(gòu)相同且對稱的驅(qū)動質(zhì)量塊、中間錨點與驅(qū)動質(zhì)量塊相連接的第一彈性梁、兩側(cè)錨點與驅(qū)動質(zhì)量塊相連接的第二彈性梁、連接兩個驅(qū)動質(zhì)量塊的耦合彈性梁、可沿垂直于驅(qū)動方向的檢測方向振動的兩個檢測質(zhì)量塊、檢測質(zhì)量塊與驅(qū)動質(zhì)量塊之間的連接彈性梁組成。本陀螺采用微電子機械系統(tǒng)技術(shù)制作，采用變面積電容實現(xiàn)驅(qū)動和檢測，驅(qū)動和檢測方向均具有滑膜阻尼，靈敏度較高，是一種實用的微機械陀螺。
文檔編號G01C19/5621GK1559882SQ200410016930
公開日2005年1月5日 申請日期2004年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月12日
發(fā)明者車錄鋒, 熊斌, 王躍林 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所, 中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究