一種雙軸石英角速度傳感器芯片的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)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(dòng)梁、兩平行的Y軸檢測(cè)梁、Z軸檢測(cè)梁和連接梁，連接梁兩端與兩驅(qū)動(dòng)梁和兩Y軸檢測(cè)梁連接形成H形結(jié)構(gòu)，Z軸檢測(cè)梁一端與連接梁中部固接并與Y軸檢測(cè)梁位于同一側(cè)，Z軸檢測(cè)梁另一端與固定塊固接；兩驅(qū)動(dòng)梁的上下表面和左右側(cè)壁均覆蓋有激勵(lì)電極；兩Y軸檢測(cè)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(kāi)的兩部分構(gòu)成；Z軸檢測(cè)梁的上下表面和左右側(cè)壁均覆蓋有敏感電極。本實(shí)用新型為單片一體集成結(jié)構(gòu)，相對(duì)于兩個(gè)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(dòng)梁和檢測(cè)梁分開(kāi)設(shè)置，機(jī)械耦合小且靈敏度高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種雙軸石英角速度傳感器芯片

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及角速度檢測(cè)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(fèi)電子等多個(gè)領(lǐng)域。依據(jù)工作原理的不同，陀螺可分為機(jī)械陀螺、激光陀螺、光纖陀螺、靜電陀螺、半球諧振陀螺、微機(jī)械陀螺等，其中微機(jī)械陀螺為低精度陀螺，但由于采用MEMS(微電子機(jī)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(dú)特優(yōu)勢(shì)，特別適合于對(duì)精度要求不高但對(duì)價(jià)格、體積和功耗要求嚴(yán)格的領(lǐng)域。
[0003]微機(jī)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(lèi)，兩種基材的陀螺在國(guó)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(jī)械結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理均比較簡(jiǎn)單，該特點(diǎn)有利于提高微陀螺的性能。
[0004]石英晶體在Z軸方向沒(méi)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(jì)較為困難，國(guó)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(guò)兩個(gè)或三個(gè)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(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本實(shí)用新型的目的是提供一種利于微型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)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(dòng)梁、兩平行的Y軸檢測(cè)梁、一根Z軸檢測(cè)梁和連接梁，所述驅(qū)動(dòng)梁、Y軸檢測(cè)梁和Z軸檢測(cè)梁位于同一平面且其長(zhǎng)度方向均沿Y向設(shè)置，連接梁兩端與兩驅(qū)動(dòng)梁和兩Y軸檢測(cè)梁連接形成H形結(jié)構(gòu)，兩驅(qū)動(dòng)梁位于連接梁同一側(cè)，兩Y軸檢測(cè)梁位于連接梁另一側(cè)，Z軸檢測(cè)梁一端與連接梁中部固接并與Y軸檢測(cè)梁位于同一側(cè)，Z軸檢測(cè)梁另一端與固定塊固接；
[0008]兩驅(qū)動(dòng)梁的上下表面和左右側(cè)壁均覆蓋有激勵(lì)電極，同一驅(qū)動(dòng)梁的上下表面的激勵(lì)電極連接在一起用于與激勵(lì)電源的正極/負(fù)極連接，該同一驅(qū)動(dòng)梁的左右側(cè)壁的激勵(lì)電極連接在一起用于與激勵(lì)電源的負(fù)極/正極連接；兩驅(qū)動(dòng)梁上下表面激勵(lì)電極和左右側(cè)壁激勵(lì)電極與激勵(lì)電源的連接極性相反以使兩個(gè)驅(qū)動(dòng)梁沿X方向做彎曲反向振動(dòng)；
[0009]兩Y軸檢測(cè)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(kāi)的兩部分構(gòu)成，用于收集Y軸檢測(cè)模態(tài)下的Z向平面外振動(dòng)所引起的壓電電荷；
[0010]所述Z軸檢測(cè)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(cè)模態(tài)下的X向平面內(nèi)振動(dòng)所引起的壓電電荷。
[0011]所述驅(qū)動(dòng)梁、Y軸檢測(cè)梁、Z軸檢測(cè)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(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn):
[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(duì)于兩個(gè)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(dòng)梁和檢測(cè)梁分開(kāi)設(shè)置，機(jī)械耦合小且靈敏度高。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1-本實(shí)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(shí)用新型雙軸石英角速度傳感器芯片的驅(qū)動(dòng)模態(tài)示意圖；
[0020]圖6-本實(shí)用新型雙軸石英角速度傳感器芯片的Y軸檢測(cè)模態(tài)示意圖；
[0021]圖7-本實(shí)用新型雙軸石英角速度傳感器芯片的Z軸檢測(cè)模態(tài)示意圖。
[0022]其中:1-雙軸石英角速度傳感器；2_驅(qū)動(dòng)梁；3-Y軸檢測(cè)梁；4-Ζ軸檢測(cè)梁；5_連接梁；6-固定塊；7a?7d-驅(qū)動(dòng)梁激勵(lì)電極；8a?8d_Y軸檢測(cè)梁敏感電極；9a?9d_Z軸檢測(cè)梁敏感電極。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0024]如圖1所示，本實(shí)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(dòng)梁2、兩平行的Y軸檢測(cè)梁3、一根Z軸檢測(cè)梁4和連接梁5，所述驅(qū)動(dòng)梁2、Y軸檢測(cè)梁3和Z軸檢測(cè)梁4位于同一平面且其長(zhǎng)度方向均沿Y向設(shè)置，連接梁5兩端與兩驅(qū)動(dòng)梁2和兩Y軸檢測(cè)梁3連接形成H形結(jié)構(gòu)，兩驅(qū)動(dòng)梁2位于連接梁5同一側(cè)，兩Y軸檢測(cè)梁3位于連接梁5另一側(cè)。Z軸檢測(cè)梁4 一端與連接梁5中部固接并與Y軸檢測(cè)梁位于同一側(cè)，Z軸檢測(cè)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(jiàn)圖2，兩驅(qū)動(dòng)梁2的上下表面和左右側(cè)壁均覆蓋有激勵(lì)電極7a?7d，同一驅(qū)動(dòng)梁的上下表面的激勵(lì)電極7b、7c連接在一起用于與激勵(lì)電源的正極/負(fù)極連接，該同一驅(qū)動(dòng)梁的左右側(cè)壁的激勵(lì)電極7a、7d連接在一起用于與激勵(lì)電源的負(fù)極/正極連接。兩驅(qū)動(dòng)梁上下表面激勵(lì)電極和左右側(cè)壁激勵(lì)電極與激勵(lì)電源的連接極性相反以使兩個(gè)驅(qū)動(dòng)梁沿X方向做彎曲反向振動(dòng)。即如果左側(cè)驅(qū)動(dòng)梁的上下表面激勵(lì)電極與激勵(lì)電源的正極連接，那么左側(cè)驅(qū)動(dòng)梁的左右側(cè)壁激勵(lì)電極就與激勵(lì)電源的負(fù)極連接，此時(shí)右側(cè)驅(qū)動(dòng)梁的上下表面激勵(lì)電極與激勵(lì)電源的負(fù)極連接，右側(cè)驅(qū)動(dòng)梁的左右側(cè)壁激勵(lì)電極與激勵(lì)電源的正極連接?；蛘咦髠?cè)驅(qū)動(dòng)梁的上下表面激勵(lì)電極與激勵(lì)電源的負(fù)極連接，那么左側(cè)驅(qū)動(dòng)梁的左右側(cè)壁激勵(lì)電極就與激勵(lì)電源的正極連接，此時(shí)右側(cè)驅(qū)動(dòng)梁的上下表面激勵(lì)電極與激勵(lì)電源的正極連接，右側(cè)驅(qū)動(dòng)梁的左右側(cè)壁激勵(lì)電極與激勵(lì)電源的負(fù)極連接。
[0026]如圖3所示，兩Y軸檢測(cè)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(kāi)的兩部分構(gòu)成，用于收集Y軸檢測(cè)模態(tài)下的Z向平面外振動(dòng)所引起的壓電電荷。
[0027]如圖4所示，所述Z軸檢測(cè)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(cè)模態(tài)下的X向平面內(nèi)振動(dòng)所引起的壓電電荷。在用于電荷檢測(cè)輸出時(shí)，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(dòng)模態(tài)、Y軸檢測(cè)模態(tài)、Z軸檢測(cè)模態(tài)示意圖。如圖5所示，激勵(lì)電極7a?7d與外部激勵(lì)電源連接后在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)梁2內(nèi)部形成方向相反的激勵(lì)電場(chǎng)，由逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的作用力使得兩個(gè)驅(qū)動(dòng)梁2作X方向的左右彎曲振動(dòng)。
[0029]如圖6所示，有Y軸角速度輸入時(shí)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)梁2產(chǎn)生Z方向哥式力并激勵(lì)驅(qū)動(dòng)梁2作Z向平面外的振動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)Y軸檢測(cè)梁3的Z向平面外的振動(dòng)，該振動(dòng)所產(chǎn)生的形變由于壓電效應(yīng)在Y軸檢測(cè)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(guò)覆蓋于Y軸檢測(cè)梁3側(cè)壁的平行分開(kāi)的敏感電極8a?8d進(jìn)行收集，經(jīng)外部處理電路測(cè)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(shí)，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)梁2產(chǎn)生的Y方向哥式力激勵(lì)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)梁2作上下平面內(nèi)振動(dòng)，帶動(dòng)Z軸檢測(cè)梁作X方向左右彎曲振動(dòng)，該振動(dòng)所產(chǎn)生的形變由于壓電效應(yīng)在Z軸檢測(cè)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(guò)覆蓋于Z軸檢測(cè)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(cè)量后即可得出Z軸向的輸入角速度。
[0031]本實(shí)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(dòng)梁2、兩Y軸檢測(cè)梁3、Z軸檢測(cè)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(jiàn)，通過(guò)將驅(qū)動(dòng)梁等結(jié)構(gòu)一體化集成，當(dāng)兩個(gè)敏感軸向任一方向有角速度輸入時(shí)，會(huì)引起相應(yīng)檢測(cè)梁的彎曲振動(dòng)及表面壓電電荷，檢測(cè)梁上產(chǎn)生的電荷量與輸入角速度存在線性關(guān)系，通過(guò)測(cè)量表面電荷量即可得到輸入角速度值。相對(duì)于兩個(gè)單軸角速度傳感器組裝而成的雙軸產(chǎn)品，可以在同一個(gè)芯片上集成制作，無(wú)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(dòng)梁和其它兩個(gè)軸向的檢測(cè)梁分開(kāi)設(shè)置，機(jī)械耦合小且便于后序的參數(shù)調(diào)節(jié)；驅(qū)動(dòng)梁和檢測(cè)梁分開(kāi)設(shè)置后，激勵(lì)強(qiáng)度大，檢測(cè)靈敏度更高。
[0033]本實(shí)用新型的上述實(shí)施例僅僅是為說(shuō)明本實(shí)用新型所作的舉例，而并非是對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不同形式的變化和變動(dòng)。這里無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡是屬于本實(shí)用新型的技術(shù)方案所引申出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本實(shí)用新型的保護(hù)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(dòng)梁、兩平行的Y軸檢測(cè)梁、一根Z軸檢測(cè)梁和連接梁，所述驅(qū)動(dòng)梁、Y軸檢測(cè)梁和Z軸檢測(cè)梁位于同一平面且其長(zhǎng)度方向均沿Y向設(shè)置，連接梁兩端與兩驅(qū)動(dòng)梁和兩Y軸檢測(cè)梁連接形成H形結(jié)構(gòu)，兩驅(qū)動(dòng)梁位于連接梁同一側(cè)，兩Y軸檢測(cè)梁位于連接梁另一側(cè)，Z軸檢測(cè)梁一端與連接梁中部固接并與Y軸檢測(cè)梁位于同一側(cè)，Z軸檢測(cè)梁另一端與固定塊固接； 兩驅(qū)動(dòng)梁的上下表面和左右側(cè)壁均覆蓋有激勵(lì)電極，同一驅(qū)動(dòng)梁的上下表面的激勵(lì)電極連接在一起用于與激勵(lì)電源的正極/負(fù)極連接，該同一驅(qū)動(dòng)梁的左右側(cè)壁的激勵(lì)電極連接在一起用于與激勵(lì)電源的負(fù)極/正極連接；兩驅(qū)動(dòng)梁上下表面激勵(lì)電極和左右側(cè)壁激勵(lì)電極與激勵(lì)電源的連接極性相反以使兩個(gè)驅(qū)動(dòng)梁沿X方向做彎曲反向振動(dòng)； 兩Y軸檢測(cè)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(kāi)的兩部分構(gòu)成，用于收集Y軸檢測(cè)模態(tài)下的Z向平面外振動(dòng)所引起的壓電電荷； 所述Z軸檢測(cè)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(cè)模態(tài)下的X向平面內(nèi)振動(dòng)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(dòng)梁、Y軸檢測(cè)梁、Z軸檢測(cè)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(hào)】G01C19/5621GK203929075SQ201420386615
【公開(kāi)日】2014年11月5日 申請(qǐng)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(yùn), 蔣昭興, 滿欣, 趙建華 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所