專利名稱：具有較高靈敏度和帶寬的差分式微機械陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機械技術(shù)領(lǐng)域中的微機械陀螺，特別涉及具有較高靈敏度和帶寬的差分式微機械陀螺。
背景技術(shù)：
微機械電子系統(tǒng)(MEMS)是利用微加工技術(shù)將電子器件和機械裝置集成在同一塊硅片上，同時使其具有特定功能的系統(tǒng)。其中電子器件是利用集成電路加工技術(shù)制造的，而機械裝置是利用與集成電路加工技術(shù)兼容的微機械制造工藝加工而成的。因此使得使用標(biāo)準(zhǔn)工藝在單芯片上實現(xiàn)整個系統(tǒng)集成成為可能。
MEMS最廣泛的應(yīng)用就是設(shè)計和制造微型傳感器。使用傳感器的機電部分產(chǎn)生敏感信息，而電子部分則對機電部分產(chǎn)生的信息進行處理。MEMS陀螺就是用于測量角速度的MEMS傳感器。
在MEMS陀螺儀中，振動式硅微機械陀螺儀是最常見的一種。這種陀螺利用哥式效應(yīng)檢測角速度的大小。其基本工作原理如下所述首先使檢測質(zhì)量塊沿驅(qū)動方向作線振動或者角振動，進入驅(qū)動模態(tài)；當(dāng)沿敏感軸方向有角速度輸入時，在檢測軸方向就會出現(xiàn)哥式力，迫使檢測質(zhì)量塊沿檢測方向有位移產(chǎn)生。輸入角速度和哥式力的大小成正比關(guān)系，因此通過檢測哥式力引起的位移變化量就可以直接得到輸入角速度的信息。
目前，已有多種振動式微機械陀螺的結(jié)構(gòu)，其中差分結(jié)構(gòu)設(shè)計的也很多，如《傳感技術(shù)(Journal of Transducer Technology)1998年第17卷第1期》“硅微機械音叉陀螺檢測靈敏度與固有頻率的關(guān)系”，該文設(shè)計的微機械陀螺其檢測模態(tài)的設(shè)計只能滿足高靈敏度的要求，無法保證陀螺具有較高帶寬。還有專利號為US6837108B公開的美國專利“一種大動態(tài)范圍的微機械陀螺儀”(Increasing the dynamic range of a MEMS gyroscope)中所述，雖然該微機械陀螺有較大動態(tài)測試范圍以及靈敏度，但是仍然無法保證其具有較高帶寬。由此可以看到，現(xiàn)有設(shè)計的大多數(shù)微機械陀螺結(jié)構(gòu)都能滿足較高靈敏度的要求，而還無法同時滿足既有較高靈敏度又有較高帶寬的要求。
微機械陀螺的靈敏度和帶寬是其重要性能參數(shù)，陀螺的靈敏度和帶寬是一對矛盾體，即陀螺要想獲得較高靈敏度就必須減小其帶寬，而如果提高陀螺帶寬其靈敏度就會大大降低。目前大多數(shù)微機械陀螺結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用以下兩種方法(1)頻率精確匹配法(EFM)即驅(qū)動頻率和檢測頻率完全相同，使用這種方法可以保證陀螺具有較高靈敏度和信噪比，但是陀螺帶寬就非常窄；(2)頻率近似匹配法(NFM)，即陀螺的驅(qū)動頻率和感應(yīng)頻率之間存在一定頻率差，通過這樣的設(shè)計方法可以明顯提高陀螺的帶寬，但是陀螺靈敏度又大大下降了。因此，采用現(xiàn)有的陀螺結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法都無法同時滿足較高的靈敏度和帶寬要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明對現(xiàn)有微機械陀螺技術(shù)進行系統(tǒng)的分析，其目的是設(shè)計同時具有較高靈敏度和帶寬的差分式微機械陀螺。
本發(fā)明設(shè)計的具有較高靈敏度和帶寬的差分式微機械陀螺，以Si為襯底、襯底上有以多晶硅或單晶硅為材料的微機械結(jié)構(gòu)；其特點有a、在結(jié)構(gòu)中含有驅(qū)動電極、驅(qū)動檢測電極和檢測電極、帶驅(qū)動梳齒的驅(qū)動框架、用于連接驅(qū)動框架的柔性桿、驅(qū)動框架內(nèi)帶檢測梳齒的檢測框架、及將檢測框架與驅(qū)動框架相連的柔性桿，整個結(jié)構(gòu)由柔性桿支撐并懸浮于襯底上方；b、沿驅(qū)動軸方向具有較小剛度系數(shù)的柔性桿將兩個對稱分布的驅(qū)動框架連接起來，同時其它柔性桿通過錨點將驅(qū)動框架支撐并懸浮在襯底上；在驅(qū)動力作用下驅(qū)動框架以相同的頻率相向運動；c、兩個檢測框架分別被柔性桿固定連接在兩個驅(qū)動框架內(nèi)，并且每個檢測框架具有各自的檢測頻率；d、驅(qū)動框架左、右兩側(cè)有驅(qū)動檢測電極，用于拾取陀螺在驅(qū)動方向上電容的變化；e、驅(qū)動框架上、下兩側(cè)有驅(qū)動電極，作用在驅(qū)動電極上的電壓產(chǎn)生陀螺的靜電驅(qū)動力；f、檢測框架內(nèi)有固定檢測電極，用于拾取陀螺在檢測方向上電容的變化，用于檢測陀螺所受哥式力的大小，驅(qū)動框架內(nèi)檢測框架的振動方向與陀螺驅(qū)動方向相互垂直；驅(qū)動電極與驅(qū)動檢測電極形成閉環(huán)回路激勵陀螺進入驅(qū)動模態(tài)。
以上所述微機械陀螺的結(jié)構(gòu)采用解耦設(shè)計，同時陀螺驅(qū)動電極，驅(qū)動檢測電極和檢測電極都是梳齒結(jié)構(gòu)。驅(qū)動框架及柔性桿保證兩個驅(qū)動框架以相同頻率fd(驅(qū)動框架固有頻率)相向運動。
以上所述的每一個檢測框架由四根對稱分布于框架四個頂角的梁支撐并與驅(qū)動框架連接，兩個驅(qū)動框架由四根對稱分布的梁支撐，并使用柔性桿將兩個驅(qū)動框架連接在一起，同時這四根梁和一根柔性桿將整個陀螺結(jié)構(gòu)支撐并懸浮于襯底上。
以上所述的用于連接兩個驅(qū)動框架的柔性桿和支撐驅(qū)動框架的柔性桿使兩個驅(qū)動框架以相同頻率fd(驅(qū)動框架固有頻率)相向運動，即相位差為180℃，同時該諧振頻率在10～20Hz的范圍內(nèi)。
以上所述的兩個驅(qū)動框架內(nèi)的兩個檢測框架的結(jié)構(gòu)與支撐檢測框架的柔性桿結(jié)構(gòu)有差異，使得兩個檢測框架在檢測y軸方向的固有頻率分別為fs1和fs2，同時滿足fs1≤fd≤fs2的條件；則陀螺輸出信號的帶寬BW≈fs2-fs1。
本發(fā)明設(shè)計的具有較高靈敏度和帶寬的差分式微機械陀螺，還包括驅(qū)動、檢測電路；陀螺采用直流自動增益控制閉環(huán)驅(qū)動電路激勵，當(dāng)某一個驅(qū)動框架受靜電驅(qū)動力作用后沿水平方向運動，另一個驅(qū)動框架上的驅(qū)動檢測梳齒就會檢測到電容的變化的電容信號，變化的電容信號經(jīng)過連接的前置電容/電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生驅(qū)動檢測電壓電信號，檢測電壓電信號通過連接的帶通濾波器、放大器、相位調(diào)整器后，一部分檢測電壓信號通過連接的限幅電路，產(chǎn)生限幅方波信號；另一部分檢測電壓信號通過分電路連接的整流器、低通濾波器，并與參考電壓相減，再通過連接的放大器放大后產(chǎn)生直流信號；而直流信號與方波信號相加后作為靜電驅(qū)動電壓作用在陀螺驅(qū)動梳齒上，驅(qū)動整個驅(qū)動框架在某一幅度范圍內(nèi)，以角速度ωd振動。
檢測框架在哥式力作用下振動，檢測電容輸出的檢測信號通過連接的放大電路與C/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓檢測信號，電壓檢測信號再通過連接的帶通濾波器BPF濾波后，并將經(jīng)過帶通濾波器BPF濾波后的電壓檢測信號，經(jīng)過連接的相位調(diào)整器相移的驅(qū)動電壓信號進行相位敏感解調(diào)，此時，經(jīng)過解調(diào)的信號通過再放大和相移運算后，便得到包含輸入角速度信息的輸出信號。
本發(fā)明設(shè)計一種具有較高靈敏度和帶寬的差分式微機械陀螺相比背景技術(shù)，突出的實質(zhì)性特點及顯著進步為1、采用差分式近似頻率匹配(DNFM)的方法設(shè)計微機械陀螺結(jié)構(gòu)，保證陀螺具有較高靈敏度；2、檢測框架具有不同固有頻率保證了這種結(jié)構(gòu)的微機械陀螺具有較高的帶寬。
3、陀螺的結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性好，使用壽命較長。


圖1是差分式微機械陀螺俯視圖；圖2是差分式微機械陀螺驅(qū)動；圖3是檢測電路示意圖；圖4是差分式微機械陀螺輸出信號幅頻特性圖；圖5是分別采用EFM、NFM、DNFM方法時的幅頻特性曲線。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實施方式
。
圖1所示，具有較高靈敏度和帶寬的差分式微機械陀螺，以硅為襯底、襯底上有以多晶硅或單晶硅為材料的微機械結(jié)構(gòu)；其結(jié)構(gòu)組成和特點有a、在結(jié)構(gòu)中包括驅(qū)動電極1、驅(qū)動檢測電極2、檢測電極3、帶驅(qū)動梳齒4的驅(qū)動框架5、用于連接驅(qū)動框架的柔性桿6、驅(qū)動框架內(nèi)帶檢測梳齒7的檢測框架8、及將檢測框架與驅(qū)動框架相連的柔性桿8，整個結(jié)構(gòu)由柔性桿支撐并懸浮于襯底上方；b、沿驅(qū)動軸方向具有較小剛度系數(shù)的柔性桿將兩個對稱分布的驅(qū)動框架連接起來，同時其它柔性桿通過錨點9將驅(qū)動框架支撐并懸浮在襯底10上；在驅(qū)動力作用下驅(qū)動框架以相同的頻率相向運動；c、兩個檢測框架分別被柔性桿固定連接在兩個驅(qū)動框架內(nèi)，并且每個檢測框架具有各自的檢測頻率；
d、驅(qū)動框架左、右兩側(cè)有驅(qū)動檢測電極，用于拾取陀螺在驅(qū)動方向上電容的變化；e、驅(qū)動框架上、下兩側(cè)有驅(qū)動電極，作用在驅(qū)動電極上的電壓產(chǎn)生陀螺的靜電驅(qū)動力；f、檢測框架內(nèi)有固定檢測電極，用于拾取陀螺在檢測方向上電容的變化，用于檢測陀螺所受哥式力的大小，驅(qū)動框架內(nèi)檢測框架的振動方向與陀螺驅(qū)動方向相互垂直；驅(qū)動電極與驅(qū)動檢測電極形成閉環(huán)回路激勵陀螺進入驅(qū)動模態(tài)。
g、所述的質(zhì)量塊的質(zhì)量是含有驅(qū)動框架、檢測框架、驅(qū)動框架與檢測框架上的梳齒、支撐并連接檢測框架與驅(qū)動框架的柔性桿等的質(zhì)量總和；h、兩驅(qū)動框架的柔性桿采用解耦結(jié)構(gòu)梁；支撐檢測框架的四根柔性桿采用蟹形梁，對稱分布在檢測框架的四個頂角；支撐驅(qū)動框架采用兩對弓形梁，并對稱分布驅(qū)動框架。
i、以上所述的每一個檢測框架由四根對稱分布于框架四個頂角的梁支撐并與驅(qū)動框架連接，兩個驅(qū)動框架由四根對稱分布的梁支撐，并使用柔性桿將兩個驅(qū)動框架連接在一起，同時這四根梁和一根柔性桿將整個陀螺結(jié)構(gòu)支撐并懸浮于襯底上。
以上所述的用于連接兩個驅(qū)動框架的柔性桿和支撐驅(qū)動框架的柔性桿使兩個驅(qū)動框架以相同頻率fd(驅(qū)動框架固有頻率)相向運動，即相位差為180°，同時該諧振頻率在10～20Hz的范圍內(nèi)。
以上所述的兩個驅(qū)動框架內(nèi)的兩個檢測框架的結(jié)構(gòu)與支撐檢測框架的柔性桿結(jié)構(gòu)有差異，使得兩個檢測框架在檢測y軸方向的固有頻率分別為fs1和fs2，同時滿足fs1≤fd≤fs2的條件；則陀螺輸出信號的帶寬BW≈fs2-fs1。
圖2和圖3所示，差分式微機械陀螺驅(qū)動與是檢測電路示意圖。
具有較高靈敏度和帶寬的差分式微機械陀螺還包括驅(qū)動、檢測電路。陀螺采用直流自動增益控制閉環(huán)驅(qū)動電路激勵，當(dāng)某一個驅(qū)動框架受靜電驅(qū)動力作用后沿水平方向運動，另一個驅(qū)動框架上的驅(qū)動檢測梳齒就會檢測到電容的變化量DRS1，DRS2，變化的電容信號經(jīng)過連接的前置電容/電壓(C/V)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生驅(qū)動檢測電壓，驅(qū)動檢測電壓信號通過連接的帶通濾波器、放大器、相位調(diào)整器后，一部分檢測電壓信號通過連接的限幅電路，產(chǎn)生頻率為ωd的限幅方波信號；另一部分檢測電壓信號通過分電路連接的整流器、低通濾波器，并與參考電壓相減，再通過連接的放大器后放大產(chǎn)生直流信號；而直流信號與方波信號相加后作為靜電驅(qū)動電壓作用在陀螺驅(qū)動梳齒上；驅(qū)動整個驅(qū)動框架在某一幅度范圍內(nèi)，以角速度ωd振動。在驅(qū)動模態(tài)下，Z軸方向有輸入的角速度，檢測框架將在哥式力的作用下按照一定頻率在Y軸方向上下振動，此時檢測梳齒上的電容CS1，CS2，CS3，CS4將會發(fā)生變化。將檢測電容上變化的電容檢測信號通過連接的放大電路與C/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓檢測信號，然后，再通過連接的帶通濾波器BPF濾波，將經(jīng)過帶通濾波器BPF濾波后的電壓檢測信號，并將這個檢測梳齒上檢測信號輸如給連接的相位調(diào)整器，而由驅(qū)動檢測電壓信號通過連接的帶通濾波器、放大器后抽頭且經(jīng)過相移器把驅(qū)動信號也輸入給連接的相位調(diào)整器，由相位調(diào)整器進行相位敏感解調(diào)，此時，經(jīng)過相位調(diào)整器解調(diào)的信號再通過連接的放大器、相移器的放大及相移運算后，便可將包含輸入角速度信息的輸出信號。
圖4所示，為具有較高靈敏度和帶寬的差分式微機械陀螺的輸出信號幅頻特性圖。圖中線101表示檢測框架的幅頻曲線，線102表示檢測框架的幅頻曲線，曲線的峰值表明了對應(yīng)框架結(jié)構(gòu)的固有頻率，由此可知檢測框架的固有頻率為fs1，檢測框架的固有頻率為fs2；檢測框架幅頻曲線的交接點處為驅(qū)動框架的驅(qū)動頻率fd；線103表示檢測框架幅頻曲線的擬合曲線。從圖中可以看出，采用近似頻率匹配法設(shè)計的微機械陀螺，它的帶寬為(fs1-fd)或(fd-fs2)，而利用差分式近似頻率匹配設(shè)計的微機械陀螺的帶寬約為|fs1-fs2|≈2(fs1-fd)≈2(fd-fs2)。所以，采用差分式結(jié)構(gòu)設(shè)計可以有效提高陀螺帶寬。
圖5所示，為具有較高靈敏度和帶寬的差分式微機械陀螺分別采用EFM、NFM、DNFM方法時的幅頻曲線。從圖中可以看到，采用EFM法陀螺的靈敏度很高，但是帶寬卻很低；采用NFM方法設(shè)計的陀螺帶寬可以達到很高但是相應(yīng)地其靈敏度卻非常低；采用DNFM方法，當(dāng)(fs1-fs2)＝40Hz(60Hz)時，其帶寬比采用EFM法時明顯提高，其靈敏度又介于EFM和NFM之間，說明采用DNFM方法可以有效解決陀螺靈敏度和帶寬之間的矛盾。
本發(fā)明是具有較高靈敏度和帶寬的差分式微機械陀螺儀，襯底為硅材料，采用多晶硅或單晶硅材料。是采用微機械表面加工工藝和體硅加工工藝相結(jié)合的微機械加工方式加工而成的。
權(quán)利要求
1.一種具有較高靈敏度和帶寬的差分式微機械陀螺，以硅為襯底、襯底上是以多晶硅或單晶硅為材料的微機械結(jié)構(gòu)；其特征在于a、在結(jié)構(gòu)中含有驅(qū)動電極、驅(qū)動檢測電極、檢測電極、帶驅(qū)動梳齒的驅(qū)動框架、用于連接驅(qū)動框架的柔性桿、驅(qū)動框架內(nèi)帶檢測梳齒的檢測框架、及將檢測框架與驅(qū)動框架相連的柔性桿；整個結(jié)構(gòu)由柔性桿支撐并懸浮于襯底上方；b、沿驅(qū)動軸方向具有較小剛度系數(shù)的柔性桿將兩個對稱分布的驅(qū)動框架連接起來，同時其它柔性桿通過錨點將驅(qū)動框架支撐并懸浮在襯底上；在驅(qū)動力作用下驅(qū)動框架以相同的頻率相向運動；c、兩個檢測框架分別被柔性桿固定連接在兩個驅(qū)動框架內(nèi)，并且每個檢測框架具有各自的檢測頻率；d、驅(qū)動框架左、右兩側(cè)有驅(qū)動檢測電極，用于拾取陀螺在驅(qū)動方向上電容的變化；e、驅(qū)動框架上、下兩側(cè)有驅(qū)動電極，作用在驅(qū)動電極上的電壓產(chǎn)生陀螺的靜電驅(qū)動力；f、檢測框架內(nèi)有固定檢測電極，用于拾取陀螺在檢測方向上電容的變化，驅(qū)動框架內(nèi)檢測框架的振動方向與陀螺驅(qū)動方向相互垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有較高靈敏度和帶寬的差分式微機械陀螺，其特征在于所述的每一個檢測框架由四根對稱分布于框架四個頂角的梁支撐并與驅(qū)動框架連接，兩個驅(qū)動框架由四根對稱分布的梁支撐，并使用柔性桿將兩個驅(qū)動框架連接在一起，同時這四根梁和一根柔性桿將整個陀螺結(jié)構(gòu)支撐并懸浮于襯底上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有較高靈敏度和帶寬的差分式微機械陀螺，其特征在于所述的用于連接兩個驅(qū)動框架的柔性桿和支撐驅(qū)動框架的柔性桿使兩個驅(qū)動框架以相同頻率fd(驅(qū)動框架固有頻率)相向運動，即相位差為180°，同時該諧振頻率在10～20Hz的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有較高靈敏度和帶寬的差分式微機械陀螺，其特征在于所述的兩個驅(qū)動框架內(nèi)的兩個檢測框架的結(jié)構(gòu)與支撐檢測框架的柔性桿結(jié)構(gòu)有差異，使得兩個檢測框架在檢測y軸方向的固有頻率分別為fs1和fs2，同時滿足fs1≤fd≤fs2的條件；則陀螺輸出信號的帶寬BW≈fs2-fs1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有較高靈敏度和帶寬的差分式微機械陀螺，其特征在于還包括驅(qū)動、檢測電路；陀螺采用直流自動增益控制閉環(huán)驅(qū)動電路激勵，當(dāng)某一個驅(qū)動框架受靜電驅(qū)動力作用后沿水平方向運動，另一個驅(qū)動框架上的驅(qū)動檢測梳齒就會檢測到電容的變化的電容信號，變化的電容信號經(jīng)過連接的前置電容/電壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生驅(qū)動檢測電壓電信號，檢測電壓電信號通過連接的帶通濾波器、放大器、相位調(diào)整器后，一部分檢測電壓信號通過連接的限幅電路，產(chǎn)生限幅方波信號；另一部分檢測電壓信號通過分電路連接的整流器、低通濾波器，并與參考電壓相減，再通過連接的放大器放大后產(chǎn)生直流信號；而直流信號與方波信號相加后作為靜電驅(qū)動電壓作用在陀螺驅(qū)動梳齒上，驅(qū)動整個驅(qū)動框架在某一幅度范圍內(nèi)，以角速度ωd振動；在驅(qū)動模態(tài)下，Z軸方向有輸入的角速度，檢測框架將在哥式力的作用下按照一定頻率在Y軸方向上下振動，此時檢測梳齒上的電容CS1，CS2，CS3，CS4將會發(fā)生變化。將檢測電容上變化的電容檢測信號通過連接的放大電路與C/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓檢測信號，然后，再通過連接的帶通濾波器BPF濾波，將經(jīng)過帶通濾波器BPF濾波后的電壓檢測信號，并將這個檢測梳齒上檢測信號輸如給連接的相位調(diào)整器，而由驅(qū)動檢測電壓信號通過連接的帶通濾波器、放大器后抽頭且經(jīng)過相移器把驅(qū)動信號也輸入給連接的相位調(diào)整器，由相位調(diào)整器進行相位敏感解調(diào)，此時，經(jīng)過相位調(diào)整器解調(diào)的信號再通過連接的放大器、相移器的放大及相移運算后，便可將包含輸入角速度信息的輸出信號。
全文摘要
本發(fā)明提供了具有較高靈敏度和帶寬的差分式微機械陀螺，它以硅作為襯底材料，采用多晶硅或單晶硅材料形成微結(jié)構(gòu)；其特點包括驅(qū)動電極、驅(qū)動檢測電極、檢測電極、帶驅(qū)動梳齒的驅(qū)動框架、用于連接驅(qū)動框架的柔性桿、驅(qū)動框架內(nèi)帶檢測梳齒的檢測框架、將檢測框架與驅(qū)動框架相連的柔性桿等；整個結(jié)構(gòu)由柔性桿支撐并懸浮于襯底上方；并采用了直流自動增益控制閉環(huán)驅(qū)動電路。具有較高靈敏度和帶寬，結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性好，使用壽命較長等優(yōu)點。
文檔編號G01C19/5747GK1766528SQ20051001298
公開日2006年5月3日 申請日期2005年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月11日
發(fā)明者李錦明, 張文棟, 李林, 熊繼軍, 劉俊, 秦麗, 馬游春 申請人:中北大學(xué)