專利名稱：硅微角振動輸出陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)和微慣性測量技術(shù)，特別是一種硅微角振動輸出陀螺儀。
背景技術(shù)：
微機(jī)械慣性儀表包括微機(jī)械陀螺儀(MMG)和微機(jī)械加速度計(jì)(MMA)。利用微電子加工工藝允許將微機(jī)械結(jié)構(gòu)與所需的電子線路完全集成在一個(gè)硅片上，從而達(dá)到性能、價(jià)格、體積、重量、可靠性諸方面的高度統(tǒng)一。因而，這類儀表具有一系列的優(yōu)點(diǎn)(如體積小、 重量輕、價(jià)格便宜、可靠性高、能大批量生產(chǎn)等)，在軍民兩方面都具有廣泛的應(yīng)用前景。在民用方面，主要用于汽車工業(yè)、工業(yè)監(jiān)控及消費(fèi)類產(chǎn)品和機(jī)器人技術(shù)，如氣囊、防抱死系統(tǒng)、 偏航速率傳感器、翻滾速率傳感器、圖象穩(wěn)定及玩具等等；在軍用領(lǐng)域，主要用于靈巧炸彈、 智能炮彈、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、新概念武器和微型飛機(jī)的自主導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)等。1993年，美國德雷珀實(shí)驗(yàn)室通過在玻璃表面復(fù)蓋硅層技術(shù)制作了一種新穎的微機(jī)械陀螺-音叉式線振動陀螺。該陀螺儀由雙質(zhì)量塊、支承梁和橫梁組成，陀螺儀采用線振動驅(qū)動和角振動檢測的方式，可以敏感陀螺儀平面內(nèi)軸向的角速率。由于該陀螺儀的驅(qū)動運(yùn)動與敏感運(yùn)動完全耦合，限制了其靈敏度的提高。2007年，裘安萍、蘇巖等人研制了雙質(zhì)量振動式硅微陀螺儀(申請?zhí)?200710133223.幻，在驅(qū)動力的作用下雙質(zhì)量在做平行于襯底的線振動，有角速率輸入時(shí)， 雙質(zhì)量塊做平行于襯底的垂直于驅(qū)動方向的線振動，通過檢測敏感電容的變化，測試輸入角速率。該陀螺儀采用了八根驅(qū)動支承梁和八根敏感支承梁實(shí)現(xiàn)驅(qū)動模態(tài)與敏感模態(tài)的分離。由于微電子工藝的相對誤差較大，加工誤差對陀螺儀性能有很大的影響。2009年，裘安萍、蘇巖等人又研制了擺動式硅微陀螺儀(申請?zhí)?200920037290. 1)。采用扭桿和橫梁，使陀螺儀繞Z軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)陀螺儀的敏感運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動方向與檢測方向的運(yùn)動解耦。扭桿代替了敏感支承梁，減小了支承梁數(shù)目，降低了加工誤差對陀螺儀性能的影響。但是在體硅工藝中，對豎直扭桿的加工具有相當(dāng)大的難度。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)的運(yùn)動解耦，受加工誤差影響較小，具有高靈敏度、高穩(wěn)定性的硅微角振動輸出陀螺儀。實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)解決方案為一種雙質(zhì)量硅微角振動輸出陀螺儀，由上層的機(jī)械結(jié)構(gòu)和下層的玻璃襯底構(gòu)成，上層機(jī)械結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相同的子結(jié)構(gòu)組成，這兩個(gè)子結(jié)構(gòu)左右對稱布置，并通過質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)相互連接。同時(shí)兩個(gè)子結(jié)構(gòu)分別與橫梁連接， 該橫梁通過水平扭桿與固定基座連接，固定基座安裝在玻璃襯底上的固定基座鍵合點(diǎn)上， 使上層的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分懸空在下層的玻璃襯底部分之上。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為(1)與雙質(zhì)量振動式硅微陀螺儀(申請?zhí)?00710133223. 5)相比，扭桿代替了敏感支承梁，使陀螺儀的敏感運(yùn)動由線運(yùn)動變?yōu)榻沁\(yùn)動，減少了干擾模態(tài)的數(shù)目，降低了加工精度的影響，提高了陀螺儀的靈敏度和穩(wěn)定性；( 與擺動式硅微陀螺儀(申請?zhí)?00920037^0. 1)相比，水平扭桿代替了豎直扭桿，實(shí)現(xiàn)敏感運(yùn)動，降低了加工過程的難度；C3)與雙質(zhì)量振動式硅微陀螺儀(申請?zhí)?200710133223. 5)和擺動式硅微陀螺儀(申請?zhí)?200920037290. 1)相比，兩個(gè)子結(jié)構(gòu)通過質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)相互連接，增大了工作模態(tài)間與干擾模態(tài)間的頻率差，減小了干擾模態(tài)對陀螺儀性能的影響；(4)與雙質(zhì)量振動式硅微陀螺儀(申請?zhí)?200710133223. 5)相比，兩個(gè)子結(jié)構(gòu)左右對稱布置，增加了輸出信號，為單質(zhì)量塊輸出信號的兩倍，同時(shí)角振動輸出信號為線振動輸出信號的兩倍，所以大大提高了陀螺儀的靈敏度；( 采用扭桿和橫梁，使陀螺儀繞ζ軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)陀螺儀的敏感運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動方向與檢測方向的運(yùn)動解耦，從而減小誤差信號；(6)兩個(gè)子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動運(yùn)動和檢測運(yùn)動均為相向運(yùn)動，形成梳齒差動電容檢測，實(shí)現(xiàn)了敏感輸出解耦，抑制了干擾信號。
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

圖1是本實(shí)用新型硅微角振動輸出陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型硅微角振動輸出陀螺儀下層的玻璃襯底上的信號引線示意圖。
具體實(shí)施方式
結(jié)合圖1，本實(shí)用新型硅微角振動輸出陀螺儀，用于測量Z軸方向的角速率。該陀螺儀由上層的機(jī)械結(jié)構(gòu)和下層的玻璃襯底構(gòu)成。陀螺儀上層機(jī)械結(jié)構(gòu)由一對完全相同的子結(jié)構(gòu)100、200組成，這兩個(gè)子結(jié)構(gòu)100、200左右對稱布置，并通過質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)6相互連接，同時(shí)兩個(gè)子結(jié)構(gòu)100、200均與橫梁3a、!3b連接。第一橫梁3a通過第一組水平扭桿 2aJb、2c、2d與第一固定基座Ia連接。第二橫梁北通過第二組水平扭桿&、2f、2g、》i與第二固定基座Ib連接。兩組水平扭桿加、213、2(3、2(1、加、2廠28、》1均在乂￥平面內(nèi)。質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)6由兩個(gè)連接桿6a、6b和一個(gè)連接框6c構(gòu)成，兩個(gè)連接桿6a、6b的一端分別與連接框6c連接，另一端連接兩個(gè)子結(jié)構(gòu)100、200。第一組水平扭桿中的第一、第二扭桿h、2b 和第二組水平扭桿中的第五、第六扭桿&、2f沿X軸方向布置，第一組水平扭桿中的第三、 第四扭桿2c、2d和第二組水平扭桿中的第七、第八扭桿2g、》!沿Y軸方向布置。第一子結(jié)構(gòu)100由第一質(zhì)量塊101、驅(qū)動支承梁l(^a、105b、105c、105d、驅(qū)動電容、驅(qū)動檢測電容和檢測電容組成。第二子結(jié)構(gòu)200由第二質(zhì)量塊201、驅(qū)動支承梁20fe、205b、205c、205d、驅(qū)動電容、驅(qū)動檢測電容和檢測電容組成。第一質(zhì)量塊101通過驅(qū)動支承梁105a、10恥、105c、 105d與橫梁3a、!3b相連，其中第一、第二驅(qū)動支承梁105110 與第一橫梁3a連接，第三、 第四驅(qū)動支承梁105c、105d與第二橫梁北連接。第二質(zhì)量塊201通過驅(qū)動支承梁20fe、 205b,205c,205d與橫梁3a、;3b相連，其中第五、第六驅(qū)動支承梁20fe、2(^b與第一橫梁3a 相連，第七、第八驅(qū)動支承梁205c、205d與第二橫梁北相連。第一質(zhì)量塊101上下對稱分布的活動梳齒與至少四個(gè)固定驅(qū)動梳齒103a、103bU03cU03d交錯(cuò)對插排列形成驅(qū)動電容， 活動梳齒與至少兩個(gè)固定驅(qū)動檢測梳齒104a、104b交錯(cuò)對插排列形成驅(qū)動檢測電容，左右對稱分布的活動敏感梳齒與三個(gè)固定敏感梳齒10加、102b、102c交錯(cuò)對插排列形成敏感電容；第二質(zhì)量塊201上下對稱分布的活動梳齒與至少四個(gè)固定驅(qū)動梳齒203a、203b、203c、203d交錯(cuò)對插排列形成驅(qū)動電容，活動梳齒與至少兩個(gè)固定驅(qū)動檢測梳齒2(Ma、204b交錯(cuò)對插排列形成驅(qū)動檢測電容，左右對稱分布的活動敏感梳齒與三個(gè)固定敏感梳齒202a、 202b,202c交錯(cuò)對插排列形成敏感電容。在固定驅(qū)動梳齒103a、103b、103c、103d、203a、 2(X3b、203C、203d上施加帶直流偏置的交流電壓，實(shí)現(xiàn)陀螺儀的單邊靜電驅(qū)動。整個(gè)陀螺儀的上層結(jié)構(gòu)通過第一組水平扭桿h、2b、2c、2d與第一固定基座Ia連接，通過第二組水平扭桿加、2廠28、池與第二固定基座Ib連接，使其懸空安裝在玻璃襯底之上。第一固定基座 Ia和第一固定鍵合點(diǎn)如相連，第二固定基座Ib和第二固定鍵合點(diǎn)4b相連，固定驅(qū)動梳齒 103a、103b、103c、103d、203a、203b、203c、203d、固定驅(qū)動反饋梳齒 104a、104b、204a、204b、 固定敏感梳齒l(^a、102b、102c、202a、202b、202c分別與下層玻璃襯底的對應(yīng)鍵合點(diǎn)112a、 112b、 112c、112d、212a、212b、212c、212d、113a、113b、213a、213b、llla、lllb、lllc、211a、 211b,211c 相連。玻璃襯底5如附圖2所示，包括信號引線和金屬硅/玻璃鍵合點(diǎn)。信號引線包括地線，驅(qū)動輸入引線109a、109b、209a、209b，驅(qū)動反饋輸入引線110、210，敏感輸出信號引線108、208 ；金屬硅/玻璃鍵合點(diǎn)包括固定基座鍵合點(diǎn)^、4b，固定驅(qū)動梳齒鍵合點(diǎn)112a、 112b、112c、112d 和 212a、212b、212c、212d，固定驅(qū)動反饋梳齒鍵合點(diǎn) 113a、113b 和 213a、 213b,固定敏感梳齒鍵合點(diǎn) llla、lllb、lllc 和 211a、211b、211c。本實(shí)用新型的硅微角振動輸出陀螺儀，采用單邊靜電驅(qū)動，電容檢測的工作方式。 在子結(jié)構(gòu)100的固定驅(qū)動梳齒103a、10;3b、103C、103d上施加含直流偏置電壓的交流電壓， 產(chǎn)生交變的靜電力，靜電驅(qū)動力為
權(quán)利要求1.一種硅微角振動輸出陀螺儀，由上層的機(jī)械結(jié)構(gòu)和下層的玻璃襯底構(gòu)成，其特征在于陀螺儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相同的子結(jié)構(gòu)[100、200]左右對稱布置，兩個(gè)子結(jié)構(gòu)[100、 200]通過質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)[6]相互連接，質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)W]由兩個(gè)連接桿[6a、6b]和一個(gè)連接框Wc]構(gòu)成，兩個(gè)連接桿Wa、6b]的一端分別與連接框Wc]連接，另一端連接兩個(gè)子結(jié)構(gòu)[100、200]；整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)通過第一組水平扭桿[h、2b、2c、2d]與第一固定基座 [la]連接，通過第二組水平扭桿De、2f、2g、2h]與第二固定基座[lb]連接，使上層的機(jī)械結(jié)構(gòu)懸空在下層的玻璃襯底之上；兩組水平扭桿Da、2b、2c、2dje、2f、2g、2h]均在XY平面內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅微角振動輸出陀螺儀，其特征在于第一組扭桿中的第一、 第二扭桿[h、2b]和第二組扭桿中的第五、第六扭桿De、2f]沿X軸方向布置；第一組扭桿中的第三、第四扭桿[2c、2d]和第二組扭桿中的第七、第八扭桿[2g、2h]沿Y軸方向布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅微角振動輸出陀螺儀，其特征在于第一子結(jié)構(gòu)[100]由第一質(zhì)量塊[101]、驅(qū)動支承梁[105a、l(^b、105c、105d]、以及第一質(zhì)量塊[101]四周的驅(qū)動電容、驅(qū)動檢測電容和敏感電容組成，第一質(zhì)量塊[101]與四根驅(qū)動支承梁[10fe、105b、 105c、105d]連接，其中第一、第二驅(qū)動支承梁[105110 ]與第一橫梁[3a]連接，第三、第四驅(qū)動支承梁[105c、105d]與第二橫梁[3b]連接；第二子結(jié)構(gòu)[200]由第二質(zhì)量塊[201]、 驅(qū)動支承梁[205a、2(^b、205c、205d]、以及第二質(zhì)量塊[201]四周的驅(qū)動電容、驅(qū)動檢測電容和敏感電容組成，第二質(zhì)量塊[201]與四根驅(qū)動支承梁[20fe、205b、205c、205d]連接，其中第五、第六驅(qū)動支承梁[20fe、205b]與第一橫梁[3a]相連，第七、第八驅(qū)動支承梁[205c、 205d]與第二橫梁[3b]相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的硅微角振動輸出陀螺儀，其特征在于第一橫梁[3a]通過第一組水平扭桿[h、2b、2c、2d]與第一固定基座[la]連接；第二橫梁[3b]通過第二組水平扭桿口e、2f、2g、2h]與第二固定基座[lb]連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的硅微角振動輸出陀螺儀，其特征在于第一質(zhì)量塊[101]上下對稱分布的活動梳齒與固定驅(qū)動梳齒[103a、103b、103c、103d]交錯(cuò)對插排列形成驅(qū)動電容，活動梳齒與固定驅(qū)動檢測梳齒[l(Ma、104b]交錯(cuò)對插排列形成驅(qū)動檢測電容，左右對稱分布的活動敏感梳齒與固定敏感梳齒[102a、102b、102c]交錯(cuò)對插排列形成敏感電容；第二質(zhì)量塊[201]上下對稱分布的活動梳齒與固定驅(qū)動梳齒[203a、203b、203c、203d] 交錯(cuò)對插排列形成驅(qū)動電容，活動梳齒與固定驅(qū)動檢測梳齒[2(Ma、204b]交錯(cuò)對插排列形成驅(qū)動檢測電容，左右對稱分布的活動敏感梳齒與固定敏感梳齒[202a、202b、202c]交錯(cuò)對插排列形成敏感電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的硅微角振動輸出陀螺儀，其特征在于第一固定基座[la]和第一固定鍵合點(diǎn)Wa]相連，第二固定基座[lb]和第二固定鍵合點(diǎn)Wb]相連，固定驅(qū)動梳齒[103a、103b、103c、103d、203a、203b、203c、203d]、固定驅(qū)動反饋梳齒[104a、104b、204a、 204b]、固定敏感梳齒[l(^a、102b、102c、202a、2(^b、202c]分別與下層玻璃襯底的對應(yīng)鍵合點(diǎn)[112a、112b、112c、112d、212a、212b、212c、212d、113a、113b、213a、213b、111a、111b、 lllc、211a、211b、211c]相連。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種硅微角振動輸出陀螺儀，由上、下兩層構(gòu)成，上層為制作在單晶硅片上的陀螺儀機(jī)械結(jié)構(gòu)，下層為制作在玻璃襯底上的信號引線，上層機(jī)械結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相同的子結(jié)構(gòu)組成，這兩個(gè)子結(jié)構(gòu)左右對稱布置，并通過質(zhì)量塊連接機(jī)構(gòu)相互連接。同時(shí)兩個(gè)子結(jié)構(gòu)分別與橫梁連接，該橫梁通過水平扭桿與固定基座連接，固定基座安裝在玻璃襯底上的固定基座鍵合點(diǎn)上，使上層的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分懸空在下層的玻璃襯底部分之上，下層玻璃襯底上布置信號引線以及鍵合點(diǎn)。本實(shí)用新型采用水平扭桿和橫梁，使陀螺儀繞z軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)陀螺儀的敏感運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動方向與檢測方向的運(yùn)動解耦，并且減少了干擾模態(tài)的數(shù)目，降低了對加工精度的要求，提高了陀螺儀的靈敏度。
文檔編號G01C19/5733GK202216695SQ20112021465
公開日2012年5月9日 申請日期2011年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月23日
發(fā)明者丁衡高, 姜劭棟, 施芹, 蘇巖, 裘安萍 申請人:南京理工大學(xué)