一種石英音叉式雙軸微陀螺儀的製作方法
2023-06-29 10:32:41
專利名稱：一種石英音叉式雙軸微陀螺儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種MEMS角速度傳感器，特別涉及一種石英音叉式雙軸微陀螺儀，屬於慣性測量器件技術領域。
背景技術：
石英微陀螺儀是一種MEMS角速率傳感器，是姿態控制和慣性制導的核心器件，具有體積小、重量輕、可靠性高等優點。隨著近年來微細加工技術的發展，石英微陀螺儀性能穩步提升，呈現出結構多樣化、體積小型化、多軸測量、電路數位化等特點。美國CST公司所製造的石英微陀螺儀最為成熟，其陀螺儀晶片的典型結構為H型結構，是一種I軸敏感的陀螺儀，如圖1所示。驅動叉指與敏感叉指分別分布在中心框架的上下方，兩種叉指之間的耦合小且靈敏度高。該結構的石英微陀螺已經批量生產，具有高精度、高穩定性、低噪聲的優點。同時，該公司也生產多軸測量的微陀螺儀，其功耗低、成本低、具有很好的溫度特性與抗衝擊特性，主要應用於軍事方面，但該陀螺儀是由多個單軸陀螺儀組合封裝而成的測量單元，並非運用單一陀螺晶片進行多軸測量，這限制了器件的進一步小型化。日本的EPSON公司所製造的多叉指型單軸石英微陀螺儀已經應用於汽車剎車系統、圖像的穩定及機器人控制等領域。其產品的典型結構為雙T型，是一種z軸敏感的單軸陀螺儀，如圖2所示。該結構具有四個驅動叉指與兩個敏感叉指，四個驅動叉指分布在中間方框的兩側，兩個敏感叉指分別連接在方框的上方和下方。其優點是降低了製作工藝的難度，且體積可以做得很小，封裝後的尺寸為5X3.2X1.3_3，擴大了該陀螺的應用領域。該公司生產的多軸陀螺產品也是由多個單軸陀螺組合而成，仍存在不易於進一步小型化的問題。在電極的製作方面，國內已經可以成功製作出側面分塊電極。中國專利「一種三維石英敏感結構金屬化加工方法」(申請公布號:CN102110771A)，提出了一種可在同一側面加工製作不同極性的側面電極的方法，可用於石英微器件的批量生產中。該方法為單晶片石英微陀螺儀工藝上的可實現性提供了依據。總之，與石英微陀螺儀相關的微細加工技術越來越成熟，目前已經具備足夠的條件在單一晶片上製造出多軸測量的石英微陀螺儀，使得器件進一步小型化，擴大其應用範圍，以滿足市場的需求。但目前已知的單晶片石英微陀螺儀結構仍存在以下技術上的不足之處:電極布置較為複雜，工藝上不易於實現；兩軸間存在較大的交叉耦合，影響了陀螺的測量精度。
發明內容
本發明的目的是為了實現單晶片雙軸微陀螺儀，同時降低其電極的製作難度、減小兩軸間的交叉耦合，提出 一種石英音叉式雙軸微陀螺儀。該陀螺儀集合了美國H型音叉結構和日本雙T型音叉結構的特點，實現了運用一塊石英晶片能同時檢測兩個軸向角速度的功能。一種石英音叉式雙軸微陀螺儀，由具有一定厚度的z向切割石英晶片經過溼法刻蝕工藝加工而成。具體包括:四個驅動叉指、四個敏感叉指、六邊形框架、左橫梁、右橫梁、中心固支結構、多個驅動電極、y軸敏感電極和z軸敏感電極。所述y軸和z軸的確定原則為:由以六邊形框架的中心為原點，右橫梁為X正向，按照右手原則建立的坐標系來確定。所述的中心固支結構包括上連接梁、下連接梁和固定方塊。固定方塊位於六邊形框架中心，上連接梁、下連接梁分別從固定方塊的y軸正方向、負方向引出，連接到六邊形框架與X軸平行的上下兩邊的中點。所述的六邊形框架的兩個對稱頂點分別分布在X軸的正方向與負方向上，左橫梁沿X軸負方向、與六邊形框架的頂點連接；右橫梁沿X軸正方向、與六邊形框架的頂點連接。所述的四個驅動叉指結構相同，分別為第一驅動叉指、第二驅動叉指、第三驅動叉指和第四驅動叉指。第一驅動叉指、第二驅動叉指對稱位於X軸的兩側、垂直於左橫梁；第三驅動叉指、第四驅動叉指對稱位於X軸的兩側、垂直於右橫梁。第一驅動叉指、第二驅動叉指與第三驅動叉指、第四驅動叉指相對六邊形框架中心對稱。所述的四個敏感叉指結構相同，分別為第一敏感叉指、第二敏感叉指、第三敏感叉指和第四敏感叉指。第一敏感叉指、第二敏感叉指、第三敏感叉指和第四敏感叉指分別與I軸平行，位於第一驅動叉指、第二驅動叉指、第三驅動叉指、第四驅動叉指和六邊形框架之間；且第一敏感叉指、第二敏感叉指與第三敏感叉指、第四敏感叉指相對六邊形框架中心對稱。所述的驅動電極分為驅動正電極與驅動負電極。驅動正電極分別布置在第一、第二驅動叉指的上下表面和第三、第四驅動叉指的左右側面；驅動負電極電極分別布置在第一、第二驅動叉指的左右側面和第三、第四驅動叉指的上下表面。其中上表面電極與下表面電極通過叉指頂端相連接，左側 面電極與右側面電極通過弓I線相連接。所述y軸敏感電極分為y軸敏感正電極與y軸敏感負電極。y軸敏感正電極布置在第三敏感叉指左側面的下半部和右側面的上半部及第四敏感叉指左側面的上半部和右側面的下半部軸敏感負電極布置在第三敏感叉指左側面的上半部和右側面的下半部及第四敏感叉指左側面的下半部和右側面的上半部。所述z軸敏感電極分為z軸敏感正電極與z軸敏感負電極。z軸敏感正電極布置在第一敏感叉指和第二敏感叉指的上下表面軸敏感負電極布置在第一敏感叉指和第二敏感叉指的左右側面。上述多個驅動電極和敏感電極的引線匯集於中心固支結構的固定方塊，並從此引出。上述位於側面的電極覆蓋整個側面；位於上下表面的電極在叉指長度方向整個覆蓋，在寬度方向與側面電極留有一定距離，防止與側面電極相接觸造成短路。本發明的石英音叉式雙軸微陀螺儀的工作流程為:當分別對各個正負驅動電極施加相位相反電信號時，通過逆壓電效應使得四個驅動叉指在X軸方向做簡諧振動；當y軸有角速度輸入時，四個驅動叉指產生z方向的科氏力，並通過左右橫梁將振動耦合到四個敏感叉指上，使得四個敏感叉指沿z軸方向振動，通過y軸敏感電極收集到的電荷進行放大、濾波、解調可測得I軸向的角速度；當z軸有角速度輸入時，四個驅動叉指產生I方向的科氏力，並通過左右橫梁將振動耦合到四個敏感叉指上，使得四個敏感叉指沿X軸方向振動，通過Z軸敏感電極收集到的電荷進行放大、濾波、解調可測得Z軸向的角速度。有益效果1、運用一塊石英晶片，可同時檢測y軸向和z軸向的角速度。2、驅動叉指與敏感叉指的分離降低了軸間的交叉耦合，保證陀螺的測量精度。3、y軸敏感電極和z軸敏感電極分別布置在不同的叉指上，降低了電極的製作難度，保證了工藝的可實現性。4、六邊形框架有效抑制了驅動叉指與敏感叉指之間的機械耦合，減小了陀螺的誤差。5、中心固支結構有效隔離了其他振動模態對工作模態的影響，保證了陀螺工作的穩定性。
圖1是背景技術中H型石英音叉的結構；圖2是背景技術中雙T型石英音叉的結構；圖3是本發明的石英音叉結構及驅動電極和敏感電極的布置；其中(a)為石英音叉總體結構圖，(b)為圖(a)中A-A剖面的結構圖，(C)為圖(a)中B-B剖面的結構圖，(d)為圖(a)中C-C剖面的結構圖；圖4是本發明石英 音叉工作時的驅動模態；圖5是本發明石英音叉工作時的y軸敏感模態；圖6是本發明石英音叉工作時的z軸敏感模態；圖7是具體實施方式
中石英音叉叉指在不同振動方向下的電場分布；其中(a)為叉指沿z方向振動時的電場分布圖，(b)為叉指沿X方向振動時的電場分布圖；標號說明:110-第一驅動叉指、120-第二驅動叉指、130-第三驅動叉指、140-第四驅動叉指、201-左橫梁、202-右橫梁、310-第一敏感叉指、320-第二敏感叉指、410-第三敏感叉指、420-第四敏感叉指、501-六邊形框架、502-上連接梁、503-下連接梁、504-固定方塊、111-第一驅動叉指表面電極、112-第一驅動叉指左側面電極、113-第一驅動叉指右側面電極、121-第二驅動叉指表面電極、122-第二驅動叉指左側面電極、123-第二驅動叉指右側面電極、131-第三驅動叉指表面電極、132-第三驅動叉指右側面電極、133-第三驅動叉指左側面電極、141-第四驅動叉指表面電極、142-第四驅動叉指右側面電極、143-第四驅動叉指左側面電極、311-第一敏感叉指表面電極、312-第一敏感叉指右側面電極、313-第一敏感叉指左側面電極、321-第二敏感叉指表面電極、322-第二敏感叉指左側面電極、323-第二敏感叉指右側面電極、411-第三敏感叉指右側面上半部電極、412-第三敏感叉指左側面上半部電極、413-第三敏感叉指右側面下半部電極、414-第三敏感叉指左側面下半部電極、421-第四敏感叉指右側面上半部電極、422-第四敏感叉指左側面上半部電極、423-第四敏感叉指右側面下半部電極、424-第四敏感叉指左側面下半部電極。
具體實施例方式為了更好的說明本發明的目的和優點，下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。
本發明的音叉結構是由具有一定厚度的z向切割石英晶片經過溼法刻蝕工藝加工而成。圖3是本發明的具體結構，包括:四個驅動叉指、四個敏感叉指、兩個橫梁、六邊形框架和中心固支結構。第一驅動叉指110、第二驅動叉指120、第三驅動叉指130、第四驅動叉指140，以及四個敏感叉指310、320、410、420平均分布在六邊形框架501的兩側，其中第一敏感叉指310和第二敏感叉指320是用於z軸檢測的敏感叉指，第三敏感叉指410和第四敏感叉指420是用於y軸檢測的敏感叉指；左橫梁201和右橫梁202為連接驅動叉指和敏感叉指的兩個橫梁，連接於六邊形框架501的左右兩個頂點處；上連接梁502、下連接梁503和固定方塊504組成中心固支結構。本發明各個驅動電極的分布如圖3 (a)所示:第一驅動叉指表面電極111、第二驅動叉指表面電極121、第三驅動叉指右側面電極132、第三驅動叉指左側面電極133、第四驅動叉指右側面電極142和第四驅動叉指左側面電極143是驅動正電極，第一驅動叉指左側面電極112、第一驅動叉指右側面電極113、第二驅動叉指左側面電極122、第二驅動叉指右側面電極123、第三驅動叉指表面電極131和第四驅動叉指表面電極141是驅動負電極，其中第一驅動叉指表面電極111、第二驅動叉指表面電極121、第三驅動叉指表面電極131和第四驅動叉指表面電極141布置在叉指的上下表面，第一驅動叉指左側面電極112、第一驅動叉指右側面電極113、第二驅動叉指左側面電極122、第二驅動叉指右側面電極123、第三驅動叉指右側面電極132、第三驅動叉指左側面電極133、第四驅動叉指右側面電極142和第四驅動叉指左側面電極143布置在叉指的左右側面，在yz平面內的截面圖如圖3(b)所示；第一敏感叉指表面電極311和第二敏感叉指表面電極321是z軸敏感正電極，布置在叉指的上下表面，第一敏感叉指右側面電極312、第一敏感叉指左側面電極313、第二敏感叉指左側面電極322和第二敏感叉指右側面電極323是z軸敏感負電極，布置在叉指的左右側面，該組電極的布置與驅動電極布置相同；第三敏感叉指左側面上半部電極412、第三敏感叉指右側面下半部電極413、第四敏感叉指右側面上半部電極421和第四敏感叉指左側面下半部電極424是y軸敏感正電極，第三敏感叉指右側面上半部電極411、第三敏感叉指左側面下半部電極414、第四敏感叉指左側面上半部電極422和第四敏感叉指右側面下半部電極423是y軸敏感負電極，在yz平面內電極的布置如圖3(c)和(d)所示。如圖4所示，分別對驅動`正電極和驅動負電極施加相位相反的周期性電壓信號時，通過石英晶體的逆壓電效應使得第一驅動叉指110、第二驅動叉指120、第三驅動叉指130和第四驅動叉指140產生X方向的周期性彎曲振動。當輸入的周期性電壓信號的頻率與驅動叉指的本徵頻率相同時，驅動叉指產生X方向的參考振動。如圖5所示，當第一驅動叉指110、第二驅動叉指120、第三驅動叉指130和第四驅動叉指140產生X方向的參考振動時，若y軸有角速度輸入，則驅動叉指產生z方向的科氏力，並產生沿z方向的簡諧振動，同時左橫梁201和右橫梁202沿z軸方向做方向相反的簡諧振動，該振動耦合到第一敏感叉指310、第二敏感叉指320、第三敏感叉指410和第四敏感叉指420上，並產生沿z方向的簡諧振動。由於石英晶體的壓電效應，在第一敏感叉指310、第二敏感叉指320、第三敏感叉指410和第四敏感叉指420上產生如圖7(a)所示的電場，z軸敏感正電極和z軸敏感負電極所收集的正負電荷相互中和，輸出為零；同時y軸敏感正電極與I軸敏感負電極形成差分電荷，經過放大、濾波及解調可得到I軸輸入的角速度。如圖6所示，當第一驅動叉指110、第二驅動叉指120、第三驅動叉指130和第四驅動叉指140產生X方向的參考振動時，若z軸有角速度輸入，則驅動叉指產生y方向的科氏力，並產生沿y方向的簡諧振動，同時左橫梁201和右橫梁202沿y軸方向做方向相反的簡諧振動，該振動耦合到第一敏感叉指310、第二敏感叉指320、第三敏感叉指410和第四敏感叉指420上，並產生沿X方向的振動。由於石英晶體的壓電效應，在第一敏感叉指310、第二敏感叉指320、第三敏感叉指410和第四敏感叉指420上產生如圖7 (b)所示的電場，y軸敏感正電極和y軸敏感負電極所收集的正負電荷相互中和，輸出為零；同時z軸敏感正電極與Z軸敏感負電極形成差分電荷，經過放大、濾波及解調可得到Z軸輸入的角速度。以上，對本發明的一個實例進行了詳細描述，此外本發明還有以下優點:驅動叉指和敏感叉指的分離降低了兩軸間交叉耦合，保證了陀螺的測量精度；左橫梁201和右橫梁202連接到六邊形框架501的兩個頂點處能夠有效抑制驅動叉指對敏感叉指的機械耦合，減小陀螺的誤差；中心固支結構能夠有效隔離其他振動模態的影響，保證陀螺工作的穩定性；y軸敏感電極與z軸敏感電極分別布置在不同的叉指上，降低了工藝難度，保證了該結構在工藝上的可實現性。但本發明還存在不足之處，由於石英晶體的各向異性，經過溼法刻蝕工藝後，y軸敏感模態與z軸敏感模態仍會存在一定程度的耦合誤差，可通過優化電極布置或增加兩種模態頻率之差來減小耦合誤差帶來的影響，進一步提高陀螺的測量精度。以上所述為本發明的優選實例，本發明的保護範圍不僅局限於該實例。利用多叉指結構將H型音叉和雙T型音叉的工作模態相結合，將驅動叉指與敏感叉指相分離，並在單一晶片上實現雙軸角速度檢測是本發明的基本思想，凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的範疇 。
權利要求
1.一種石英音叉式雙軸微陀螺儀，其特徵在於:具體包括四個驅動叉指、四個敏感叉指、六邊形框架、左橫梁、右橫梁、中心固支結構、多個驅動電極、y軸敏感電極和Z軸敏感電極； 所述的中心固支結構包括上連接梁、下連接梁和固定方塊；固定方塊位於六邊形框架中心，上連接梁、下連接梁分別從固定方塊的y軸正方向、負方向引出，連接到六邊形框架與X軸平行的上下兩邊的中點； 所述的六邊形框架的兩個對稱頂點分別分布在X軸的正方向與負方向上，左橫梁沿X軸負方向、與六邊形框架的頂點連接；右橫梁沿X軸正方向、與六邊形框架的頂點連接； 所述的四個驅動叉指結構相同，分別為第一驅動叉指、第二驅動叉指、第三驅動叉指和第四驅動叉指；第一驅動叉指、第二驅動叉指對稱位於X軸的兩側、垂直於左橫梁；第三驅動叉指、第四驅動叉指對稱位於X軸的兩側、垂直於右橫梁；第一驅動叉指、第二驅動叉指與第三驅動叉指、第四驅動叉指相對六邊形框架中心對稱； 所述的四個敏感叉指結構相同，分別為第一敏感叉指、第二敏感叉指、第三敏感叉指和第四敏感叉指；第一敏感叉指、第二敏感叉指、第三敏感叉指和第四敏感叉指分別與I軸平行，位於第一驅動叉指、第二驅動叉指、第三驅動叉指、第四驅動叉指和六邊形框架之間；且第一敏感叉指、第二敏感叉指與第三敏感叉指、第四敏感叉指相對六邊形框架中心對稱；所述的驅動電極分為驅動正電極與驅動負電極；驅動正電極分別布置在第一、第二驅動叉指的上下表面和第三、第四驅動叉指的左右側面；驅動負電極電極分別布置在第一、第二驅動叉指的左右側面和第三、第四驅動叉指的上下表面；其中上表面電極與下表面電極通過叉指頂端相連接，左側面電極與右側面電極通過弓I線相連接； 所述I軸敏感電極分為I軸敏感正電極與I軸敏感負電極；y軸敏感正電極布置在第三敏感叉指左側面的下半部和右側面的上半部及第四敏感叉指左側面的上半部和右側面的下半部；y軸敏感負電極布置在第三敏感叉指左側面的上半部和右側面的下半部及第四敏感叉指左側面的下半部和右側面的上半部； 所述z軸敏感電極分為z軸敏感正電極與z軸敏感負電極；z軸敏感正電極布置在第一敏感叉指和第二敏感叉指的上下表面軸敏感負電極布置在第一敏感叉指和第二敏感叉指的左右側面。
2.根據權利要求1所述的一種石英音叉式雙軸微陀螺儀，其特徵在於:以六邊形框架的中心為原點，右橫梁為X正向，按照右手原則建立的坐標系來確定I軸和Z軸。
3.根據權利要求1所述的一種石英音叉式雙軸微陀螺儀，其特徵在於:多個驅動電極和敏感電極的引線匯集於中心固支結構的固定方塊，並從此引出。
4.根據權利要求1所述的一種石英音叉式雙軸微陀螺儀，其特徵在於:位於側面的電極覆蓋整個側面；位於上下表面的電極在叉指長度方向整個覆蓋，在寬度方向與側面電極留有一定距離，防止與側面電極相接觸造成短路。
5.根據權利要求1所述的一種石英音叉式雙軸微陀螺儀，其特徵在於:由具有一定厚度的z向切割石英晶片經過溼法刻蝕工藝加工而成。
全文摘要
本發明涉及一種MEMS角速度傳感器，特別涉及一種石英音叉式雙軸微陀螺儀，屬於慣性測量器件技術領域。本發明的雙軸微陀螺儀由具有一定厚度的z向切割石英晶片經過溼法刻蝕工藝加工而成。具體包括四個驅動叉指、四個敏感叉指、六邊形框架、左橫梁、右橫梁、中心固支結構、多個驅動電極、y軸敏感電極和z軸敏感電極。能同時檢測y軸向和z軸向的角速度，驅動叉指與敏感叉指的分離降低了軸間的交叉耦合，保證陀螺的測量精度。y軸敏感電極和z軸敏感電極分別布置在不同的叉指上，降低了電極的製作難度，保證了工藝的可實現性。六邊形框架減小了陀螺的誤差。中心固支結構保證了陀螺工作的穩定性。
文檔編號G01C19/5621GK103234535SQ20131013511
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月18日 優先權日2013年4月18日
發明者趙克, 王茜蒨, 馮立輝, 崔芳, 孫雨南 申請人:北京理工大學