双轴石英角速度传感器芯片制造技术

本发明专利技术公开了一种双轴石英角速度传感器芯片，包括均沿Y向设置的两平行的驱动梁、两平行的Y轴检测梁、Z轴检测梁和连接梁，连接梁两端与两驱动梁和两Y轴检测梁连接形成H形结构，Z轴检测梁一端与连接梁中部固接并与Y轴检测梁位于同一侧，Z轴检测梁另一端与固定块固接；两驱动梁的上下表面和左右侧壁均覆盖有激励电极；两Y轴检测梁的左右侧壁均覆盖有敏感电极，左右侧壁的敏感电极均由上下平行分开的两部分构成；Z轴检测梁的上下表面和左右侧壁均覆盖有敏感电极。本发明专利技术为单片一体集成结构，相对于两个单轴石英角速度传感器组装而成的双轴产品，更便于微型化和批量制作。驱动梁和检测梁分开设置，机械耦合小且灵敏度高。

【技术实现步骤摘要】
双轴石英角速度传感器芯片
本专利技术涉及角速度检测技术，具体涉及一种双轴石英角速度传感器芯片，属于惯性传感

技术介绍
角速度传感器又名陀螺仪，为惯性传感器的一种，广泛应用于军事、工业和消费电子等多个领域。依据工作原理的不同，陀螺可分为机械陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、静电陀螺、半球谐振陀螺、微机械陀螺等，其中微机械陀螺为低精度陀螺，但由于采用MEMS（微电子机械系统）工艺制作，具有体积小、成本低、可靠性高和适合大批量生产等独特优势，特别适合于对精度要求不高但对价格、体积和功耗要求严格的领域。微机械陀螺按照基底材料的不同可分为硅微陀螺和石英微陀螺两类，两种基材的陀螺在国内外均并行发展，在军民领域的应用各有特色。与硅微陀螺相比，石英微陀螺的机械结构和信号处理均比较简单，该特点有利于提高微陀螺的性能。石英晶体在Z轴方向没有压电效应，使得单片式双轴或三轴角速度传感器芯片的结构设计较为困难，国内外相关公司或研究单位推出的石英角速度传感器产品均为单轴产品，双轴和三轴产品均非单片结构，而是通过两个或三个单轴产品组装而成，不利于体积的微型化和成本的低廉化。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的是提供一种利于微型化、结构简单且适合批量制作的双轴石英角速度传感器芯片。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：双轴石英角速度传感器芯片，包括两平行的驱动梁、两平行的Y轴检测梁、一根Z轴检测梁和连接梁，所述驱动梁、Y轴检测梁和Z轴检测梁位于同一平面且其长度方向均沿Y向设置，连接梁两端与两驱动梁和两Y轴检测梁连接形成H形结构，两驱动梁位于连接梁同一侧，两Y轴检测梁位于连接梁另一侧，Z轴检测梁一端与连接梁中部固接并与Y轴检测梁位于同一侧，Z轴检测梁另一端与固定块固接；两驱动梁的上下表面和左右侧壁均覆盖有激励电极，同一驱动梁的上下表面的激励电极连接在一起用于与激励电源的正极/负极连接，该同一驱动梁的左右侧壁的激励电极连接在一起用于与激励电源的负极/正极连接；两驱动梁上下表面激励电极和左右侧壁激励电极与激励电源的连接极性相反以使两个驱动梁沿X方向做弯曲反向振动；两Y轴检测梁的左右侧壁均覆盖有敏感电极，左右侧壁的敏感电极均由上下平行分开的两部分构成，用于收集Y轴检测模态下的Z向平面外振动所引起的压电电荷；所述Z轴检测梁的上下表面和左右侧壁均覆盖有敏感电极，用于收集Z轴检测模态下的X向平面内振动所引起的压电电荷。所述驱动梁、Y轴检测梁、Z轴检测梁、连接梁和固定块在同一块具有压电效应的石英晶体基材上一体制作而成。相比现有技术，本专利技术具有以下优点：1、双轴石英角速度传感器为单片一体集成结构，相对于两个单轴石英角速度传感器组装而成的双轴产品，更便于微型化和批量制作。2、驱动梁和检测梁分开设置，机械耦合小且灵敏度高。附图说明图1-本专利技术双轴石英角速度传感器芯片结构示意图。图2-图1的A1-A1剖视图；图3-图1的B1-B1剖视图；图4-图1的C1-C1剖视图。图5-本专利技术双轴石英角速度传感器芯片的驱动模态示意图；图6-本专利技术双轴石英角速度传感器芯片的Y轴检测模态示意图；图7-本专利技术双轴石英角速度传感器芯片的Z轴检测模态示意图。其中：1-双轴石英角速度传感器；2-驱动梁；3-Y轴检测梁；4-Z轴检测梁；5-连接梁；6-固定块；7a～7d-驱动梁激励电极；8a～8d-Y轴检测梁敏感电极；9a～9d-Z轴检测梁敏感电极。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。如图1所示，本专利技术双轴石英角速度传感器芯片1，包括两平行的驱动梁2、两平行的Y轴检测梁3、一根Z轴检测梁4和连接梁5，所述驱动梁2、Y轴检测梁3和Z轴检测梁4位于同一平面且其长度方向均沿Y向设置，连接梁5两端与两驱动梁2和两Y轴检测梁3连接形成H形结构，两驱动梁2位于连接梁5同一侧，两Y轴检测梁3位于连接梁5另一侧。Z轴检测梁4一端与连接梁5中部固接并与Y轴检测梁位于同一侧，Z轴检测梁4另一端与固定块6固接。为突出结构形状，图1中未示出表面电极图形。参见图2，两驱动梁2的上下表面和左右侧壁均覆盖有激励电极7a～7d，同一驱动梁的上下表面的激励电极7b、7c连接在一起用于与激励电源的正极/负极连接，该同一驱动梁的左右侧壁的激励电极7a、7d连接在一起用于与激励电源的负极/正极连接。两驱动梁上下表面激励电极和左右侧壁激励电极与激励电源的连接极性相反以使两个驱动梁沿X方向做弯曲反向振动。即如果左侧驱动梁的上下表面激励电极与激励电源的正极连接，那么左侧驱动梁的左右侧壁激励电极就与激励电源的负极连接，此时右侧驱动梁的上下表面激励电极与激励电源的负极连接，右侧驱动梁的左右侧壁激励电极与激励电源的正极连接。或者左侧驱动梁的上下表面激励电极与激励电源的负极连接，那么左侧驱动梁的左右侧壁激励电极就与激励电源的正极连接，此时右侧驱动梁的上下表面激励电极与激励电源的正极连接，右侧驱动梁的左右侧壁激励电极与激励电源的负极连接。如图3所示，两Y轴检测梁3的左右侧壁均覆盖有敏感电极8a～8d，左右侧壁的敏感电极均由上下平行分开的两部分构成，用于收集Y轴检测模态下的Z向平面外振动所引起的压电电荷。如图4所示，所述Z轴检测梁4的上下表面和左右侧壁均覆盖有敏感电极9a～9d，用于收集Z轴检测模态下的X向平面内振动所引起的压电电荷。在用于电荷检测输出时，上下表面的敏感电极9b、9c连接在一起，左右侧壁的敏感电极9a、9d连接在一起。图5～7分别为双轴角速度传感器芯片的驱动模态、Y轴检测模态、Z轴检测模态示意图。如图5所示，激励电极7a～7d与外部激励电源连接后在两个驱动梁2内部形成方向相反的激励电场，由逆压电效应产生的作用力使得两个驱动梁2作X方向的左右弯曲振动。如图6所示，有Y轴角速度输入时，两个驱动梁2产生Z方向哥式力并激励驱动梁2作Z向平面外的振动，进而带动Y轴检测梁3的Z向平面外的振动，该振动所产生的形变由于压电效应在Y轴检测梁3的侧壁感应出压电电荷，电荷量与输入的角速度成线性关系，并通过覆盖于Y轴检测梁3侧壁的平行分开的敏感电极8a～8d进行收集，经外部处理电路测量后即可得出Y轴向的输入角速度。如图7所示，有Z轴角速度输入时，两个驱动梁2产生的Y方向哥式力激励两个驱动梁2作上下平面内振动，带动Z轴检测梁作X方向左右弯曲振动，该振动所产生的形变由于压电效应在Z轴检测梁4的侧壁感应出压电电荷，电荷量与输入的角速度成线性关系，并通过覆盖于Z轴检测梁4表面和侧壁的敏感电极9a～9d进行收集，经外部处理电路测量后即可得出Z轴向的输入角速度。本专利技术双轴角速度传感器芯片1在同一基材上加工形成，即构成传感器芯片的两驱动梁2、两Y轴检测梁3、Z轴检测梁4、连接梁5和固定块6在同一块基材上一体制作而成，为整体式，该基材为具有压电效应的石英晶体。由此可见，通过将驱动梁等结构一体化集成，当两个敏感轴向任一方向有角速度输入时，会引起相应检测梁的弯曲振动及表面压电电荷，检测梁上产生的电荷量与输入角速度存在线性关系，通过测量表面电荷量即可得到输入角速度值。相对于两个单轴角速度传感器组装而成的双轴产品，可以在同一个芯片上集成制作，无需后续的两轴组装，因而更便于微型化和批量制作，成本更低。该芯片结构中的驱动梁和其它本文档来自技高网...

【技术保护点】
双轴石英角速度传感器芯片，其特征在于：包括两平行的驱动梁、两平行的Y轴检测梁、一根Z轴检测梁和连接梁，所述驱动梁、Y轴检测梁和Z轴检测梁位于同一平面且其长度方向均沿Y向设置，连接梁两端与两驱动梁和两Y轴检测梁连接形成H形结构，两驱动梁位于连接梁同一侧，两Y轴检测梁位于连接梁另一侧，Z轴检测梁一端与连接梁中部固接并与Y轴检测梁位于同一侧，Z轴检测梁另一端与固定块固接；两驱动梁的上下表面和左右侧壁均覆盖有激励电极，同一驱动梁的上下表面的激励电极连接在一起用于与激励电源的正极/负极连接，该同一驱动梁的左右侧壁的激励电极连接在一起用于与激励电源的负极/正极连接；两驱动梁上下表面激励电极和左右侧壁激励电极与激励电源的连接极性相反以使两个驱动梁沿X方向做弯曲反向振动；两Y轴检测梁的左右侧壁均覆盖有敏感电极，左右侧壁的敏感电极均由上下平行分开的两部分构成，用于收集Y轴检测模态下的Z向平面外振动所引起的压电电荷；所述Z轴检测梁的上下表面和左右侧壁均覆盖有敏感电极，用于收集Z轴检测模态下的X向平面内振动所引起的压电电荷。

【技术特征摘要】
1.双轴石英角速度传感器芯片，其特征在于：包括两平行的驱动梁、两平行的Y轴检测梁、一根Z轴检测梁和连接梁，所述驱动梁、Y轴检测梁和Z轴检测梁位于同一平面且其长度方向均沿Y向设置，连接梁两端与两驱动梁和两Y轴检测梁连接形成H形结构，两驱动梁位于连接梁同一侧，两Y轴检测梁位于连接梁另一侧，Z轴检测梁一端与连接梁中部固接并与Y轴检测梁位于同一侧，Z轴检测梁另一端与固定块固接；两驱动梁的上下表面和左右侧壁均覆盖有激励电极，同一驱动梁的上下表面的激励电极连接在一起用于与激励电源的正极/负极连接，该同一驱动梁的左右侧壁的激励电极连接在一起用于与激...

【专利技术属性】
技术研发人员：林丙涛，朱振忠，李文蕴，蒋昭兴，满欣，赵建华，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十六研究所，
类型：发明
国别省市：重庆;85