一种横向检测式陀螺制造技术

本发明专利技术是一种横向检测式陀螺，它是利用科立奥利力检测角速度的一种仪器。本发明专利技术立足于半导体的版图设计，在横向检测式微硅陀螺质量块上的四角处配置对称的八根梁，使得驱动与检测两方向的固有频率完全一致，以使得该陀螺的性能最佳。它是随着硅微机械加工技术的发展而发明专利技术的一种新型陀螺，可应用于汽车导航及汽车防滑自动控制等方面。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种横向检测式陀螺，它是利用科立奥利力检测角速度的一种仪器。要确定一个物体的运动状态，除了需要知道三个方向的线加速度，还需要知道三个方向的角速度，这就需要陀螺。陀螺是利用科立奥利力检测角速度的一种仪器，它在空间导航，导弹制导等领域都有着重要的作用，另外陀螺在一些商业领域也有很重要的应用，如横向检测式微硅陀螺是随着硅微机械加工技术的发展而出现的一种新型陀螺，它的主要特征为要检测的角速度方向垂直于该陀螺的安装平面，可应用于汽车导航，汽车在光滑路面(如雪地和冰面)上的防滑自动控制，图1表示了一个横向检测式陀螺的原理，该陀螺振动方向和敏感方向轴在同一个平面内，图中1为陀螺的质量块(设质量为m)；2和3表示Y方向的两弹簧(设总的弹性系数为KY=KY/2+KY/2)；4和5表示X方向的两弹簧(设总的弹性系数为KX=KX/2+KX/2)；6是X方向，即驱动方向；7是Y方向，即检测方向；8是固定物(图中深黑色部分都固定在衬底上，除此之外，都悬浮在衬底上，即与衬底有一定距离，一般为1-3微米)；9是需检测的角速度方向Z；在外驱动下，质量块沿X轴振动，当系统受到垂直于平面方向的角速度时，在科立奥利力的作用下，质量块将沿Y轴运动。两方向运动的合成将使得质量块作椭圆运动。通过检测Y方向的运动状况，将可以求出角速度的大小。为了得到大的驱动振幅，应取驱动频率ωx为系统沿X方向的谐振频率ωx0(ωx0=Kx/m]]>)。在垂直于安装平面的角速度Ω的作用下，要使得质量块受到的沿Y方向的科立奥利力和引起的Y方向振幅尽可能大，陀螺检测角速度的灵敏度尽可能高，应该使得驱动振幅和Q值(品质因子)尽可能高，并使得X与Y方向的固有频率(ωy0(ωy0=KY/m]]>)为Y方向的谐振频率尽量接近，在现有技术中，如图2给出了利用表面牺牲层工艺制作的横向电容检测式多晶硅材料的陀螺，参见ParkK.Y.,Lee C.W.,Oh Y.S.和Cho Y.H.，第十一届国际微机电系统年会论文集，1997,494-499。图2中，1是质量块；6是X方向，即驱动方向；7是Y方向，即检测方向；8是固定物(图中深黑色部分都固定在衬底上，除此之外，都悬浮在衬底上，即与衬底有一定距离，一般为1-3微米)；9是需检测的角速度方向Z；10是质量块上的驱动电极，为驱动用的动齿；11是鱼钩状梁，共四根；12(L型)和13(T型)是两组感应电极，它们与质量块形成两差分电容，图中T型的所有电极通过底电极连接在一起，L型的所有电极也通过底电极连接在一起；14和15是两反馈电极，其作用是在陀螺闭环工作时，加电使得质量块回到平衡位置；16和17是两组驱动用的定齿。当在图中两驱动电极16和17加上相位相反，频率ωx接近驱动共振频率ωx0的交流信号，中间悬浮的质量块上加上一直流电位，由于静电力的作用，质量块会沿驱动方向X振动。Z方向的角速度会由于科立奥利力的作用引起质量块在检测方向Y产生一位移，这一位移引起差分电容对的大小发生变化(一边电容变大，另一边电容变小)，这一变化转化为电压信号，即可检测到Z方向的角速度大小。如前分析，此陀螺在检测方向Y产生的科立奥利力大小及其引起的位移的大小与陀螺结构中驱动与检测两方向的固有频率有关，当这两频率相等时，产生的位移最大，灵敏度最高。图中陀螺有4根鱼钩状梁，其驱动与检测两方向的固有频率的调制通过梁的各段长度的长短来控制，如图3所示，图3中，8是梁的固定端；18、19、20、21分别是梁的各段长度，设为l1,l2,l3和l4。这在工艺与模拟上都需要做大量的工作，如文献中给出了该种鱼钩梁在X与Y方向梁的弹性系数KX与KY的一个非常复杂的计算公式，参见Park K.Y.,Lee C.W.,Oh Y.S.和Cho Y.H.，第十一届国际微机电系统年会论文集，1997,494-499，然而文献作者根据此公式计算结果设计的陀螺，其两固有频率仍相差了约1.2KHz(驱动固有频率为14.1KHz，检测固有频率为15.3KHz)，该文献中所述的陀螺只能采用对检测电极加上直流电压的方法来调节降低检测固有频率，才能使得驱动固有频率与检测固有频率两者达到相等。为了克服已有技术中的不足，该专利技术的目的在于立足于版图设计，寻找一简单可行的方法使得陀螺驱动与检测两方向的固有频率完全一致，可以节约大量工艺实验，大大降低生产成本。特此设计了一种横向检测式陀螺。下面结合附图具体说明该横向检测陀螺的设计方案具体的方案为通过在横向检测式陀螺质量块的另一方向加上对称的四根梁，共八根梁(所说的及下文中提到的“对称”是指在陀螺质量块四个直角的任意角上的梁相对于该角的角平分线对称)，使得在驱动和检测两方向的梁的形状完全一样，对于采用(100)型硅片制作横向检测式微硅陀螺，即可使得驱动与检测两方向的固有频率完全一致，由于陀螺通常在真空下工作，质量块在驱动和检测两方向上的形状差异引起的阻尼系数的差异可忽略，并且一般陀螺的质量块的尺度要远大于梁的尺度(如相差30倍，质量块与梁相比近似可认为是一刚体，不会发生形变)，因此简单有效地解决了这一问题。由图1所示的一个横向检测式陀螺的原理图中，显见，该陀螺的振动方向和敏感方向轴是在同一平面内，图1中的1为陀螺的质量块(设质量为m)；2和3表示Y方向的两个弹簧；4和5表示X方向的两个弹簧；6为驱动方向，即X方向；7为检测方向，即Y方向；8为固定物，弹簧和质量块都通过梁的一端悬挂在此固定物上；9为需检测的角速度方向Z。在外驱动下，质量块沿X轴振动，当系统受到垂直于平面方向的角速度时，在科立奥利力的作用下，质量块将沿Y轴运动，由X、Y两方向运动的合成使质量块作椭圆运动。在垂直于安装平面的角速度Ω的作用下，要使Y方向的振幅尽可能大，则陀螺检测角速度的灵敏度尽可能高，就应使得X与Y方向的固有频率尽量相等，因此，采用了在陀螺质量块的另一方向上再加四根对称的梁，来实现本专利技术方案，所谓“对称”是指在陀螺质量块四个直角的任意角上的梁相对于该直角的角平分线对称，且驱动和检测两方向的梁的形状完全一样，从而达到驱动和检测两方向的固有频率完全一致，在质量块上设有驱动电极，见图2中的10所示，图2给出了利用表面牺牲层工艺制作的横向检测式多晶硅材料的陀螺，其中的10是质量块上的驱动电极，为驱动用的动齿；11是鱼钩状梁，共四根；12(L型)和13(T型)是两组感应电极，与质量块形成两差分电容，图中T型的所有电极通过底电极连接在一起，L型的所有电极也通过底电极连接在一起；14和15是两反馈电极，可在陀螺闭环工作时，加电可使质量块回到平衡位置；16和17是两组驱动用的定齿。当在16和17加上相位相反，频率接近驱动共振频率的交流信号时，并对中间悬浮的质量块上加上一直流电位，由于静电力的作用，质量块就沿驱动方向X振动。Z方向的角速度会引起质量块在检测方向Y产生一位移。由此位移引起差分电容变化并转化为电压信号，由此可检测到Z方向角速度大小，当驱动与检测两方向的固有频率相等时，产生的位移最大，灵敏度最高。如图3所示，它是一种传统的横向检测式陀螺梁的形状，该驱动与检测两方向的固有频率的调制是通过梁的各段长度的长短来控制的。图3中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种横向检测式陀螺，它包含有质量块、质量块的驱动电极、反馈电极、驱动固定电极的定齿、固定在衬底上的固定物、连接于质量块与固定物之间并支撑质量块的梁，其特征是支撑质量块的梁是由质量块的四个直角引出８根对称性的梁所组成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：肖志雄，李志宏，郝一龙，武国英，王阳元，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]