摆动式硅微陀螺仪制造技术

本发明专利技术涉及一种摆动式硅微陀螺仪，由上、下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的陀螺仪机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线，该下层玻璃衬底上布置信号引线以及键合点，陀螺仪上层机械结构由一对完全相同的子结构组成，该两个子结构沿Ｙ轴对称设置，并分别与横梁连接，该横梁通过两组扭杆与下层玻璃衬底相键合，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。本发明专利技术采用扭杆和横梁，使陀螺仪绕ｚ轴转动，实现陀螺仪的敏感运动，实现了驱动方向与检测方向的运动解耦；扭杆代替了敏感支承梁，减小了支承梁数目，降低了加工误差对陀螺性能的影响较小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子机械系统和微惯性测量技术，特别是一种摆动式硅微陀螺仪。
技术介绍
微机械惯性仪表包括微机械陀螺仪(MMG)和微机械加速度计(MMA)。利用微电子 加工工艺允许将微机械结构与所需的电子线路完全集成在一个硅片上，从而达到性能、 价格、体积、重量、可靠性诸方面的高度统一。因而，这类仪表具有一系列的优点(如 体积小、重量轻、价格便宜、可靠性高、能大批量生产等)，在军民两方面都具有广泛 的应用前景。在民用方面，主要用于汽车工业、工业监控及消费类产品和机器人技术， 如气囊、防抱死系统、偏航速率传感器、翻滚速率传感器、图象稳定及玩具等等；在军 用领域，主要用于灵巧炸弹、智能炮弹、战术导弹、新概念武器和微型飞机的自主导航 制导系统等。1993年，美国德雷珀实验室通过在玻璃表面复盖硅层技术制作了一种新颖的微机械 陀螺一音叉式线振动陀螺。该陀螺仪由双质量块、支承梁和横梁组成，在驱动力的作用 下双质量在做平行于衬底的线振动，有角速率输入时，双质量块做垂直于衬底平面的角 振动，通过检测质量块与衬底间的电容变化，测试输入角速率。为提高陀螺仪的检测电 容可减小衬底与质量块的间距或增大它们的重叠面积，但这又大大增加了阻尼，陀螺仪 的灵敏度不能有效得到增大。此外，质量块与衬底间的很小间距使得活动结构受到悬浮 力的影响，增加了干扰信号。2007年，裘安萍、苏岩等人研制了的双质量振动式硅微陀螺仪(双质量振动式硅微 陀螺仪200710133223.5)，该陀螺仪由双质量块、支承梁和横梁组成，在驱动力的作用 下双质量在做平行于衬底的线振动，有角速率输入时，双质量块做平行于衬底的另一个 方向的线振动，通过检测敏感电容的变化，测试输入角速率。该陀螺仪采用了八根驱动 支承梁和八根敏感支承梁实现驱动模态与敏感模态的分离。由于微电子工艺的相对误差 较大，加工误差对陀螺仪性能有很大的影响
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能实现驱动模态与检测模态的运动解耦，受加工误差影响较小，且具有高灵敏度、抗干扰能力强的硅微陀螺仪。实现本专利技术目的的技术方案为 一种摆动式硅微陀螺仪，由上、下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的陀螺仪机械结构，下层为制作在玻璃衬底上的信号引线，该下层玻璃衬底上布置信号弓I线以及键合点，陀螺仪上层机械结构由一对完全相同的子结构组成，该两个子结构沿Y轴对称设置，并分别与横梁连接，该横梁通过两组扭杆与下层玻璃衬底相键合，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为(1)两个子结构左右对称布置，增加了输出信号，为单质量块输出信号的两倍，提高了陀螺仪的灵敏度；(2)采用扭杆和横梁，使陀螺仪绕Z轴转动，实现陀螺仪的敏感运动，实现了驱动方向与检测方向的运动解耦；(3)扭杆代替了敏感支承梁，减小了支承梁数目，降低了加工误差对陀螺性能的影响较小；(4)两个子结构的驱动运动和检测运动均为相向运动，形成梳齿差动电容检测，实现了敏感输出解耦，抑制了干扰信号；(5)两个子结构的梳齿反对称布置，在两个子结构的驱动梳齿上施加相同的驱动电压，便可使得两个子结构相向运动，从而简化了电路。下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1是本专利技术摆动式硅微陀螺仪一种实施例的结构示意图。图2是本专利技术摆动式硅微陀螺仪另一种实施例的结构示意图。图3是本专利技术摆动式硅微陀螺仪的下层玻璃衬底上的信号引线示意图。具体实施例方式实施例l:结合图l，本专利技术摆动式硅微陀螺仪，用于测量垂直于基座水平的测量仪器，由上、下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的陀螺仪机械结构，下层为制作在玻璃衬底5上的信号引线，该下层玻璃衬底5上布置信号引线108、 208、 109a、 109b、209a、 209b、 110、 210以及键合点4a、 4b 、 llla、 lllb、 211a、 211b、 112a、 112b、112c、 112d、 212a、 212b、 212c、 212d、 113a、 113b、 213a、 213b，陀螺仪上层机械结构由一对完全相同的子结构100、 200组成，该两个子结构100、 200沿Y轴对称设置，并分别与横梁3a、 3b连接，该横梁3a、 3b通过两组扭杆与固定基座la、 lb连接，该固定基座la、 lb与下层玻璃衬底5相键合，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。每组扭杆分别由一根或一根扭杆以上组成，如可以为两根扭杆2a、 2b、2c、 2d，扭杆在XY平面内。'实施例2:结合图2，本专利技术摆动式硅微陀螺仪，由上、下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的陀螺仪机械结构，下层为制作在玻璃衬底5上的信号引线，该下层玻璃衬底5上布置信号引线108、 208、 109a、 109b、 209a、 209b、 110、 210以及键合点4a、4b、 llla、 lllb、 211a、 211b、 112a、 112b、 112c、 112d、 212a、 212b、 212c、 212d、 113a、113b、 213a、 213b，陀螺仪上层机械结构由一对完全相同的子结构100、 200组成，该两个子结构IOO、 200沿检测轴(Y轴)对称设置，并分别与横梁3a、 3b连接，该横梁3a、 3b通过两组扭杆12a、 12b与下层玻璃衬底5相连，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。每组扭杆由一根扭杆12a、 12b组成，扭杆垂直于XY平面。图l所示的四根扭杆2a、 2b、 2c、 2d与陀螺仪结构布置在同一个平面，通过其弯曲可实现陀螺仪绕敏感轴(Z轴)的摆动。扭杆12a、 12b与陀螺仪结构平面垂直时，通过其转动可实现陀螺仪绕敏感轴(Z轴)的摆动，其结构示意图如图2所示。这两种方案都可以绕敏感轴(Z轴)的摆动，陀螺仪上层机械结构基本相同，只是其实现的方式为两种，即扭杆在XY平面内或扭杆垂直于XY平面。本专利技术摆动式硅微陀螺仪的每个子结构包括质量块IOI、 201，驱动支承梁105a、105b、 105c、 105d、 205a、 205b、 205c、 205d，驱动电容，驱动检测电容和敏感电容，每个质量块101、 201分别通过各自的驱动支承梁105a、 105b、 105c、 105d、 205a、 205b、205c、 205d与横梁3a、 3b相连。每个质量块IOI、 201四周对称分布直线形活动梳齿，其中沿驱动轴(X轴)对称分布的活动驱动梳齿与固定驱动梳齿103a、 103b、 103c、 103d、203a、 203b、 203c、 203d交错对插排列形成驱动电容，在固定驱动梳齿103a、 103b、103c、 103d、 203a、 203b、 203c、 203d上施加带直流偏置的交流电压，实现陀螺仪的单边静电驱动。活动驱动检测梳齿与固定驱动检测梳齿104a、 104b、 204a、 204b交错对插排列形成驱动检测电容；质量块IOI、 201沿检测轴(Y轴)对称分布活动敏感梳齿6与固定敏感梳齿102a、 102b、 202a、 202b交错对插排列形成敏感电容。在固定驱动梳齿103a、 103b、 103c、 103d、 203a、 203b、 203c、 203本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种摆动式硅微陀螺仪，由上、下两层构成，上层为制作在单晶硅片上的陀螺仪机械结构，下层为制作在玻璃衬底［５］上的信号引线，该下层玻璃衬底［５］上布置信号引线［１０８、２０８、１０９ａ、１０９ｂ、２０９ａ、２０９ｂ、１１０、２１０］以及键合点［４ａ、４ｂ、１１１ａ、１１１ｂ、２１１ａ、２１１ｂ、１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ、２１２ａ、２１２ｂ、２１２ｃ、２１２ｄ、１１３ａ、１１３ｂ、２１３ａ、２１３ｂ］，其特征在于：陀螺仪上层机械结构由一对完全相同的子结构［１００、２００］组成，该两个子结构［１００、２００］沿Ｙ轴对称设置，并分别与横梁［３ａ、３ｂ］连接，该横梁［３ａ、３ｂ］通过两组扭杆与下层玻璃衬底［５］相键合，使上层的机械结构部分悬空在下层的玻璃衬底部分之上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：苏岩，裘安萍，施芹，丁衡高，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]