基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪制造技术

本发明专利技术公开一种基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪。该陀螺仪包括垂直两层，上层为硅微陀螺仪的机械模块，下层为敷有信号引线的玻璃衬底，陀螺仪的机械模块由两个完全相同的子模块构成，且水平对称放置，两个敏感质量块之间分别通过驱动耦合折叠梁和横梁在驱动方向和敏感方向连接，使得两个敏感质量块在驱动模态和检测模态都相互关联。每个子模块包括敏感质量块、驱动模块、驱动反馈模块、检测模块、驱动支承梁、驱动反馈支承梁、检测支承梁、驱动解耦梁、检测解耦梁、检测耦合支承梁、以及固定锚点。本发明专利技术中的两个子模块采用同频反相驱动模式，检测模块实现差分检测，能有效抑制外界冲击、温度以及加工缺陷的影响，抗共模误差能力强。

【技术实现步骤摘要】
基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪
本专利技术属于微电子机械系统和微惯性测量领域，特别涉及一种基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪。
技术介绍
机械模块与电子系统的微型化与集成——微机电系统(MEMS)技术的出现，给惯性传感器领域带来一场革命。其中，硅微陀螺仪具有微型化与集成化、高可靠性、低功耗、易于数字化和智能化、动态性能好等优异性能。随着性能的不断提高，硅微陀螺仪已经取代了部分传统的陀螺仪，在消费类电子、汽车工业、生物医药等领域取得了广泛的应用。现有技术中，双质量块硅微陀螺仪采用两个子模块相互独立、即两个敏感质量块在驱动模态和检测模态都不关联，或者两个敏感质量块在驱动模态关联而在检测模态不关联的模块设计方式，这就使得两个子模块的驱动和检测模态振动频率不能完全一致，且容易受到同相模态、扭转模态等干扰模态的影响，难以实现准确的差分检测，抗共模干扰能力差；同时，硅微陀螺仪多采用不解耦或者半解耦模块形式，驱动模态和检测模态之间存在较大的耦合，在无哥氏力效应的情况下，其驱动模态的振动能量也会耦合到检测模态，产生较大的输出误差。
技术实现思路
有鉴于此，为了克服现有技术中的不足，本专利技术提供了一种基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪，两个敏感质量块在驱动模态和检测模态都关联，其可达到振动特性一致、振动平稳、全解耦、驱动幅度大、检测灵敏度高、抗干扰能力强、误差小的效果。本专利技术提供一种基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪，其包括：玻璃衬底(1c)，其上布置有多个金属电极，且每一所述金属电极上设有多个键合点(18a1、18a2、18a3、18a4、18a5、18a6)；机械模块(1d)包含两子模块(1a、1b)，且两子模块(1a、1b)对称设在所述衬底上，且一所述子模块包括敏感质量块(4a)、驱动模块(5a1)、驱动反馈模块(5a2)、检测模块(6a1、6a2)、驱动支承梁(7a1、7a2)、驱动反馈支承梁(7a3、7a4)、检测支承梁(8a1、8a2、8a3、8a4)、驱动解耦梁(10a1、10a2)、检测解耦梁(9a1、9a2)、检测耦合支承梁(11a1、11a2、11a3、11a4)、以及固定锚点(13a1、13a2、13a3、13a4)；其中，两所述敏感质量块(4a、4b)之间通过驱动耦合折叠梁(2a，2b)和横梁(3a，3b)连接，固定锚点(13a1、13a2、13a3、13a4、13a5、13a6)固接在所述衬底上的键合点(18a1、18a2、18a3、18a4、18a5、18a6)上。进一步地，所述驱动模块(5a1)与所述驱动反馈模块(5a2)对称放置于每一所述敏感质量块(4a)的两侧，所述驱动模块(5a1)通过所述检测解耦梁(9a1)与所述敏感质量块(4a)相连；所述驱动反馈模块(5a2)通过所述检测解耦梁(9a2)与所述敏感质量块(4a)相连；两所述检测模块(6a1、6a2)对称放置于敏感质量块(4a)的另两侧，并分别通过驱动解耦梁(10a1、10a2)与敏感质量块(4a)相连；所述驱动模块(5a1)通过所述驱动支承梁(7a1、7a2)与所述固定锚点(13a1、13a2)相连，所述驱动反馈模块(5a2)通过所述驱动反馈支承梁(7a3、7a4)与所述固定锚点(13a3、13a4)相连，所述检测模块(6a1、6a2)通过所述检测支承梁(8a1、8a2、8a3、8a4)与所述固定锚点(13a1、13a2、13a3、13a4)相连。进一步地，所述子模块(1a)沿着过其中心点的驱动方向对称，且同时沿着过其中心点的检测方向对称。进一步地，所述金属电极包括公共电极(19a)、驱动电极(20a1、20a2)，所述驱动模块(5a1)还包括与所述公共电极(19a)连接的活动驱动梳齿(14a1、14a2)、与所述驱动电极(20a1、20a2)连接的固定驱动梳齿锚点(13a7、13a8、13a9、13a10)和设置于固定驱动梳齿锚点(13a7、13a8、13a9、13a10)上的固定驱动梳齿(15a1、15a2、15a3、15a4)。进一步地，所述金属电极包括公共电极(19a)、驱动反馈电极(21a1、21a2)，所述驱动反馈模块(5a2)包括与所述公共电极(19a)连接的活动驱动反馈梳齿(14a3、14a4)，与所述驱动反馈电极(21a1、21a2)连接的固定驱动反馈梳齿锚点(13a11、13a12、13a13、13a14)和设置于固定驱动反馈梳齿锚点(13a11、13a12、13a13、13a14)上的固定驱动反馈梳齿(15a5、15a6、15a7、15a8)。进一步地，所述金属电极包括公共电极(19a)、检测电极(22a1、22a2)，所述检测模块(6a1、6a2)还包括与所述公共电极(19a)连接的活动检测梳齿(16a1、16a2、16a3、16a4)，与所述检测电极(22a1、22a2)连接的固定检测梳齿锚点(13a15、13a16、13a17、13a18、13a19、13a20、13a21、13a22、13a23、13a24、13a25、13a26、13a27、13a28、13a29、13a30)和设置于固定检测梳齿锚点(13a15、13a16、13a17、13a18、13a19、13a20、13a21、13a22、13a23、13a24、13a25、13a26、13a27、13a28、13a29、13a30)上的固定检测梳齿(17a1、17a2、17a3、17a4、17a5、17a6、17a7、17a8、17a9、17a10、17a11、17a12、17a13、17a14、17a15、17a16)。进一步地，所述驱动模块(5a1)、所述驱动反馈模块(5a2)、所述检测模块(6a1、6a2)和所述敏感质量块(4a)两两之间保持一定间隔，所述驱动模块(5a1)、所述驱动反馈模块(5a2)和所述检测模块(6a1、6a2)各配置有支承梁。进一步地，所述驱动模块(5a1)和所述驱动反馈模块(5a2)用于在水平方向振动，所述检测模块(6a1、6a2)用于在垂直方向振动；所述敏感质量块(4a)用于在平面内水平和垂直方向运动。进一步地，所述两子模块(1a、1b)在驱动状态和检测状态下同为同频反相工作模式，所述检测模块(6a1、6a2、6b1、6b2)实现差分检测。本专利技术与现有技术相比，其优点在于：(1)驱动模块通过驱动耦合折叠梁连接，实现两个敏感质量块在驱动模态的关联；检测模块通过检测耦合支承梁和横梁连接，实现两个敏感质量块在检测模态的关联；两个敏感质量块在驱动模态和检测模态都关联使得两个子模块的驱动、检测模态固有频率相同，进而保证两个子模块的振动特性趋于一致；(2)基座直梁对检测运动进行调整，限制了检测同相、扭转等干扰模态，并调节驱动模态与检测模态之间的频差；(3)两个子模块完全相同并对称放置，驱动采用同频反相模式，当有角速度输入时，检测模态也工作在同频反相模式，检测模块实现差分检测，能有效抑制外界冲击、温度以及加工缺陷的影响，抗共模误差能力强；(4)驱动模块中的梳齿电容采用变面积形式，滑膜阻尼小，驱动振幅大，品质因数较高；检测模块中的梳齿电容采用变间距形式，电容变化量大，陀螺仪的灵本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪，其包括：玻璃衬底(1c)，其上布置有多个金属电极，且每一所述金属电极上设有多个键合点(18a1、18a2、18a3、18a4、18a5、18a6)；机械模块(1d)包含两子模块(1a、1b)，且两子模块(1a、1b)对称设在所述衬底上，且一所述子模块包括敏感质量块(4a)、驱动模块(5a1)、驱动反馈模块(5a2)、检测模块(6a1、6a2)、驱动支承梁(7a1、7a2)、驱动反馈支承梁(7a3、7a4)、检测支承梁(8a1、8a2、8a3、8a4)、驱动解耦梁(10a1、10a2)、检测解耦梁(9a1、9a2)、检测耦合支承梁(11a1、11a2、11a3、11a4)、以及固定锚点(13a1、13a2、13a3、13a4)；其中，两所述敏感质量块(4a、4b)之间通过驱动耦合折叠梁(2a，2b)和横梁(3a，3b)连接，固定锚点(13a1、13a2、13a3、13a4、13a5、13a6)固接在所述衬底上的键合点(18a1、18a2、18a3、18a4、18a5、18a6)上。

【技术特征摘要】
1.一种基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪，其包括：玻璃衬底(1c)，其上布置有多个金属电极，且每一所述金属电极上设有多个键合点(18a1、18a2、18a3、18a4、18a5、18a6)；机械模块(1d)包含两子模块(1a、1b)，且两子模块(1a、1b)对称设在所述衬底上，且一所述子模块包括敏感质量块(4a)、驱动模块(5a1)、驱动反馈模块(5a2)、检测模块(6a1、6a2)、驱动支承梁(7a1、7a2)、驱动反馈支承梁(7a3、7a4)、检测支承梁(8a1、8a2、8a3、8a4)、驱动解耦梁(10a1、10a2)、检测解耦梁(9a1、9a2)、检测耦合支承梁(11a1、11a2、11a3、11a4)、以及固定锚点(13a1、13a2、13a3、13a4)；其中，两所述敏感质量块(4a、4b)之间通过驱动耦合折叠梁(2a，2b)和横梁(3a，3b)连接，固定锚点(13a1、13a2、13a3、13a4、13a5、13a6)固接在所述衬底上的键合点(18a1、18a2、18a3、18a4、18a5、18a6)上。2.根据权利要求1所述的一种基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪，其特征在于：所述驱动模块(5a1)与所述驱动反馈模块(5a2)对称放置于每一所述敏感质量块(4a)的两侧，所述驱动模块(5a1)通过所述检测解耦梁(9a1)与所述敏感质量块(4a)相连；所述驱动反馈模块(5a2)通过所述检测解耦梁(9a2)与所述敏感质量块(4a)相连；两所述检测模块(6a1、6a2)对称放置于敏感质量块(4a)的另两侧，并分别通过驱动解耦梁(10a1、10a2)与敏感质量块(4a)相连；所述驱动模块(5a1)通过所述驱动支承梁(7a1、7a2)与所述固定锚点(13a1、13a2)相连，所述驱动反馈模块(5a2)通过所述驱动反馈支承梁(7a3、7a4)与所述固定锚点(13a3、13a4)相连，所述检测模块(6a1、6a2)通过所述检测支承梁(8a1、8a2、8a3、8a4)与所述固定锚点(13a1、13a2、13a3、13a4)相连。3.根据权利要求1所述的一种基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪，其特征在于：所述子模块(1a)沿着过其中心点的驱动方向对称，且同时沿着过其中心点的检测方向对称。4.根据权利要求1所述的一种基于双音叉效应的对称全解耦双质量块硅微陀螺仪，其特征在于：所述金属电极包括公共电极(19a)、驱动电极(20a1、20a2)，所述驱动模块(5a1)还包括与所述公共电极(19a)连接的活动驱动梳齿(14a1、14a2)、与所述驱动电极(20a1、20a2)连接的固定驱动梳齿锚点(13a7、13a8、13a9、13a10)和设置于固定驱动梳齿锚点(13a7、...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨波，戴波，邓允朋，柳小军，王行军，胡迪，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32