一种可调整降低正交误差的微陀螺仪制造技术

一种可调整降低正交误差的微陀螺仪，涉及一种陀螺仪。设有下层为衬底，衬底表面设有悬浮结构层准备的深槽；上层为单晶硅整体制作通过局部刻蚀形成陀螺机械结构，包括驱动框架、检测质量块、悬浮检测电极质量块、电隔离梁、驱动支承梁、检测支承梁、检测电极支承梁、检测电极和驱动电极，检测质量块与外围的驱动框架相连，驱动框架左右两侧对称分布着梳齿，梳齿与外侧驱动电极的梳齿交错分布形成驱动电容，外围的驱动框架通过驱动支撑梁与硅基底相连；检测电极质量块一侧与驱动框架通过电隔离梁连接并分布在检测质量块内侧4个角，另一侧与检测电极相连。能实现驱动模态和检测模态解耦、驱动框架振动方向和检测质量块振动方向之间相对角度可调。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种陀螺仪，特别是一种可调整降低正交误差的微陀螺仪。
技术介绍
陀螺仪是一种可检测角速度或者角度的测量装置。微机械陀螺仪通过微电子机械系统加工工艺技术可以使陀螺仪具有体积小、重量轻、功耗低、抗过载能力强、能适用于较为恶劣的环境条件等优点。近几年市场对微机械陀螺仪的需求日益增加，譬如在汽车工业、 移动通讯终端方面、民用惯性导航系统、消费电子类产品等，实际应用产品有防翻滚速率传感器、空中姿态保持系统、自主导航系统、手机移动终端、3D鼠标、游戏手柄、游戏机、数码产品图像防抖以及玩具等。微机械陀螺仪基于哥式效应，通过微机械加工工艺实现，通过检测检测质量块与检测电极间相对位移，再由外部电路处理，最终得到物体角速度或角度信息。微硅陀螺仪机械结构悬浮部分为一个整体，工作时存在驱动模态以及检测角速度的检测模态。理想状态下，驱动模态谐振方向与检测模态谐振方向正交。然而在实际工作中，由于机械结构悬浮部分为互相连接的一个整体，驱动模态运动无法避免的会影响检测模态的运动，即在没有外界角速度输入时，检测模态仍然会产生信号，由于该干扰信号与实际信号相差90°的相位， 因此该干扰信号引起的误差通常称作正交误差。引起正交误差的主要原因有1弹性支承梁同时提供两个方向，即驱动方向和检测模态谐振方向的刚度，从而无法避免的产生驱动模态刚度与检测模态刚度间的相互串扰；2由于制作误差使得驱动质量块与检测质量块运动方向偏离原设计方向，且驱动模态谐振方向与检测模态谐振方向无法保持正交。在无角速度输入时，检测质量块被驱动质量块带动引起干扰。2002年德国微机械及信息技术研究所(IMIT, Institute ofMicromachining and Information Technology)的 W. Geiger 教授(W. Geiger et al. ,Decoupledmicrogyros and the design principle DAVED, Sensors and Actuators A 95,2002,239-249)提出了关于解耦式陀螺的分类以及发展。振动式微硅陀螺通过使用半解耦以及全解耦的结构设计对模态间串扰进行抑制， 在半解耦全解耦设计中，其结构至少包含两个质量块，其驱动模态和检测模态的弹性支承梁只是提供单一方向的刚度，同时限制该模态质量块沿另一个模态的运动，该方法的优点在于减小驱动模态和检测模态间的刚度耦合。该设计虽然减小模态间的刚度耦合，但是其在驱动质量块与检测质量块运动方向偏离原设计方向引起的正交误差无法克服。1998 年，美国加州大学伯克利分校的 William A. Clark (William A. Clark et al.，Surface micromachined Z-axis vibratoryrate gyroscope, Technical Digest. Solid-State Sensor and Actuator Workshop, 1996, 283-287)提出通过外部电路施加静电力产生扭矩从而矫正偏离设计方向的质量块谐振方向的方案，但是在该设计中驱动模态弹性支承梁与检测模态弹性支承梁共用，刚度耦合大，因此该陀螺仪的性能受到制约。中国专利200310101017. 8公开一种可调整克服外界平动加速度的微陀螺仪，将检测电极设计为悬浮检测，但是该设计无法克服正交误差的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可调整降低正交误差的微陀螺仪。本专利技术能实现驱动模态和检测模态解耦、驱动框架振动方向和检测质量块振动方向之间相对角度可调，其悬浮检测电极质量块与驱动框架同步运动并由检测质量块梳齿相对检测电极梳齿沿感测方向产生位移来感测角速度信号，从而降低微陀螺驱动模态对检测模态的干扰，大幅抑制正交误差。本专利技术设有上下两层，下层为衬底，衬底表面设有悬浮结构层准备的深槽；上层为单晶硅整体制作通过局部刻蚀形成陀螺机械结构，所述陀螺机械结构包括驱动框架、检测质量块、悬浮检测电极质量块、电隔离梁、驱动支承梁、检测支承梁、检测电极支承梁、检测电极和驱动电极，所述检测质量块位于中心呈“王”字形，检测质量块通过检测支承梁与外围的驱动框架相连，驱动框架呈“ 口 ”字形且左右两侧对称分布着梳齿，所述梳齿与外侧驱动电极的梳齿交错分布形成驱动电容，外围的驱动框架通过驱动支撑梁与硅基底相连，检测电极质量块一侧与驱动框架通过电隔离梁连接并分布在检测质量块内侧4个角，检测电极质量块另一侧通过检测电极支承梁与检测电极相连。所述驱动框架、检测质量块、悬浮检测电极质量块、电隔离梁、驱动支承梁、检测支承梁和检测电极支承梁最好对应于衬底的深槽位置并悬浮在衬底之上。所述衬底可采用玻璃衬底。所述驱动电极、检测电极和硅基底一起与衬底形成键合，并与其他陀螺机械部分分离。本专利技术是一种检测模态不易受到驱动模态干扰的微陀螺仪，通过固连在驱动框架上可随驱动框架同步运动的悬浮检测电极感测检测质量块相对悬浮检测电极在感测方向产生的位移，将传统微硅陀螺中感测检测质量块位移改进为感测检测质量块与悬浮检测电极在感测方向的相对位移，使感测信号更易分离和读取。与现有技术相比，本专利技术具有以下突出优点1)悬浮检测电极质量块通过电隔离梁与驱动框架结构上连接，但在电学上隔离。 悬浮检测电极质量块与驱动框架在X轴方向同步运动。当有Z轴方向角速度介入时，悬浮检测电极梳齿与检测质量块梳齿在X轴方向同步运动的同时在Y轴方向产生相对位移从而产生信号；2) 一种可调整降低正交误差的微陀螺仪包含4对检测电极，且各自相互独立。通过施加偏压，可调整悬浮的驱动框架谐振方向与悬浮的检测质量块谐振方向之间的相对角度，该方法在解耦设计的基础上，同时可以实现调整补偿由制作误差引起的驱动质量块与检测质量块运动方向偏离原设计方向所产生的正交误差。附图说明图1是本专利技术实施例的结构组成俯视图。图2是图1中的A-A剖面图。图3是图1中的B-B剖面图。图4是本专利技术实施例的驱动框架和驱动梳齿的结构组成俯视图。图5是本专利技术实施例的检测质量块和检测质量块梳齿的结构组成俯视图。图6是本专利技术实施例的悬浮检测电极部分的结构组成俯视图。图7是本专利技术实施例的正交误差调整示意图。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。参见图1，本专利技术实施例用于测量Z轴方向即垂直于陀螺仪结构平面的角速率。本专利技术实施例设有上下两层，下层为玻璃衬底15，玻璃衬底15表面设有悬浮结构层准备的深槽16 ；上层为单晶硅整体制作通过局部刻蚀形成陀螺机械结构，所述陀螺机械结构包括驱动框架4，检测质量块5，悬浮检测电极质量块6a、6b、6c、6d，电隔离梁10a、IObUOcUOd, 驱动支承梁7a、7b、7c、7d，检测支承梁8a、8b、8c、8d、8e、8f，检测电极支承梁9a、9b、9c、9d、 96、9厂98、911，检测电极加、213、2(；、2(1、加、2厂28、211和驱动电极IaUbUcUd0所述检测质量块5位于中心呈“王”字形，检测质量块5通过检测支承梁8a、8b、8C、8d、8e、8f与外围的驱动框架4相连，驱动框架4呈“口”字形且左右两侧对称分布着驱动框架梳齿11。外围的驱动框架4通过驱动支撑梁7a、7b、7c、7d本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种可调整降低正交误差的微陀螺仪，其特征在于设有上下两层，下层为衬底，衬底表面设有悬浮结构层准备的深槽；上层为单晶硅整体制作通过局部刻蚀形成陀螺机械结构，所述陀螺机械结构包括驱动框架、检测质量块、悬浮检测电极质量块、电隔离梁、驱动支承梁、检测支承梁、检测电极支承梁、检测电极和驱动电极，所述检测质量块位于中心呈“王”字形，检测质量块通过检测支承梁与外围的驱动框架相连，驱动框架呈“口”字形且左右两侧对称分布着梳齿，所述梳齿与外侧驱动电极的梳齿交错分布形成驱动电容，外围的驱动框架通过驱动支撑梁与硅基底相连，检测电极质量块一侧与驱动框架通过电隔离梁连接并分布在检测质量块内侧４个角，检测电极质量块另一侧通过检测电极支承梁与检测电极相连。

【技术特征摘要】
1.一种可调整降低正交误差的微陀螺仪，其特征在于设有上下两层，下层为衬底，衬底表面设有悬浮结构层准备的深槽；上层为单晶硅整体制作通过局部刻蚀形成陀螺机械结构，所述陀螺机械结构包括驱动框架、检测质量块、悬浮检测电极质量块、电隔离梁、驱动支承梁、检测支承梁、检测电极支承梁、检测电极和驱动电极，所述检测质量块位于中心呈 “王”字形，检测质量块通过检测支承梁与外围的驱动框架相连，驱动框架呈“ 口 ”字形且左右两侧对称分布着梳齿，所述梳齿与外侧驱动电极的梳齿交错分布形成驱动电容，外围的驱动框架通过驱动支撑梁与硅基底相连，检测电极质量块一侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫鑫，陈旭远，伞海生，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：92