[发明专利]径向支撑体声波硅微陀螺仪

说明书

本发明公开了一种径向支撑体声波硅微陀螺仪，包括圆盘形状谐振子，侧向支撑臂，圆弧形驱动电极，具有位移放大机构的电容检测电极，检测电极固定凸台和基板。陀螺采用圆盘形状谐振子的2个面内四波幅波节频率匹配模态作为驱动模态和检测模态，陀螺的所有结构全部在<111>硅片上通过微机械电子加工工艺实现。陀螺利用在侧向支撑的方式支撑圆盘形状谐振子，通过静电驱动和三角放大机构放大检测模态的位移输出的方法测量角速度的输入，提高了陀螺的灵敏度，简化了体声波硅微陀螺的制作工艺，降低了生产成本，提高了陀螺的抗冲击能力，减小了陀螺的零偏，提高了陀螺的精度。

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的微陀螺，具体地说，涉及的是一种径向支撑体声波硅微陀螺仪。

背景技术

微陀螺仪是一种利用微机械电子（MEMS）工艺制作的能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。得益于近来微电子加工技术的进步，硅微陀螺仪由于加工工艺可和集成电路工艺兼容而得到了快速的发展，体积小，能耗低的硅微陀螺仪在消费电子姿态控制系统、汽车辅助导航和安全控制系统、工业机器人姿态控制、武器惯性制导等方面得到了广泛的应用。

体声波硅微陀螺仪是采用体声波技术来制作新型固态MEMS陀螺仪，相比现有的陀螺仪，具有以下优点：尺寸更小、动态响应好、可靠性高、成本更低、容易实现CMOS工艺集成。现有的MEMS陀螺仪技术利用质量块低频振动（5~50kHz）来测量角速度，而体声波 MEMS陀螺仪的工作频率高出几个数量级，是兆赫兹范围（1~10MHz）。使用体声波技术制作的陀螺仪刚度较高，这不仅使陀螺仪对环境中的振动不敏感，还可以防止在生产制造过程中出现粘附问题，因此提高了MEMS器件的可靠性和成品率。在实际应用中，往往存在振动影响陀螺仪正常工作，而体声波MEMS陀螺仪拥有更出色的性能表现。

由于体声波陀螺圆盘谐振子刚度较大、工作频率较高，因此其驱动模态和检测模态下谐振子的振动幅值都在20nm左右，为增大陀螺的灵敏度，圆弧形驱动电极和检测电极同圆盘形状谐振子之间的电容间隙只有200nm，圆盘厚40μm，其深宽比高达200:1，电容间隙加工十分困难，且由于间隙宽度较小，侧壁表面粗糙度精度难以控制，工作过程中容易引起隧穿；为减小体声波陀螺仪中圆柱状支撑柱振动引起的支撑阻尼，增大硅微陀螺仪的机械品质因数，陀螺仪的支撑柱直径要非常小，在工艺制作过程中利用控制SiO₂刻蚀液的刻蚀时间来控制SiO₂支撑柱直径大小的方法使得陀螺的工艺难度加大；同圆盘谐振子中心固定的单一的小直径支撑柱由于尺寸较小，使得陀螺抗冲击能力较弱；驱动模态下圆弧形检测电极同谐振子之间输出并不为零，增大了陀螺的零偏和噪声，影响了陀螺的测量精度。

发明内容

本发明针对现有技术的不足提供了一种径向支撑体声波硅微陀螺仪，陀螺仪采用圆盘形状谐振子径向支撑代替圆盘形状谐振子中心圆柱支撑的方案，采用三角型位移放大机构放大检测模态位移输出的方法，提高了陀螺的灵敏度，简化了体声波硅微陀螺仪加工工艺，提升了陀螺仪的抗冲击能力，减小了陀螺的零偏，提高了陀螺的精度。

为实现上述目的，本发明提出如下的技术方案：一种径向支撑体声波硅微陀螺仪，包括圆盘形状谐振子，侧向支撑臂，具有位移放大机构的电容检测电极，检测电极固定凸台，圆弧形驱动电极和基板。陀螺仪采用圆盘形状谐振子的2个面内四波幅波节频率匹配模态作为驱动模态和检测模态，驱动模态和检测模态具有相同的振型，且其径向振动正交，即驱动模态的波幅为检测模态的波节，驱动模态的波节为检测模态的波幅。

侧向支撑臂共有四个，四个侧向支撑臂位于驱动模态径向振动的波节处，形状为长方体，侧向支撑臂一端同圆盘形状谐振子在半径方向固定连接，另一端同具有位移放大机构的电容检测电极固定。