一种基于图形化补偿的模态匹配式微机械Z轴环形谐振陀螺的制作方法

技术领域：

本发明涉及一种微机械陀螺，特别是关于一种基于图形化补偿的模态匹配式微机械z轴环形谐振陀螺。

背景技术：
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陀螺仪是一种用来检测物体转动时角速度的器件。微机械陀螺仪是基于微电子工艺而制造的陀螺仪，它的优点包括制造批量化，成本低，良率高、体积小，重量轻，功耗小，抗冲击，不易受复杂环境干扰，易于集成等，目前在消费电子，工业控制，汽车、兵器和航天航空领域均取得了广泛的应用。模态匹配式的微机械谐振环形陀螺仪是目前已知和市场公开的微机械陀螺仪中，精度最高的一类陀螺仪，它工作在模态匹配的模式下，即驱动频率与检测频率相等或近似相等的情况下，可以将检测到的科里奥利力利用机械结构上万倍的放大，从而实现高精度检测。波音公司在2014年发表的论文“boeingdiscresonatorgyroscope”中，其研发的环形陀螺仪的零偏稳定性已经达到0.001°/h，这一精度足以满足航天级装备的应用。

然而，由于加工材料和加工过程的非理想特征和效应，陀螺仪的驱动频率和检测频率无法实现相等，从而影响检测的精度。以微电子单片集成中最常使用的(100)单晶硅为例，(100)单间硅的杨氏模量并不沿着其中心轴对称相等，换言之，用(100)单晶硅制程的微机械谐振式陀螺仪，无法实现驱动频率与检测频率的相等或近似相等。本发明的意义在于，从图形化设计的角度完成对(100)杨氏模量的补偿，使得用(100)单晶硅制造出来的微机械环形谐振陀螺仪的驱动频率和检测频率十分接近。

技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种高精度，可以实现对(100)单晶硅杨氏模量不对称补偿的，模态匹配式微机械环形谐振陀螺仪。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种基于图形化补偿的模态匹配式微机械z轴环形谐振陀螺，通过图形化的设计补偿，实现陀螺驱动频率与检测频率的相等，其特征在于：它包括衬底，锚点，中心轴，驱动方向支撑梁，检测方向支撑梁，谐振环，固定电极。

所述锚点，中心轴，驱动方向支撑梁，检测方向支撑梁，谐振环，固定电极均使用(100)单晶硅。所述衬底可以使用pyrex7740或氧化硅。

所述驱动方向支撑梁有4根，其分别重合或垂直于(100)单晶硅的[110]方向，每根支撑梁之间互成90度，按圆周均匀分布。所述驱动方向支撑梁，由n级矩形弹簧梁串联(3≤n≤9)而成，并在支撑梁末尾含有小外加质量块。所述小外加质量块的目的是平衡质量。所述检测方向支撑梁有4根，其分别重合或垂直于(100)单晶硅的[100]方向，每根支撑梁之间互成90度，按圆周均匀分布。所述检测方向支撑梁，由n级矩形弹簧梁串联(3≤n≤9)而成，相比于驱动方向的弹簧梁，检测方向的弹簧梁在宽度上会略大一点，目的是平衡等效刚度，因为(100)单晶硅的[100]方向杨氏模量小于[110]方向。所述驱动方向支撑梁和检测方向支撑梁得益于设计上的图形补偿，会拥有相同的等效刚度和等效质量。

所述谐振环通过驱动方向支撑梁，检测方向支撑梁与中心轴相连接。所述固定电极有16个，按圆周均匀分布在支撑环外侧，相邻两个固定电极之间互成22.5度，与支撑环之间形成压膜电容。16个电极中，以(100)单晶硅的[110]方向为0度方向，顺时针计数，0度和90度方向电极为差分驱动电极；180度和270度方向电极为差分驱动检测电极；45度和135度方向电极为差分力平衡电极，225度和315度电极为差分敏感检测电极；其余8个为静电调谐电极。在所述差分驱动电极上施加与驱动方向二阶固有谐振频率相同的电压，所述谐振环将在静电力的作用下开始谐振。所述差分驱动检测电极可以检测所述谐振环的工作频率，为所述差分驱动电极提供反馈控制量。所述差分力平衡电极的作用是提供用以抵消所述谐振环在科里奥利力下发生进动的静电平衡力，以保持所述谐振环不进动。当有z轴方向的角速度出现，即z轴科里奥利力输入时，所述谐振环会发生进动，保持所述谐振环不进动的静电平衡力与输入的角速度成正比。所述差分敏感检测电极的作用是检测所述谐振环的进动程度，为所述差分力平衡电极提供反馈控制量。所述静电调谐电极的作用是，考虑到加工过程中的误差，所述谐振环的二阶固有谐振驱动模态频率和检测模态频率之间存在小的频差，通过在所述静电调谐电极上施加直流电压，可以让频差为零，以提高所述z轴环形谐振陀螺的灵敏度和零偏稳定性。

所述中心轴、固定电极，均通过锚点固定在衬底上。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、驱动方向支撑梁和检测方向支撑的图形化补偿设计，实现了在两个方向上等效刚度和等效质量的相等，理论设计上实现了模态匹配。2、驱动方向支撑梁和检测方向支撑梁采用n级矩形弹簧梁串联(3≤n≤9)设计，等效刚度得到了多级的分担，从而每个弹簧梁宽度可以被设计得足够宽，以降低支撑梁在加工时对工艺误差的敏感性。3、整个微机械陀螺仪基于(100)单晶硅加工，兼容于cmos工艺，易于实现高精度微机电陀螺结构和电路的单片集成。

附图说明

图1微机械环形谐振式陀螺仪的斜二侧视图

图2微机械环形谐振式陀螺仪的顶视图

图3微机械环形谐振式陀螺仪的测视图

图4微机械环形谐振式陀螺仪的驱动支撑梁和检测支撑梁

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1～3所示，本发明为一种基于图形化补偿的模态匹配式微机械z轴环形谐振陀螺，它包括衬底32，锚点31，中心轴21，驱动方向支撑梁22，检测方向支撑梁23，固定电极25，谐振环26。

其中锚点31，中心轴21，驱动方向支撑梁22，检测方向支撑梁23，谐振环26，固定电极25，均使用(100)单晶硅。衬底32可以使用pyrex7740或氧化硅。

谐振环26通过驱动方向支撑梁23，检测方向支撑梁22与中心轴21相连接。

固定电极25一共有16个，按圆周均匀分布在支撑环外侧，相邻两个固定电极之间互成22.5度，与支撑环之间形成压膜电容，压膜电容间隙为4～8μm。

所述中心轴21、固定电极25，均通过锚点31固定在衬底32上。

如图2和图4所示，驱动方向支撑梁23有4根，其分别重合或垂直于(100)单晶硅的[110]方向，每根支撑梁之间互成90度，按圆周均匀分布。驱动方向支撑梁，由多级矩形弹簧梁42串联而成，并在支撑梁末尾含有小外加质量块43。其中小外加质量块的作用是平衡驱动方向的等效质量。检测方向支撑梁22有4根，其分别重合或垂直于(100)单晶硅的[100]方向，每根支撑梁之间互成90度，按圆周均匀分布。其中检测方向支撑梁22，由多级矩形弹簧梁41串联而成，相比于驱动方向的弹簧梁42，检测方向的弹簧梁41在宽度上会略大一点，作用是平衡驱动方向和检测方向等效刚度，因为(100)单晶硅的[100]方向杨氏模量小于[110]方向，所以必须要使[100]方向的梁宽一些，才会使其等效刚度与[110]方向相等。驱动方向支撑梁23和检测方向支撑梁22，经过上述图形设计上的补偿，最后会拥有相同的等效刚度和等效质量，进而拥有相同的二阶模态谐振频率，达到模态匹配的效果。

本发明利用谐振环26在谐振状态下感应科里奥利力来测量物体角速度。记(100)单晶硅的[110]方向为0度方向，按照顺时针规律。其中，0度和90度方向电极为差分驱动电极；180度和270度方向电极为差分驱动检测电极；45度和135度方向电极为差分力平衡电极，225度和315度电极为差分敏感检测电极；其余8个为静电调谐电极。其中差分驱动电极的作用是让谐振环工作在谐振频率下，其中差分驱动检测电极是检测谐振环的工作频率，为差分驱动电极提供反馈控制量。差分力平衡电极的作用是提供用以抵消谐振环在科里奥利力下发生进动的静电平衡力，当有z轴方向的角速度出现，即z轴科里奥利力输入时，谐振环会发生进动，静电平衡力与进动的幅度成正比。差分敏感检测电极的作用是检测谐振环的进动程度，为差分力平衡电极提供反馈控制量。静电调谐电极的作用是，考虑到加工过程中的误差，驱动模态频率和检测模态频率之间存在小的频差，通过在静电调谐电极上施加电压，可以让频差为零。

以上实施例需要工作在真空环境中，可以得到最优的灵敏度和零偏稳定性性能。