芯片级旋转调制式MEMS硅微机械陀螺[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 107796383 A(43)申请公布日 2018.03.13

(21)申请号 201710961356.5(22)申请日 2017.10.17

(71)申请人 西北工业大学

地址 710072 陕西省西安市友谊西路127号申请人 西北工业大学深圳研究院(72)发明人 苑伟政　申强　杨瑾　周金秋　

谢建兵　常洪龙　(74)专利代理机构 西北工业大学专利中心

61204

代理人 吕湘连(51)Int.Cl.

G01C 19/5656(2012.01)

权利要求书1页 说明书3页 附图2页

CN 107796383 A(54)发明名称

芯片级旋转调制式MEMS硅微机械陀螺(57)摘要

本发明公开了一种芯片级旋转调制式MEMS硅微机械陀螺，属于惯性技术和微机电系统(MEMS)领域。陀螺由用于支撑旋转平台并维持其转动的底座以及SOI硅片构成；所述底座由玻璃片1以及溅射在玻璃片上表面的第一金属电极2、第二金属电极3组成；所述SOI硅片的器件层形成微机械陀螺4，导线组5以及驱动电极6、驱动检测电极7、第一敏感检测电极8、第二敏感检测电极9；基底层形成旋转调制平台。本发明利用同一张SOI圆片的不同层形成一体化的微机械陀螺及其旋转调制平台，极大地降低了旋转调制式陀螺的体积，提高了集成度；相比原有的该类陀螺，体积减小了大约2个数量级，形成了芯片级旋转调制式微机械陀螺。

CN 107796383 A

权　利　要　求　书

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1.芯片级旋转调制式硅微机械陀螺,其特征在于，由用于支撑旋转平台并维持其转动的底座以及SOI硅片构成；

所述底座由玻璃片1以及溅射在玻璃片上表面的第一金属电极2、第二金属电极3组成，第一金属电极2与第二金属电极3对称分布在玻璃片上表面，两者厚度相等；

所述SOI硅片的器件层形成微机械陀螺4，导线组5以及驱动电极6、驱动检测电极7、第一敏感检测电极8、第二敏感检测电极9，其中导线组5共包含多根导线，每根导线与驱动电极6、驱动检测电极7、第一敏感检测电极8、第二敏感检测电极9对应相连，具体地：驱动电极6、驱动检测电极7通过导线组5实现微机械陀螺4的驱动模态振动激励、检测，第一敏感检测电极8、第二敏感检测电极9通过导线组5实现微机械陀螺4敏感模态振动检测；SOI硅片的基底层形成旋转调制平台，旋转调制平台包括旋转平板11、扭转梁12，旋转平板电极13，其中，旋转调制平台的下表面与第一金属电极2、第二金属电极3分别形成平行板电容器，旋转平板11用于支撑微机械陀螺4，旋转平板11沿着扭转梁12轴对称且其质心与形心重合，同时，扭转梁12的轴向与微机械陀螺4的角速度敏感轴垂直，扭转梁12的轴向扭转频率大于微机械陀螺4驱动模态谐振频率2倍以上，旋转平板电极13下表面与玻璃片1上表面通过键合工艺形成整体，旋转平板电极13下表面距离旋转平板11下表面的高度差为小于200微米。

2.如权利要求1所述的芯片级旋转调制式硅微机械陀螺,其特征在于，所述的第一金属电极2、第二金属电极3材料为金。

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说　明　书

芯片级旋转调制式MEMS硅微机械陀螺

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[0001]

所属领域：

[0002]本发明涉及了一种MEMS硅微机械陀螺，用于测量物体旋转角速率，获取物体姿态信息，属于惯性技术和微机电系统(MEMS)领域。背景技术：

[0003]硅微机械陀螺是一种用来测量物体旋转角速率的惯性器件，在导航制导、平台稳定控制、汽车工业、消费电子等领域具有重要的应用。硅微机械陀螺输出漂移是影响惯性导航系统姿态误差最重要的指标，而显著降低硅微机械陀螺漂移需要投入大量的时间和成本。当前，利用旋转平台调制陀螺输出漂移是一种显著降低导航系统姿态误差有效且快速的方法，因此成为惯性导航系统的重要研究方向。[0004]在Gao Pengyu等人报道的“A Self-calibration Method for Non-orthogonal Angles of Gimbals in Tri-axis Rotational Inertial Navigation System”以及“A Self-calibration Method for Tri-axis Rotational Inertial Navigation System”,如图1所示，利用电机的旋转调制商用微机械陀螺(惯性测量单元)的输出漂移，显著降低了惯性系统姿态误差，然而电机与陀螺装配时不可避免地产生安装误差，导致惯性系统姿态误差增大，同时，系统体积通常达到几十个立方厘米以上。因此，这种利用电机形成的旋转调制式微机械陀螺存在安装困难、装配精度要求高以及体积大、集成度低等问题。发明内容：

[0005]为克服现有旋转调制式陀螺体积大、集成度低的缺点，本发明提出一种芯片级旋转调制式硅微机械陀螺，实现微型旋转调制平台与硅微机械陀螺一体化结构芯片，该芯片体积仅为几个立方毫米，具有体积小，集成度高等特点。[0006]如图1所示，本发明所采用的技术方案是：芯片级旋转调制式硅微机械陀螺,主要由用于支撑旋转平台并维持其转动的底座以及SOI硅片构成；

[0007]所述底座由玻璃片1以及溅射在玻璃片上表面的第一金属电极2、第二金属电极3组成，第一金属电极2与第二金属电极3对称分布在玻璃片上表面，两者厚度相等，金属材料为金；

[0008]所述SOI硅片的器件层形成微机械陀螺4，导线组5以及驱动电极6、驱动检测电极7、第一敏感检测电极8、第二敏感检测电极9，其中导线组5共包含多根导线，每根导线与驱动电极6、驱动检测电极7、第一敏感检测电极8、第二敏感检测电极9对应相连，具体地：驱动电极6、驱动检测电极7通过导线组5实现微机械陀螺4的驱动模态振动激励、检测，第一敏感检测电极8、第二敏感检测电极9通过导线组5实现微机械陀螺4敏感模态振动检测；SOI硅片的基底层形成旋转调制平台，旋转调制平台包括旋转平板11、扭转梁12，旋转平板电极13，其中，旋转调制平台的下表面与第一金属电极2、第二金属电极3分别形成平行板电容器，旋转平板11用于支撑微机械陀螺4，旋转平板11沿着扭转梁12轴对称且其质心与形心重合，同时，扭转梁12的轴向与微机械陀螺4的角速度敏感轴垂直，扭转梁12的轴向扭转频率大于微

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说　明　书

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机械陀螺4驱动模态谐振频率2倍以上，旋转平板电极13下表面与玻璃片1上表面通过键合工艺形成整体，旋转平板电极13下表面距离旋转平板11下表面的高度差为小于200微米。[0009]工作时，给第一金属电极2、第二金属电极3同时通入幅值相等、相位相反的正弦交流电压，给旋转平板电极13通入直流电压，通过旋转平板11下表面与第一金属电极2、第二金属电极3形成的平行板电容器，旋转平板11将沿着扭转梁12轴向方向做周期扭转，同时带动微机械陀螺4也沿着扭转梁12轴向旋转，接着通过驱动电极6、导线组5给微机械陀螺4的电极通入正弦交流电压，当交流电压频率等于微机械陀螺4的驱动谐振频率时，微机械陀螺4将沿着扭转梁12轴向及其切向方向产生谐振，再通过驱动检测电极7实现谐振检测，第一敏感检测电极8和第二敏感检测电极9通过导线组5将检测获得微机械陀螺4零位输出信号，此时，旋转平板11产生的扭转将同步调制微机械陀螺4零位输出信号，在旋转平板11的一个转动周期内，零位输出信号的漂移积分为0，因此，微机械陀螺4的零位输出信号稳定性显著提高。

[0010]本发明的有益效果是：利用同一张SOI圆片的不同层(器件层和基底层)形成一体化的微机械陀螺及其旋转调制平台，极大地降低了旋转调制式陀螺的体积，提高了集成度；相比原有的该类陀螺，体积减小了大约2个数量级，仅为几个立方毫米，形成了芯片级旋转调制式微机械陀螺；进一步相比非旋转调制式微机械陀螺，惯性系统姿态误差也因此显著减小。

[0011]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

[0012]图1是已有的旋转调制式微机械陀螺整体示意图；

[0013]图2是本发明中的芯片级旋转调制式硅微机械陀螺整体示意图；[0014]图3是本发明中的底座示意图；

[0015]图4是本发明中的旋转调制平台及其微机械陀螺结构示意图；[0016]图5是本发明中的旋转调制式微机械陀螺侧视图。[0017]图中，1-玻璃片，2-第一金属电极、3-第二金属电极，4-微机械陀螺，5-导线组，6-驱动电极，7-驱动检测电极，8-第一敏感检测电极、9-第二敏感检测电极，11-旋转平板，12-扭转梁，13-旋转平板电极。具体实施方式：

[0018]参阅图1-4，本实施例中的芯片级旋转调制式硅微机械陀螺,用于支撑旋转平台底座的玻璃片1为材质为Pyrex7740，厚度为300μm，第一金属电极2、第二金属电极3的厚度均为200nm，材料为金；SOI硅片为<110>晶向，SOI器件层形成微机械陀螺4，导线组5以及驱动电极6、驱动检测电极7、第一敏感检测电极8、第二敏感检测电极9，其中器件层厚度为30μm，微机械陀螺4为环形陀螺，陀螺驱动模态谐振频率为8kHz，敏感模态频率为8.2kHz，导线组5共包含8根，每根的宽度均为10μm，在扭转梁12上方的导线之间的间距为5μm，驱动电极6、驱动检测电极7分别由2组构成，并通过导线组5分别实现微机械陀螺4的驱动模态振动激励、检测，第一敏感检测电极8、第二敏感检测电极9通过导线5实现微机械陀螺4敏感模态振动检测；SOI硅片的基底层形成旋转调制平台，基底层厚度为450μm，旋转调制平台的下表面与

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说　明　书

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第一金属电极2、第二金属电极3形成的平行板电容器极板间距为10μm，旋转平板11为长方体，扭转梁12提供沿其轴向的角频率为20kHz，扭转角为0.2°，旋转平板电极13下表面与旋转平板11下表面的高度差为10μm。[0019]工作时，给第一金属电极2、第二金属电极3分别通入正弦交流电压10sin(2π×20000t)，2sin(2π×20000t+π)，给旋转平板电极13通入直流电压20V，旋转平板11下表面与第一金属电极2、第二金属电极3形成的平行板电容器使得旋转平板11和微机械陀螺4将沿着扭转梁12轴向方向做周期扭转，扭转频率为20kHz，接着通过驱动电极6、导线组5给微机械陀螺4的电极通入正弦交流电压2sin(2π×8000t)，此时微机械陀螺4将沿着扭转梁12轴向及其切向方向产生压缩-扩张式的谐振，第一敏感检测电极8和第二敏感检测电极9通过导线组5检测获得微机械陀螺4零位输出信号σ，旋转平板11产生的扭转同步调制微机械陀螺4零位输出信号，在旋转平板11的一个转动周期内，零位输出信号的漂移积分为0，微机械陀螺4的零位输出信号σ稳定性显著提高。

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说　明　书　附　图

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图1

图2

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说　明　书　附　图

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图3

图4

图5

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