[發明專利]一種微機電電容式角速度傳感器及其制作方法

有效

• 申請號: 201010288795.2
• 申請日: 2010-09-17
• 公開（公告）號: CN102012434A
• 公開（公告）日: 2011-04-13
• 發明（設計）人: 孫博華;張渤
• 申請（專利權）人: 孫博華
• 主分類號: G01P3/44
• 分類號: G01P3/44;B81B3/00;B81C1/00
• 代理公司: 廣州知友專利商標代理有限公司 44104
• 代理人: 周克佑

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，具體涉及一種微機電電容式角速度傳感器，還涉及上述角速度傳感器的制作方法。

背景技術

21世紀以來，微機電(Micro-Electro-Mechanical?Systems)技術得到了迅猛的發展，基于微加工和微電子技術的微機電器件在人類的生產生活中得到了廣泛的應用，微機電器件未來的發展趨勢是體積更小、耗能更低、價格更低、性能更為優越。

微機角速度傳感器是一種重要的微機電慣性器件，即通常所說的陀螺儀，目前，微機角速度傳感器已在汽車導航、控制系統及攝像機消振系統等領域廣泛地使用，近年來隨著產品不斷的小型化和成本的大幅度降低，微機角速度傳感器也逐步應用于消費類電子產品領域，如手機、數碼相機和筆記本電腦等，具體如應用于手機的屏幕自動翻轉感應裝置、游戲機手柄控制裝置等。

微機電角速度傳感器以驅動方式進行分類，主要有靜電式、壓電式及電磁式；以檢測方式劃分則有電容式、壓阻式及壓電式；按照感應方式可以劃分為壓阻式、壓電式、電容式、熱敏式及電磁式；其中以微機電電容式角速度傳感器具有受溫度變化影響小、加工容易、靈敏度高及帶寬大等優點而受到廣泛青睞。

微機電電容式角速度傳感器多為單軸或雙軸感應，如果要實現三軸感應功能，現有做法是采用不同器件的正交裝配或者是在一個芯片上集成多個傳感器，這種做法會產生以下缺陷：(1)由于是不同器件裝配在一起或者是在一個芯片上集成多個傳感器，造成了角速度傳感器的體積較大，導致其應用受限；(2)加工工藝比較復雜，使得制作成本大大提高；(3)不同器件正交裝配的精度無法準確控制。

目前也出現了采用單質量塊的微機電電容式角速度傳感器來感應三軸加速度，其是采用表面微加工技術，利用梳齒電極來測量X軸及Y軸的加速度，而Z軸加速度的測量則采用上、下極板式結構來實現，這種技術方案的缺點在于工藝難度較大；由于表面微加工工藝的局限性而無法得到大體積的質量塊，因此不能獲得良好的靈敏度。

發明內容

本發明的第一個目的在于提供一種結構簡單、靈敏度高、體積小、制作成本低的微機電電容式角速度傳感器，它可同時實現對X、Y軸輸入角速度的檢測，是微機電電容式二軸角速度傳感器。

本發明的第一個目的通過以下的技術措施來實現：一種微機電電容式角速度傳感器，其特征在于包括基底和設置在所述基底上的襯底，在所述襯底上設有中心立柱及電容極板，所述中心立柱位于所述襯底的中心部位，所述電容極板為四個，均圍繞所述中心立柱呈中心對稱分布；在所述電容極板的上方設有質量塊和彈簧機構，所述質量塊為四個，與所述電容極板上下相對應，其中一對質量塊位于X軸上，另一對質量塊位于Y軸上，所述質量塊與中心立柱通過彈簧機構連接，所述質量塊與所述電容極板之間的間距可隨X、Y軸輸入角速度大小而作相應的線性變化；在所述襯底與質量塊之間設有可供質量塊以中心立柱為中心沿其軸向左右擺動的驅動梳齒機構；還包括信號輸入輸出結構，所述信號輸入輸出結構與所述驅動梳齒機構連接用于輸入驅動信號，所述信號輸入輸出結構還與電容極板連接用于輸出X、Y軸角速度的檢測信號；當X、Y軸有角速度輸入時，與X、Y軸正交的質量塊在驅動梳齒機構作用下沿Z軸上下運動，使質量塊與相應電容極板之間形成差模電容輸出。

本發明對上述X、Y、Z軸的定義是：以其中一對呈中心對稱質量塊的對稱軸作為X軸，另一對呈中心對稱質量塊的對稱軸作為Y軸，以中心立柱的中軸線作為Z軸。

本發明可實現二軸(即X、Y軸)輸入角速度的檢測，它的檢測原理是：當X軸有角速度輸入時，作用在位于X軸上一對質量塊的哥氏力為零，作用在位于Y軸上的另一對質量塊的哥氏力最大，此時哥氏力沿Z軸方向，該哥氏力迫使位于Y軸上的一對質量塊，其中一個沿Z軸正向運動，另一個沿Z軸負向運動，這樣質量塊與電容極板之間形成差分輸出，來表征輸入角速度大?。煌恚擸軸有角速度輸入時，位于X軸上的一對質量塊所產生的哥氏力最大，而位于Y軸上一對質量塊的哥氏力為零，此時哥氏力沿Z軸方向，該哥氏力迫使位于X軸上的一對質量塊，其中一個沿Z軸正向運動，另一個沿Z軸負向運動，質量塊與相應的電容極板之間形成差分輸出，來表征Y軸輸入角速度的大小。從上述的檢測原理可知，X、Y軸輸入的角速度互不干擾，質量塊運動模態一致，可以保證檢測結果的準確性。