[發(fā)明專利]芯片級(jí)旋轉(zhuǎn)調(diào)制式MEMS硅微機(jī)械陀螺

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710961356.5
• 申請(qǐng)日: 2017-10-17
• 公開（公告）號(hào): CN107796383B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 苑偉政;申強(qiáng);楊瑾;周金秋;謝建兵;常洪龍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué);西北工業(yè)大學(xué)深圳研究院
• 主分類號(hào): G01C19/5656
• 分類號(hào): G01C19/5656
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 呂湘連

本發(fā)明公開了一種芯片級(jí)旋轉(zhuǎn)調(diào)制式MEMS硅微機(jī)械陀螺，屬于慣性技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域。陀螺由用于支撐旋轉(zhuǎn)平臺(tái)并維持其轉(zhuǎn)動(dòng)的底座以及SOI硅片構(gòu)成；所述底座由玻璃片1以及濺射在玻璃片上表面的第一金屬電極2、第二金屬電極3組成；所述SOI硅片的器件層形成微機(jī)械陀螺4，導(dǎo)線組5以及驅(qū)動(dòng)電極6、驅(qū)動(dòng)檢測電極7、第一敏感檢測電極8、第二敏感檢測電極9；基底層形成旋轉(zhuǎn)調(diào)制平臺(tái)。本發(fā)明利用同一張SOI圓片的不同層形成一體化的微機(jī)械陀螺及其旋轉(zhuǎn)調(diào)制平臺(tái)，極大地降低了旋轉(zhuǎn)調(diào)制式陀螺的體積，提高了集成度；相比原有的該類陀螺，體積減小了大約2個(gè)數(shù)量級(jí)，形成了芯片級(jí)旋轉(zhuǎn)調(diào)制式微機(jī)械陀螺。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及了一種MEMS硅微機(jī)械陀螺，用于測量物體旋轉(zhuǎn)角速率，獲取物體姿態(tài)信息，屬于慣性技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

硅微機(jī)械陀螺是一種用來測量物體旋轉(zhuǎn)角速率的慣性器件，在導(dǎo)航制導(dǎo)、平臺(tái)穩(wěn)定控制、汽車工業(yè)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。硅微機(jī)械陀螺輸出漂移是影響慣性導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)誤差最重要的指標(biāo)，而顯著降低硅微機(jī)械陀螺漂移需要投入大量的時(shí)間和成本。當(dāng)前，利用旋轉(zhuǎn)平臺(tái)調(diào)制陀螺輸出漂移是一種顯著降低導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)誤差有效且快速的方法，因此成為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的重要研究方向。

在Gao Pengyu等人報(bào)道的“A Self-calibration Method for Non-orthogonalAngles of Gimbals in Tri-axis Rotational Inertial Navigation System”以及“ASelf-calibration Method for Tri-axis Rotational Inertial Navigation System”,如圖1所示，利用電機(jī)的旋轉(zhuǎn)調(diào)制商用微機(jī)械陀螺(慣性測量單元)的輸出漂移，顯著降低了慣性系統(tǒng)姿態(tài)誤差，然而電機(jī)與陀螺裝配時(shí)不可避免地產(chǎn)生安裝誤差，導(dǎo)致慣性系統(tǒng)姿態(tài)誤差增大，同時(shí)，系統(tǒng)體積通常達(dá)到幾十個(gè)立方厘米以上。因此，這種利用電機(jī)形成的旋轉(zhuǎn)調(diào)制式微機(jī)械陀螺存在安裝困難、裝配精度要求高以及體積大、集成度低等問題。

發(fā)明內(nèi)容：

為克服現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)調(diào)制式陀螺體積大、集成度低的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種芯片級(jí)旋轉(zhuǎn)調(diào)制式硅微機(jī)械陀螺，實(shí)現(xiàn)微型旋轉(zhuǎn)調(diào)制平臺(tái)與硅微機(jī)械陀螺一體化結(jié)構(gòu)芯片，該芯片體積僅為幾個(gè)立方毫米，具有體積小，集成度高等特點(diǎn)。

如圖2所示，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：芯片級(jí)旋轉(zhuǎn)調(diào)制式硅微機(jī)械陀螺,主要由用于支撐旋轉(zhuǎn)平臺(tái)并維持其轉(zhuǎn)動(dòng)的底座以及SOI硅片構(gòu)成；

所述底座由玻璃片1以及濺射在玻璃片上表面的第一金屬電極2、第二金屬電極3組成，第一金屬電極2與第二金屬電極3對(duì)稱分布在玻璃片上表面，兩者厚度相等，金屬材料為金；

所述SOI硅片的器件層形成微機(jī)械陀螺4，導(dǎo)線組5以及驅(qū)動(dòng)電極6、驅(qū)動(dòng)檢測電極7、第一敏感檢測電極8、第二敏感檢測電極9，其中導(dǎo)線組5共包含多根導(dǎo)線，每根導(dǎo)線與驅(qū)動(dòng)電極6、驅(qū)動(dòng)檢測電極7、第一敏感檢測電極8、第二敏感檢測電極9對(duì)應(yīng)相連，具體地：驅(qū)動(dòng)電極6、驅(qū)動(dòng)檢測電極7通過導(dǎo)線組5實(shí)現(xiàn)微機(jī)械陀螺4的驅(qū)動(dòng)模態(tài)振動(dòng)激勵(lì)、檢測，第一敏感檢測電極8、第二敏感檢測電極9通過導(dǎo)線組5實(shí)現(xiàn)微機(jī)械陀螺4敏感模態(tài)振動(dòng)檢測；SOI硅片的基底層形成旋轉(zhuǎn)調(diào)制平臺(tái)，旋轉(zhuǎn)調(diào)制平臺(tái)包括旋轉(zhuǎn)平板11、扭轉(zhuǎn)梁12，旋轉(zhuǎn)平板電極13，其中，旋轉(zhuǎn)調(diào)制平臺(tái)的下表面與第一金屬電極2、第二金屬電極3分別形成平行板電容器，旋轉(zhuǎn)平板11用于支撐微機(jī)械陀螺4，旋轉(zhuǎn)平板11沿著扭轉(zhuǎn)梁12軸對(duì)稱且其質(zhì)心與形心重合，同時(shí)，扭轉(zhuǎn)梁12的軸向與微機(jī)械陀螺4的角速度敏感軸垂直，扭轉(zhuǎn)梁12的軸向扭轉(zhuǎn)頻率大于微機(jī)械陀螺4驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率2倍以上，旋轉(zhuǎn)平板電極13下表面與玻璃片1上表面通過鍵合工藝形成整體，旋轉(zhuǎn)平板電極13下表面距離旋轉(zhuǎn)平板11下表面的高度差為小于200微米。