[發(fā)明專利]壓電MEMS解耦結(jié)構(gòu)及MEMS陀螺儀

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811529259.X
• 申請(qǐng)日: 2018-12-13
• 公開（公告）號(hào): CN109682364B
• 公開（公告）日: 2020-10-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊健;韓國(guó)威;司朝偉;王曉東;寧瑾;顏偉;劉雯;楊富華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所;中國(guó)科學(xué)院大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C19/56
• 分類號(hào): G01C19/56
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 任巖

本發(fā)明公開了一種壓電MEMS解耦結(jié)構(gòu)及MEMS陀螺儀，該壓電MEMS解耦結(jié)構(gòu)，包括：一T型梁結(jié)構(gòu)，包括一體化的橫梁和縱梁，該T型梁結(jié)構(gòu)自下而上依次包括：襯底、下電極層和壓電材料層；第二上電極，作為檢測(cè)電極，呈T型，位于T型梁結(jié)構(gòu)之上，關(guān)于縱梁中心線對(duì)稱；以及第一上電極和第三上電極，作為驅(qū)動(dòng)電極，位于縱梁之上，對(duì)稱分布于縱梁中心線兩側(cè)，與第二上電極位于縱梁上的部分相互獨(dú)立。該解耦結(jié)構(gòu)通過(guò)將其整體形狀設(shè)置為一包含一體化橫梁和縱梁的T型梁結(jié)構(gòu)，并在該T型梁結(jié)構(gòu)上設(shè)置關(guān)于縱梁中心線對(duì)稱的T型檢測(cè)電極和在縱梁上對(duì)稱分布的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電極，實(shí)現(xiàn)了完全解耦，可有效提高陀螺儀的檢測(cè)精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種壓電MEMS解耦結(jié)構(gòu)及MEMS陀螺儀。

背景技術(shù)

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS，Micro-electro Mechanical Systems)器件由于具有體積小、功耗低、成本低、易于集成等優(yōu)勢(shì)，而被廣泛應(yīng)用在消費(fèi)電子領(lǐng)域。MEMS陀螺儀是慣性導(dǎo)航中的核心器件，其根據(jù)科氏效應(yīng)原理可檢測(cè)旋轉(zhuǎn)體的角速度。根據(jù)MEMS陀螺儀的基本原理，MEMS陀螺儀包括兩個(gè)相互正交的諧振模態(tài)，即：驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)。在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的激勵(lì)下，陀螺儀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生諧振。當(dāng)有角速度時(shí)，由于科氏效應(yīng)，在科里奧利力的作用下，在檢測(cè)電極上會(huì)有檢測(cè)信號(hào)輸出。

然而由于結(jié)構(gòu)上的耦合效應(yīng)，當(dāng)陀螺儀工作在驅(qū)動(dòng)模態(tài)時(shí)，在沒(méi)有外界角速度作用的情況下，陀螺儀結(jié)構(gòu)在檢測(cè)方向上也會(huì)有位移變化，檢測(cè)電極上仍然會(huì)有信號(hào)輸出，該現(xiàn)象即為MEMS陀螺儀的正交耦合效應(yīng)。陀螺儀的正交耦合現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響陀螺儀的檢測(cè)精度等特性，因此需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中抑制正交耦合。常見(jiàn)的抑制正交耦合的方法有：靜電調(diào)諧、驅(qū)動(dòng)模態(tài)單自由度設(shè)計(jì)、檢測(cè)模態(tài)單自由度設(shè)計(jì)等。但是由于基于科氏效應(yīng)的陀螺儀本身就是依靠耦合實(shí)現(xiàn)的角速度檢測(cè)，因此難以實(shí)現(xiàn)完全的解耦。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

本公開提供了一種壓電MEMS解耦結(jié)構(gòu)及MEMS陀螺儀，以至少部分解決以上所提出的技術(shù)問(wèn)題。

(二)技術(shù)方案

根據(jù)本公開的一個(gè)方面，提供了一種壓電MEMS解耦結(jié)構(gòu)，包括：一T型梁結(jié)構(gòu)1，包括一體化的橫梁11和縱梁12，該T型梁結(jié)構(gòu)1自下而上依次包括：襯底101、下電極層102和壓電材料層103；第二上電極142，作為檢測(cè)電極，呈T型，位于T型梁結(jié)構(gòu)1之上，關(guān)于縱梁中心線120對(duì)稱；以及第一上電極141和第三上電極143，作為驅(qū)動(dòng)電極，位于縱梁12之上，對(duì)稱分布于縱梁中心線120兩側(cè)，與第二上電極142位于縱梁12上的部分相互獨(dú)立。

在本公開的一些實(shí)施例中，縱梁12作為驅(qū)動(dòng)梁，橫梁11作為檢測(cè)梁。

在本公開的一些實(shí)施例中，在驅(qū)動(dòng)模態(tài)下，第一上電極141和第三上電極143連接至一對(duì)差分驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)該T型梁結(jié)構(gòu)1發(fā)生面內(nèi)振動(dòng)。

在本公開的一些實(shí)施例中，第一上電極141和第三上電極143的形狀、尺寸相同。

在本公開的一些實(shí)施例中，第二上電極142在橫梁上的部分呈長(zhǎng)條狀、蜿蜒狀、或其組合。

在本公開的一些實(shí)施例中，襯底101的材料包括如下材料的一種或其組合：硅、二氧化硅、以及SOI。

在本公開的一些實(shí)施例中，壓電材料層103的材料包括如下材料的一種或其組合：壓電單晶體、壓電多晶薄膜、多晶體壓電陶瓷、高分子壓電材料、以及聚合物-壓電陶瓷復(fù)合材料。

在本公開的一些實(shí)施例中，壓電MEMS解耦結(jié)構(gòu)，還包括：錨點(diǎn)15，位于縱梁12的端點(diǎn)處。

根據(jù)本公開的另一個(gè)方面，提供了一種MEMS陀螺儀，包括本公開任一項(xiàng)提到的壓電MEMS解耦結(jié)構(gòu)。