[發明專利]環形硅陀螺儀結構及其制作工藝和硅陀螺儀傳感器

有效

• 申請號: 202011001721.6
• 申請日: 2020-09-22
• 公開（公告）號: CN112212850B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 龐慰;孫小東;張孟倫
• 申請（專利權）人: 諾思（天津）微系統有限責任公司
• 主分類號: G01C19/5747
• 分類號: G01C19/5747;G01C19/5769
• 代理公司: 北京漢智嘉成知識產權代理有限公司 11682
• 代理人: 姜勁;谷惠敏

本發明涉及陀螺儀技術領域，特別地涉及一種環形硅陀螺儀結構及其制作工藝和硅陀螺儀傳感器。該環形硅陀螺儀結構中，將壓電結構設置在硅環側面，由于硅環側面的面積大于頂面面積，因此，可使壓電結構的覆蓋面積更大，進而提高壓電結構的驅動能力和檢測能力。

技術領域

本發明涉及陀螺儀技術領域，特別地涉及一種環形硅陀螺儀結構及其制作工藝和硅陀螺儀傳感器。

背景技術

硅陀螺儀傳感器因其體積小、成本低，近年來在軍用、工業、汽車和消費市場都得到了廣泛應用。硅陀螺儀傳感器的內部設有一個諧振器，工作狀態下，該諧振器處于諧振狀態，當有待測軸的角速度時，諧振器諧振速度和角速度共同產生柯氏力，使諧振器的角速度檢測電極產生與角速度相關的信號，根據該信號計算角速度。

硅環形陀螺是硅陀螺儀傳感器的一種，其具有抗沖擊能力強的特點，常應用于特定的應用環境中。目前，已經商業化的硅環形陀螺絕大部分都使用靜電驅動電容檢測方法，該方法一般除硅外不需要使用其他材料，制作工藝簡單，但是，其存在驅動力偏小，需要高真空封裝的缺點；同時該方法檢測信號也偏小，信噪比偏低。

現有的基于壓電薄膜的環形陀螺結構中，一般在環形結構上表面制作壓電薄膜，利用逆壓電和壓電效應來驅動和檢測環形結構振動，該方法相比于靜電驅動和電容檢測方法驅動能力強，檢測信號大；但是，由于壓電材料位于環形結構表面，驅動和受檢測能力會受到明顯的限制。

發明內容

本發明提供了一種環形硅陀螺儀結構及其制作工藝和硅陀螺儀傳感器，將壓電結構設置在硅環側面，由于硅環側面的面積大于頂面面積，因此，可使壓電結構的覆蓋面積更大，進而提高其驅動和檢測能力。

本發明的一個方面，提供了一種環形硅陀螺儀結構，包括支撐柱、彈性梁、硅環和多個壓電結構；支撐柱垂直于硅環所在平面，支撐柱的第一端連接于硅環的圓心處，并且支撐柱的外壁通過多個彈性梁與硅環的內側壁連接，其中，硅環的厚度大于其寬度；硅環周向均勻設有多個安裝位，安裝位的內側壁和/或外側壁設有壓電結構。

可選地，壓電結構包括沿硅環徑向疊加設置的第一電極層、壓電層和第二電極層。

可選地，第一電極層與硅環的內側壁或外側壁連接。

可選地，硅環的內側壁或外側壁的周向設有8N個均勻分布的壓電結構，其中，N為自然數。

可選地，硅環的內側壁或外側壁的周向設有8個均勻分布的壓電結構，所述8個均勻分布的壓電結構中，包含第一至第四壓電結構以及其他壓電結構，其中：第一壓電結構與第二壓電結構的中線位于第一直線，第三壓電結構與第四壓電結構的中線位于第二直線，第一直線與第二直線垂直；第一壓電結構與第二壓電結構用于驅動硅環振動；第三壓電結構與第四壓電結構用于檢測硅環振動；其他壓電結構用于檢測角速度信號。

可選地，支撐柱、彈性梁、硅環的材質為單晶硅；第一電極層和第二電極層的材質為金、鈦、鋁、鉬中的一種或多種；壓電層的材質為鋯鈦酸鉛壓電陶瓷、氮化鋁、氧化鋅中的一種或多種。

可選地，多個彈性梁以支撐柱為圓心呈發散狀分布，每個彈性梁的端部設有兩個具有間隔的連接腳，彈性梁通過連接腳與硅環的內壁連接；其中，硅環上位于兩個連接腳之間的位置為安裝位。

本發明的另一個方面，還提供了一種環形硅陀螺儀制作工藝，包括以下步驟：將硅片刻蝕成環形陀螺儀所需的硅環，該硅環的厚度大于其寬度；采用濺射工藝在硅環上制作層疊結構，其中，該層疊結構包括沿硅環徑向疊加設置的第一電極層、壓電層和第二電極層；保留硅環外側壁和/或內側壁的層疊結構作為環形陀螺儀的壓電結構，其余的層疊結構采用光刻或刻蝕工藝切除。

本發明的又一個方面，還提供了一種硅陀螺儀傳感器，包括封裝外殼和上述環形硅陀螺儀結構，支撐柱的第二端與封裝外殼固定連接。

附圖說明