[发明专利]工字型结构的硅微机械振动陀螺

说明书

本发明公开了一种工字型结构的硅微机械振动陀螺，用于测量垂直于基座水平的测量仪器，由上层单晶硅、中间层单晶硅、下层单晶硅构成，上层单晶硅为布置有信号输入和输出线的硅微陀螺仪封装盖板，中间层单晶硅片上制作的为陀螺仪机械结构，下层单晶硅为布置有固定基座的陀螺仪衬底，中间层单晶硅密封在由上层单晶硅和下层单晶硅形成的密闭空腔。本发明误差小、机械灵敏度高、振动灵敏度低和温度灵敏度低，能实现驱动模态与检测模态的运动解耦、大幅度振动和检测输出解耦。

技术领域

本发明属于微电子机械系统和微惯性测量技术，特别是一种工字型结构的硅微机械振动陀螺。

背景技术

硅微机械陀螺是一种测量转动角速率的惯性传感器，采用微机械加工技术实现结构加工，并可以与所需的电子线路完全集成在一个硅片上，从而具有体积小、成本低、重量轻、可靠性高等优点，在军民两用领域有着重要的应用价值。

目前，硅微机械陀螺性能已从普通车用级发展到了接近战术级水平(1°/h)，但如振动、温度等环境中的应用其性能较差，特别是振动环境。具有双质量的音叉陀螺被公认为具有较好的振动抑制能力，但由于音叉陀螺具有两个质量块，低阶模态数多，又品质因数高以及加工误差等原因，音叉陀螺仍然具有较大的振动误差，从而影响了其实际应用。

2007年，裘安萍，施芹等提出了一种双质量振动式硅微陀螺(200710133223.5)，该陀螺结构由左右两个质量块组成，质量块通过支撑系统与上下两根横梁相连，该横梁通过两组扭杆与固定基座连接。试验表明，该陀螺具有误差小和灵敏度高等特点，具有较高的静态性能。但该结构只通过位于中间的扭杆与锚点相连，结构的稳定性较差；同时，结构的低阶模态多，且在工作模态附近，在振动环境中，这些模态的运动对陀螺输出有较大影响。此外，扭杆的刚度会影响陀螺检测模态的频率，而扭杆直接与锚点相连，扭杆刚度受到加工应力和封装应力的影响，从而影响陀螺输出，降低其温度性能。

2014年，法国Tronics公司提出了一种z轴微机械陀螺(WO 2014/094996A1)，该z轴微机械陀螺采用了与ZL 200710133223.5陀螺相同的结构形式，同样由左右两个质量块组成，质量块通过支撑系统与上下两根横梁相连，该横梁通过耦合支撑梁与固定基座连接。此外，该发明还列举了耦合支撑梁的几种方案，包括结构形式和布置方式。但该专利申报的结构方案存在与ZL 200710133223.5陀螺同样的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种误差小、机械灵敏度高、振动灵敏度低和温度灵敏度低的硅微机械陀螺，能实现驱动模态与检测模态的运动解耦、大幅度振动和检测输出解耦。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种工字型结构的硅微机械振动陀螺，用于测量垂直于基座水平的测量仪器，由上层单晶硅、中间层单晶硅、下层单晶硅构成，上层单晶硅为布置有信号输入和输出线的硅微陀螺仪封装盖板，中间层单晶硅片上制作的为陀螺仪机械结构，下层单晶硅为布置有固定基座的陀螺仪衬底，中间层单晶硅密封在由上层单晶硅和下层单晶硅形成的密闭空腔；中间层单晶硅的机械结构包括子结构、工字型框架、扭杆、多折梁和隔离结构，两个子结构对称布置在工字型框架内，并通过驱动梁与工字型框架相连，工字型框架通过分布在下上端的扭杆、多折梁与隔离结构相连，该隔离结构与下层单晶硅上的固定基座键合，使中间层单晶硅的机械结构悬空在上层单晶硅与下层单晶硅之间。