[发明专利]一种单片式硅基MEMS陀螺仪加速度计结构

说明书

一种单片式硅基MEMS陀螺仪加速度计结构，它涉及微机电系统(MEMS)和微惯性测量技术领域。包括上层硅结构层、键合层、引线层和下层玻璃基底层，所述上层硅结构层、键合层、引线层和下层玻璃基底层从上往下依次连接；所述上层硅结构层包括硅微环形陀螺仪子结构和硅微谐振式加速计子结构；所述硅微谐振式加速度计子结构位于硅微环形陀螺仪子结构的内部。采用上述技术方案后，本发明有益效果为：在没有增加总体体积的情况下，实现了垂直纸面的角运动和竖直方向的线加速度的单片测量，具有体积小、结构紧凑、设计简单、精度高的优点。此外，陀螺仪与加速度计结构为分离布置，避免了信号的耦合。

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)和微惯性测量技术领域，尤其涉及一种单片式硅基MEMS陀螺仪加速度计结构。

背景技术

自上世纪80年代以来，随着微型制造技术和微机电系统的发展，推动了微惯性技术和微惯性仪表的产生。由于硅微惯性器件的加工工艺与微电子制造工艺兼容，可批量生产，具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高等优势，是当今微机械电子技术领域发展的热点方向之一。 硅微陀螺仪和加速度计是两种非常重要的微惯性传感器，也是微惯性导航或制导系统的重要组成部分。为减小惯性测量系统设计和装配的复杂性以及实现惯性导航或制导系统的进一步小型化，在单片结构中同时实现角速度和线加速度的测量是一个重要发展趋势。但是现有的单片式陀螺仪加速度计存在着一些不足之处。

现有的单片式陀螺仪加速度计均基于集中质量式的陀螺仪和加速度计，主要有两类：一种是共用敏感质量块形式，另一种一般将陀螺仪结构和加速度计结构分开实现，然后集成于单芯片中。第一种两者的耦合较为严重，需要复杂的信号处理进行信息分离，器件的精度受到很大的限制；第二种增加了结构的总体积，不利于系统的微型化，同时增加了制造的成本。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种单片式硅基MEMS陀螺仪加速度计结构，它具有体积小、结构紧凑、设计简单、精度高的优点，同时避免了信号的耦合。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种单片式硅基MEMS陀螺仪加速度计结构，包括上层硅结构层、键合层、引线层和下层玻璃基底层，所述上层硅结构层、键合层、引线层和下层玻璃基底层从上往下依次连接；所述上层硅结构层包括硅微环形陀螺仪子结构和硅微谐振式加速计子结构，所述硅微谐振式加速度计子结构位于硅微环形陀螺仪子结构的内部。

进一步地，所述引线层是金属层。

进一步地，所述硅微环形陀螺仪子结构包括环形敏感结构和8组陀螺支撑机构；所述陀螺支撑机构位于环形敏感结构外侧且沿环向平均分布。

进一步地，所述每组陀螺支撑机构包括2个“Z”型支撑梁、2个陀螺锚点和2个固定电极；所述固定电极位于环形敏感结构外侧；所述“Z”型支撑梁位于固定电极外侧；所述环形敏感结构分别通过“Z”型支撑梁连接到陀螺锚点上。

进一步地，所述硅微谐振式加速计子结构整体呈圆形，硅微谐振式加速计子结构包括敏感质量块、支撑梁、质量块锚点、一级杠杆放大机构、音叉谐振器机构；所述敏感质量块通过第一支撑梁、第二支撑梁连接到第一质量块锚点上，通过第三支撑梁、第四支撑梁连接到第二质量块锚点上，且通过第一一级杠杆放大机构、第二一级杠杆放大机构与第一音叉谐振器机构相连, 通过第三一级杠杆放大机构、第四一级杠杆放大机构与第二音叉谐振器机构相连。

进一步地，所述一级杠杆放大机构包括输入梁、杠杆臂、支点梁、输出梁和杠杆锚点，第一一级杠杆放大机构与第二一级杠杆放大机构,第三一级杠杆放大机构与第四一级杠杆放大机构分别处于同一条直线上且关于纵向中心线对称布置；所述支点梁（12）与输出梁位于杠杆臂的同一端；所述输入梁位于杠杆臂的另一端；所述杠杆臂通过输入梁与质量块相连，通过支点梁与杠杆锚点相连，通过输出梁与音叉谐振器机构相连。