一种实现抑制共模干扰信号的六质量块MEMS双轴陀螺的制作方法

阅读：评论：0

一种实现抑制共模干扰信号的六质量块mems双轴陀螺
技术领域
1.本发明属于微/纳机电系统的技术领域，具体涉及一种实现抑制共模干扰信号的六质量块mems双轴陀螺。

背景技术：

2.mems陀螺仪是通过科氏效应感知外界角速度的传感器，由于其相比于传统陀螺仪具有更小的尺寸、更高的可靠性、更大的测量范围以及更长的寿命，是目前惯性导航领域的热门研究对象，被广泛应用于车辆控制、精准定位、消费电子、航空航天及武器制导等领域。
3.针对现有mems陀螺的调研发现，目前常见的mems陀螺大多是检测单个轴向的陀螺结构，为实现角速度的双轴检测，往往是通过两个单独的陀螺集成实现，这种方式容易引入交叉耦合误差，且难以实现小型化。通过查阅相关文献及资料发现，存在一种陀螺结构能实现双轴角速度检测，但无法在结构上区分由角速度产生的有效信号和外界干扰信号，该双轴陀螺结构同时驱动x、y平面上的质量块在z轴方向上做同方向运动，当外界存在角速度或外界存在其它作用力时，检测结构都会产生同方向运动，导致科氏力和其他作用力都产生共模信号，无法区分。本发明设计了一种基于面外振动的六质量块差分检测硅微谐振式双轴陀螺，既具备双轴同时检测角速度能力，又具备抑制外界其它作用力引起的共模信号的干扰。

技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题：针对现有的具备双轴检测的mems谐振动陀螺无法从结构上解决外界干扰产生的共模信号问题，提供一种实现抑制陀螺仪共模干扰信号的六质量块mems双轴陀螺。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种实现抑制共模干扰信号的六质量块mems双轴陀螺，具体包括以下结构：第一三角质量块、第二三角质量块、极板衬底、y轴方向第一质量块、x轴方向第一质量块、y轴方向第二质量块、x轴方向第二质量块、检验梳齿可动结构、检验梳齿固定结构、锚点框架连接梁、锚点质量块弹性梁、质量块连接梁、锚点、框架。陀螺结构特征在于：检验梳齿固定结构与锚点固定在极板衬底上，第一三角质量块和第二三角质量块，外形几何尺寸相同，通过锚点质量块弹性梁与锚点进行连接，并处于悬空状态，可以满足在z轴方向的简谐振动；y轴方向第一质量块和x轴方向第一质量块，外形几何尺寸相同，通过质量块连接梁与第一三角质量块相连，并处于悬空状态；y轴方向第二质量块和x轴方向第二质量块，外形几何尺寸相同，通过质量块连接梁与第二三角质量块相连，并处于悬空状态；y轴方向第一质量块、x轴方向第一质量块、y轴方向第二质量块和x轴方向第二质量块在其结构中刻蚀出几何尺寸相同的检验梳齿可动结构，该检验梳齿可动结构与检验梳齿固定结构形成检测的梳齿电容；框架通过锚点框架连接梁与锚点相连，形成固定位置的悬空结构。
6.进一步地，检验梳齿固定结构与锚点材料相同，为硅材料，固定在极板衬底上，且
厚度相同；y轴方向第一质量块、x轴方向第一质量块、y轴方向第二质量块、x轴方向第二质量块、检验梳齿可动结构、锚点质量块弹性梁、质量块连接梁、锚点框架连接梁和边框材料相同，为硅材料，上述结构处于悬空状态，除锚点质量块弹性梁外，其余结构厚度相同。锚点质量块弹性梁通过湿法刻蚀工艺处理，使结构厚度减薄，z轴方向的刚度减小。
7.进一步地，通过第一次刻蚀工艺，在一块平整结构的soi片上将检验梳齿固定结构与锚点的柱状根部支撑部分加工成型，并将刻蚀好的结构与玻璃衬底进行键合；通过干法刻蚀和湿法刻蚀，去除soi片的衬底层和埋氧层，得到裸露的器件层结构，并在该器件层上制作金属电极层；通过湿法刻蚀去除器件层上多余的金属电极层结构；通过离子刻蚀，刻蚀器件层得到以下结构：第一三角质量块、第二三角质量块、y轴方向第一质量块、x轴方向第一质量块、y轴方向第二质量块、x轴方向第二质量块、锚点框架连接梁、锚点质量块弹性梁、质量块连接梁和边框；最后通过湿法刻蚀工艺处理锚点质量块弹性梁，使结构厚度减薄，z轴方向的刚度减小。
8.进一步地，第一三角质量块、第二三角质量块、y轴方向第一质量块、x轴方向第一质量块、y轴方向第二质量块、x轴方向第二质量块、检验梳齿可动结构、锚点框架连接梁、锚点质量块弹性梁、质量块连接梁和边框均在同一水平面上；y轴方向第一质量块与y轴方向第二质量块在y轴方向位置对称，且尺寸相同；x轴方向第一质量块与x轴方向第二质量块在x轴方向位置对称，且尺寸相同。同时，第一三角质量块和第二三角质量块与锚点连接，锚点质量块弹性梁在x轴和y轴向具有很大的刚度，在z轴向上刚度较小，使三角质量块可以在z轴向上产生运动而在x轴和y轴方向上的位移较小。
9.本发明的原理在于：该陀螺的激励方式采用静电驱动，陀螺的检测方式采用电容检测。该陀螺第一三角质量块和第二三角质量块分别与极板衬底形成电容结构，在静电力的驱动下可实现第一三角质量块和第二三角质量块在面外(即z轴)方向做反向的简谐振动。第一三角质量块和第二三角质量块的振动通过质量块连接梁分别传递给第一组质量块（y轴方向第一质量块、x轴方向第一质量块）和第二组质量块（y轴方向第二质量块、x轴方向第二质量块），使这两组质量块也随三角质量块做反向简谐运动。当xy平面内存在角速度时，由于科氏效应，位于对称状态的质量块受科氏力的作用产生xy平面内的反向位移，并带动内部检验梳齿可动结构的位移，使检验梳齿进入变间隙式电容检测工作状态，并产生差模电容信号。当后端处理电路采用差分电路时，差模电容信号被放大。同时，当外界其它力（如外界磕碰、振动等）作用于陀螺时，根据牛顿运动定律可得，其它力将导致互为对称的质量块同向位移，使梳齿结构产生共模信号，在差分检测电路中将被抑制，由此提高陀螺的抗干扰能力。
10.本发明与现有技术相比的优点在于：本发明中的mems陀螺的工作过程是利用mems陀螺中的三角质量块沿面外(即z轴)做方向相反的简谐振动，并通过质量块连接梁将简谐振动分别传给x轴和y轴方向的质量块。当存在xy平面内角速度时，由于科氏效应，将引起互为对称的质量块（y轴的一对质量块或x轴的一对质量块）做反向振动，产生差模电容信号，外界其它作用力作用于陀螺时，将产生共模信号。当后端电路采用差分电路处理时，差模信号被放大，提高信号稳定性及抗干扰能力，共模信号被抑制，由此提高整个陀螺系统的抗干扰能力。
11.有益效果：
该mems结构的陀螺一方面实现了双轴角速度信号检测的效果，另一方面能对外界其它作用力产生的共模干扰信号起到抑制效果，提高检测精确性，减少误差，而且其结构简单、制作成本低。
附图说明
12.图1为本发明提出的一种实现抑制共模干扰信号的六质量块mems双轴陀螺的结构俯视图。
13.图2为本发明提出的一种实现抑制共模干扰信号的六质量块mems双轴陀螺的立体结构图。
14.图3为本发明提出的一种实现抑制共模干扰信号的六质量块mems双轴陀螺的梳齿结构图。
15.图4为本发明提出的一种实现抑制共模干扰信号的六质量块mems双轴陀螺的工作过程示意图。
16.图5为本发明提出的一种实现抑制共模干扰信号的六质量块mems双轴陀螺的工艺示意图。
17.图1中：1-第一三角质量块、2-第二三角质量块、3-极板衬底、4-y轴方向第一质量块、5-x轴方向第一质量块、6-y轴方向第二质量块、7-x轴方向第二质量块、8-检验梳齿可动结构、9-检验梳齿固定结构、10-锚点框架连接梁、11-锚点质量块弹性梁、12-质量块连接梁、13-锚点、14-框架。
具体实施方式
18.下面通过具体实例和附图，对本发明实施例中技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
19.本发明的工作原理：mems陀螺的工作原理是基于科里奥利效应（科氏效应）的微机械轴对称陀螺，其使用振动机械元件来感知旋转，无需轴承和旋转部件，并可利用硅微加工技术实现小型化和批量制造。其中科氏加速度的表达式如下：式中，—科氏加速度，方向垂直指向、所构成的平面，科氏力方向满足右手定律；—仅受驱动力作用时，质量块的谐振速度；—输入角速度；通过科氏加速度的表达式，可知产生科氏力的条件为mems陀螺的质量块自身存在简谐谐振并有外界的角速度输入，此时产生的科氏力的方向垂直指向、所构成的平面，
力的大小为；该结构的mems陀螺是采用静电驱动和电容检测的方式，感知外界角速度。静电驱动和电容检测的实现是依据平行板电容模型，其电容的表达方式如下：其中，ε—平行板电容的介电常数；l—相对长度；b—相对宽度；d0—平行板电容间距。
20.即该结构通过外界电路实现对电容值改变，进而引起d0变化，实现静电力驱动；反之，当外力改变使得d0变化时，电容值也随之发生变化，通过检测电容值变化，可得到外力大小。
21.由于该结构采用差分检测电路实现对共模信号的抑制，下面通过式子简述差分检测电路原理：ca=c0‑∆
c1+
∆
c2cb=c0+
∆
c1+
∆
c2上式中c0为静态电容，
∆
c1为科氏力作用产生的电容变化量，
∆
c2为其它力作用产生的电容变化量。当外界存在角速度时，检测用的质量块由于科氏效应往相反的方向运动产生位移，此时角速度引起的电容变化为+
∆
c1和
‑∆
c1；而当外界存在其它作用力时，检测用的质量块由于该力作用往相同的方向运动产生位移，该力引起的电容变化为+
∆
c2和+
∆
c2或
‑∆
c2和
‑∆
c2，上式是以电容变化为+
∆
c2和+
∆
c2为例进行说明，另一种同为
‑∆
c2情况能产生相同的效果，这里不进行赘述。电容信号通过后端差分电路进行处理，其电容差总变化为：c=c
a-cb=2
∆
c1通过对上式的分析可知，即使外界存在干扰时，此干扰为共模干扰，可以通过差分检测电路消除（式子中无
∆
c2项），同时，从式中可知，角速度引起科氏力电容项的检测能力得到提高，变为原来的两倍。即该结构陀螺能够避免外界共模信号干扰，放大科氏力引起的电容变化，起到提高检测准确性的效果。
22.本发明的工作过程如下：第一三角质量块和第二三角质量块分别与极板衬底形成了两对平行板电容结构，当x轴或者y轴上无角速度发生，通过施加相位相差180
°
电极电压，使第一三角质量块和第二三角质量块朝着z轴反方向进行振动，并通过质量块连接梁分别传递给第一组质量块（y轴方向第一质量块、x轴方向第一质量块）和第二组质量块（y轴方向第二质量块、x轴方向第二质量块）产生简谐振动。同时，因x轴方向第一质量块、x轴方向第二质量块、y轴方向第一质量块以及y轴方向第二质量块，只受弹性梁带动而无其他轴向的限制，故各质量块可以无损承接来自第一、第二三角质量块的同频振动。
23.当x轴的角速度发生变化，位于y轴方向第一质量块与y轴方向第二质量块由于科氏效应，将在y轴方向上产生微小位移，且y轴方向第一质量块与y轴方向第二质量块的移动方向相反。此时位于y轴方向第一质量块与y轴方向第二质量块内部的检验梳齿可动结构产生位移，检验梳齿可动结构与检验梳齿固定结构形成的电容输出产生变化，故能产生了相位相差180
°
的差模信号，采用差分电路处理，得到的有效信号与角速率信号成正比，便能实
现对x轴向角速度的检测，其工作过程的示意图，请查阅图4。
24.当y轴的角速度发生变化，位于x轴方向第一质量块与y轴方向第二质量块由于科氏效应，将在x轴方向上产生微小位移，且x轴方向第一质量块与x轴方向第二质量块的移动方向相反。此时位于x轴方向第一质量块与x轴方向第二质量块内部的检验梳齿可动结构产生位移，检验梳齿可动结构与检验梳齿固定结构形成的电容输出产生变化，故能产生了相位相差180
°
的差分信号，采用差分电路处理，得到的有效信号与角速率信号成正比，便能实现对y轴向角速度的检测，由于工作过程的示意图与x轴工作过程相同，可参考图4。
25.当x轴和y轴的角速度同时发生时，上述工作过程均可独立完成，工作过程同上述x、y轴的角速度发生变化的案例，可实现对x轴和y轴角速度的同时检测。
26.当x轴存在干扰信号的扰动时（x轴方向产生加速度），位于x轴方向第一质量块与x轴方向第二质量块受干扰信号的扰动，根据牛顿运动定律可得，此时位于x轴方向第一质量块与x轴方向第二质量块内部的检验梳齿可动结构产生同外界加速度方向一致的位移，检验梳齿可动结构与检验梳齿固定结构形成的电容输出产生变化，故产生了同相位的共模信号（相位差0
°
），后端电路采用差分电路，对共模电容信号进行减法运算，实现对x轴扰动的抑制。
27.当y轴存在干扰信号的扰动（y轴方向产生加速度），位于y轴方向第一质量块与y轴方向第二质量块受干扰信号的扰动，根据牛顿运动定律可得，此时位于y轴方向第一质量块与y轴方向第二质量块内部的检验梳齿可动结构产生同外界加速度方向一致的位移，检验梳齿可动结构与检验梳齿固定结构形成的电容输出产生变化，故产生了同相位的共模信号（相位差0
°
），后端电路采用差分电路，对共模电容信号进行减法运算，实现对y轴扰动的抑制。
28.当x轴和y轴同时存在干扰信号的扰动时，产生的效果与x、y轴单独受到干扰的效果相同，可实现对x、y轴干扰信号产生的共模电容信号进行抑制。
29.本发明的陀螺结构制成工艺如下，请参阅图5：该陀螺结构均为硅材料，可以通过选择比较成熟的体硅或者表面硅工艺技术实现硅材料的制备，并通过使用刻蚀工艺、硅与极板衬底键合工艺制备陀螺结构，并可实现大规模生产。基于soi的六质量块微陀螺仪的制备工艺如下：步骤一：去除soi片器件层表面的湿热氧化层；步骤二：在soi片器件层表面直接制作出锚点结构；步骤三：将加工好具有锚点结构soi片与玻璃片基底进行键合；步骤四：通过干法刻蚀去除衬底层；步骤五：通过湿法刻蚀去除埋氧层；步骤六：在裸露的器件层上制作铬金电极层；步骤七：通过湿法刻蚀去除多余的金电极层；步骤八：通过湿法刻蚀去除多余的铬淀积层；步骤九：对器件层通过离子刻蚀，制成陀螺的结构；步骤十：通过湿法刻蚀，减薄锚点质量块弹性梁厚度。
30.本发明采用soi片代替普通硅片进行阳极键合，其优点主要在于两个方面：（1）没有机械研磨造成的应力损伤；（2）不会降低减薄后硅片表面的平整度和粗糙度。这主要归功
于soi片特殊的三层结构，减薄时只需要去除衬底层的硅和埋氧层的二氧化硅即可。其中，干法刻蚀衬底层的硅时，由于硅和二氧化硅的高选择比，对埋氧层几乎不会产生影响，因此可以保证对衬底层的完全刻蚀而不过刻到埋氧层。湿法腐蚀埋氧层时，由于boe溶液不与硅发生反应，也可以在不腐蚀器件层的前提下完全去除埋氧层。整个减薄过程不涉及机械磨削，因此不会对硅片表面产生应力损伤，硅和二氧化硅的高选择比也保证了减薄后器件层表面的粗糙度和平整度。
31.本发明公开一种可抑制陀螺仪共模干扰信号的六质量块mems双轴陀螺，本发明涉及mems陀螺领域。具体为此mems双轴陀螺可同时检测x轴y轴两个方向的角速度，陀螺结构包括两个三角质量块、两个x轴质量块、两个y轴质量块、质量块连接梁、梳齿结构、锚点结构、支撑梁结构及边框结构。其工作原理为在静电力驱动下陀螺的两个三角质量块沿面外(即z轴)做反向简谐振动，并通过质量块连接梁将简谐振动传递给x轴和y轴方向的质量块。当沿x或y轴存在角速度时，由于科氏效应，将引起x轴或y轴的一对质量块做反向振动，产生差模电容信号。当后端处理电路采用差分电路时，差模电容信号被放大，其它共模干扰信号被抑制，由此提高陀螺的抗干扰能力。
32.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
33.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：

1.一种实现抑制共模干扰信号的六质量块mems双轴陀螺，其特征在于：具体包括以下结构：第一三角质量块（1）、第二三角质量块（2）、极板衬底（3）、y轴方向第一质量块（4）、x轴方向第一质量块（5）、y轴方向第二质量块（6）、x轴方向第二质量块（7）、检验梳齿可动结构（8）、检验梳齿固定结构（9）、锚点框架连接梁（10）、锚点质量块弹性梁（11）、质量块连接梁（12）、锚点（13）、框架（14）；其陀螺特征在于：检验梳齿固定结构（9）与锚点（13）固定在极板衬底上，第一三角质量块（1）和第二三角质量块（2），外形几何尺寸相同，通过锚点质量块弹性梁（11）与锚点（13）进行连接，并处于悬空状态，可以满足在z轴方向的简谐振动；y轴方向第一质量块（4）和x轴方向第一质量块（5），外形几何尺寸相同，通过质量块连接梁（12）与第一三角质量块（1）相连，并处于悬空状态；y轴方向第二质量块（6）和x轴方向第二质量块（7），外形几何尺寸相同，通过质量块连接梁（12）与第二三角质量块（2）相连，并处于悬空状态；y轴方向第一质量块（4）、x轴方向第一质量块（5）、y轴方向第二质量块（6）和x轴方向第二质量块（7）在其结构中刻蚀出几何尺寸相同的检验梳齿可动结构（8），该检验梳齿可动结构（8）与检验梳齿固定结构（9）形成检测的梳齿电容；框架（14）通过锚点框架连接梁（10）与锚点（13）相连，形成固定位置的悬空结构。2.如权力1要求所述的一种实现抑制共模干扰信号的六质量块mems双轴陀螺，其特征在于：检验梳齿固定结构（9）与锚点（13）材料相同，为硅材料，固定在极板衬底上，且厚度相同；y轴方向第一质量块（4）、x轴方向第一质量块（5）、y轴方向第二质量块（6）、x轴方向第二质量块（7）、检验梳齿可动结构（8）、锚点质量块弹性梁（11）、质量块连接梁（12）、锚点框架连接梁（10）和边框（14）材料相同，为硅材料，上述结构处于悬空状态，除锚点质量块弹性梁（11）外，其余结构厚度相同；锚点质量块弹性梁（11）通过湿法刻蚀工艺处理，使结构厚度减薄，z轴方向的刚度减小。3.如权利要求1所述的一种实现抑制共模干扰信号的六质量块mems双轴陀螺，其特征在于：通过第一次刻蚀工艺，在一块平整结构的soi片上将检验梳齿固定结构与锚点的柱状根部支撑部分加工成型，并将刻蚀好的结构与玻璃衬底进行键合；通过干法刻蚀和湿法刻蚀，去除soi片的衬底层和埋氧层，得到裸露的器件层结构，并在该器件层上制作金属电极层；通过湿法刻蚀去除器件层上多余的金属电极层结构；通过离子刻蚀，刻蚀器件层得到以下结构：第一三角质量块（1）、第二三角质量块（2）、y轴方向第一质量块（4）、x轴方向第一质量块（5）、y轴方向第二质量块（6）、x轴方向第二质量块（7）、锚点框架连接梁（10）、锚点质量块弹性梁（11）、质量块连接梁（12）和边框（14）；最后通过湿法刻蚀工艺处理锚点质量块弹性梁（11），使结构厚度减薄，z轴方向的刚度减小。4.如权利要求1所述的一种实现抑制共模干扰信号的六质量块mems双轴陀螺，其特征在于：第一三角质量块（1）、第二三角质量块（2）、y轴方向第一质量块（4）、x轴方向第一质量块（5）、y轴方向第二质量块（6）、x轴方向第二质量块（7）、检验梳齿可动结构（8）、锚点框架连接梁（10）、锚点质量块弹性梁（11）、质量块连接梁（12）和边框（14）均在同一水平面上；y轴方向第一质量块（4）与y轴方向第二质量块（6）在y轴方向位置对称，且尺寸相同；x轴方向第一质量块（5）与x轴方向第二质量块（7）在x轴方向位置对称，且尺寸相同；同时，第一三角质量块（1）和第二三角质量块（2）与锚点（13）连接，锚点质量块弹性梁（11）在x轴和y轴向具有很大的刚度，在z轴向上刚度较小，使三角质量块可以在z轴向上产生运动而在x轴和y轴方向上的位移较小。
5.如权利要求1所述的一种实现抑制共模干扰信号的六质量块mems双轴陀螺，其特征在于：该陀螺的激励方式采用静电驱动，陀螺的检测方式采用电容检测；该陀螺第一三角质量块（1）和第二三角质量块（2）分别与极板衬底（3）形成电容结构，在特定的通电状态下可实现第一三角质量块（1）和第二三角质量块（2）在面外(即z轴)方向做反向的简谐振动；第一三角质量块（1）和第二三角质量块（2）的振动通过质量块连接梁分别传递给第一组质量块（y轴方向第一质量块（4）、x轴方向第一质量块（5））和第二组质量块（y轴方向第二质量块（6）、x轴方向第二质量块（7）），使这两组质量块也随三角质量块做反向简谐运动；当xy轴平面内有角速度时，由于科氏效应，位于对称状态的质量块受科氏力的作用产生xy平面内的反向位移，并带动内部检验梳齿可动结构的位移，使检验梳齿进入变间隙式电容检测工作状态，并产生差模电容信号；当后端处理电路采用差分电路时，差模电容信号被放大；同时，当外界其它力（如外界磕碰、振动等）作用于陀螺时，根据牛顿运动定律可得，其它力将导致互为对称的质量块同向位移，使梳齿结构产生共模干扰信号，在差分检测电路中将被抑制，由此提高陀螺的抗干扰能力。

技术总结

本发明公开一种实现抑制共模干扰信号的六质量块MEMS双轴陀螺。此MEMS双轴陀螺可同时检测X轴和Y轴两个方向的角速度，陀螺结构包括两个三角质量块、两个X轴质量块、两个Y轴质量块、质量块连接梁、梳齿结构、锚点结构、支撑梁结构及边框结构。其工作原理为在静电力驱动下陀螺的两个三角质量块沿面外(即Z轴)做反向简谐振动，并通过质量块连接梁将简谐振动传递给X轴和Y轴方向的质量块。当沿X或Y轴存在角速度时，由于科氏效应，将引起X轴或Y轴的一对质量块做反向振动，产生差模电容信号。当后端处理电路采用差分电路时，差模电容信号被放大，共模干扰信号被抑制，由此提高陀螺的抗干扰能力。力。力。