技术领域
[0001] 本
发明属于微机械
传感器领域，具体涉及一种椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪。
背景技术
[0002] 陀螺仪是指一种测量平台转动
角度或
角速度的检测装置，在现代航海、航天、航空和国防科技领域里有着非常重要的作用，对推动工业发展和加强国防安全有着重大意义。随着微
电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)的出现，陀螺仪开始向小体积、高
精度、低功耗以及能抵御恶劣环境干扰的方向发展。基于MEMS技术的陀螺仪具有体积小、功耗低、精度高等优点，因而MEMS陀螺仪成为陀螺仪发展的重要方向。
[0003] 根据机械
信号转换为
电信号的方式，MEMS陀螺仪可分为电容式与压电式两种。跟电容式相比，压电式的机电转化率较高，无需直流
偏压和高深宽比的电容间隙，更易于制造和批量生产。因此，压电式MEMS陀螺仪具有更好的市场前景，获得了越来越多的关注。但是现有的压电式MEMS陀螺仪机械灵敏度和检测灵敏度都不高。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，该陀螺仪结构简单、体积小、易于批量制造，提高了机械灵敏度和检测灵敏度。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：
[0006] 一种椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，包括设有凹腔的衬底，凹腔上方悬空有圆环谐振子和固支梁，固支梁沿圆环谐振子外侧均布，圆环谐振子通过固支梁与外围固支结构连接，外围固支结构与衬底固定，以圆环谐振子顶面上外圆和内圆之间的中心圆为基准圆，基准圆沿线均布有贯穿厚度方向的
隔热槽，圆环谐振子的顶
电极沿基准圆内外侧差分布置。
[0007] 进一步地，顶电极包括驱动电极、驱动检测电极、调谐电极、检测电极和
正交补偿电极；驱动电极用于激励陀螺仪工作在驱动模态；驱动检测电极用于检测驱动模态的谐振
频率和振动幅度，并通过闭环控制
电路使陀螺仪工作在稳定的谐振状态；调谐电极用于调节陀螺仪的驱动谐振频率；检测电极用于检测由平台转动引起的科里奥利
力所产生的电信号输出；正交补偿电极用于减小或消除陀螺仪的正交误差信号。
[0008] 进一步地，圆环谐振子包括从下到上依次堆叠的
硅结构层、
电介质层、底电极层、压电材料层和顶电极层以及位于顶面和\或底面的
氧化硅层。
[0009] 进一步地，圆环谐振子包括从下到上依次堆叠的硅结构层、压电材料层和顶电极层以及位于顶面和\或底面的氧化硅层，其中硅结构层重掺杂同时作为底电极层。
[0010] 进一步地，硅结构层为
单晶硅、
多晶硅或非晶硅；压电材料层为氮化
铝、氧化锌或锆
钛酸铅；底电极层和顶电极层的材料为金、铝、钼、铂或铬。
[0011] 进一步地，隔热槽为弧形槽、条形槽、方形槽或圆孔。
[0012] 进一步地，当陀螺仪谐振模态为一阶椭圆模态时，固支梁为八个；当陀螺仪谐振模态为二阶椭圆模态时，固支梁为十二个。
[0013] 进一步地，顶电极为圆弧状，每一对位于基准圆内外侧的顶电极均为一对极性相反的顶电极对，顶电极对的数目与固支梁的数目相同。
[0014] 进一步地，固支梁为Z型梁、直梁或T型梁，个数为偶数。
[0015] 进一步地，固支梁与圆环谐振子的连接处位于圆环谐振子振动的波节
位置。
[0016] 本发明的有益效果是：
[0017] 该陀螺仪采用MEMS技术制备，结构简单、体积小、易于批量制造；该陀螺仪采用圆环结构，具有良好的结构对称性，品质因子(Q值)高，在驱动模态和检测模态的谐振频率非常相近，易于实现模态匹配，从而可以大幅度提高陀螺仪的机械灵敏；该陀螺仪的顶电极采用沿基准圆内外侧差分布置的方式，提高了器件的检测灵敏度；该陀螺仪增设了隔热槽，增大了器件振动过程中的热交换路径，减小了陀螺仪的热弹性损耗，提高了陀螺仪的品质因子(Q值)，从而提高了器件的检测灵敏度；该陀螺仪采用二阶椭圆模态时，可以在
各向异性的
硅片上减小驱动模态与检测模态的谐振频率差，从而实现陀螺仪的模态匹配。
附图说明
[0019] 图中：101-衬底；102-Z型梁；103-圆环谐振子；104-隔热槽。
[0020] 图2是本发明实施例一的截面图；
[0021] 图中：201-氧化硅层；202-硅结构层；203-电介质层；204-底电极层；205-压电材料层；206-顶电极层。
[0022] 图3是本发明实施例二的三维示意图；
[0023] 图中：301-衬底；302-Z型梁；303-圆环谐振子；304-隔热槽。
[0024] 图4是本发明实施例二的截面图；
[0025] 图中：401-氧化硅层；402-硅结构层；403-压电材料层；404-顶电极层。
[0026] 图5是本发明实施例一和实施例二的俯视图；
[0027] 图中：501-驱动电极；502-检测电极；503-驱动检测电极；504-调谐电极；505-正交误差消除电极。
[0028] 图6是本发明驱动模态振型示意图。
[0029] 图7是本发明检测模态振型示意图。
[0030] 图8是本发明实施例一的角速度响应灵敏度归一化曲线。
具体实施方式
[0031] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0032] 实施例一
[0033] 如图1、图2和图5所示，一种椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，包括设有凹腔的衬底101，凹腔上方悬空有圆环谐振子103和Z型梁102，十二根Z型梁102沿圆环谐振子103外侧均布，圆环谐振子103通过Z型梁102与外围固支结构连接，外围固支结构与衬底101固定，以圆环谐振子103顶面上外圆和内圆之间的中心圆为基准圆，基准圆沿线均布有四十个贯穿厚度方向的隔热槽104(通过
刻蚀加工得到)，圆环谐振子103的顶电极沿基准圆内外侧差分布置(隔热槽104与两侧的顶电极相互隔开，不破坏顶电极。)。
[0034] 该陀螺仪采用MEMS技术制备，结构简单、体积小、易于批量制造；该陀螺仪采用圆环结构，具有良好的对称性，品质因子(Q值)高，在驱动模态和检测模态的谐振频率非常相近，易于实现模态匹配，从而可以大幅度提高陀螺仪的机械灵敏；该陀螺仪的顶电极采用沿基准圆内外侧差分布置的方式，提高了器件的检测灵敏度；该陀螺仪增设了隔热槽104，增大了器件振动过程中的热交换路径，减小了陀螺仪的热弹性损耗，提高了陀螺仪的品质因子(Q值)，从而提高了器件的检测灵敏度；该陀螺仪采用二阶椭圆模态时，可以在各向异性的硅片上减小驱动模态与检测模态的谐振频率差，从而实现陀螺仪的模态匹配。
[0035] 如图2所示，圆环谐振子103包括从下到上依次堆叠的氧化硅层201、硅结构层202、电介质层203、底电极层204、压电材料层205和顶电极层206。其中，氧化硅层201以实现对陀螺仪实现谐振频率的被动式
温度补偿；硅结构层202可以采用单晶硅、多晶硅、非晶硅等；在MEMS领域，常用的压电材料包括
石英、钛酸钡、锆钛酸铅以及氮化铝等，压电材料层205可以采用氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅等，优选氮化铝，氮化铝材料具有沉积温度低(低于400摄氏度)、
介电常数小、介电损耗低、压电系数好等优点；底电极层204和顶电极层206的材料可以采用金、铝、钼、铂、铬等，优选钼，钼具有与氮化铝声阻抗匹配、耐高温、使用寿命长等优点。
[0036] 如图5所示，顶电极包括八个驱动电极501、四个检测电极502、四个驱动检测电极503、四个调谐电极504和四个正交误差消除电极505；驱动电极501作用为输入电学
激励信号，根据逆
压电效应激励圆环谐振子103振动，当存在垂直于圆环平面的角速度时，根据科里奥利效应产生的检测信号可以通过检测电极502输出，驱动检测电极503检测驱动模态的振动幅值和振动频率，并且通过后期闭环电路的处理，使陀螺仪工作在稳定的谐振状态，调谐电极504利用静电力调节陀螺仪的
刚度，从而实现驱动模态与检测模态的模态匹配，正交误差消除电极505可以抑制或消除正交耦合误差。
[0037] 通过驱动电极501输入驱动电信号，在有垂直于圆环平面的角速度时，由于科里奥利效应，驱动模态的
能量传递到检测模态，引起了检测模态的振动，通过压电效应，可以将检测模态的机械振动转化为了电信号并由检测电极502输出，输出的信号经过外围电路的处理变成与角速度或者角度相关的信号，从而实现角速度或者角度的测量。
[0038] 如图5所示，二十四个钼材质顶电极沿基准圆内外侧差分布置，通过差分布置的方法可以增强所述陀螺仪的
输出信号。每个顶电极形状为圆弧状，夹角为二十五度，间隔为五度。每一对位于基准圆内外侧的顶电极均为一对极性相反的顶电极对，顶电极对的数目与固支梁的数目相同。将顶电极对均匀布置于应变最大处，可以最大化提取电荷，从而进一步地增强输出信号。
[0039] 当陀螺仪谐振模态为一阶椭圆模态时，固支梁为八个；当陀螺仪谐振模态为二阶椭圆模态时，固支梁为十二个。如图1和图5所示，十二根Z型梁102激发起了圆环陀螺仪的二阶椭圆谐振模态，优选地，十二根Z型梁102位于在二阶椭圆谐振模态的波节处，可以增强输出信号。Z型梁102由三根直梁组成，由Z型梁102与谐振圆环连接点向外的三梁分别为第一直梁、第二直梁与第三直梁，优选地，第一直梁与第三直梁的长宽比不超过五，第二直梁的长宽比应大于五，上述设置通过有效的抑制圆环的面外振动，可以抑制杂波。优选地，第一直梁与第二直梁之间的夹角为七十五度，第二直梁与第三直梁之间的夹角为一百零五度，上述设置通过大幅减小
锚点损耗，从而提升所述陀螺仪的品质因数。
[0040] 如图6和图7所示，分别为陀螺仪的驱动模态和检测模态振动模态示意图，圆环陀螺仪工作在二阶椭圆谐振模态。
[0041] 如图8所示，通过使用COMSOL
软件对实施例一进行仿真，得出实施例一的灵敏度归一化曲线。
[0042] 实施例二
[0043] 如图3至图5所示，实施例二与实施例一结构大体相同，区别是：圆环谐振子303包括从下到上依次堆叠的氧化硅层401、重掺杂的硅结构层402、压电材料层403和顶电极层404，其中重掺杂的硅结构层402作为底电极层。硅结构层402可以通过重掺杂，降低硅材料弹性常数的温度系数，实现被动式温度补偿，进一步提高圆环陀螺仪的温度
稳定性。
[0044] 在实施例一和实施例二中，都采用Z型梁(102和302)作为固支梁，实际上，固支梁还可以是直梁、T型梁等。
[0045] 在实施例一和实施例二中，隔热槽(104和304)都是弧形槽，实际上，隔热槽还可以是条形槽、方形槽或圆孔等。
[0046] 在实施例一和实施例二中，氧化硅层(201和401)都位于底面，实际上，也可以位于顶面，或者同时位于顶面和底面。
[0047] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附
权利要求的保护范围。
