当前课程知识点:MEMS与微系统 > 第四章 微型传感器Ⅲ—惯性传感器 > 第5小节 典型微机械陀螺 > 典型微机械陀螺
接下来我们来看几种典型的微机械陀螺
首先是音叉式的结构
我们都知道音叉
它是一个由两个相同的对称结构所组成的
反向振动系统
它的一阶振动模态是音叉产生的反向振动
二者同时向内或者同时向外
在这样一个振动模态下
如果耦合进来一个角速度
那么它会产生与振动方向相垂直的一个科氏力
那么这个科氏力也是反向的
会使音叉在这样振动的同时
产生这样方向的一个偏转
那么这个偏转会带动音叉根部产生一个扭转
如果将压阻制造在音叉的根部
那么我们就可以把这个扭转测量出来
这个图是一个具体化的结构
这是由戴姆勒公司早年生产出来的
一个音叉式的加速度传感器
它采用两个薄板作为音叉的两个叉值
薄板上沉积了氮化铝压电的驱动器
那么在压电驱动器的作用下
它的谐振方向是垂直于薄板的方向二者反向
当耦合一个沿着x轴的旋转的时候
那么谐振方向和耦合方向的科氏力是沿着纸面
垂直于纸面方向的
而下边的音叉是垂直于纸面方向向外
因此二者的科氏力也是反向的
这样的一个作用结果就使音叉的根部
受到了一个扭转的作用
而音叉的根部制造有一个压阻传感器
那么我们就可以通过压阻传感器
压阻的大小来获得所对应的角速度的大小
这是这个音叉传感器的制造流程
它采用了氢氧化钾刻蚀和硅片键合技术
首先用两个SOI圆片
分别刻蚀两个凹槽
这两个圆片刻蚀的结构是完全一样的
然后将凹槽相对进行硅硅键合
键合以后将上层圆片的硅衬底去掉
得到图C所示的结构
去掉图C的二氧化硅以后得到图D
那么进一步来制造扩散电阻和氮化铝薄膜
最后采用刻蚀的办法将可动结构刻蚀悬空
并去掉下方的衬底
下面我们来看用表面微加工来制造的
音叉式的微机械陀螺
那么最早的Draper Lab所实现的陀螺就是
这样的一个结构方式
它由Draper Lab开发
后来成功以后将技术许可给霍尼韦尔公司量产
它采用的是叉指来驱动一个质量块
在平面内产生谐振
然后采用平板电容来检测的方式
下面所列举的是它的基本一些性能参数
比如说这个质量块在垂直电极方向的
最大位移大概在5个纳米
产生的电容变化大小大约是
3乘10的负18次方F
那么这是器件的噪声和它的零偏稳定性
早期Draper Lab所制造的这样的一个陀螺
是利用了熔硅的技术
我们来看它具体工艺流程
首先如图A所示
先用体硅氢氧化钾刻蚀的办法
刻蚀一个具有一定深度的凹槽
然后对凹槽表面进行高浓度的硼掺杂
再用刻蚀的办法来定义不同的部分
然后在玻璃上沉积金属
把硅圆片和玻璃圆片进行静电键合
键合以后在氢氧化钾刻蚀中把硅片的衬底去掉
而结构层由于高浓度的硼掺杂
在氢氧化钾刻蚀中速度很慢
所以它得到保留
那么这样一个桥式结构悬空的部分就是
谐振的微机械陀螺
那么它与玻璃上的电极二者之间构成了
一个平板电极
所以当前面我们提到的叉指驱动的质量块
产生面内谐振的时候
耦合进来的旋转角速度使叉指电容发生了偏转
那么就改变了这个结构
和底电极之间的电容大小
从而可以实现对角速度的测量
下面我们来看由Bosch公司所开发的
利用体加工技术制造的音叉式陀螺
那么它采用的是电磁力来激励的方式
我们来看这样的一个结构
当这个陀螺在一个磁场强度B的作用下
在结构表面通以电流的时候
电流在磁场的作用下会产生电磁激励
那么这个力的大小可以用
F等于L乘以电流大小乘以磁场强度
所计算出来
当这样一个驱动在电磁场中产生垂直于
纸面的振动的时候
耦合进来的科氏力的方向是沿着
平行于纸面的方向
因此我们可以看出来它可以改变质量块
和固定端之间的叉指电容的大小
所以它通过电磁的激励和静电电容的检测
来实现对角速度的测量
我们来看它的制造过程
它也是采用了一个SOI圆片作为衬底
那么首先从正面刻蚀我们所需要的陀螺结构
从背面刻蚀一定的深度
形成一个凹槽
然后对整个系统进行互连和电磁材料的制造
在正面键合一个密封腔
然后从反面将其释放
我们就得到了一个悬空的一个体加工的
陀螺结构
那么更常用的办法
是采用SOI和反应离子深刻蚀来制造
体加工技术的大质量块的谐振陀螺
我们来看这个陀螺结构是由
挪威的SensoNor公司所开发的
那么它的制造方式就采用了
SOI来刻蚀器件层
然后从背面进行释放悬空
这个陀螺也是采用了一个音叉式的结构
但是它是采用平板电极测量的方式
它的性能非常高
比如说SensoNor公司的
SAR100它的零偏稳定性
可以做到每小时0.02度
这是目前硅微机械的陀螺非常高的水平
同样的加工技术也就是SOI
和反应离子深刻蚀可以有
多种不同的结构设计
比如说这个图是佐治亚理工所开发的
一个高性能的陀螺
那么它所采用的是叉指电容在两侧激励的办法
激励质量块沿着水平方向谐振
当耦合进来角速度的时候
那么它会产生沿着水平垂直方向的一个位移
那么这两者之间的测量电极就可以检测到
质量块的位移
从而获得角速度的大小
下面我们来介绍一种谐振梁式的陀螺
它的典型特点是一个质量块通过弹性结构
支撑在一个框架上
我们把它称为一个内框架
内框架再通过另一个弹性结构
支撑在衬底或者是外框架上
内框架由于是由弹性结构支撑的
所以它可以产生位移
而外框架或者衬底是固定不动的
我们来看这是一个抽象的陀螺模型
当谐振的方向是在纸面内产生垂直振动的时候
耦合进来垂直于纸面的旋转
那么会让质量块所带动的内框架
沿着水平方向发生位移
这样的一个位移就改变了内框架
与外框架或者衬底之间叉指电容的大小
从而我们可以通过测量叉指电容的变化
来计算出角速度的大小
这种陀螺结构最典型的是ADI公司
所开发的ADXRS系列
那么它所利用的工艺过程与该公司所制造的
ADXL系列的加速度传感器是一样的
都是表面微加工比较薄的一个质量块层
这样的一个结构在测量上采用了
两个相同谐振单元的特点
那么这两个相同的谐振单元能够
产生垂直的振动
因此它们的共模输出可以消除
加速度和温度的影响
我们前面反复提到实际上谐振式的陀螺
就是一个谐振式的加速度传感器再旋转起来
那么对于一个加速度传感器来讲
在测量角速度的同时
它仍旧对加速度有较强的敏感性
因此外部的加速度会对角速度的测量
产生较大的干扰
因此一个高性能的陀螺必须能够抑制
加速度的干扰
对于ADI公司所开发的
这个ADRS系列
那么它们具有非常高的信号处理能力
比如说它的满量程电容的变化只有
1.2乘10的负17次方F
那么电容分辨率达到了
1.2乘以10的负20次方F
这样的一个高强的一个信号处理能力
是保证整个陀螺正常工作和分辨率的
一个基本条件
通常由于陀螺的二阶耦合模式
比一阶振动模式更弱
因此陀螺的输出信号远比
加速度的输出信号要低
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