椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN110986908A(43)申请公布日2020.04.10(21)申请号201911296057.X(22)申请日2019.12.16(71)申请人武汉大学地址430072湖北省武汉市武昌区八一路299号(72)发明人陈浩然吴国强(74)专利代理机构湖北武汉永嘉专利代理有限公司42102代理人程力(51)Int.Cl.G01C19/5656(2012.01)权利要求书1页说明书4页附图5页(54)发明名称椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪(57)摘要本发明公开了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。该陀螺仪结构简单、体积小、易于批量制造、机械灵敏度高。CN110986908ACN110986908A权利要求书1/1页1.一种椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，其特征在于：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。2.如权利要求1所述的椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，其特征在于：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。3.如权利要求1所述的椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，其特征在于：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。4.如权利要求1所述的椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，其特征在于：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。5.如权利要求3或4所述的椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，其特征在于：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。6.如权利要求1所述的椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，其特征在于：隔热槽为弧形槽、条形槽、方形槽或圆孔。7.如权利要求1所述的椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，其特征在于：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。8.如权利要求1所述的椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，其特征在于：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。9.如权利要求1所述的椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，其特征在于：固支梁为Z型梁、直梁或T型梁，个数为偶数。10.如权利要求1所述的椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪，其特征在于：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。2CN110986908A说明书1/4页椭圆谐振模态压电式MEMS圆环陀螺仪技术领域[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-MechanicalSystem，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