（机械制造及其自动化专业论文）z轴微机械陀螺的集成设计技术.pdf

皿北t 业人学硕f ：学位论文摘要 摘要 微机电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 以其体积小、重量 轻、性能稳定、可批量生产等特点在世界范围内的各个领域得到了广泛的应用， 尤其是在需要尽量减小器件重量和体积的航空、航天领域更是发挥着越来越重要 的作用。 微机械陀螺作为m e m s 的典型器件一直是国内外研究的热点，而z 轴微机 械陀螺由于具有较好的性能成为微机械陀螺的重要发展方向。 本文针对微机械陀螺设计中存在的机械耦合现象提出了一种能从自身结构 卜消除机械耦合影响的电容式z 轴微机械陀螺结构，并采用集成化的设计方法分 别从系统级、器件级、工艺级三个方面进行z 轴微机械陀螺的设计和验证。 在系统级中开发了相关系统级多端口三维组件模型，建立了z 轴微机械陀螺 系统级模型，并对陀螺进行了时域分析和频域分析；在器件级中对z 轴微机械陀 螺进行了模态、阻尼等分析；在工艺级中设计了z 轴微机械陀螺的掩膜版图和工 艺流程，并进行工艺几何仿真。 最后，实际进行z 轴微机械陀螺的流片加工，分析了检测的结果，比较验证 了陀螺集成设计方法。 此外，结合z 轴微机械陀螺设计，完善和补充了集成设计平台的功能，设计 开发了相关数据传递接口。 关键词：z 轴微机械陀螺，集成设计，机械耦合，系统级，器件级，工艺级 两北工业人学坝卜学位论史摘要 a b s t r a c t m e m sh a v et h ef e a t u r eo fm i n i a t u r e ，l o wc o s t ，s t r o n gr e l i a b i l i t ya n dt h e p o t e n t i a lo f h i g hp e r f o r m a n c e ，w h i c he n a b l ei tt oh a v e w i d eu s e a n dh a v eb e c o m ea l l i m p o r t a n tb r a n c ho f c u r r e n ti n e r t i a lt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yf o rt h ea v i a t i o n ，a e r o s p a c e m i c r o m a c h i n e dg y r o s c o p ei so n e t y p i c a lm e m sd e v i c e t h ez a x i s m i c r o m a c h i n e dg y r o s c o p eb e c o m e st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h em i c r o m a c h i n e d g y r o s c o p ew i t hi t sh i g hp e r f o r m a n c e an e ws t r u c t u r eo f z - a x i sm i c r o m a c h i n e dg y r o s c o p ew i t hm e c h a n i c a l l y d e c o u p l e dt h r o u g hs i x t e e ni n d e p e n d e n ts u s p e n s i o nb e a m si sd e s i g n e db ym e a n so f t h e i n t e g r a t i o nd e s i g nm e t h o db a s e d o nt h ed e s i g nf l o wo fs y s t e ml e v e l ，d e v i c el e v e la n d p r o c e s sl e v e l i ns y s t e ml e v e ld e s i g n ，s o m em u l t i p o r te l e m e n tn e t w o r k ( m u p e n ) m o d e l s w e r ed e v e l o p e d ，a n dt h es y s t e mm o d e lo fz - a x i sm i c r o m a c h i n e dg y r o s c o p ew a s e s t a b l i s h e dw i t ht h es m a l l - s i g n a lf r e q u e n c ya n a l y s i sa n dt i m e - d o m a i nt r a n s i e n t a n a l y s i s i nd e v i c el e v e ld e s i g n ，t h em o d ea n a l y s i sa n dd a m p i n ga n a l y s i so ft h ez a x i s m i c r o m a c h i n e dg y r o s c o p ew a sd o n e i np r o c e s sl e v e ld e s i g n ，t h el a y o u ta n dp r o c e s s w i t hg e o m e t r i c a ls i m u l a t i o nw a sm a d e a tl a s t t h ez a x i sm i c r o m a c h i n e dg y r o s c o p ew a sf a b r i c a t e di nab u l k m i c r o m a c h i n i n gp r o c e s s ，t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nd e s i g na n df a b r i c a t i o nh a sb e e n a n a l y z e d i na d d i t i o n ，i no r d e rt os u p p o r tt h ed e s i g n ，s o m ed a t at r a n s f e ri n t e r f a c e sh a v e b e e nd e v e l o p e di nt h ed e s i g nf o w k e y w o r d s ：z a x i sm i c r o m a c h i n e d g y r o s c o p e ，i n t e g r a t i o nd e s i g n ，m e c h a n i c a l c o u p l i n g ，s y s t e ml e v e l ，d e v i c el e v e l ，p r o c e s sl e v e l i i 西北工业人学碗士学位论文 摘要 第百章z 轴微机械陀螺的工艺级设计4 8 51引言 4 8 5 2 z 轴微机械陀螺版图设计4 9 5 21结构版图的创建技术4 9 5 , 2 2工艺版图的创建5 1 5 3 z 轴微机械陀螺加工工艺设计 5 4 5 3 l加i e 艺设计5 4 5 4 z 轴微机械陀螺工艺几何仿真 5 5 5 4 1 版图文什及 一艺文件5 6 5 42 工艺儿何仿真过程 5 6 5 5 z 轴微机械陀螺工艺物理仿真一 5 9 5 6 本章小结，6 1 第 章z 轴微机械陀螺的加工结果 6 2 总结与展望 一 6 5 研究i 作总结6 5 论文创新点 6 5 f 一步 作展望 一 6 6 参考文献 6 7 硕士期间发表的论文、专利及参与的课题7 1 致请 7 ： 图表目录： 圈l ，】陀螺工作原理 1 幽l 一2 内外框架结构微机械陀螺 3 圈l 一3 音义式微机械陀螺 3 图1 4 悬臂梁振动微机械陀螺 4 图i 一5 谐振环型陀螺5 图2 - 1 陀螺阻尼模型比较 8 图2 - 2 美国u cb e r k e l e y 大学设计的表面z 轴微机械陀螺8 图2 - 3 西种梳齿电容器结构9 图2 - 4 本文设计的z 轴微机械陀螺初期方案1 0 圈2 - 5 差动偏置梳齿电容器结构1 1 图2 - 6 机械耦合对梳齿的影响l3 图2 7 上海交通大学微机械陀螺结构1 4 图2 - 8 所设计的z 轴微机械陀螺结构1 5 图3 - 1m e m s 总体设计框架1 6 圈3 - 2m e m sg a r d e n 设计流程1 7 图3 3 典型惯性组件级模型 1 9 图3 - 4 结构相对运动坐标系2 0 蹦3 - 5 变间距式偏置梳齿电容器示意图2 1 图3 - 6 变间距式偏置梳齿电容器系统级示意图模型 一 2 4 图3 7 采用m u p e n 方法建立的变间距式偏置梳齿电容器模型 2 4 图3 - 8 变间距式偏置梳齿电容器电容值m u p e n 仿真结果 一2 4 图3 - 9 a n s y s 建立的梳齿间隙模型 2 5 图3 - 1 0 变间距式偏置梳齿电容器电容值a n s y s 仿真结果2 5 i v 吲3 - 11 变间距式偏置梳齿电容器电容值理沦计算结果2 6 劁3 1 2z 轴微机械陀螺系统级模型2 7 图3 - 1 3z 轴微机械陀螺系统级谐振频率分析结果2 8 圈3 一1 4 梁宽度与谐振频率的关系 2 8 幽3 一i5 梁长度与谐振频率的关系 2 9 图3 - 1 6 结构厚度与谐振频率的关系 3 0 刚3 - 1 7 敏感质量与谐振频率的关系 3 0 图3 - 1 8 z 轴微机械陀螺在重力作用r 的位移函数 3 1 图3 1 9 z 轴微机械陀螺的位移函数 3 2 图3 2 0z 轴微机械陀螺输出电容变化函数 3 3 图4 1m e m s 器件级设计循环 3 5 图4 2 = 维实体造型流程 3 6 图4 3z 轴微机械陀螺三维实体模型 3 7 圈4 - 4 无梳齿的z 轴微机械陀螺实体模型 3 8 图4 5z 轴微机械陀螺驱动模态振形 3 9 幽4 - 6z 轴微机械陀螺驱动敏感振形 ，3 9 图4 7 滑膜阻尼示意圈4 3 幽4 8 压膜阻尼示意图 4 4 图5 - 1 工艺级设计方法 4 8 图5 - 2 系统级到标准版幽文件转换方法实现流程5 0 圈5 - 3 系统级直接生成的陀螺版图 5 1 图5 - 4 z 轴微机械陀螺修正后的掩膜版图 5 2 例5 - 5 z 轴微机械陀螺结构层掩膜版图，一 5 3 图5 - 6z 轴微机械陀螺锚点层掩膜版图 5 3 翻5 7 z 轴微机械陀螺电极层掩膜版图 5 4 图5 - 8 体硅工艺流程 5 5 图5 - 9 硅基底定义 5 7 图5 1 0 刻蚀键合台 5 7 图5 1 1 硅深刻蚀结构 5 7 剀5 1 2 玻璃基底定义一5 8 图5 - 1 3 玻璃基底上刻蚀电极版图 一 5 8 图5 1 4 沉积金属 5 8 图5 - 1 5 金属剥离形成电极 5 9 图5 1 6 硅一玻璃键台 5 9 图5 - 1 7i c p 刻蚀仿真结果 6 0 图6 - 1z 轴微机械陀螺加工实物照片 6 2 图6 - 2 封装后的z 轴微机械陀螺6 2 幽6 - 3z 轴微机械陀螺驱动梳齿扫描电镜照片 6 3 幽6 - 4 变面积式直线梳齿电容器扫描电镜照片 6 3 图6 - 5 变间距式偏置梳齿电容器扫描电镜照片，6 4 表2 1 各种结构微机械陀螺的性能比较 7 表5 - 1 本文设计的陀螺工艺 5 6 表5 - 2i c p 刻蚀工艺参数 6 0 v 两北t 业人学烦j ：学位论文 筇一章绪论 第一章绪论 1 1 微机械陀螺的研究与发展 陀螺是惯性导航的关键部件，用于钡i 量运动物体旋转角速度进而确定其姿态 和方位，在航空、航天、航海及汽车电子等领域有着广泛的应用。传统的陀螺存 在者体积火、重量大等缺点，尤其是在航空、航天等迫切需要减小体积和重量的 军事领域减小体积和重量成了陀螺发展的必然趋势。 微机电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 的出现使陀螺向体积 小、重量轻方向的发展成为可能。m e m s 采用源自微电子技术的微细加工二 艺制 作，并可实现机械结构和电子电路的片上集成，具有体积小、重量轻、性能稳定、 成本低廉且利于批量生产等优点，在国民经济诸多领域中，特别是国防领域，有 着广阔的应用前景。采用m e m s 技术设计加工的微机械陀螺具有良好的应用前 景，得到了世界上越来越多国家的重视1 3 】。 1 1 1 微机械陀螺工作原理 常见的微机械陀螺多为振动式微机械陀螺( v i b r a t o r ym e m sg y r o s c o p e s ) ，这 种陀螺利用科氏( c o r i o l i s ) 效应进行旋转角速度检测。其基本工作原理如图1 1 【1 1 。 图1 - 1 陀螺工作原理 陀螺敏感质量( m a s s ) 受到一个沿x 方向的交变驱动力r 作用，使得敏感质量 在x 方向往复振动，当有一个z 方向的角速度q 作用于陀螺时，根据科氏效应，陀 i p q 北 业人学坝j 学位论文 第一章绪论 螺将受到一个沿y 方向的科氏力作用，敏感质量将在y 方向产生振动，通过检测 敏感质量在y 方向的位移或其他物理量的变化即可以解算出z 方向的角速度q 的 值。 微机械陀螺包含两个工作模态驱动模态和敏感模态【“。根据微机械陀螺 的驱动模态和敏感模态是否在一个平面( 指惯性质量平板所在的平面) 内可将这 些结构分成两类：驱动模态运动在平面内同时敏感模态运动在平面外，即驱动力 与敏感角速度方向在敏感质量平面内，科氏力在敏感质量平面外，即x y 轴微 机械陀螺；驱动模态运动与敏感模态运动均在平面内，即驱动力与科氏力均在敏 感质量平面内，敏感角速度方向在敏感质量平面外，即z 轴微机械陀螺。 微机械陀螺常见的驱动方式包括t 2 】：静电驱动、压电驱动和电磁驱动；敏感 方式包括电容检测、压阻检测和压电检测等。在实际应用中，根据需要选择不同 的驱动方式和检测方式搭配组合进行使用。鉴于静电方法不受温度、湿度等因素 的影响，并具有最高的检测灵敏度【2 9 1 ，【3 0 】，因此，静电驱动和电容检测搭配的方 案在微机械陀螺中采用最多。 1 1 2 微机械陀螺国内外研究现状 微机械陀螺的研究始于上个世纪八十年代，1 9 8 8 年美l 虱d r a p e r 实验室首次报 道了采用体硅微机械加工技术制备出一种内外框架结构的微机械陀螺【4 1 ，这是世 界上第一个微机械陀螺，随着m e m s 技术的不断发展，在十几年内，国外相继研 制出了多种微机械陀螺结构，包括振动梁式、谐振环式、音叉式等多种敏感结构 方案的微机械陀螺。国内许多高校和科研院所也进行了微机械陀螺的研究，并已 研制出一些微机械陀螺结构。 内外框架结构微机械陀螺 美i 雪d r a p e r 实验室于1 9 8 8 年提出一种内外框架结构的微机械陀螺结构，它 利用旋转坐标系角振动产生的科里奥干l j ( c o r i o l i s ) 效应检测角速度，结构如图1 2 所示【“。 该陀螺由内外框架、互相垂直的内外扭转轴以及一个敏感质量构成。两个驱 动电极上接相位相反的交变电压，使得外框架具有绕驱动轴( y 轴) 的角振动，当 陀螺受到一个沿z 轴的角速度q 输入时，根据科氏效应，敏感质量将具有一个 沿敏感轴( x 轴) 的角振动，这个角振动使得两个检测电极形成差动电容输出，即 西北t 业人学坝1 。学位论文第一章绪论 可解算出z 轴的输入角速度q 值。 动轴 图1 - 2 内外框架结构微机械陀螺 在内外框架结构的微机械陀螺结构中，由于受到框架振动幅度的限制，该陀 螺输出信号较为微弱，不利于后期信号的检测。另外，该陀螺结构复杂，需要多 步工艺加工，即需要多层掩膜板，这使得陀螺加工难度大，成品率低。由于该陀 螺为最早研制出的微机械陀螺结构，其精度较低，在改进工艺和结构后1 9 9 3 年 其漂移稳定性达到4 0 0 0 d e g h o u r 。 音叉式微机械陀螺 图1 - 3 音叉式微机械陀螺 美国d r 印e r 实验室于1 9 9 2 年开始研究音叉式微机械陀螺，如图1 - 3 所示5 1 船北i 业人学碗：i 学位论文 第一章绪论 该陀螺采用一种形状类似与音叉的梳齿电容器进行驱动，因此叫做音叉式微机械 陀螺。陀螺由两个敏感质量构成，每个敏感质量两侧均布满梳齿电容器，形成双 边驱动，当梳齿电容器对两个敏感质量分别施加一个y 轴方向的方向相反的驱动 力时，两个敏感质量将向相反方向振动。此时，若有一沿x 轴方向角速度q 输入 时，根据科氏效应，两个敏感质量将受到方向相反的科氏力f 1 、f 2 的作用，两 个敏感质量将具有沿z 轴的方向相反的位移，与下电极形成差动电容输出。通过 检测两个电容变化得到输入角速度n 值。 音叉式微机械陀螺相比与内外框架结构的微机械陀螺结构精度有了较大的 提高，1 9 9 4 年d r a p e r 实验室的陀螺漂移稳定性达到5 0 0 d e g h o u r ，同年他们开始 设计结构较厚的陀螺结构，1 9 9 5 年陀螺漂移稳定性达到8 0 d e g h o u r l 6 1 。但这种结 构的陀螺采用平行板电容器进行电容检测，使得平板之间的压膜阻尼成为影响微 机械陀螺精度的主要因素，因此，压膜阻尼成了该陀螺的设计瓶颈t 5 1 1 。 其他结构微机械陀螺 除了前文介绍的两种微机械陀螺结构，世界上还有许多国家开展了微机械陀 螺的研究1 3 8 j 【4 6 1 。 日本的k a z u s u k em a e n a k a 与1 9 9 3 年提出了种悬臂梁振动微机械陀螺7 1 - f 8 】。 如图1 4 所示，该陀螺采用各向异性腐蚀技术加工，利用 l o o 硅片上 晶向 垂直向f n 蚀的特性制作出横截面为矩形的梁。 图1 4 悬臂粱振动微机械陀螺 该陀螺利用一个压电体进行y 方向的驱动，使得振动梁在y 方向振动，当 z 轴方向有一个角速度n 输入时，根据科氏效应振动梁将受到一个沿x 方向的 科氏力作用，通过位于振动梁下方的速度检测电极敏感这一科氏力的变化即可得 到输入角速度q 值。该陀螺结构和工艺均非常简单，但由于驱动模态和敏感模 态存在较大的机械耦合，因此会产生较大的误差。 圈1 5 谐振环型陀螺 另外，微机械陀螺的结构方案还有谐振环型陀螺，它是美国m i c h i g a n 大学提 出的，基- 于b r y a n 效应进行角速度检测【”。如图1 - 5 所示，该陀螺结构层由电铸镍 构成，谐振环通过八个柔性弧形支撑弹簧连接到锚点上并固连于基底。在谐振环 的外围均布了许多电极( 图中仅画出六个) ，分别作为驱动电极、检测电极和反 馈电极。该陀螺的优点在于环状对称结构使得驱动模态与敏感模态频率自然匹 配，提高了陀螺的灵敏度。 1 2z 轴微机械陀螺研究意义 高精度的微机械陀螺将在航空、航天、武器等领域发挥重要作用。z 轴微机 械陀螺一直是微机械陀螺研究的热点，d r a p e r 实验室的内外框架结构的微机械陀 螺即属于z 轴微机械陀螺。国内虽然已经开展了微机械陀螺的研究，但还没有成 熟的微机械陀螺产品，尤其是对于z 轴微机械陀螺。 z 轴微机械陀螺不但可以单独使用进行垂直于敏感质量平面的角速度检测， 更重要的是z 轴微机械陀螺是六自由度惯性测量组合( i m u ) 的重要组成部件， i m u 作为一种集成化的惯性测量单元在军事领域发挥着巨大作用。因此，z 轴微 机械陀螺的研究是惯性测量组合研究的基础。是微机械陀螺研究的重要组成部 分。其优点在于：由于避免了大面积的平板电容的使用，驱动模态和敏感模态受 阻尼影响较小，在常压下即可达到较高的品质因数，是一种极具发展潜力的陀螺 西北工业大学颁上学位论文第一章绪论 缔构。 1 3 课题来源及论文研究内容 本文拟结合8 6 3 m e m s 重大专项课题，以z 轴微机械陀螺为对象，采用集 成设计方法，在西北工业大学微纳米系统实验室自主设计丌发的“微机电系统集 成设计平台( m e m sg a r d e n4 0 ) ”上设计一种具有自解耦结构的z 轴微机械陀 螺，并通过z 轴微机械陀螺设计完善和扩充平台的功能。 6 西北i + 业人学 i ! ； j 学位论文 第二章z 轴微机械陀螺结构改计 第二章z 轴微机械陀螺的结构设计 2 1 1 微机械陀螺结构方案分析 在第一章中我们已经介绍了多种微机械陀螺的结构方案，内外框架式微机械 陀螺、振动梁式微机械陀螺、谐振环式微机械陀螺、音叉式微机械陀螺等，这些 敏感结构方案各有优缺点，以下针对上述四种具体结构做一个简单的比较。 表2 1 各种结构微机械陀螺的性能比较 陀螺结构漂移加工工艺 阻尼 力反馈解耦装置 内外框架式较大体硅1 艺压膜阻尼无无 振动梁式较大 体硅t 艺压膜阻尼无 无 谐振环式较小电铸滑膜阻尼有无 音义式较小体硅工艺压膜阻尼有无 通过上面的比较可以看出，目前绝大多数微机械陀螺不具有解耦装置，不能 消除机械耦合对陀螺精度的影响；多数陀螺结构阻尼为压膜阻尼，具有较大的阻 尼力影响。因此设计一种具有解耦装置且受压膜阻尼影响较小的陀螺结构是提高 微机械陀螺性能的捷径。 在上述结构中，音叉式微机械陀螺因采用了静电驱动和电容检测搭配方案， 不受温度、湿度等因素的影响，并具有较高的检测灵敏度，是微机械陀螺今后发 展的主要方向。在音叉式微机械陀螺结构基础上，若能从结构上解决微机械陀螺 的机械耦合影响则可大大提高微机械陀螺的性能，研究出新型的高精度微机械陀 螺结构。 z 轴微机械陀螺是一种敏感z 轴方向( 即垂直与陀螺敏感质量平面方向) 角 速度输入的m e m s 角速度传感器，根据科氏效应可知，当驱动力在陀螺敏感质 量平面内时，z 轴微机械陀螺的敏感方向也在陀螺敏感质量平面内，由于微机械 陀螺在厚度方向尺寸远小于长度和宽度方向，在z 轴微机械陀螺敏感方向的阻 尼表现为大面积的滑膜阻尼和小面积的压膜阻尼，其阻尼力的大小远远小于以压 西北t 业人学硕上学位论文 第一= 章z 轴微机械陀螺结构设计 膜阻尼为主的x 、y 轴微机械陀螺，如图2 一l 所示。故z 轴微机械陀螺具有较高 的精度，是国内外微机械陀螺研究的热点。 敏感 方向 z ( a ) z 轴微机械陀螺阻尼模型( b ) x 、y 轴微机械陀螺阻尼模型 图2 - 1 陀螺阻尼模型比较 ；棼需 本文拟设计种具有自解耦装置的z 轴微机械陀螺，具体结构方案在下一 节详细讨论。 2 2z 轴微机械陀螺机械结构设计 2 2 1z 轴微机械陀螺敏感结构方案设计 图2 - 2 美国u cb e r k e l e y 大学设计的表面z 轴微机械陀螺 z 轴微机械陀螺敏感结构具有多种方案3 8 1 。【4 7 1 ，较为成熟的为美国u c b e r k e l e y 大学设计的表面z 轴微机械陀螺1 1 0 1 。如图2 2 ，该陀螺通过敏感质量框架 内部的驱动梳齿驱动，使得敏感质量框架沿y 方向振动，此时若沿垂直与敏感质 8 两北t 业大学坝1 学位论义 筛二章z 轴微机械陀螺结构设计 量框架平面的z 轴方向有一角速度q 输入，由于科氏效应的存在，敏感质量框架 将受到个x 轴方向的科氏力的作用，使得敏感质量框架在x 轴方向产生位移， 进而将改变敏感梳齿的间距，使得敏感梳齿电容器的电容值发生变化。通过敏感 此电容变化，即可求得输入角速度0 。 u cb e r k e l e y 大学设计的表面z 轴微机械陀螺采用变面积式直线梳齿电容器 驱动，如图2 3 ( a ) 所示，活动梳齿初始位置位子两侧固定梳齿正中央，由于所有 固定梳齿具有相同电位，活动梳齿与固定梳齿之间的静电力的合力方向沿y 轴 方向，即活动梳齿只具有沿y 轴的位移，电容值仅受到活动梳齿与固定梳齿之 间正对面积影响。变面积式直线梳齿电容器适合进行y 方向的驱动或对y 方向 的位移检测。 ( a ) 变面积式直线梳齿电容器( b ) 变间距式真线梳齿电容器 图2 - 3 两种梳齿电容器结构 该表面z 轴微机械陀螺采用变间距式直线梳齿电容器检测，如图2 - 3 ( b ) 所示， 活动梳齿初始位置位于两侧固定梳齿正中央，由于活动梳齿两端的固定梳齿具有 不同的电位( 且一般具有相反的电位) ，活动梳齿运动时将同时具有沿x 轴的位 移和沿y 轴的位移，其沿y 轴的位移将利用上下对称的结构抵消，因此只考虑 沿x 轴的位移。该位移使得活动梳齿与两侧的固定梳齿形成差动电容输出。变 间距式直线梳齿电容器适合对x 方向位移检测。 美国u cb e r k e l e y 大学设计的表面z 轴微机械陀螺是采用m e m s 表面工艺 加工的，其结构层厚度一般仅在2 t x m 左右，这使得检测的变化电容量非常小， 不利于后期电容检测，其陀螺精度也不高。此外，目前国内受工艺水平的限制还 9 两北t 业大学硕士学位论文 第一章z 轴微机械陀螺结构殴计 难以实现此种陀螺。 借鉴u c b e n e l e y 大学设计的表面z 轴微机械陀螺结构，本文基于体硅工艺， 在优化设计检测梳齿电容器结构、反馈电极结构的基础上，提出了一种新型z 轴微机械陀螺结构，并将结构层厚度可达6 0 9 r n 到1 0 0 i m l ，将大大增加检测电容 量，降低后续电路设计难度。 本文z 轴微机械陀螺的初步敏感结构方案和电极方案如图2 - 4 所示【3 7 1 。 图2 4 本文设计的z 轴微机械陀螺初期方案 其中，驱动检测电极用于对驱动频率的检测，采用变面积式直线梳齿电容器 作为驱动检测电极。 该z 轴微机械陀螺工作时，由驱动电极施加沿y 轴方向的驱动力矩，敏感 质量在这一驱动力矩的作用下将沿y 轴方向振动，通过驱动检测电极可以检测 到这一振动的速度和频率。当垂寅于敏感质量平面的z 轴方向有一个角速度q 输入时，由于科氏效应的存在，敏感质量将受到沿x 方向的科氏力的作用，从 而在x 方向振动。通过检测电极敏感到这一振动即可解算出z 轴方向的输入角 速度n 值。通过反馈电极施加一沿x 方向的反馈力矩形成z 轴微机械陀螺闭环 控制系统。 o 阳北丁= 业大学硕上学位论文 第二章z 轴微机械陀螺结构设计 当z 轴微机械陀螺按照以上方式工作时，由于仅有个质量块驱动，模念 和检测模态之问会产生机械耦台现象，即检测模态的运动会对驱动模态产生影 响。 2 2 2z 轴微机械陀螺检测梳齿结构设计 本文设计的z 轴微机械陀螺采用体硅工艺加工，在体硅工艺中，固定梳齿 是通过键合工艺与基底连接，由于体列1 2 j - 艺中结构层较厚，质量相对较大，而图 2 - 3 ( b ) 所示的变间距式直线梳齿电容器的键合台面积较小、键合强度较差，因此， 咳结构中容易出现定齿脱落的现象，影响电容的检测。为了避免在体硅工艺中出 现以上情况，本z 轴微机械陀螺检测梳齿采用变面积式偏置梳齿电容器，如图 2 5 。 图2 - 5 差动偏置梳齿电容器结构 在变面积式偏置梳齿电容器结构中，所有固定梳齿通过同一个键合台与基底 连接，这种结构增大了键合台的面积，提高了键合强度，有效的防止了定齿脱落 现象的发生。 在该结构中，活动梳齿并不位于两侧固定梳齿中心位置，而是与两侧固定梳 齿形成一个偏置，图2 - 4 中活动梳齿与两侧固定梳齿间距分别为d l 和d 2 ，这里 将d 2 与d 1 的比值称为偏置比；l ( b i a s _ r a t e ) ，将较小的间距( 如图2 - 4 中d 1 ) 定义为 该梳齿电容器的主间距d ( m a i n _ _ g a p ) 。 在微机械陀螺敏感质量上设计两个对称的变面积式偏置梳齿电容器即形成 了图2 - 4 中的差动结构，当敏感质量具有一个x 方向的位移a x 时，左侧的变面 p 叫e _ _ r ：业人学倾i ：学位论文 笫二章z 轴微机械陀螺结构设计 积式偏置梳齿电容器活动梳齿与两侧固定梳齿的间距分别为d l + a x 和d 2 一x ，而 右侧的变面积式偏置梳齿电容器活动梳齿与两侧固定梳齿的间距分别为d 1 x 和d 2 + a x ，且d 2 = k d l 。通过检测两个偏置梳齿电容器的电容变化可以解算出z 轴微机械陀螺x 方向的位移变化a x 。 变面积式偏置梳齿电容器适合对x 方向的位移检测。 2 2 3z 轴微机械陀螺反馈电极设计 反馈电极旨在为z 轴微机械陀螺提供反馈力矩，形成闭环控制系统。闭环控 制系统有利于提高系统稳定性，改善系统的动态特性，抑制载体运动产生的随机 扰动，并减少较大的输入角速度产生的非线性问题【l ”。由于陀螺敏感模态沿x 方 向振动，故反馈电极应沿x 方向施加反馈力矩。图2 2 中，美国u cb e r k e l e y 大学 设计的表面z 轴微机械陀螺仅依靠敏感质量框架与其两侧的四个锚点形成的平 板电容器提供反馈力矩，而由于其结构厚度仅在2 “m 左右，故该反馈力矩较小。 为提供较大的反馈力矩，本文设计的z 轴微机械陀螺采用变面积式直线梳 齿电容器作为反馈电极，将变面积式直线梳齿电容器水平放置即可实现施加x 方向的反馈力矩。 2 3z 轴微机械陀螺解耦结构设计 2 3 1z 轴微机械陀螺机械耦合的产生 微机械陀螺工作时，敏感质量在驱动力矩的作用下沿驱动方向线性振动，同 时，由于受到科氏力的作用敏感质量将沿敏感方向线性振动，两个振动同时作用 于敏感质量，即产生了机械耦合现象。另外，由于制作误差而引起的敏感质量分 布不均、硅梁不对称也是造成机械耦合的主要原因【1 2 】，。 如图2 5 所示的z 轴微机械陀螺方案，敏感质量在驱动力矩的作用下产生一 个沿驱动方向的位移y ，同时由于科氏力的作用，敏感质量产生一个沿敏感方 向的位移x ，由于驱动电极活动梳齿、反馈电极活动梳齿均直接于敏感质量连 接，故驱动电极活动梳齿、反馈电极活动梳齿均具有驱动方向的位移y 和敏感 方向的位移a x ，如图2 6 所示。 两北丁业人学硕士学位论文 第二章z 轴微机械陀螺结构设计 7 【 f u l 岵r 一一一。- _ t 一。 i l r + i 。一 i i ( a ) 机械耦合对驱动梳齿的影响( b ) 机械耦合对驱动梳齿的影响 图2 - 6 机械耦合对梳齿的影响 敏感方向的位移a x 导致驱动电极活动梳齿偏离中心位置，此时驱动力将有 个沿敏感方向的分量，将对敏感电容的检测造成影响。同理，驱动方向的位移 y 导致反馈电极活动梳齿偏离中心位置，使得反馈力矩具有沿驱动方向的分量， 将对驱动模态造成影响。 2 。3 2z 轴微机械陀螺解耦结构设计 为解决微机械陀螺的机械耦合问题，国内外已经做了大量研究，并设计出多 种解决方案口5 l ，【2 引。其中一种典型方案为：将敏感质量分割成几部分，敏感质量 之间通过弹性梁连接，保证每一个敏感质量仅可以在个方向振动。这样可以有 效的避免机械耦合的影响。 上海交通大学的林烨等人根据此方法设计出了一种双级解耦合微机械陀螺 结构1 1 3 。如图2 7 所示，该结构将敏感质量分成三部分，敏感质量l 、敏感质量 2 、敏感质量3 。驱动电极通过驱动梳齿带动敏感质量1 在驱动方向( x 方向) 振 动，由于弹性梁2 在x 方向具有较大的刚度，这个振动将通过弹性梁2 传递给敏 感质量2 ，而弹性梁3 在x 方向刚度较小，易于发生变形，故振动不会传递给敏 感质量3 。这就保证了驱动模态的振动不会影响敏感模态。当z 轴方向有一个角 速度q 输入时，陀螺受到沿敏感方向( y 方向) 的科氏力作用时，敏感质量2 沿 y 方向振动，这一振动通过弹性梁3 传递给敏感质量3 ，敏感质量3 为一个栅型 电容器，通过检测该电容器电容变化，可以解算出z 轴方向的角速度q 值。同时 两北工业人学硕十学位论文笫二章z 轴微机械陀螺结构设计 山于弹性梁2 在敏感方向刚度较小，故敏感方向的振动不会影响驱动模态。这样 就实现了微机械陀螺双级解耦。 驰础梳谢 域感质j 抟 鼗媾质狳 坡感质j i y ( 哼釜 n 博讹粱l 弹住粱2 弹垤粱3 弹性桨4 圈2 7 上海交通大学微机械陀螺结构 该结构可以消除微机械陀螺机械耦合的影响，但该结构相对复杂，且不易实 现反馈闭环控制。 本文提出了一种新型的解耦方案，其特点在于：仅具有一个敏感质量，通过 解耦梁结构从根本上解决了模态之间的耦合问题，同时具有反馈环节，为设计高 精度的微机械陀螺提供有益的补充。具体结构如图2 _ 8 。 陀螺工作方式与图2 5 所示的z 轴微机械陀螺初期方案相同。敏感质量在驱 动力矩作用下沿驱动方向振动，此时由于外解耦梁在驱动方向具有较大的刚度， 反馈梳齿不会在驱动方向产生运动，从而消除了驱动模态对反馈环节的机械耦 合。当垂直于敏感质量平面的z 轴方向有一个角速度q 输入时，由于科氏效应 的存在，敏感质量将在敏感方向振动，由于内解耦梁在敏感方向具有较大的刚度， 敏感方向的振动不会传递给驱动梳齿，从而消除了敏感模态对驱动模态的机械耦 合。检测电极采用上下对称的布置方式，将上下对应的检测电极进行电连接，即 可保检测电极与检测活动梳齿形成的电容器正对面积不发生变化，电容值只与电 容器的极板间距有关。 1 4 两北t 业人学硕士学位论义 第二章z 轴微机械陀螺结构设计 2 4 本章小结 图2 - 8 所设计的z 轴微机械陀螺结构 在本章中首先介绍了z 轴微机械陀螺的工作原理，通过分析微机械陀螺机 械耦合产生的原因提出了一种新型的解耦梁式解耦结构，有效的消除了微机械陀 螺的机械耦合问题，最终设计出了一种新型的具有自解耦结构的z 轴微机械陀 螺结构。 第三章z 轴微机械陀螺的系统级设计 3 1 引言 复杂m e m s 器什己经融合了机械、电子、流体、光、磁、热等多个物理域。 其功能的实现是这些物理域综合作用的结果。为准确预测在这些物理域共同作用 下系统的行为特性，需要深入研究其中的耦合机理，探讨快速分析与模拟系统行 为特性的有效手段。过去人们大多仅从局部的角度片面地研究m e m s 中某单一子 系统或结构，缺乏系统的方法设计复杂微机电系统，导致研制出来的器件可能在 局部上满足要求f i = ；l 是整体上却制约着整个系统的综合特性。因此，在对复杂微 机电系统器件进行设计的时候，要求从整体的角度出发同时考虑微传感器、微致 动器、电子接口电路、控制电路、工艺等多学科或子系统对整体综合特性的影响 1 4 1 。 m e m sg m d e n 是两北t 业大学微纳米系统实验室自主丌发的国内第一个完 招的微机电系统集成设计平台。m e m sg a r d e n 将m e m s 设计分为系统级设计、 器件级设计和工艺级设计，总体框架如图3 1 所示。 1 。可豫丽疆翮疆一 厂一 陌i 叠墨再两再再唾| i 丽目r 一、_ ：l 一1 图3 - lm e m s 总体设计框架 系统级设训采用基于多端口组件网络( m u l t i - p o r t - e l e m e n tn e t w o r k , m u p e n ) 的m e m s 建模方法。该方法的基本思想为把m e m s 分解为多个功能结构部件，把 西北上业大学i i | ；j 七学位论文第二章z 轴微机械陀蝶系统缄设“ 系统缎设计位于摧个设计流程的最顶端，其设计结果对后续设计具有指导意 义。水章主要介绍微机电系统的系统级设计方法，并采用该方法进行z 轴微机 械陀螺的系统级设计。 3 2 系统级设计方法 3 2 1 系统级建模方法 系统级设计采用西北工业大学提出的多端口组件网络( m u l t i p o r t - e l e m e n t n e t w o r k ，m u f e n ) 方法，。该方法中多端口组件模型由端口、示意同、参数以 及行为模型构成。 组件的端口是组件的边界，用来实现与其它组件进行能量与信弓的转换。若 组俐拍端口用来描述能量的转换，则该端口是有能量类型的，如机械平动、机械 转动和电学行为等，把这种端口称为能量保守端口。有时组件的端口相互联接只 表示组件间的信号流动、而不描述组件间的能量转换关系，即这种端口关注的是 信号的人小和随时间的变化规律，而不关心产生或维持这种信号的能量来源，因 为这种端口不表示系统内的能量守恒关系，故将其称为能量非保守端r = i 。 组件示意图的引入是为了便于对组件模型进行操作，便于m e m s 系统级网 络模型的建立。 组件模型的参数化是多端口组件网络方法可对m e m s 进行系统级快速建 模、缩短m e m s 设训迭代周期的关键，在实际m b m s 器件中，系统的整体行为 不仅取决于材料的属性和微结构的几何拓扑形状及其几何尺q 参数，加工工艺对 系统整体行为也有着重要影响，故在多端口组件网络方法中，需要综合考虑器件 的尺寸参数以及加工工艺等对系统行为的影响。由此，可以把组件的参数分为三 大类：材料属性参数，版图参数、加工工艺参数。材料属性有：弹性模量f 、泊 松比兄、密度p 等；版图参数根据微结构的几何拓扑形状而定，如梁的版图参数 有长和宽以及其在版图的初始方位；加工工艺参数决定着微结构的厚度参数以及 各口，动微结构与其他微结构之间的相对位置、封装后的流体( 气体) 压强等： 各可动微结构与其他微结构之间的相对位置、封装后的流体( 气体) 压强等； 阳北工业火学倾士学位论义 第章z 轴微机械陀螺系统级设计 - f 、 目4 0 3 db e a m o ；目 ! 芦 豁_ 一镶 q | 、描 图3 - 3 典型惯性组件级模型 行为模型描述组件与其它组件进行能量和信号交换时，组件内部能量和信号 的流动与交互在其所有端口变量上的映射关系。行为模型采用低阶的常微分和代 数方程来表示，这也为后面基于硬件描述语言对组件行为进行描述、分析、求解 提供了统一形式的基础和依据。另外，由于低阶的常微分和代数方程具有较高的 抽象层次，可以保证高的运算速度，【1 6 l 。 采用多端口组件网络方法已经建立了多种类型组件的系统级模型，包括惯性 器件、压力传感器器件、光学器件等。典型惯性组件系统级模型如图3 3 所示。 其中包括梁、刚性质量平板、变面积式直线梳齿电容器、平板电容器、杆连接件、 锚点等。另外，为方便对惯性器件运动的描述，还定义了用来描述芯片的非惯性 运动的芯片运动组件和定义用户全局变量的环境变量组件。 3 2 2 运动学行为模型 通过图3 - 4 中的四个坐标系完整地描述微结构在三维空间内的运动。选择某 一固连于地球的坐标系为惯性坐标系，用n - x n y n z , , 表示，简称n 坐标系。把与芯片 固连的坐标系称为总体坐标系或芯片坐标系，用c - 2 c c y c g c 表示，简称c 坐标系。设 表示微结构初始位置的坐标系称为局部坐标系，该坐标系没有固定的选取方法， 但一般要便于获取微结构的行为模型。该坐标系用1 - x _ f y g ，表示，简称l 坐标系。局 部坐标系相对于芯片坐标系静止，但通过局部坐标系可以描述功能结构部件在总