一种单晶硅振动环陀螺仪的设计与制作

　　0引言

　　性能优异，造价低廉的陀螺仪有着广泛的应用。传统的微机械陀螺仪多采用音叉式、双框架式和梳齿式敏感元件来制作，但这几类陀螺仪有着精度低(双框架式)，易受机械偶合影响(音叉式)，结构复杂，抗过载能力差(梳齿式)等缺点。

　　与这几类结构相比，以振动环作为敏感元件的陀螺仪有以下优点:灵敏度高，抗过载冲击能力强，良好的温度稳定性。为了提高陀螺仪的分辨力，必须减小驱动模态和检测模态的频率差。传统的方法是采用机械校准，来补偿这种频率差。而振动环陀螺在理论上具有a个相同频率的振动模态，这就大大减小了机械补偿带来的工艺复杂性和温度漂移。最早的振动环陀螺在1994年采用金属镍制作成功，后期又以多晶硅为材料制成。最近，国内报道有采用电磁驱动、检测式的单晶硅陀螺。但是这些陀螺有着固有的缺点:制作工艺复杂、温度漂移明显、难以尽一步的小型化。为了进一步提高陀螺性能，提出了一种采用硅一玻璃键合工艺制作的单晶硅陀螺仪。用这种方法制作的微机械陀螺仪，只需要2块掩模板，工艺简单，成品率高。

　　1工作原理

　　振动环陀螺由8根支撑梁，驱动、检测和控制电极以及振动环敏感检测单元3个部件组成。如图1所示。首先，在陀螺仪的驱动电极上施加正弦驱动力，在此力作用下，陀螺工作于椭圆形的恒幅振动模态，如图2 (a)所示。当有角速度作用于陀螺仪上时，在科氏力的作用下产生能.量转移，振型发生45^。偏转，通过检测与驱动电极成45^。的检测电极处的振动，达到检测角速度的目的如图2 (b)所示。

　　2设计

　　2. 1驱动检测方式的选取

　　振动环式陀螺主要有静电驱动和电磁驱动2种，对应的检测方式也分为电容检测和感生电流检测2种。电磁驱动式陀螺制作工艺较简单，但是需要施加外部磁场，所以很难小型化。另外，外部磁场的稳定性容易受到环境变化的影响，在某些特殊场合难以应用。

　　相比较而言，静电激励、电容检测的单晶硅陀螺仪虽然制作难度高，特别是微小电容间隙的制作存在一定困难。但是它具有其他激励检测方式所不具备的显著优点:

　　(1)静电激励是一种非接触激励方式，它不损伤谐振子的表面，从而提高传感器的稳定性和测量精度。

　　(2)电容拾振是一种灵敏度高、响应快、温度漂移小的检测方式，有助于提高传感器的灵敏度和响应速度以及信噪比。

　　(3)激励是静电力，它的建立时间快，能以光速完成从电能到机械能的转化，能提升响应速度。