CN102278983B - 具有三角形振子的硅微陀螺仪及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微机电技术领域的具有三角形振子的硅微陀螺仪及其制作方法，包括：一个具有三个振动梁的等边三角形振子，与振动梁平行且有一定间隙的驱动电极，位于驱动电极的两侧且与驱动梁平行的检测电极以及基板。该微陀螺的制作方法采用体硅微加工工艺，制作工艺简单，可靠性高，能保证较低的成本和较高的成品率。本发明体积小，结构简单，加工工艺易于实现，能够同CMOS工艺兼容，抗冲击，不需要真空封装，适用于批量化生产。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微机电技术领域的微陀螺及其制作方法，具体地说，涉及的是一种具有三角形振子的硅微陀螺仪及其制作方法。
背景技术
陀螺仪是一种能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。随着国防科技和航空、航天工业的发展，惯性导航系统对于陀螺仪的要求也向低成本、小体积、高精度、高可靠性、能适应各种恶劣环境的方向发展。
经对现有技术的文献检索发现，中国专利“容性体声波陀螺仪”（专利申请号：200680054450.2）利用（100）硅片和（111）硅片上加工出具有圆盘状振子和环形电极的体声波陀螺仪，通过在环形电极上施加一定频率的电压信号，对振子施加静电力，激励振子产生体声波谐振模，当有角速度输入时，振子在科氏力作用下向另一简并的体声波谐振模转化，两个简并的体声波谐振模之间相差一定的角度，通过检测环形电极和振子间电容的变化即可检测输入角速度的变化。
此技术存在如下不足：该容性体声波陀螺仪环形电极和圆盘状振子之间的电容间隙只有200nm，圆盘厚40μm，其深宽比高达200:1，电容间隙加工困难，且由于间隙小，侧壁表面粗糙度精度难以控制，工作过程中容易引起隧穿。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种具有三角形振子的硅微陀螺仪及其制作方法，该陀螺体积小，结构简单，加工工艺易于实现，能够同CMOS工艺兼容，抗冲击，不需要真空封装，适用于批量化生产。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种具有三角形振子的硅微陀螺仪，它包括一个具有三个振动梁的等边三角形振子，与振动梁平行且有一定间隙的驱动电极，与振动梁平行且有一定间隙的检测电极和一个用于固定于载体上的基板。
所述三角形振子由三个首尾相接的振动梁，三个轮辐状的支撑梁以及一个圆柱形的支撑柱组成。
所述驱动电极共有三个，分别与等边三角形振子的三个振动梁平行，且有一定间隙，处于振动梁中点位置处，每个驱动电极和振动梁组成一个电容。
所述检测电极共有三对，分别位于驱动电极的两侧且与驱动梁平行，每对检测电极和振动梁组成一对差分电容。
所述驱动电极用于向三角形振子施加静电力驱动振子产生驱动模态，检测电极用于检测垂直于基底表面方向（z轴）角速度的变化。
所述基板为圆盘状，材料为玻璃，三角形振子、驱动电极和检测电极都固定在基板上面。
所述三角形振子的三个振动梁为等边三角形的三个边，三个支撑梁分别连接等边三角形的三个顶点和等边三角形外接圆的圆心，圆柱形的支撑位于三角形外接圆圆心处，下端固定在基板上。
所述三个驱动电极和六个检测电极分别沿与三个振动梁平行的方向配置，且与振动梁之间有一定间隙，每个驱动电极两侧分别是两个与驱动梁平行的检测电极，驱动电极和检测电极都固定在基板上。
本发明还提供一种上述具有三角形振子的硅微陀螺仪的制作方法，包括如下步骤：
(a)将硅片清洗干净，烘干，然后在硅片的单面溅射一层几微米厚的金属铝；
(b)利用铝作为掩膜，在铝表面旋涂一层光刻胶，利用制作好的掩模板对光刻胶进行光刻，显影，然后图形化铝掩膜，最后利用深度反应离子刻蚀深刻蚀出驱动电极、检测电极和圆柱形支撑结构；
(c)将上一步中的铝掩膜去除，清洗并烘干硅片，对上一步中硅片刻蚀出的腔室进行氧化，制作一层氧化硅保护层，保护已制作好的支撑结构；
(d)利用阳极键合的方法通过静电力将硅片和清洗干净的玻璃基底键合在一起；
(e)在硅的另一面溅射金属铝作为掩膜，在铝表面旋涂一层光刻胶，利用制作好的掩模板对光刻胶进行光刻，显影，然后图形化铝掩膜，最后利用深度反应离子刻蚀释放出三角形振子和三角形分布的驱动电极和检测电极。
本发明利用具有三个振动梁的等边三角形振子的特殊模态作为参考振动，在该模态下三个振动梁沿垂直于三角形三边的方向振动。通过在与振动梁平行且有一定间隙的驱动电极上施加电压对振子施加静电力激励振子产生驱动模态。当有垂直于基底表面（z轴）的角速度输入时，在科氏力作用下，陀螺振子受到一个旋转力矩的作用，三角形振子会沿垂直于基底表面（z轴）的方向绕圆柱形支撑柱旋转一定的角度。其中，旋转的角度大小同输入角速度的大小成正比。通过检测与振动梁平衡的检测电极与三角形振子的振动梁间电容的变化即可检测垂直于基底表面方向(z轴)输入角速度的大小。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明采用具有三个振动梁的等边三角形振子，结构简单，驱动电极和检测电极同振动梁间的间隙为微米级，振子结构的深宽比小于40:1，加工工艺易于实现。本发明利用三角形振子特殊模态下的振动作为参考振动，利用三角形振子振动梁同检测电极之间的电容变化作为检测信号，通过处理三对差分电容的输出信号，能够准确的检测垂直于基底表面方向(z轴)输入角速度的大小。本发明采用硅微加工工艺，制作工艺简单，可靠性高，能保证较低的成本和较高的成品率。
附图说明
图1是本发明的三维立体结构示意图。
图2是本发明结构的俯视图。
图3是本发明结构的左视图。
图4是本发明中三角形振子的驱动模态示意图。
图5是本发明中三角形振子的检测模态示意图。
图6是本发明制作工艺中的单面溅射金属铝的示意图。
图7是本发明制作工艺中刻蚀出圆柱形支撑的示意图。
图8是本发明制作工艺中硅片和玻璃阳极键合的示意图。
图9是本发明制作工艺中刻蚀释放出振子、驱动电极和检测电极的示意图。
图中：1 三角形振子，2 驱动电极，3 检测电极，4 基板，5振动梁，6支撑梁，7支撑柱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1、图2、图3所示，本实施例包括一个具有三个振动梁的等边三角形振子1，与振动梁平行且有一定间隙的驱动电极2，与振动梁平行且有一定间隙的检测电极3以及基板4。
本实施例中，三角形振子1由三个首尾相接的振动梁5，三个轮辐状的支撑梁6以及一个圆柱形的支撑柱7组成。
本实施例中，驱动电极2共有三个，分别与等边三角形振子1的三个振动梁5平行，且有一定间隙，处于振动梁5中点位置处，每个驱动电极2和振动梁5组成一个电容。
本实施例中，检测电极3共有三对，分别位于驱动电极2的两侧且与驱动梁5平行，每对检测电极3和振动梁5组成一对差分电容。
本实施例中，驱动电极2用于向三角形振子1施加静电力驱动振子1产生驱动模态，检测电极3用于检测垂直于基底表面方向（z轴）角速度的变化。
本实施例中，基板4为圆盘状，材料为玻璃，三角形振子1、驱动电极2和检测电极3都固定在基板4上面。
本实施例中，三角形振子1的三个振动梁5为为等边三角形的三个边，三个支撑梁6分别连接等边三角形的三个顶点和等边三角形外接圆的圆心，圆柱形的支撑柱7位于三角形外接圆圆心处，下端同基板4相连。三个驱动电极2和六个检测电极3分别沿与三个振动梁5平行的方向配置，且与振动梁5之间有一定间隙，每个驱动电极2两侧分别是两个与驱动梁平行的检测电极3。
如图4所示，通过有限元分析的方法得到三角形振子的一个特殊模态，在该模态下三个振动梁5分别沿垂直于振动梁5长度的方向振动，且其同时指向或背离三角形振子1中心的支撑柱7。通过在三个驱动电极2上施加相同的正弦电压信号即可产生静电力激励三角形振子1产生驱动模态。
如图5所示，当有垂直于基底方向(z轴)的角速度输入时，三个振动梁5分别收到沿梁长度方向的科氏力，且三个科氏力产生的旋转力矩方向相同。在旋转力矩的作用下，三角形振子1会沿垂直于基底表面（z轴）的方向绕圆柱形支撑柱7旋转一定的角度且旋转的角度大小同输入角速度的大小成正比。当三角形振子1绕z轴方向的旋转引起三个振动梁5同三对检测电极3间电容的变化，通过检测三对差分电容的变化即可检测垂直于基底表面方向(z轴)输入角速度的大小。
实施例2
本实施例涉及实施例1中所述微陀螺的制作工艺，如图6-图9所示，主要包括以下几个步骤：
(a)将硅片清洗干净，烘干，然后在硅片的单面溅射一层几微米厚的金属铝。
(b)利用铝作为掩膜，在铝表面旋涂一层光刻胶，利用制作好的掩模板对光刻胶进行光刻，显影，然后图形化铝掩膜，最后利用深度反应离子刻蚀深刻蚀出驱动电极2、检测电极3和圆柱形支撑柱7结构。
(c)将上一步中的铝掩膜去除，清洗并烘干硅片，对上一步中硅片刻蚀出的腔室进行氧化，制作一层氧化硅保护层，保护已制作好的支撑柱7。
(d)利用阳极键合的方法通过静电力将硅片和清洗干净的玻璃基板4键合在一起。
(e)在硅的另一面溅射金属铝作为掩膜，在铝表面旋涂一层光刻胶，利用制作好的掩模板对光刻胶进行光刻，显影，然后图形化铝掩膜，最后利用深度反应离子刻蚀释放出三角形振子1和三角形分布的驱动电极2和检测电极3。
本发明采用具有三个振动梁5的等边三角形振子1，结构简单，驱动电极2和检测电极3同振动梁5间的间隙为微米级，振子1结构的深宽比小于40:1，采用硅微加工工艺，制作工艺简单，可靠性高，能保证较低的成本和较高的成品率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范畴。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也都应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种具有三角形振子的硅微陀螺仪，其特征在于：它包括一个具有三个振动梁的等边三角形振子，与振动梁平行且有间隙的驱动电极，与振动梁平行且有间隙的检测电极和一个用于固定于载体上的基板；
所述三角形振子由三个首尾相接的振动梁，三个轮辐状的支撑梁以及一个圆柱形的支撑柱组成；
所述三角形振子的三个振动梁为等边三角形的三个边，三个支撑梁分别连接等边三角形的三个顶点和等边三角形外接圆的圆心，圆柱形的支撑柱位于三角形外接圆圆心处，下端同基板相连；
所述驱动电极共有三个，分别与等边三角形振子的三个振动梁平行，且有间隙，处于振动梁中点位置处，每个驱动电极和振动梁组成一个电容；
所述检测电极共有三对，分别位于驱动电极的两侧且与驱动梁平行，每对检测电极和振动梁组成一对差分电容。
2.根据权利要求1所述的具有三角形振子的硅微陀螺仪，其特征是所述驱动电极用于向三角形振子施加静电力驱动振子产生驱动模态，检测电极用于检测垂直于基底表面方向即z轴角速度的变化。
3.根据权利要求1所述的具有三角形振子的硅微陀螺仪，其特征是所述驱动电极和检测电极分别沿与三个振动梁平行的方向配置，且与振动梁之间有间隙，每个驱动电极两侧分别是一个与驱动梁平行的检测电极；驱动电极和检测电极同振动梁间的间隙为微米级。
4.根据权利要求1所述的具有三角形振子的硅微陀螺仪，其特征是所述基板为圆盘形，三角形振子、驱动电极和检测电极均固定在基板上。
5.一种如权利要求1所述的具有三角形振子的硅微陀螺仪的制作方法，其特征在于包括如下步骤：
(a)将硅片清洗干净，烘干，然后在硅片的单面溅射一层几微米厚的金属铝；
(b)利用铝作为掩膜，在铝表面旋涂一层光刻胶，利用制作好的掩模板对光刻胶进行光刻，显影，然后图形化铝掩膜，最后利用深度反应离子刻蚀深刻蚀出驱动电极、检测电极和圆柱形支撑结构；
(c)将上一步中的铝掩膜去除，清洗并烘干硅片，对上一步中硅片刻蚀出的腔室进行氧化，制作一层氧化硅保护层，保护已制作好的支撑结构；
(d)利用阳极键合的方法通过静电力将硅片和清洗干净的玻璃基底键合在一起；
(e)在硅的另一面溅射金属铝作为掩膜，在铝表面旋涂一层光刻胶，利用制作好的掩模板对光刻胶进行光刻，显影，然后图形化铝掩膜，最后利用深度反应离子刻蚀释放出三角形振子和三角形分布的驱动电极和检测电极。
6.根据权利要求5所述的具有三角形振子的硅微陀螺仪的制作方法，其特征在于所述驱动电极和检测电极同三角形振子的振动梁间的间隙为微米级，三角形振子结构的深宽比小于40:1。
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