CN103322996B - 电磁驱动静电检测体声波谐振三轴微陀螺及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁驱动静电检测体声波谐振三轴微陀螺及其制备方法，包括：一个不带释放孔的圆盘振子，与一个圆柱形的支撑柱，以及分布于基板上的与谐振子有一定间隙的电磁驱动线圈、检测电极和公共电极。该微陀螺的制作方法采用MEMS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。该陀螺利用非接触式的驱动检测电极对陀螺进行驱动检测，减小了谐振子受外界的影响。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

电磁驱动静电检测体声波谐振三轴微陀螺及其制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的微陀螺，具体地说，涉及的是一种电磁驱动静电检测体声波谐振三轴微陀螺及其制备方法。

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“双轴MEMS陀螺仪”（专利申请号：201020033300.7）利用MEMS体硅和键合工艺，在硅片上加工出具有弹簧和质量块的悬臂梁结构与空腔结构。通过在上下和侧面电极与质量块上施加单一特定频率的电压信号，对质量块施加静电力使得质量块振动。当有外界角速度输入时，在科氏力作用下，振动会转移到另外一个轴上去，通过检测电极电容可以检测角速度的变化。

此技术存在如下不足：该陀螺仪采用传统的弹簧-质量块的结构模型，所得到的信号灵敏度不高，Q值较低，零漂过大，抗冲击性差。此外，在施加静电力的过程中，需要对质量块也要施加接地电压。该接触对于器件的性能无疑会产生一定的影响，并且在加工复杂度上无疑大大增加。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种具有不带释放孔的圆盘振子的电磁驱动静电检测体声波谐振三轴微陀螺及其制备方法。该陀螺利用非接触式的驱动检测电极对陀螺进行驱动检测，减小了谐振子受外界的影响。该陀螺体积小，结构简单，品质因数大，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。

根据本发明的一个方面，提供一种电磁驱动静电检测体声波谐振三轴微陀螺，它包括：不带释放孔的圆盘振子，圆柱形的支撑柱，基板，电磁驱动线圈，检测电极和公共电极，所述圆盘振子通过所述圆柱形的支撑柱固定在基板上，且所述圆盘振子垂直于所述基板的z轴；所述电磁驱动线圈、所述检测电极和所述公共电极呈圆周分布于所述基板上并位于所述圆盘振子下方，同时与所述圆盘振子平行且有一间隙；所述公共电极分布于所述电磁驱动线圈与所述检测电极之间，并按照电磁驱动线圈、公共电极、检测电极、检测电极、公共电极、电磁驱动线圈的排列顺序，交叉循环分布。

优选地，所述电磁驱动线圈、所述检测电极和所述公共电极与所述圆盘振子之间的间隙为2-3微米。

优选地，所述电磁驱动线圈，用于施加高频交流激励信号，对所述圆盘振子产生电磁吸力，激励振子产生驱动模态。

优选地，每两个相邻的所述检测电极为一组，分别施加大小相等符号相反的一组直流驱动电压信号以及大小相等相位相反的一组交流载波信号。每一组所述电磁驱动线圈形成一个电容，用于检测静电力驱动振子产生检测模态。

优选地，所述圆盘振子是由金属或者其他导体制作而成，并通过支撑柱固定在基板上。

根据本发明的另一个方面，提供一种电磁驱动静电检测体声波谐振三轴微陀螺的制备方法，其步骤如下：

(a)将基板清洗干净，烘干，在正面通过光刻工艺，溅射形成金属电极；

(b)在基板上沉积多晶硅层，厚度为2-3微米；

(c)通过光刻掩模，刻蚀多晶硅层，保留支撑柱和阻挡层；

(d)将另一个基板清洗干净，烘干，在正面通过光刻掩模工艺，刻蚀形成圆盘振子；

(e)利用键合的方法将两块基板键合起来，形成一体化的结构；

(f)利用湿法刻蚀的手段将上部多余结构去除，释放谐振结构。

本发明利用圆盘振子的鞍形谐振模态作为参考振动，在该模态下所述圆盘振子沿垂直于其圆盘表面的Z轴方向振动，同时也会沿着圆盘径向X轴和Y轴方向振动。当X轴方向的所述圆盘振子沿垂直于圆盘表面的Z轴正方向运动时，Y轴方向的所述圆盘振子沿垂直于圆盘表面的Z轴负方向运动。该运动产生类似于鞍形的效果，将其称为“体声波鞍形模态”。通过在与所述圆盘振子表面平行且具有一间隙的电磁驱动线圈上施加高频交流电流，对所述圆盘振子施加电磁力激励振子产生驱动模态。沿Z轴的振动主要用于敏感X、Y轴的角速度。当有平行于所述圆盘振子表面的X轴或者Y轴的角速度输入时，在科氏力作用下，所述圆盘振子受到一个旋转力矩的作用，所述圆盘振子会沿垂直于Z轴方向绕所述圆柱形的支撑柱旋转。其中，旋转的角度大小同输入角度的大小成正比。沿径向X、Y轴的振动主要用于敏感Z轴的角速度。当有垂直于所述圆盘振子表面的Z轴的角速度输入时，在科氏力作用下，所述圆盘振子受到一个旋转力矩作用，所述圆盘振子会沿垂直于Z轴方向绕所述圆柱形的支撑柱旋转。此时在所述检测电极附近的电容大小会发生变化，通过在所述检测电极上施加载波信号，并从所述公共电极处将载波信号提取出来。载波信号通过解调可以得到所述检测电极附近电容的大小变化，即可以检测出垂直于所述圆盘振子的旋转角度，进而求得三轴的角速度输入大小。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明利用体声波鞍形谐振模态采用具有不带释放孔的圆盘振子，结构简单，对称性好。电磁驱动线圈、检测电极和公共电极同圆盘振子的间隙为微米级，利用键合工艺完成，工艺加工易于实现。圆盘振子不用接触电极，而是利用一组大小相同，相位相反的驱动信号和载波信号进行驱动和检测，可以更好的保持器件的完整性和对称性。本发明利用体声波鞍形谐振模态下的振动作为参考振动，利用圆盘振子同检测电极之间的电容变化作为检测信号，通过处理公共电极提取的载波输出信号，能够准确的检测三个输入轴输入角速度的大小。本发明采用MEMS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

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明结构的示意图。

图2是本发明结构的三维立体图。

图3是本发明结构的左视图。

图4是本发明中圆盘振子的体声波鞍形谐振模态示意图。

图5是本发明中圆盘振子的驱动模态示意图。

图6是本发明中圆盘振子的检测模态示意图。

图中：1圆盘振子，2支撑柱，3基板，4电磁驱动线圈，5检测电极，6公共电极。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

如图1、图2、图3所示，本实施例包括：

一个不带释放孔的圆盘振子1；

位于振子下方正中心的支撑柱2；

基板3；

位于基板上的电磁驱动线圈4、检测电极5和公共电极6。

所述电磁驱动线圈4、所述检测电极5和所述公共电极6呈圆周分布于所述基板3上并位于所述圆盘振子1下方，同时与所述圆盘振子1平行且有一间隙；所述公共电极6分布于所述电磁驱动线圈4与所述检测电极5之间。

本实施例中，所述圆盘振子1是由多晶硅制作而成，所述振子下表面电镀金属导电层，并通过所述支撑柱2固定在基板3上。圆盘振子1加工所使用的导体材料，可以是整体圆盘振子均为导体，也可以振子主体为非导体，振子上下表面或某一个表面为导体或可导电。

本实施例中，所述电磁驱动线圈4、所述检测电极5和所述公共电极6分布于垂直于基板3的z轴的圆盘振子1下方，位于基板3上，呈圆周分布。所述电磁驱动线圈4、所述检测电极5和所述公共电极6与转子间隙为2-3微米，并按照电磁驱动线圈4、公共电极6、检测电极、检测电极5、公共电极6、电磁驱动线圈4、公共电极6、检测电极、检测电极5、公共电极6……交叉循环分布。

本实施例中，所述电磁驱动线圈4共有四个，分别位于X轴正负方向和Y轴正负方向。每个所述电磁驱动线圈4上施加高频交流激励信号，对所述圆盘振子1产生电磁吸力，激励所述圆盘振子1产生驱动模态。

本实施例中，所述检测电极5共有四对，分别位于所述电磁驱动线圈4有45°角度差。每对所述检测电极5分别施加大小相等符号相反的一组直流驱动电压信号以及大小相等相位相反的一组交流载波信号。每一组所述检测电极形成一个电容，用于检测静电力驱动所述圆盘振子产生检测模态。

本实施例中，所述公共电极6共有八个，分别位于每个所述电磁驱动线圈4与所述检测电极5之间，并且所述公共电极6之间全部连接在一起。所述公共电极6用于隔离电磁信号，并且提取检测检测电极5上的载波信号，并通过后续电路，得到检测电容大小。

本实施例中，所述电极不必分布于圆盘振子上，即圆盘振子上包括接地信号在内，无任何信号接入和引出。

如图4所示，通过有限元分析的方法得到所述圆盘振子的体声波鞍形谐振模态，在该模态下所述圆盘振子沿垂直于所述圆盘振子1表面的Z轴方向振动。当X轴方向的所述圆盘振子1沿垂直于所述圆盘振子1表面的Z轴正方向运动时，Y轴方向的所述圆盘振子1沿垂直于所述圆盘振子1表面的Z轴负方向运动。

如图5、图6所示，通过在与所述圆盘振子1表面平行且具有一间隙的所述电磁驱动线圈4上施加高频交流驱动电流，对所述圆盘振子1施加电磁力激励振子1产生驱动模态。沿Z轴的振动主要用于敏感X、Y轴的角速度。当有平行于所述圆盘振子1表面的X轴或者Y轴的角速度输入时，在科氏力作用下，所述圆盘振子1受到一个旋转力矩的作用，所述圆盘振子1会沿垂直于Z轴方向绕所述圆柱形的支撑柱2旋转。其中，旋转的角度大小同输入角度的大小成正比。沿径向X、Y轴的振动主要用于敏感Z轴的角速度。当有垂直于搜书圆盘振子1表面的Z轴的角速度输入时，在科氏力作用下，所述圆盘振子1受到一个旋转力矩作用，所述圆盘振子1会沿垂直于Z轴方向绕所述圆柱形的支撑柱2旋转。此时在所述检测电极5附近的电容大小会发生变化，通过在所述检测电极5上施加载波信号，并从所述公共电极6处将载波信号提取出来。载波信号通过解调可以得到所述检测电极5附近电容的大小变化，即可以检测出垂直于所述圆盘振子1的旋转角度，进而求得三轴的角速度输入大小。

本实施例涉及微陀螺的制作工艺，主要包括以下几个步骤：

(a)将基板清洗干净，烘干，在正面通过光刻工艺，溅射形成金属电极；

(b)在基板上沉积多晶硅层，厚度为2-3微米；

(c)通过光刻掩模，刻蚀多晶硅层，保留支撑柱和阻挡层；

(d)将另一个基板清洗干净，烘干，在正面通过光刻掩模工艺，刻蚀形成圆盘振子；

(e)利用键合的方法将两块基板键合起来，形成一体化的结构；

(f)利用湿法刻蚀的手段将上部多余结构去除，释放谐振结构。

本发明利用体声波鞍形谐振模态采用具有不带释放孔的圆盘振子，结构简单，对称性好。电磁驱动线圈、检测电极和公共电极同圆盘振子的间隙为微米级，利用键合工艺完成，工艺加工易于实现。圆盘振子不用接触电极，而是利用一组大小相同，相位相反的驱动信号和载波信号进行驱动和检测，可以更好的保持器件的完整性和对称性。本发明利用体声波鞍形谐振模态下的振动作为参考振动，利用圆盘振子同检测电极之间的电容变化作为检测信号，通过处理公共电极提取的载波输出信号，能够准确的检测三轴输入角速度的大小。本发明采用MEMS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。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种电磁驱动静电检测体声波谐振三轴微陀螺，其特征在于包括：不带释放孔的圆盘振子，圆柱形的支撑柱，基板，电磁驱动线圈，检测电极和公共电极，其中：所述圆盘振子通过所述圆柱形的支撑柱固定在基板上，且所述圆盘振子垂直于所述基板的z轴；所述电磁驱动线圈、所述检测电极和所述公共电极呈圆周分布于所述基板上并位于所述圆盘振子下方，同时与所述圆盘振子平行且有一间隙；所述公共电极分布于所述电磁驱动线圈与所述检测电极之间，并按照电磁驱动线圈、公共电极、检测电极、检测电极、公共电极、电磁驱动线圈的排列顺序，交叉循环分布；

所述陀螺利用所述圆盘振子的“体声波鞍形模态”作为参考振动，在该模态下所述圆盘振子沿垂直于其圆盘表面的Z轴方向振动，同时也会沿着圆盘径向X轴和Y轴方向振动，当X轴方向的所述圆盘振子沿垂直于圆盘表面的Z轴正方向运动时，Y轴方向的所述圆盘振子沿垂直于圆盘表面的Z轴负方向运动；通过在与所述圆盘振子表面平行且具有一间隙的所述电磁驱动线圈上施加高频交流电流，对所述圆盘振子施加电磁力激励振子产生驱动模态；当有平行于所述圆盘振子表面的X轴或者Y轴的角速度输入时，在科氏力作用下，所述圆盘振子受到一个旋转力矩的作用，所述圆盘振子会沿垂直于Z轴方向绕所述圆柱形的支撑柱旋转，其中，旋转的角度大小同输入角度的大小成正比；当有垂直于所述圆盘振子表面的Z轴的角速度输入时，在科氏力作用下，所述圆盘振子受到一个旋转力矩作用，所述圆盘振子会沿垂直于Z轴方向绕所述圆柱形的支撑柱旋转，此时在所述检测电极附近的电容大小会发生变化，通过在所述检测电极上施加载波信号，并从所述公共电极处将载波信号提取出来，载波信号通过解调得到所述检测电极附近电容的大小变化，即检测出垂直于所述圆盘振子的旋转角度，进而求得三轴的角速度输入大小。

2.根据权利要求1所述的电磁驱动静电检测体声波谐振三轴微陀螺，其特征是：所述圆盘振子整体为导体材料制成，或者所述圆盘振子采用非导体材料，在其上下表面或某一个表面为导体或可导电。

3.根据权利要求1所述的电磁驱动静电检测体声波谐振三轴微陀螺，其特征是：所述电磁驱动线圈、所述检测电极和所述公共电极与所述圆盘振子之间的间隙为2-3微米。

4.根据权利要求3所述的电磁驱动静电检测体声波谐振三轴微陀螺，其特征是：所述的电磁驱动线圈用于施加高频交流激励信号，对所述圆盘振子产生电磁吸力，激励所述圆盘振子产生驱动模态。

5.根据权利要求1所述的电磁驱动静电检测体声波谐振三轴微陀螺，其特征是：每两个相邻的所述检测电极为一组，分别施加大小相等符号相反的一组直流驱动电压信号以及大小相等相位相反的一组交流载波信号，每一组检测电极形成一个电容，用于检测电磁力驱动振子所产生的检测模态。

6.根据权利要求1所述的电磁驱动静电检测体声波谐振三轴微陀螺，其特征是：所述的公共电极分布于电磁驱动线圈与检测电极之间，用于隔离电磁信号和提取检测信号。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的电磁驱动静电检测体声波谐振三轴微陀螺的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(a)将基板清洗干净，烘干，在正面通过光刻工艺，溅射形成金属电极；

(b)在基板上沉积多晶硅层，厚度为2-3微米；

(c)通过光刻掩模，刻蚀多晶硅层，保留支撑柱和阻挡层；

(d)将另一个基板清洗干净，烘干，在正面通过光刻掩模工艺，刻蚀形成圆盘振子；

(e)利用键合的方法将两块基板键合起来，形成一体化的结构；

(f)利用湿法刻蚀的手段将上部多余结构去除，释放谐振结构。