CN104197916B - 半球体固态波动微陀螺仪及其制备方法 - Google Patents

半球体固态波动微陀螺仪及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种半球体固态波动微陀螺仪及其制备方法，包括：单晶硅基底、信号电极、屏蔽电极、微型半球体谐振子、中心固定支撑柱，微型半球体谐振子与单晶硅基底通过中心固定支撑柱相连；信号电极和屏蔽电极设置于单晶硅基底的上表面，两者相互交错均匀地分布在微型半球体谐振子的周围；八个信号电极与微型半球体谐振子之间的距离、八个屏蔽电极与微型半球体谐振子之间的距离分别相同。本发明结合MEMS体硅加工工艺和表面硅加工工艺进行制作；具有更大的有效振动质量，可增强柯氏效应的检测效果；具有更高的工作模态振动频率，可减小环境噪声和机械噪声等；设置了屏蔽电极，可减少信号电极之间的相互串扰，减小检测过程中寄生电容的影响。

Description

半球体固态波动微陀螺仪及其制备方法
技术领域
本发明涉及微机电技术领域的振动陀螺仪，具体地，涉及一种半球体固态波动微陀螺仪及其制备方法。
背景技术
陀螺仪是一种能够检测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、多轴检测、高可靠性、能适应各种恶劣环境的方向发展。因此，MEMS微陀螺的重要性不言而喻。特别地，微型半球谐振陀螺仪作为MEMS微陀螺的一个重要研究方向，已经成为该领域的一个研究热点。
经过现有技术的文献搜索发现，美国Draper实验室J J Bernstein等人在其论文“A MEMS diamond hemispherical resonator”中介绍了一种单端固定的微型半球谐振陀螺仪，该陀螺仪采用金刚石半球壳作为谐振子，有效振动质量仅分布在壳体的边缘，工作模态的谐振频率在百千赫兹级别，没有达到兆赫兹级别。此外，该陀螺仪拥有8个信号电极，相邻信号电极之间的距离较近，存在一定的串扰现象。
基于此，迫切需要提出一种新的陀螺仪结构，进一步提高陀螺仪的有效振动质量，增强柯氏效应的检测效果；进一步提高陀螺仪工作模态的谐振频率，减小环境噪声、机械噪声等因素的影响；同时减少信号电极之间的相互串扰，减小检测过程中寄生电容带来的影响。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种半球体固态波动微陀螺仪及其制备方法。
根据本发明的一个方面，提供一种半球体固态波动微陀螺仪，包括：
一个单晶硅基底；
八个均匀分布式信号电极；
八个均匀分布式屏蔽电极；
一个微型半球体谐振子；
一个中心固定支撑柱；
其中：微型半球体谐振子与单晶硅基底通过中心固定支撑柱相连；信号电极和屏蔽电极均设置于单晶硅基底的上表面，且信号电极与屏蔽电极相互交错均匀地分布在微型半球体谐振子的周围；八个信号电极与微型半球体谐振子之间的距离相同；八个屏蔽电极与微型半球体谐振子之间的距离也相同。
所述微陀螺利用静电驱动的方式激励微型半球谐振子进行工作，其驱动模态和检测模态相互匹配，可以实现：(1)提高陀螺仪的有效振动质量，增强柯氏效应的检测效果；(2)提高陀螺仪工作模态的谐振频率，减小环境噪声、机械噪声等因素的影响；(3)减少信号电极之间的相互串扰，减小检测过程中寄生电容带来的影响。
根据本发明的另一个方面，提供一种半球体固态波动微陀螺仪的制备方法，包括如下步骤：
第一步、对单晶硅基底进行清洗、涂胶、光刻、显影、硼离子注入、去胶工艺，以在单晶硅基底上得到硼离子掺杂硅材料的信号电极和屏蔽电极；
第二步、在第一步的基础上进行涂胶、光刻、显影工艺，以在单晶硅基底表面得到图形化的光刻胶，为刻蚀半球形凹槽做掩膜；
第三步、在第二步的基础上进行单晶硅的各向同性刻蚀工艺及去胶工艺，以在单晶硅基底上得到半球形凹槽；
第四步、在第三步的基础上通过热氧化法生长二氧化硅，以得到释放半球体谐振子的牺牲层；通过涂胶、光刻、显影、刻蚀工艺在二氧化硅牺牲层底部形成圆形槽，为制作中心固定支撑柱做准备；
第五步、在第四步的基础上于单晶硅基底上放置块状金属玻璃板并将其加热至液态，待液体完全填充所有半球形凹槽后，利用快速冷却技术将温度降至金属玻璃的过冷液区，以得到完全填充半球形凹槽的金属玻璃结构，然后通过磨削技术或减薄技术将上表面的金属玻璃去除，只保留半球形凹槽中的金属玻璃结构；
第六步、在第五步的基础上利用BHF溶液对二氧化硅牺牲层结构进行腐蚀，从单晶硅基底上释放微型半球体谐振子。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)所述微陀螺结合MEMS体硅加工工艺和表面硅加工工艺进行制作，是一种新颖的加工工艺；
(2)所述微陀螺采用半球体作为谐振子，具有更大的有效振动质量，可增强柯氏效应的检测效果；
(3)所述微陀螺制作的半球体谐振子相比于常规的半球壳谐振子具有更高的谐振频率，可达到兆赫兹级别，减小环境噪声、机械噪声等因素的影响；
(4)所述微陀螺在相邻信号电极之间均设置了屏蔽电极，可减少信号电极之间的相互串扰，减小检测过程中寄生电容带来的影响。
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(a)-图1(f)为本发明一较优实施例的工艺流程图；
图2为本发明一较优实施例的三维结构图；
图3(a)-图3(b)为本发明一较优实施例在工作模态下的振动图；
图中：1为单晶硅基底，2为均匀分布式信号电极，3为均匀分布式屏蔽电极，4为微型半球体谐振子，5为中心固定支撑柱。
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1
如图2所示，本实施例提供一种半球体固态波动微陀螺仪，包括：
一个单晶硅基底1；
八个均匀分布式信号电极2；
八个均匀分布式屏蔽电极3；
一个微型半球体谐振子4；
一个中心固定支撑柱5；
其中：微型半球体谐振子4与单晶硅基底1通过中心固定支撑柱5相连；信号电极2和屏蔽电极3设置于单晶硅基底1的上表面，两者相互交错均匀地分布在微型半球体谐振子4的周围；八个信号电极2与微型半球体谐振子4之间的距离相同，八个屏蔽电极3与微型半球体谐振子4之间的距离也相同。
本实施例中，所述中心固定支撑柱5的材料为金属玻璃，位于单晶硅基底1中心位置的半球形凹槽底部，下端与单晶硅基底1相连，上端与微型半球体谐振子4相连。
本实施例中，所述微型半球体谐振子4的材料与中心固定支撑柱5相同，位于单晶硅基底1中心位置的半球形凹槽中，底部通过中心固定支撑柱5约束，其他位置无约束。
本实施例中，所述信号电极2的材料为硼离子掺杂硅，镶嵌于单晶硅基底1的上表面。所述信号电极2的形状和大小相同，均匀地围绕在微型半球体谐振子4的周围，与微型半球体谐振子4边缘的距离相同。
本实施例中，所述屏蔽电极3的材料与信号电极2相同，镶嵌于单晶硅基底1的上表面。所述屏蔽电极3的形状和大小相同，设置于信号电极2之间，任意屏蔽电极3与相邻信号电极2的距离相同。
本实施例中，所述信号电极2分为驱动电极和检测电极，两者形状相同，间隔分布，其中：驱动电极为微型半球谐振子4提供驱动信号，检测电极提取微型半球谐振子4中的检测信号。半球体固态波动微陀螺仪在驱动电极上施加交流驱动电压，在金属玻璃微型半球体谐振子4上施加直流偏置电压，驱动电极通过静电力的方式使微型半球体谐振子4工作在所需的驱动模态下，驱动模态的振动幅值和频率保持不变。当垂直于基体方向存在外加角速度时，检测模态的振动幅值会发生变化，该振动幅值的大小与外加角速度的大小成正比，同时引起检测电极与微型半球体谐振子4之间的检测电容发生变化。通过采集检测电极上的信号变化可以计算检测模态振动幅值的大小，进一步计算外加角速度的大小。
本实施例中，半球体固态波动微陀螺仪在屏蔽电极3上施加地信号，可有效屏蔽相邻信号电极2在施加高频交流信号之后的相互串扰，减小寄生电容带来的影响。
如图3(a)和图3(b)所示，通过有限元分析方法得到本实施例提供的半球体固态波动微陀螺仪的驱动模态和检测模态的振动图，当半球体固态波动微陀螺仪工作在图3(a)所示的驱动模态时，在外加角速度(垂直于基体的方向)的作用下，会引起如图3(b)所示的检测模态，该检测模态的振动幅值与外加角速度的大小成正比。驱动模态和检测模态的振动频率相同，都在兆赫兹级别，比常规的微型半球壳式谐振陀螺仪的振动频率高一至两个数量级，可以有效减小环境噪声、机械噪声等因素的影响，提高微陀螺仪的陀螺性能。
实施例2
如图1(a)-图1(f)所示，本实施例提供一种半球体固态波动微陀螺仪的制备方法，包括如下步骤：
第一步、如图1(a)所示，对单晶硅基底1进行清洗、涂胶、光刻、显影、硼离子注入、去胶工艺，在单晶硅基底1上得到厚度为10μm-50μm的硼离子掺杂硅材料的信号电极2和屏蔽电极3；
第二步、如图1(b)所示，在第一步的基础上进行涂胶、光刻、显影工艺，以在单晶硅基底1表面得到图形化的光刻胶，为刻蚀半球形凹槽做掩膜；
第三步、如图1(c)所示，在第二步的基础上进行单晶硅的各向同性刻蚀工艺及去胶工艺，在单晶硅基底1上得到半径为300-700μm的半球形凹槽；
第四步、如图1(d)所示，在第三步的基础上通过热氧化法生长二氧化硅，得到厚度为1-5μm的牺牲层；通过涂胶、光刻、显影、刻蚀工艺在二氧化硅牺牲层底部形成半径为15-35μm圆形槽，为制作中心固定支撑柱5做准备；
第五步、如图1(e)所示，在第四步的基础上于单晶硅基底1上放置厚度为1-10mm的块状金属玻璃板并将其加热至液态，待液体完全填充所有半球形凹槽后，利用快速冷却技术将温度降至金属玻璃的过冷液区，以得到完全填充半球形凹槽的金属玻璃结构，然后通过磨削技术或减薄技术将上表面的金属玻璃去除，只保留半球形凹槽中的金属玻璃结构；
第六步、如图1(f)所示，在第五步的基础上利用BHF溶液对二氧化硅牺牲层结构进行腐蚀，从单晶硅基底1上释放微型半球体谐振子4。
本发明利用静电驱动的方式激励微型半球谐振子4进行工作，其驱动模态和检测模态相互匹配；本发明结合MEMS体硅加工工艺和表面硅加工工艺进行制作，是一种新颖的加工工艺。
本发明采用半球体作为谐振子，具有更大的有效振动质量，可增强柯氏效应的检测效果；本发明制作的微型半球体谐振子4相比于常规的半球壳谐振子具有更高的谐振频率，可达到兆赫兹级别，减小环境噪声、机械噪声等因素的影响。
本发明在相邻信号电极2之间均设置了屏蔽电极3，可减少信号电极2之间的相互串扰，减小检测过程中寄生电容带来的影响。
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 (10)

1.一种半球体固态波动微陀螺仪，其特征在于，包括：
一个单晶硅基底；
八个均匀分布式信号电极；
八个均匀分布式屏蔽电极；
一个微型半球体谐振子；
一个中心固定支撑柱；
其中：微型半球体谐振子与单晶硅基底通过中心固定支撑柱相连；信号电极和屏蔽电极均设置于单晶硅基底的上表面，且信号电极与屏蔽电极相互交错均匀地分布在微型半球体谐振子的周围；八个信号电极与微型半球体谐振子之间的距离相同；八个屏蔽电极与微型半球体谐振子之间的距离也相同。
2.根据权利要求1所述的一种半球体固态波动微陀螺仪，其特征在于，所述中心固定支撑柱的材料为金属玻璃，该中心固定支撑柱设置于单晶硅基底中心位置的半球形凹槽底部，所述中心固定支撑柱的下端与单晶硅基底相连、上端与微型半球体谐振子相连。
3.根据权利要求1所述的一种半球体固态波动微陀螺仪，其特征在于，所述微型半球体谐振子的材料为金属玻璃，位于单晶硅基底中心位置的半球形凹槽中，所述微型半球体谐振子的底部通过中心固定支撑柱约束，其他位置无约束。
4.根据权利要求1所述的一种半球体固态波动微陀螺仪，其特征在于，所述信号电极的材料为硼离子掺杂硅；所述信号电极的形状和大小相同，均匀地围绕在微型半球体谐振子的周围，并与微型半球体谐振子边缘的距离相同。
5.根据权利要求1所述的一种半球体固态波动微陀螺仪，其特征在于，所述屏蔽电极的材料为硼离子掺杂硅；所述屏蔽电极的形状和大小相同，设置于信号电极之间，任意屏蔽电极与相邻信号电极的距离相同。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的半球体固态波动微陀螺仪的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步、对单晶硅基底进行清洗、涂胶、光刻、显影、硼离子注入、去胶工艺，以在单晶硅基底上得到硼离子掺杂硅材料的信号电极和屏蔽电极；
第二步、在第一步的基础上进行涂胶、光刻、显影工艺，以在单晶硅基底表面得到图形化的光刻胶，为刻蚀半球形凹槽做掩膜；
第三步、在第二步的基础上进行单晶硅的各向同性刻蚀工艺及去胶工艺，以在单晶硅基底上得到半球形凹槽；
第四步、在第三步的基础上通过热氧化法生长二氧化硅，以得到释放半球体谐振子的牺牲层；通过涂胶、光刻、显影、刻蚀工艺在二氧化硅牺牲层底部形成圆形槽，为制作中心固定支撑柱做准备；
第五步、在第四步的基础上于单晶硅基底上放置块状金属玻璃板并将其加热至液态，待液体完全填充所有半球形凹槽后，利用快速冷却技术将温度降至金属玻璃的过冷液区，以得到完全填充半球形凹槽的金属玻璃结构，然后通过磨削技术或减薄技术将上表面的金属玻璃去除，只保留半球形凹槽中的金属玻璃结构；
第六步、在第五步的基础上利用BHF溶液对二氧化硅牺牲层结构进行腐蚀，从单晶硅基底上释放微型半球体谐振子。
7.根据权利要求6所述的一种半球体固态波动微陀螺仪的制备方法，其特征在于，第一步中，在所述单晶硅基底上得到的硼离子掺杂硅材料的所述信号电极和所述屏蔽电极的厚度为10μm-50μm。
8.根据权利要求6所述的一种半球体固态波动微陀螺仪的制备方法，其特征在于，第三步中，在所述单晶硅基底上得到的所述半球形凹槽的半径为300-700μm。
9.根据权利要求6所述的一种半球体固态波动微陀螺仪的制备方法，其特征在于，第四步中，所述牺牲层的厚度为1-5μm，所述圆形槽的半径为15-35μm。
10.根据权利要求6所述的一种半球体固态波动微陀螺仪的制备方法，其特征在于，第五步中，所述块状金属玻璃板的厚度为1-10mm。
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