CN104197918B - 半环形压电谐振陀螺仪及其制备方法 - Google Patents

半环形压电谐振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环形压电谐振陀螺仪及其制备方法，包括：基底、基底上中心位置周围的环形空腔、环绕于支撑柱的半环形压电谐振体、连接到基底的上表面作为半环形压电谐振体支撑的支撑柱以及在半环形谐振体外表面上呈对称分布的八个电极，所述半环形压电谐振体定位成与所述基底的上表面分开以允许该压电谐振陀螺仪振动。本发明通过基底上表面的成型支撑柱对谐振体进行支撑，稳定性好，有利的减小支撑阻尼的影响，有利于提高陀螺Q值和灵敏度；工艺相对简单，利于实现；谐振体除去中间支撑外与基底分离，有利于其振动；采用压电材料，抗过载、抗冲击能力强，工作谐振频率高，启动时间短，与现有技术相比有明显优势。

Description

半环形压电谐振陀螺仪及其制备方法
技术领域
本发明涉及微机电(MEMS)系统技术领域，具体地，涉及一种半环形压电谐振陀螺仪及其制备方法。
背景技术
陀螺仪作为一种载体角速度敏感惯性传感器，在航空、航天、船舶等传统工业领域的姿态控制和导航定位等方面有着非常重要的作用。MEMS微陀螺具有尺寸质量小、功耗低、成本低、环境适应性好、集成度高等优点。
随着我国经济的发展，我国在军事、工业及消费电子等领域对高性能、小尺寸、高可靠性的MEMS微陀螺的需求正变得日益迫切。
压电陀螺仪采用压电材料作为驱动和检测部件，是一种新型MEMS微陀螺，具有抗过载、抗冲击能力强、工作谐振频率高、不需真空封装、启动时间短等优越特性，此种陀螺利用谐振状态和压电效应获得外界相应方向上输入的角速度对应的电信号，通过检测电信号的幅值和频率，反映出外加角速度的信号。
经对现有技术的文献检索发现,中国专利“固体波动陀螺的谐振子及固体波动陀螺”(专利申请号：CN201010294912.6)利用高性能的合金通过机械精密加工的方法制作出具有杯形振子的固体波动陀螺，杯形振子底盘上粘结有压电片作为驱动和检测电极，通过在驱动电极上施加一定频率的电压信号，对杯形振子施加压电驱动力，激励振子产生驱动模态下的固体波，当有杯形振子轴线方向角速度输入时，振子在科氏力作用下向另一简并的检测模态固体波转化，两个简并模态的固体波之间相位相差一定的角度，通过检测杯形振子底盘上检测电极输出电压的变化即可检测输入角速度的变化。
此技术存在如下不足：该固体波动陀螺杯形谐振体体积过大，限制了其在很多必须小体积条件下的应用；杯形振子底盘的压电电极是粘结到杯形振子上的，在高频振动下存在脱落的可能，可靠性不高；陀螺的加工工艺比较复杂，加工成本较高，不适合大批量生产；陀螺驱动模态和检测模态频率分裂较大，致使陀螺的带宽较大，品质因数很难提高；陀螺固定方式不稳定，难以适应需要高可靠性的场合。
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环形压电谐振陀螺仪及其制备方法，其采用压电材料，具有抗过载、抗冲击能力强，工作谐振频率高，启动时间短的特点。
根据本发明的一个方面，提供一种半环形压电谐振陀螺仪，包括：
一个具有上表面的方形基底；
基底上中心位置周围的环形空腔；
在基底上的半环形压电谐振体；
固定在基底上对半环形压电谐振体起支撑作用的支撑柱以及其上的电极；
在半环形压电谐振体外表面上呈对称分布的八个电极；
其中：所述压电谐振陀螺最下方为基底；所述支撑柱位于基底的中心位置；所述环形空腔在所述支撑柱周围；所述半环形压电谐振体附接于所述支撑柱上，并与基底上表面分开以进行振动；所述电极在半环形压电谐振体上表面与外部电路相连接；
八个所述电极分为四对，分别为驱动电极对、检测电极对、监测电极对和平衡电极对，所述八个电极对位于半环形谐振体顶部，距离环心距离相等。每对电极对中的两个电极之间相差180度，比如分别位于0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°位置。0°电极，180°电极构成驱动电极对；45°电极，225°电极构成检测电极对；90°电极，270°电极构成监测电极对；135°电极，315°电极构成平衡电极对。
在所述驱动电极对上施加正弦交流电压，利用静电力将半环形谐振体激励在固有驱动模态下；当半环形压电谐振体感受到角速度输入时，由于科氏力影响，半环形压电谐振体振动方式会从驱动模态向检测模态变化，此时在所述检测电极对上可检测到电信号变化，通过后续电路解调即可得知输入角速度的大小。
优选地，所述基底的上表面之上以及环形空腔之上形成一层泡层，所述泡层采用玻璃材料，经吹玻璃等工艺后在所述环形空腔之上形成半环形泡。
优选地，半环形泡上的所述谐振体进一步包括：
半环形泡上的一谐振材料层；
在谐振材料层上设有用于底部引出的金属导电层；
金属导电层上方设有压电材料层。
压电材料层上方设有金属电极，即在所述半环形压电谐振体外表面上呈对称分布的八个电极。
更优选地，所述谐振材料层的材料为硅、金刚石、二氧化硅、玻璃；所述金属导电层的材料为金、镍铬铁合金、铬、锢锡氧化物、掺杂二氧化钦硅酸盐玻璃；所述压电层材料层采用ALN、PZT的压电材料。
优选地，所述基底采用硅掺杂材料。
优选地，所述八个电极的分布采用扇形、方形、圆形或其他需要的形状。
根据本发明的另一个方面，提供一种半环形压电谐振陀螺仪的制备方法，所述方法具体包括：
第一步、在基底的上表面进行刻蚀形成环形空腔和支撑柱，并使支撑柱位于环形空腔的中心位置；
第二步、在所述基底的上表面之上以及环形空腔之上形成泡层；
第三步、加热所述基底，以在所述环形空腔之上的所述泡层形成半环形泡；
第四步、将谐振材料层沉积于所述形成的半环形泡之上；
第五步、将所述金属导电层沉积于所述谐振材料层上；
第六步、将压电材料层沉积于所述金属导电层上；
第七步、在所述压电材料层上方形成图形化的八个金属电极。
优选地，第一步中，使用光掩膜对所述空环形腔和所述支撑柱进行蚀刻。
优选地，第三步中，所述半环形泡的参数由加热温度以及时间确定，且所述半环形泡具有良好的对称性。
优选地，使用定向蚀刻在垂直于所述基底的上表面的方向上对所述谐振体进行蚀刻。
优选地，采用光刻蚀的方法定向刻蚀所述谐振体。
优选地，所述谐振体进行蚀刻包括使用气态蚀刻剂进行蚀刻。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过基底上表面的成型支撑柱对谐振体进行支撑，稳定性好，有利的减小支撑阻尼的影响，有利于提高陀螺Q值和灵敏度；工艺相对简单，利于实现；谐振体除中间支撑外与基底分离，有利于其振动；采用压电材料，抗过载、抗冲击能力强，工作谐振频率高，启动时间短。
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位本发明一实施例半环形压电谐振陀螺仪俯视图；
图2为本发明一实施例半环形压电谐振陀螺仪谐振体立体图；
图3A-3K为本发明一实施例工艺流程图；
图4为本发明一实施例截面图。
图中：基底100，环形空腔101，半环形压电谐振体102，支撑柱103，电极104-111，其中：104、108组成驱动电极对，105、109组成检测电极对，106、110组成监测电极对，107、111组成平衡电极对；
401为一个具有上表面的方形基底；402为基底上中心位置周围的环形空腔；403为固定在基底上对半环形压电谐振体起支撑作用的支撑柱；404为在基底上的半环形压电谐振体；405为沉积的一层玻璃泡层；406为沉积的硅、金刚石、二氧化硅、玻璃的谐振材料层；407为沉积的金属导电电极层；408为沉积的压电材料层；409为最上方的金属电极经图形化形成半环形压电谐振体的外表面上呈对称分布的八个电极；410为溅射的金属材料，作为半环形压电谐振体的内部电极引出。
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。
如图1所示，本实施例提供一种半环形压电谐振陀螺仪，包括：
一个具有上表面的方形基底100；
基底上中心位置周围的环形空腔101；
在基底上的半环形压电谐振体102；
固定在基底上对半环形谐振体起支撑作用的支撑柱103以及在支撑柱103上的电极；
在半环形压电谐振体1外表面上呈对称分布的八个电极104-111；
具体地说：所述压电谐振陀螺最下方为基底100；所述支撑柱103位于基底100的中心位置；所述环形空腔101在所述支撑柱103周围；所述半环形压电谐振体102附接于所述支撑柱103上，并与基底100的上表面分开以进行振动；八个所述电极104-111在半环形压电谐振体102上表面通过引线与外部电路相连接，其中104、108附接到电路驱动端；105、109附接到电路检测端；106、110提供监测信号以监测陀螺处于固有工作状态下；107、111提供平衡参考信号。
本实施例中，呈对称分布的八个电极104-111分为四对，分别为驱动电极对104、108；检测电极对105、109；监测电极对106、110；平衡电极对107、111；电极对优选的可采用扇形，在其他实施例中可采用方形或圆形等电极对形状；电极对在半环形压电谐振体102上对称均列分布，相邻电极对之间间隔45度角，分别位于0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°位置。一对电极对之间的电极相差180度。0°电极104，180°电极108构成驱动电极对；45°电极105，225°电极109构成检测电极对；90°电极106，270°电极110构成监测电极对；135°电极107，315°电极111构成平衡电极对。其中，驱动电极对主要起到接受驱动信号使陀螺起振的功能，检测电极对为主要检测信号输出、监测电极对主要为对陀螺振动状态进行实时监测，并反馈给陀螺控制器调整驱动信号频幅特性、平衡电极对主要配合检测电极对信号完成信号检测工作。
本实施例中，陀螺基本工作原理为：在所述驱动电极对104、108上施加正弦交流电压，利用静电力将半环形压电谐振体102激励在固有驱动模态下；当半环形压电谐振体102感受到角速度输入时，由于科氏力影响，半环形压电谐振体102振动方式会从驱动模态向检测模态变化，此时在所述检测电极对105、109上可检测到电信号变化，通过后续电路解调即可得知输入角速度的大小。
如图2所示，本实施例中，所述半环形压电谐振体102立体图可模拟为图2形状。
如图3A-图3K所示，本实施例中所述半环形压电谐振陀螺仪的制备方法工艺图如下流程：
如图3A所示，从基底100(如硅晶片)开始，对基底100的上表面进行图案形成和蚀刻形成环形空腔101和支撑柱103。
如图3B所示，在形成环形空腔101和支撑柱103后的基底100上沉积一层玻璃泡层。
如图3C所示，在另一个实施例中，可在已沉积的玻璃泡层上进行湿法刻蚀，以在玻璃泡层上形成孔，从而在后续工艺中作支撑柱电极引出。如图3D所示，加热基底100以及玻璃泡层以在环形空腔101上形成半环形泡，该半环形泡的参数可由加热温度以及时间确定，且该半环形泡具有良好的对称性。
如图3E所示，在所述基底上沉积谐振层，所述谐振层的材料可以是硅、金刚石、二氧化硅或玻璃。
如图3F所示，在所述玻璃泡层上沉积一层导电层，称为第一导电层，并在所述第一导电层上做图形化处理以形成连接支撑柱上的电极，所述第一导电层的材料可以是金、镍铬铁合金、铬、锢锡氧化物、掺杂二氧化钦硅酸盐玻璃。
如图3G所示，在所述谐振层上沉积压电层，所述压电层的材料可以为ALN、PZT的压电材料。
如图3H所示，在所述压电层上再沉积一层金属导电层，称为第二导电层。
如图3I所示，在所述第二导电层上做图形化处理以形成八个电极104，所述第二导电层的材料可以是金、镍铬铁合金、铬、锢锡氧化物、掺杂二氧化钦硅酸盐玻璃。
如图3J所示，可以在基底100第一工作表面上定向刻蚀非半环形谐振体结构102，可采用光掩模定向光刻的方法。
如图3K所示，在所述半环形压电谐振体102的中央位置刻蚀成孔，在此位置溅射一层金属作为半环形压电谐振体102内部的地电极引出。
在另一实施例中，基底100可采用硅材料掺杂技术，并由图3C中成孔作下方电极引出。
本实施例中，其制造方法可包括：使用定向蚀刻在垂直于所述基底100的上表面的方向上对所述半环形压电谐振体102进行蚀刻。
本实施例中，其制造方法可包括：使用的光掩膜对所述环形空腔101和所述支撑柱103进行蚀刻。
本实施例中，其制造方法可任选的包括:采用光刻蚀的方法定向刻蚀所述半环形压电谐振体102。
本实施例中，其制造方法可任选的包括:对所述半环形压电谐振体102进行蚀刻包括使用气态蚀刻剂进行蚀刻。
如图4所示，本实施例中所得半环形压电谐振陀螺仪截面图部分如下：
401(100)为一个具有上表面的方形基底；
101(101)为基底上中心位置周围的环形空腔；
102(102)为在基底上的半环形压电谐振体；
103(103)为固定在基底上对半环形压电谐振体起支撑作用的支撑柱；
104(104)为最上方的金属电极经图形化形成半环形压电谐振体的外表面上呈对称分布的八个电极；
105(105)为沉积的一层玻璃泡层；
106(106)为沉积的硅、金刚石、二氧化硅、玻璃的谐振材料层；
107(107)为沉积的金属导电电极层；
108(108)为沉积的压电材料层；
109(109)为溅射的金属材料，作为半环形压电谐振体的内部电极引出。
本发明通过基底上表面的成型支撑柱对谐振体进行支撑，稳定性好，有利的减小支撑阻尼的影响，有利于提高陀螺Q值和灵敏度；工艺相对简单，利于实现；谐振体除中间支撑外与基底分离，有利于其振动；采用压电材料，抗过载、抗冲击能力强，工作谐振频率高，可达到几百KHz级别，启动时间短，预热后系统自稳定时间在ms级以内，因谐振频率高，刚度大，系统抗冲击能力强。
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)

1.一种半环形压电谐振陀螺仪，其特征在于，包括：
一个具有上表面的方形基底；
基底上中心位置周围的环形空腔；
在基底上的半环形压电谐振体；
固定在基底上对半环形压电谐振体起支撑作用的支撑柱以及其上的电极；
在半环形压电谐振体外表面上呈对称分布的八个电极；
其中：所述压电谐振陀螺最下方为基底；所述支撑柱位于基底的中心位置；所述环形空腔在所述支撑柱周围；所述半环形压电谐振体附接于所述支撑柱上，并与基底的上表面分开以进行振动；所述八个电极在半环形压电谐振体上表面与外部电路相连接；
所述八个电极分为四对，分别为驱动电极对、检测电极对、监测电极对和平衡电极对；每对电极对中的两个电极之间相差180度；
所述基底的上表面之上以及环形空腔之上形成一层泡层，所述泡层采用玻璃材料，在所述环形空腔之上形成半环形泡；
半环形泡上的所述谐振体进一步包括：一谐振材料层；在谐振材料层上设有用于底部引出的金属导电层；金属导电层上方设有压电材料层；
所述压电材料层上方设有金属电极，即在所述半环形压电谐振体外表面上呈对称分布的八个电极。
2.根据权利要求1所述的一种半环形压电谐振陀螺仪，其特征在于，所述谐振材料层的材料为硅、金刚石、二氧化硅或玻璃；所述金属导电层的材料为金、镍铬铁合金、铬、锢锡氧化物或掺杂二氧化钦硅酸盐玻璃；所述压电材料层采用ALN或PZT的压电材料。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种半环形压电谐振陀螺仪，其特征在于，所述基底采用硅掺杂材料。
4.根据权利要求1-2任一项所述的一种半环形压电谐振陀螺仪，其特征在于，所述八个电极的分布采用扇形、方形或圆形。
5.一种权利要求1-4任一项所述的一种半环形压电谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
第一步、在基底的上表面进行刻蚀形成环形空腔和支撑柱，并使支撑柱位于环形空腔的中心位置；
第二步、在所述基底的上表面之上以及环形空腔之上形成泡层；
第三步、加热所述基底，以在所述环形空腔之上的所述泡层形成半环形泡；
第四步、将谐振材料层沉积于所述半环形泡之上；
第五步、将所述金属导电层沉积于所述谐振材料层上；
第六步、将压电材料层沉积于所述金属导电层上；
第七步、在所述压电材料层上方形成图形化的八个金属电极。
6.根据权利要求5所述的一种半环形压电谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于，第一步中，使用光掩膜对所述环形空腔和所述支撑柱进行蚀刻。
7.根据权利要求5所述的一种半环形压电谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于，第三步中，所述半环形泡的参数由加热温度以及时间确定，且所述半环形泡具有良好的对称性。
8.根据权利要求5-7任一项所述的一种半环形压电谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于，使用定向蚀刻在垂直于所述基底的上表面的方向上对所述谐振体进行蚀刻。
9.根据权利要求8所述的一种半环形压电谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于，采用光刻蚀的方法定向刻蚀所述谐振体。
10.根据权利要求9所述的一种半环形压电谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于，所述谐振体进行蚀刻包括使用气态蚀刻剂进行蚀刻。
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