CN104807452A - 蜂窝式mems谐振硅微陀螺仪及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种蜂窝式MEMS谐振硅微陀螺仪，包括刻有信号引线的玻璃基底和安装于玻璃基底上的主单元，主单元包括蜂窝状振子单元、中心支撑柱、中心电极以及离散电极组件；蜂窝状振子单元安装于玻璃基底的中心位置，整体呈正六边形中心电极设置于玻璃基底的中心；中心支撑柱安装于蜂窝状振子单元的中心位置，且中心支撑柱向下伸出蜂窝状振子单元键合安装于中心电极；离散电极组件键合安装于玻璃基底且与玻璃基底的信号引线相连接，且设置于蜂窝状振子单元四周，离散电极组件包括检测电极、校正电极、驱动电极以及驱动检测电极。本发明外本发明是全对称结构，能够实现全解耦，有利于提高检测精度和灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及微机电和惯性传感器领域，具体涉及一种蜂窝式MEMS谐振硅微陀螺仪及其加工方法。
背景技术
硅微陀螺仪属于一种微机械振动式角速率传感器，用于测量物体的旋转角速度或者旋转角，经过数据处理后就可以得到物体的方向、姿态等信息；是一种重要的惯导器件，利用MEMS制造而成的微机电惯性传感器具有体积小，重量轻，成本低，可靠性高，功耗小，可批量生产等优点，广泛应用于消费电子产品、汽车、工业控制以及航天航空等领域。
目前，各个国家的MEMS陀螺仪的研究进展参差不齐，其中的原因不仅有国家和地方的投入和该领域的研究人员不足，而且MEMS陀螺仪涉及的领域广泛，研究的难点较多。MEMS陀螺仪的研究难点主要有结构设计、加工制造、封装技术和性能、成品率、成本等方面。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种蜂窝式MEMS谐振硅微陀螺仪及其加工方法。
技术方案：本发明所述的一种蜂窝式MEMS谐振硅微陀螺仪，包括刻有信号引线的玻璃基底和安装于玻璃基底上的主单元，所述主单元包括蜂窝状振子单元、中心支撑柱、中心电极以及离散电极组件；所述蜂窝状振子单元安装于玻璃基底的中心位置，整体呈正六边形，整个正六边形内部均匀排列有呈正六边形的振子，其且每条上均呈线形状排列有三十个振子；所述中心电极设置于玻璃基底的中心；所述中心支撑柱安装于蜂窝状振子单元的中心位置，且中心支撑柱向下伸出蜂窝状振子单元键合安装于中心电极；所述离散电极组件键合安装于玻璃基底且与玻璃基底的信号引线相连接，且设置于蜂窝状振子单元四周，离散电极组件包括检测电极、校正电极、驱动电极以及驱动检测电极。
整个主单元呈全对称分布，其中蜂窝状振子单元结构强度高、质量轻便，中心电极作为直流正交零位电极。
进一步的，所述玻璃基底呈正方形，正六边形蜂窝状振子单元中Y轴方向的上下两条边与玻璃基底Y轴方向的上下两条边平行；所述蜂窝状振子单元中Y轴方向两侧边的外侧均键合有一个检测电极和两个校正电极，蜂窝状振子单元其他四条侧边的外侧均键合有一个驱动电极和一个驱动检测电极。
上述各个驱动电极和驱动检测电极之间相对位置对称设置。
进一步的，所述检测电极、校正电极、驱动电极和驱动检测电极均与蜂窝状振子单元的侧边平行并预留有4-5μm的间隙；所述两个校正电极同时对蜂窝状振子单元正交误差的瞬时改变进行补偿，并且在外界有角速度输入的情况下将敏感振型抑制到零；
为提高检测精度，使反馈电压更精确，所述蜂窝状振子单元X轴正方向的驱动检测电极与位于蜂窝状振子单元X轴负方向的驱动检测电极相互差，这样可使蜂窝状振子单位维持在谐振频率点上振动并保持幅值恒定；
为进一步提高精测精度和灵敏度，蜂窝状振子单元Y轴正方向的检测电极与蜂窝状振子单元Y轴负方向的检测电极相互差分。
进一步的，所述玻璃基底上设有与检测电极、校正电极、驱动电极和驱动检测电极相对应的电极键合锚点。
进一步的，所述主单元由单晶硅制成，玻璃基底由硼硅酸盐玻璃制成。
本发明还公开了一种蜂窝式MEMS谐振硅微陀螺仪的加工方法，包括以下步骤：
(1)清洗硼硅酸盐玻璃并烘干，在硼硅酸盐玻璃上涂光刻胶，利用第一块掩膜板形成图形并刻蚀得到所要设置电极和信号引线的图案，至此完成玻璃基底的加工；
(2)在硼硅酸盐玻璃基底上，溅射金属Al形成电极和信号引线；最终形成金属Al电极；
(3)在硼硅酸盐玻璃基底上沉积多晶硅，通过光刻掩膜板，曝光光刻胶形成图形并刻蚀多晶硅层，形成中心支撑柱；
(4)对结构层单晶硅原材料进行清洗，将单晶硅与制作好键合锚点、电极和信号引线的硼硅酸盐玻璃基底采用阳极键合技术进行键合；
(5)对单晶硅的正面涂胶，利用第二块掩膜板光刻，曝光光刻胶形成图形并利用ICP工艺刻蚀出蜂窝状振子，去除光刻胶，释放结构。
有益效果：本发明中的主单元采用单晶硅材料制成，具有很好的实现电学性能和机械性能的优点，并且通过MEMS(微机电系统)工艺加工，成本低，制造工艺简单，能大批量生产；另外本发明是全对称结构，能够实现全解耦，有利于提高检测精度和灵敏度；本发明的总体结构简单，便于加工制造，能够极大地提高成品率。
附图说明
图1为本发明的整体结构俯视图；
图2为本发明中玻璃基底的结构示意图；
图3为本发明的侧视图；
图4为本发明中玻璃基底上的电路示意图；
图5为本发明的加工方法流程图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1至图4所示，本发明的一种蜂窝式MEMS谐振硅微陀螺仪，包括刻有信号引线的玻璃基底1和安装于玻璃基底1上的主单元2，主单元2包括蜂窝状振子单元21、中心支撑柱22、中心电极23以及离散电极组件24；蜂窝状振子单元21安装于玻璃基底1的中心位置，整体呈正六边形，整个正六边形内部均匀排列有呈正六边形的振子，其且每条上均呈线形状排列有三十个振子；中心电极23设置于玻璃基底1的中心；中心支撑柱22安装于蜂窝状振子单元21的中心位置，且中心支撑柱22向下伸出蜂窝状振子单元21键合安装于中心电极23；离散电极组件24键合安装于玻璃基底1且与玻璃基底1的信号引线相连接，且设置于蜂窝状振子单元21四周，离散电极组件24包括检测电极243、校正电极244、驱动电极241以及驱动检测电极242。
本实施例中，玻璃基底1呈正方形，正六边形蜂窝状振子单元21中Y轴方向的上下两条边与玻璃基底1Y轴方向的上下两条边平行；蜂窝状振子单元21中Y轴方向两侧边的外侧均键合有一个检测电极243和两个校正电极244，蜂窝状振子单元21其他四条侧边的外侧均键合有一个驱动电极241和一个驱动检测电极242。
本实施例中，检测电极243、校正电极244、驱动电极241和驱动检测电极242均与蜂窝状振子单元21的侧边平行并预留有4-5μm的间隙；两个校正电极244同时对蜂窝状振子单元21正交误差的瞬时改变进行补偿；蜂窝状振子单元21X轴正方向的驱动检测电极242与位于蜂窝状振子单元21X轴负方向的驱动检测电极242相互差；蜂窝状振子单元21Y轴正方向的检测电极243与蜂窝状振子单元21Y轴负方向的检测电极243相互差分。
其中，检测电极243、校正电极244、驱动电极241和驱动检测电极242既关于X轴和Y轴呈轴对称对称又关于中心电极23呈中心对称。
上述玻璃基底1上设有与检测电极243、校正电极244、驱动电极241和驱动检测电极242相对应的电极键合锚点3；主单元2由单晶硅制成，玻璃基底1由硼硅酸盐玻璃制成。
本发明的具体工作原理是：
利用正六边形蜂窝状振子单元21在X轴方向的驱动模态作为参考模态，在该参考模态下，蜂窝状振子单元21沿X轴方向振动；当在与蜂窝状振子单元21的边平行且有一定间隙的四个驱动电极241上施加驱动电压，并对蜂窝状振子单元21施加静电力激励后，蜂窝状振子单元21产生驱动模态；通过驱动检测电极242将蜂窝状振子单元21的振动信号提取出来，所提取信号通过参考相位和幅值控制单元(利用锁相环PLL回路确保主振型在谐振频率点上振动，实现参考相位控制回路功能和利用自动增益AGC回路保持主振型振幅恒定，实现幅值控制回路功能的单元)用作正反馈到驱动电极241对蜂窝状振子单元21进行激励，以保持稳定的振动.
当有垂直于蜂窝状振子单元21表面的Z轴方向的角速度输入时，在哥氏力的作用下，蜂窝状振子单元21将沿Y轴方向运动，此时检测电极243附近的电容大小发生变化，通过检测电极243将蜂窝状振子单元21的振动信号提取出来，所提取信号通过正交控制和速率控制单元(通过对相应的电极施加直流电压来改变谐振子在某个方向上的刚度系数从而消除两个振型之间的频率裂解和在外界有角速度输入时将敏感抑制到零，使振型能够克服惯性而与壳体保持一种非进动状态的单元)反馈到校正电极244对蜂窝状振子单元21进行激励，抑制了频率裂解，同时通过施加平衡力，使蜂窝状振子单元21保持一种非进动状态，通过抵消哥氏效应使蜂窝状振子单元21保持在驱动模态振动的位置，进而求得沿Z轴方向的角速度。
上述蜂窝式MEMS谐振硅微陀螺仪的加工方法，包括以下步骤：
(1)清洗硼硅酸盐玻璃并烘干，在硼硅酸盐玻璃上涂光刻胶，利用第一块掩膜板形成图形并刻蚀得到所要设置电极和信号引线的图案，至此完成玻璃基底1的加工；
(2)在硼硅酸盐玻璃基底1上，溅射金属Al形成电极和信号引线，最终形成金属Al电极；
(3)在硼硅酸盐玻璃基底1上沉积多晶硅，通过光刻掩膜板，曝光光刻胶形成图形并刻蚀多晶硅层，形成中心支撑柱22；
(4)对结构层单晶硅原材料进行清洗，将单晶硅与制作好键合锚点、电极和信号引线的硼硅酸盐玻璃基底1采用阳极键合技术进行键合；
(5)对单晶硅的正面涂胶，利用第二块掩膜板光刻，曝光光刻胶形成图形并利用ICP工艺刻蚀出蜂窝状振子，去除光刻胶，释放结构。
Claims (6)
1.一种蜂窝式MEMS谐振硅微陀螺仪，其特征在于：包括刻有信号引线的玻璃基底和安装于玻璃基底上的主单元，所述主单元包括蜂窝状振子单元、中心支撑柱、中心电极以及离散电极组件；
所述蜂窝状振子单元安装于玻璃基底的中心位置，整体呈正六边形，整个正六边形内部均匀排列有呈正六边形的振子，其且每条上均呈线形状排列有三十个振子；
所述中心电极设置于玻璃基底的中心；所述中心支撑柱安装于蜂窝状振子单元的中心位置，且中心支撑柱向下伸出蜂窝状振子单元键合安装于中心电极；
所述离散电极组件键合安装于玻璃基底且与玻璃基底的信号引线相连接，且设置于蜂窝状振子单元四周，离散电极组件包括检测电极、校正电极、驱动电极以及驱动检测电极。
2.根据权利要求1所述的蜂窝式MEMS谐振硅微陀螺仪，其特征在于：所述玻璃基底呈正方形，正六边形蜂窝状振子单元中Y轴方向的上下两条边与玻璃基底Y轴方向的上下两条边平行；所述蜂窝状振子单元中Y轴方向两侧边的外侧均键合有一个检测电极和两个校正电极，蜂窝状振子单元其他四条侧边的外侧均键合有一个驱动电极和一个驱动检测电极。
3.根据权利要求2所述的蜂窝式MEMS谐振硅微陀螺仪，其特征在于：所述检测电极、校正电极、驱动电极和驱动检测电极均与蜂窝状振子单元的侧边平行并预留有4-5μm的间隙；所述两个校正电极同时对蜂窝状振子单元正交误差的瞬时改变进行补偿；
蜂窝状振子单元X轴正方向的驱动检测电极与位于蜂窝状振子单元X轴负方向的驱动检测电极相互差；
蜂窝状振子单元Y轴正方向的检测电极与蜂窝状振子单元Y轴负方向的检测电极相互差分。
4.根据权利要求2所述的蜂窝式MEMS谐振硅微陀螺仪，其特征在于：所述玻璃基底上设有与检测电极、校正电极、驱动电极和驱动检测电极相对应的电极键合锚点。
5.根据权利要求1所述的蜂窝式MEMS谐振硅微陀螺仪，其特征在于：所述主单元由单晶硅制成，玻璃基底由硼硅酸盐玻璃制成。
6.一种根据权利要求1至5任意一项所述的蜂窝式MEMS谐振硅微陀螺仪的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)清洗硼硅酸盐玻璃并烘干，在硼硅酸盐玻璃上涂光刻胶，利用第一块掩膜板形成图形并刻蚀得到所要设置电极和信号引线的图案，至此完成玻璃基底的加工；
(2)在硼硅酸盐玻璃基底上，溅射金属Al形成电极和信号引线；最终形成金属Al电极；
(3)在硼硅酸盐玻璃基底上沉积多晶硅，通过光刻掩膜板，曝光光刻胶形成图形并刻蚀多晶硅层，形成中心支撑柱；
(4)对结构层单晶硅原材料进行清洗，将单晶硅与制作好键合锚点、电极和信号引线的硼硅酸盐玻璃基底采用阳极键合技术进行键合；
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