CN104897146A - 面外压电式半球形微陀螺仪及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面外压电式半球形微陀螺仪及其制备方法，包括：单晶硅基底、微型半球形谐振子、中心固定支撑柱、公共电极、均匀分布薄膜式压电体、均匀分布信号电极，本发明采用半球形结构作为谐振子，具有更大的有效振动位移，可增强柯氏效应的检测效果；采用的公共电极、薄膜式压电体以及信号电极均通过MEMS平面工艺制作而成，具有更高的制作精度，可提高微陀螺仪的结构对称度；采用面外驱动和检测方法，可实现面外力与面内位移之间的相互转换，便于检测垂直于基底方向的科氏效应；采用压电式驱动和检测方法，无需制作静电式所需的微小电容间隙，同时可避免寄生电容、静电吸附等问题；工艺简单，一体化程度高，可实现批量化生产。

Description

面外压电式半球形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，涉及面外压电式半球形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，美国乔治亚理工学院L.D.Sorenson.等人在其论文“3-D MICROMACHINED HEMISPHERICAL SHELL RESONATORS WITH INTEGRATED CAPACITIVETRANSDUCERS”中介绍了一种面内静电式半球谐振微陀螺仪，该陀螺仪通过掺杂技术在微谐振子周围制作了微电极，通过沉积的方式在半球形凹槽中制作了多晶硅微谐振子，通过背部刻蚀沉积的手段在微谐振子下端制作了支撑柱。然而，掺杂技术的制作精度有限，难以实现高度对称电极的加工；四周分布的电容式微电极相距较近，相邻电极之间存在一定的寄生电容，干扰微陀螺的控制和检测，限制了其最终精度；沉积方式制作的微谐振子厚度有限，一般仅在微米级别，可控性较差；陀螺仪的制作需要多次光刻掩膜，工艺复杂，不利于高精度的实现。

基于此，迫切需要提出一种新的陀螺仪结构，进一步提高陀螺仪高度对称微电极的加工精度；解决相邻电容式微电极之间的相互串扰问题和微小电容极板之间的静电吸附问题；选择更加灵活的微谐振子制作方法，提高微陀螺仪的成型多样性；减少微陀螺仪的工艺复杂性，最终实现微陀螺仪的高精度控制和检测。

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面外压电式半球形微陀螺仪及其制备方法，实现：(1)提高陀螺仪高度对称微电极的加工精度；(2)解决相邻电容式微电极之间的相互串扰问题和微小电容极板之间的静电吸附问题；(3)选择更加灵活的微谐振子制作方法，提高微陀螺仪的成型多样性；(4)减少微陀螺仪的工艺复杂性，最终实现微陀螺仪的高精度控制和检测。

根据本发明的一个方面，提供面外压电式半球形微陀螺仪，包括：设有半球形凹槽的单晶硅基底、微型半球形谐振子、圆柱形支撑柱、多个均匀分布薄膜式压电体、多个均匀分布信号电极；其中：所述圆柱形支撑柱的上端与所述微型半球形谐振子相连，下端与所述单晶硅基底相连；所述圆柱形支撑柱和所述微型半球形谐振子位于所述单晶硅基底的半球形凹槽内；多个所述薄膜式压电体均匀分布于所述微型半球形谐振子上表面；多个所述信号电极设置于所述薄膜式压电体上表面，两者的形状、大小相同；所述单晶硅基底、所述圆柱形支撑柱、所述微型半球形谐振子的中心对称轴相同。

优选的，所述单晶硅基底的中心设有一半球形凹槽,为制作所述微型半球形谐振子提供半球形模具，同时保护所述微型半球形谐振子不被破坏。

优选的，所述圆柱形支撑柱的材料为玻璃或陶瓷，位于所述单晶硅基底半球形凹槽内的底部，为所述微型半球形谐振子提供支撑。

优选的，所述微型半球形谐振子为实心半球体，材料与所述圆柱形支撑柱的材料相同，位于所述单晶硅基底附属的半球形凹槽内，是所述面外压电式半球形微陀螺仪的主要振动结构，用于敏感外界角速度。

优选的，所述陀螺仪进一步设有公共电极，所述公共电极的上端与所述薄膜式压电体相连，下端与所述微型半球形谐振子相连；多个所述薄膜式压电体均匀分布于所述公共电极上表面；所述单晶硅基底、所述圆柱形支撑柱、所述微型半球形谐振子以及所述公共电极的中心对称轴相同。

优选的，所述公共电极呈圆形，铺满所述微型半球形谐振子的上表面，为所述薄膜式压电体提供零电势，并统一不同薄膜式压电体之间的零电势大小。

优选的，所述薄膜式压电体呈扇形，均匀对称地分布于所述公共电极的上表面，将电信号和力信号相互转换，用于所述微型半球形谐振子的驱动或检测。

优选的，所述信号电极的形状和大小均与所述薄膜式压电体相同，位于所述薄膜式压电体的上表面，用于在所述薄膜式压电体上施加电信号，或从所述薄膜式压电体上提取电信号。

根据本发明的另一个方面，提供面外压电式半球形微陀螺仪的制备方法，包括如下步骤：

第一步、清洗所述单晶硅基底，生长氮化硅层，通过涂胶、光刻、显影、RIE刻蚀、去胶等步骤在氮化硅层上开圆形口，通过HNA刻蚀、热磷酸腐蚀等步骤在所述单晶硅基底上制备半球形凹槽；

第二步、在第一步的基础上热氧化生长二氧化硅层，通过涂胶、光刻、显影、刻蚀、去胶等步骤在二氧化硅层底部开圆形口，形成带缺口的牺牲层，为制作所述圆柱形支撑柱和所述微型半球形谐振子提供基础；

第三步、在第二步的基础上熔融玻璃或烧结陶瓷，将半球形凹槽以外的部分通过磨削或减薄等技术去除，制备所述圆柱形支撑柱和所述微型半球形谐振子；

第四步、在第三步的基础上溅射铝薄膜或钼薄膜，通过涂胶、光刻、显影、刻蚀、去胶等步骤去除二氧化硅牺牲层上表面的铝薄膜或钼薄膜，制备所述圆形公共电极；

第五步、在第四步的基础上溅射氮化铝薄膜或PZT薄膜，然后溅射铝薄膜或钼薄膜，通过涂胶、光刻、显影、刻蚀、去胶等步骤得到均匀分布的扇形压电体和扇形信号电极；

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，从所述单晶硅基底上释放所述微型半球形谐振子，形成所述面外压电式半球形微陀螺仪。

优选的，所述微型半球形谐振子和所述圆柱形支撑柱的材料为金属玻璃或金属，微型半球形谐振子同时作为微型半球形谐振子和公共电极，无需额外制作公共电极，此时所述薄膜式压电体均匀分布于所述微型半球形谐振子的上表面，所述制备方法中的第五步在第三步的基础上溅射氮化铝薄膜或PZT薄膜，省略第四步。

优选的，所述微型半球形谐振子为空心半球壳，在相同驱动电压的条件下提高所述微型半球形谐振子的振动位移，提高检测灵敏度，此时所述制备方法的第三步需在磨削或减薄的基础上通过数控车床制作半球形凹槽，形成空心半球壳。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)所述微陀螺仪采用半球形结构作为谐振子，具有更大的有效振动位移，可增强柯氏效应的检测效果；

(2)所述微陀螺仪采用的公共电极、薄膜式压电体以及信号电极均通过MEMS平面工艺制作而成，具有更高的制作精度，可提高微陀螺仪的结构对称度；

(3)所述微陀螺仪采用面外驱动和检测方法，可实现面外力与面内位移之间的相互转换，便于检测垂直于基底方向的科氏效应；

(4)所述微陀螺仪采用压电式驱动和检测方法，无需制作静电式所需的微小电容间隙，同时可避免寄生电容、静电吸附等问题；

(5)所述微陀螺仪工艺简单，一体化程度高，可实现批量化生产，具有潜在的应用价值。

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)为本发明实施例2的工艺流程图；

图2为本发明实施例1的三维结构图；

图3为本发明实施例3的三维结构图；

图4为本发明实施例4的三维结构图；

图5(a)-图5(b)为本发明实施例1在工作模态下的振动图；

图中：1为单晶硅基底，2为微型半球形谐振子，3为圆柱形支撑柱，4为公共电极，5为均匀分布薄膜式压电体，6为均匀分布信号电极。

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1

如图2所示，本实施例提供面外压电式半球形微陀螺仪，包括：

一个半球形凹槽的单晶硅基底1；

一个微型半球形谐振子2；

一个圆柱形支撑柱3；

一个公共电极4；

八个均匀分布薄膜式压电体5；

八个均匀分布信号电极6；

其中：设有半球形凹槽的表面为所述单晶硅基底1的上表面，相反面为下表面；所述圆柱形支撑柱3的上端与所述微型半球形谐振子2相连，下端与所述单晶硅基底1相连；所述圆柱形支撑柱3和所述微型半球形谐振子2位于所述单晶硅基底1附属的半球形凹槽内；所述公共电极4的上端与所述薄膜式压电体5相连，下端与所述微型半球形谐振子2相连；所述薄膜式压电体5均匀分布于所述公共电极4上表面；所述信号电极6设置于所述薄膜式压电体5上表面，两者的形状、大小相同；所述单晶硅基底1、所述圆柱形支撑柱3、所述微型半球形谐振子2以及所述公共电极4的中心对称轴相同。

本实施例中，所述单晶硅基底1的中心附属一半球形凹槽，为制作所述微型半球形谐振子2提供半球形模具，同时保护所述微型半球形谐振子2不被破坏。

本实施例中，所述圆柱形支撑柱3的材料为玻璃或陶瓷，位于所述单晶硅基底1附属的半球形凹槽底部，为所述微型半球形谐振子2提供支撑。

本实施例中，所述微型半球形谐振子2为实心半球体，材料与所述圆柱形支撑柱3的材料相同，位于所述单晶硅基底1附属的半球形凹槽内，是所述面外压电式半球形微陀螺仪的主要振动结构，用于敏感外界角速度。

本实施例中，所述公共电极4呈圆形，用铝薄膜或钼薄膜制备而成，铺满所述微型半球形谐振子2的上表面，为所述薄膜式压电体5提供零电势，并统一不同薄膜式压电体之间的零电势大小。

本实施例中，所述薄膜式压电体5呈扇形，用氮化铝或PZT制备而成，均匀对称地分布于所述公共电极4的上表面，将电信号和力信号相互转换，用于所述微型半球形谐振子2的驱动或检测。

本实施例中，所述信号电极6的形状和大小均与所述薄膜式压电体5相同，位于所述薄膜式压电体5的上表面，通过溅射铝薄膜或钼薄膜制备而成，用于在所述薄膜式压电体5上施加电信号，或从所述薄膜式压电体5上提取电信号。

如图5(a)和图5(b)所示，通过有限元分析方法得到本实施例提供的面外压电式半球形微陀螺仪的驱动模态和检测模态的振动图，当面外压电式半球形微陀螺仪工作在图5(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5(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均有较大的面外振动位移，驱动模态将面外驱动力转化成面外振动位移，检测模态将面外振动位移转化成面外检测力。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。

本实施例中，所述信号电极6可用于所述微型半球形谐振子2的驱动和检测，用于驱动的信号电极称为驱动电极，用于检测的信号电极称为检测电极。所述微陀螺仪可工作在角速率模式下，在所述公共电极上施加零电势信号，在所述驱动电极上施加交流驱动信号，交流驱动信号通过所述薄膜式压电体5转化为面外驱动力，从而使所述微型半球形谐振子2工作在如图5(a)所示的驱动模态下，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，检测模态的面外振动位移将发生变化，该振动位移的大小与外加角速度的大小成正比，所述薄膜式压电体5将该面外振动位移转化为检测电极上的检测信号。通过采集该检测信号可以计算检测模态面外振动位移的大小，进而计算外加角速度的大小。

以上为本发明一优选实施例，在另一实施例中，也可以省略公共电极，此时多个所述薄膜式压电体均匀分布于所述微型半球形谐振子上表面；

同样的，在其他实施例中，电极的数目等也可以根据需要进行调整，并不局限于本实施例中所限定的具体数目。

实施例2

如图1(a)-图1(f)所示，本实施例提供面外压电式半球形微陀螺仪的制备方法，包括如下步骤：

第一步、如图1(a)所示，清洗所述单晶硅基底1，生长氮化硅层，通过涂胶、光刻、显影、RIE刻蚀、去胶等步骤在氮化硅层上开圆形口，通过HNA刻蚀、热磷酸腐蚀等步骤在所述单晶硅基底1上制备半径为350-650μm的半球形凹槽；

第二步、如图1(b)所示，在第一步的基础上热氧化生长厚度为1-10μm的二氧化硅层，通过涂胶、光刻、显影、刻蚀、去胶等步骤在二氧化硅层底部制作半径为20-50μm的圆形开口，形成带缺口的牺牲层，为制作所述圆柱形支撑柱3和所述微型半球形谐振子2提供基础；

第三步、如图1(c)所示，在第二步的基础上熔融玻璃或烧结陶瓷，将半球形凹槽以外的部分通过磨削或减薄等技术去除，制备所述圆柱形支撑柱3和所述微型半球形谐振子2；

第四步、如图1(d)所示，在第三步的基础上溅射铝薄膜或钼薄膜，通过涂胶、光刻、显影、刻蚀、去胶等步骤去除二氧化硅牺牲层上表面的铝薄膜或钼薄膜，制备所述厚度为0.5-5μm的圆形公共电极4；

第五步、如图1(e)所示，在第四步的基础上溅射氮化铝薄膜或PZT薄膜，然后溅射铝薄膜或钼薄膜，通过涂胶、光刻、显影、刻蚀、去胶等步骤得到厚度为1-10mm，张角为35度的均匀分布式扇形压电体5以及厚度为0.5-5μm，张角为35度的均匀分布式扇形信号电极6；

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，从所述单晶硅基底1上释放所述微型半球形谐振子2，形成所述面外压电式半球形微陀螺仪。

本实施例所述的微陀螺仪采用面外压电驱动的方式激励微型半球谐振子2进行工作，其驱动模态和检测模态相互匹配。

实施例3

与实施例1和实施例2基本相同，所不同的是：

如图3所示，本实施例中，所述微型半球形谐振子2和所述圆柱形支撑柱3的材料为金属玻璃或金属，微型半球形谐振子2可同时作为微型半球形谐振子2和公共电极4，无需额外制作公共电极4，此时所述薄膜式压电体5均匀分布于所述微型半球形谐振子2的上表面。

该结构的陀螺仪制备方法，在实施例2的制备方法步骤中省略第四步，即第五步在第三步的基础上溅射氮化铝薄膜或PZT薄膜。

实施例4

与实施例1和实施例2基本相同，所不同的是：

如图4所示，本实施例中，所述微型半球形谐振子2为空心半球壳，在相同驱动电压的条件下可提高所述微型半球形谐振子2的振动位移，提高检测灵敏度。

该结构的陀螺仪述制备方法，在实施例2的制备方法第三步中需在磨削或减薄的基础上通过数控车床制作半球形凹槽，形成空心半球壳。

本发明采用半球形结构作为谐振子，具有更大的有效振动位移，可增强柯氏效应的检测效果；本发明采用的公共电极、薄膜式压电体以及信号电极均通过MEMS平面工艺制作而成，具有更高的制作精度，可提高微陀螺仪的结构对称度；本发明采用面外驱动和检测方法，可实现面外力与面内位移之间的相互转换，便于检测垂直于基底方向的科氏效应；本发明采用压电式驱动和检测方法，无需制作静电式所需的微小电容间隙，同时可避免寄生电容、静电吸附等问题；本发明工艺简单，一体化程度高，可实现批量化生产，具有潜在的应用价值。

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 (16)

1.一种面外压电式半球形微陀螺仪，其特征在于，包括：设有半球形凹槽的单晶硅基底、微型半球形谐振子、圆柱形支撑柱、多个均匀分布薄膜式压电体、多个均匀分布信号电极；其中：所述圆柱形支撑柱的上端与所述微型半球形谐振子相连，下端与所述单晶硅基底相连；所述圆柱形支撑柱和所述微型半球形谐振子位于所述单晶硅基底的半球形凹槽内；多个所述薄膜式压电体均匀分布于所述微型半球形谐振子上表面；多个所述信号电极设置于所述薄膜式压电体上表面，两者的形状、大小相同；所述单晶硅基底、所述圆柱形支撑柱、所述微型半球形谐振子的中心对称轴相同。

2.根据权利要求1所述的面外压电式半球形微陀螺仪，其特征在于，所述单晶硅基底的中心设有一半球形凹槽。

3.根据权利要求1所述的面外压电式半球形微陀螺仪，其特征在于，所述圆柱形支撑柱的材料为玻璃或陶瓷，位于所述单晶硅基底半球形凹槽内的底部，为所述微型半球形谐振子提供支撑。

4.根据权利要求1所述的面外压电式半球形微陀螺仪，其特征在于，所述微型半球形谐振子为实心半球体，材料与所述圆柱形支撑柱的材料相同，位于所述单晶硅基底附属的半球形凹槽内，是所述面外压电式半球形微陀螺仪的主要振动结构，用于敏感外界角速度。

5.根据权利要求1所述的面外压电式半球形微陀螺仪，其特征在于，所述信号电极的形状和大小均与所述薄膜式压电体相同，位于所述薄膜式压电体的上表面，用于在所述薄膜式压电体上施加电信号，或从所述薄膜式压电体上提取电信号。

6.根据权利要求1-5任一项所述的面外压电式半球形微陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪进一步设有公共电极，所述公共电极的上端与所述薄膜式压电体相连，下端与所述微型半球形谐振子相连；多个所述薄膜式压电体均匀分布于所述公共电极上表面；所述单晶硅基底、所述圆柱形支撑柱、所述微型半球形谐振子以及所述公共电极的中心对称轴相同。

7.根据权利要求6所述的面外压电式半球形微陀螺仪，其特征在于，所述公共电极呈圆形，铺满所述微型半球形谐振子的上表面，为所述薄膜式压电体提供零电势，并统一不同薄膜式压电体之间的零电势大小。

8.根据权利要求6所述的面外压电式半球形微陀螺仪，其特征在于，所述薄膜式压电体呈扇形，均匀对称地分布于所述公共电极的上表面，将电信号和力信号相互转换，用于所述微型半球形谐振子的驱动或检测。

9.根据权利要求6所述的面外压电式半球形微陀螺仪，其特征在于，所述信号电极用于所述微型半球形谐振子的驱动和检测，用于驱动的信号电极称为驱动电极，用于检测的信号电极称为检测电极；

所述微陀螺仪工作在角速率模式下，在所述公共电极上施加零电势信号，在所述驱动电极上施加交流驱动信号，交流驱动信号通过所述薄膜式压电体转化为面外驱动力，从而使所述微型半球形谐振子工作在驱动模态下，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，检测模态的面外振动位移将发生变化，该振动位移的大小与外加角速度的大小成正比，所述薄膜式压电体将该面外振动位移转化为检测电极上的检测信号；通过采集该检测信号计算检测模态面外振动位移的大小，进而计算外加角速度的大小。

10.如权利要求1-9任一项所述的面外压电式半球形微陀螺仪的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

第一步、清洗所述单晶硅基底，生长氮化硅层，通过涂胶、光刻、显影、RIE刻蚀、去胶在氮化硅层上开圆形口，通过HNA刻蚀、热磷酸腐蚀在所述单晶硅基底上制备半球形凹槽；

第二步、在第一步的基础上热氧化生长二氧化硅层，通过涂胶、光刻、显影、刻蚀、去胶在二氧化硅层底部开圆形口，形成带缺口的牺牲层，为制作所述圆柱形支撑柱和所述微型半球形谐振子提供基础；

第三步、在第二步的基础上熔融玻璃或烧结陶瓷，将半球形凹槽以外的部分通过磨削或减薄技术去除，制备所述圆柱形支撑柱和所述微型半球形谐振子；

第四步、在第三步的基础上溅射铝薄膜或钼薄膜，通过涂胶、光刻、显影、刻蚀、去胶去除二氧化硅牺牲层上表面的铝薄膜或钼薄膜，制备所述圆形公共电极；

第五步、在第四步的基础上溅射氮化铝薄膜或PZT薄膜，然后溅射铝薄膜或钼薄膜，通过涂胶、光刻、显影、刻蚀、去胶得到均匀分布的扇形压电体和扇形信号电极；

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，从所述单晶硅基底上释放所述微型半球形谐振子，形成所述面外压电式半球形微陀螺仪。

11.根据权利要求9所述的面外压电式半球形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半径为350-650μm的半球形凹槽。

12.根据权利要求10所述的面外压电式半球形微陀螺仪的制备方法，其特征在于，第二步中，在所述单晶硅基底上沉积厚度为1-10μm二氧化硅牺牲层，所述圆形开口的半径为20-50μm。

13.根据权利要求10所述的面外压电式半球形微陀螺仪的制备方法，其特征在于，第四步中，所述公共电极的厚度为0.5-5μm。

14.根据权利要求10所述的面外压电式半球形微陀螺仪的制备方法，其特征在于，第五步中，所述薄膜式压电体的厚度为1-10mm，扇形张角35度，所述信号电极的厚度为0.5-5μm，扇形张角35度。

15.根据权利要求10-14任一项所述的面外压电式半球形微陀螺仪的制备方法，其特征在于，所述微型半球形谐振子和所述圆柱形支撑柱的材料为金属玻璃或金属，微型半球形谐振子同时作为微型半球形谐振子和公共电极，无需额外制作公共电极，此时所述薄膜式压电体均匀分布于所述微型半球形谐振子的上表面，所述制备方法中的第五步在第三步的基础上溅射氮化铝薄膜或PZT薄膜，省略第四步。

16.根据权利要求10-14任一项所述的面外压电式半球形微陀螺仪的制备方法，其特征在于，所述微型半球形谐振子为空心半球壳，在相同驱动电压的条件下提高所述微型半球形谐振子的振动位移，提高检测灵敏度，此时所述制备方法的第三步需在磨削或减薄的基础上通过数控车床制作半球形凹槽，形成空心半球壳。