CN105466407B - 一种圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺及其制备方法 - Google Patents

一种圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺及其制备方法，包括一个基底，一个圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器和一组分布在圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器内侧边缘的电极；其中：圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器上的最外一圈圆环，以及圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器内侧边缘的电极分别与基底相连。本发明具有体积小、结构稳定、响应灵敏等优点，具有良好的对称性，因而可以达到较高的性能。

Description

一种圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种微机电技术领域的陀螺，具体地，涉及一种圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺及其制备方法。
背景技术
陀螺仪是一种能够敏感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。基于MEMS技术的微陀螺仪采用微纳批量制造技术加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而且环境适应性、工作寿命、可靠性、集成度与传统技术相比有极大的提高，因而MEMS级的微陀螺已经成为近些年来MEMS技术广泛研究和应用开发的一个重要方向。
随着MEMS陀螺在导航系统中的应用和发展，国外科学家1994年研制的半球谐振陀螺具有较高的性能。借助于这种半球谐振陀螺的研究，研究者们对具有高Q值和对称结构的MEMS谐振器的设计有了更好的理解。但是，由于早期的杆结构谐振器的杆部分需要组装在微机械机构上，从长远来看，更高的动态负载和在连接处的不精确连接会导致半球谐振陀螺产生更大偏移。于是，想到了设计一种具有良好对称性的、小而紧凑的、平面结构的MEMS陀螺，即圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺。
发明内容
本发明的目的是提供一种圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺及其制备方法，具有体积小、结构稳定，响应灵敏等优点，具有良好的对称性，因而可以达到较高的性能。
根据本发明的一个方面，提供一种圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺，包括：
一个基底；
一个圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器，包含最外一圈圆环、多个双梁孤立圆环、多个同心圆环和多个辐条，其中：最外一圈圆环与基底相连，多个同心圆环之间均通过多个辐条相连，多个双梁孤立圆环的两端均分别与最外一圈圆环内侧和多个同心圆环中的最大圆环外侧相连；
一组分布在圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器内侧边缘的电极，且每个电极分别与基底相连。
优选地，所述基底的中央为圆柱体镂空结构；
所述基底上设有凸出的部分，所述凸出的部分包括n个外围边缘离散的扇环部分和n个中央离散的扇环部分，n≥8且n为偶数，其中：n个外围边缘离散的扇环部分等间距分布且每个扇环部分的宽均相等；n个中央离散的扇环部分等间距分布且每个扇环部分的宽均相等；n个外围边缘离散的扇环部分的中心轴与n个中央离散的扇环部分的中心轴重合；n个外围边缘离散的扇环部分与n个中央离散的扇环部分高均相等；
基底上最外侧边缘是n个等间距分布的电极片，其中：n个电极片分别与n个中央离散的扇环部分的位置一一对应，n个电极片分别与n个中央离散的扇环部分用导线相连，且导线分别从n个外围边缘离散的扇环部分的间隙中穿过；n个电极片的宽度、厚度均相等；
基底上的中央圆柱上将引出一条引线，用于接地或接零电势。
更优选地，在n个所述外围边缘离散的扇环部分与n个中央离散的扇环部分上面分别设有一层导电薄膜，然后将所述基底与单晶硅片键合。
优选地，所述基底的材料为熔融石英或耐热玻璃或单晶硅。
优选地，所述圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器的中心是圆柱体镂空结构；
多个同心圆环的中心轴与最外一圈圆环的中心轴重合；多个同心圆环的宽度均相等，同心圆环之间的间隙宽度均相等；
分布于同心圆环间的每组辐条均匀间隔排列；每组辐条的个数为m个，m≥8且m为偶数，每组辐条的间隔角度为360°/m；每个辐条的宽度均相等；
为了提升圆盘多环谐振器的灵敏度，在最外围一圈圆环和同心圆环的最大圆环之间加入了多个双梁孤立圆环，所述双梁孤立圆环的个数为n个，n≥8且n为偶数，n个双梁孤立圆环等间距分布，且n个双梁孤立圆环的中心位于同一圆周上；n个双梁孤立圆环与最外一圈圆环位于同一水平面。
更优选地，每个所述双梁孤立圆环均呈中心对称，且均由两个柔性梁和一个圆环构成，其中：
两个柔性梁的尺寸相同，长度、宽度均相等；
圆环的外圆直径均相等，圆环的内圆直径均相等。
优选地，所述圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器的材料为单晶硅。
优选地，所述电极为n个扇环形状的电极，n≥8且n为偶数；n个电极的位置与n个双梁孤立圆环的位置一一对应，且每个电极的中心轴均与圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器的中心轴重合；n个电极与同心圆环中最小圆环之间的间隙距离均相等；
n个电极包含n/2个驱动电极和n/2个检测电极，n/2个驱动电极和n/2个检测电极沿圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器内侧边缘均匀间隔排布。
优选地，所述电极的材料为单晶硅。
根据本发明的另一个方面，提供一种圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)采用MEMS微细加工工艺，对基底进行刻蚀，形成凹槽和凸出部分，在凸出部分上镀一层导电薄膜；
(2)采用键合技术，将步骤(1)所得的基底与单晶硅片键合；
(3)采用深反应离子刻蚀(Deep Reactive Ion Etching)法，对单晶硅片进行刻蚀，得到圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器及其内侧边缘的电极，最终得到圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1.加工工艺步骤简洁，采用成熟的微机械加工工艺和刻蚀方法，利于批量生产；
2.圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺具有高度对称性，且结构相对稳定，抗冲击，具有优良的性能；
3.分布在圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器内侧边缘的电极相对于分布在圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器中同心圆环内部的电极而言，可以提高圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺的Q值，因而响应更加灵敏。
本发明具有体积小、结构稳定、响应灵敏等优点，具有良好的对称性，因而可以达到较高的性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例中所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1A为本发明一实施例中圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺的俯视图；
图1B为本发明一实施例中圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺的三维视图；
图1C为本发明一实施例中圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺的剖视图；
图2A为本发明一实施例中基底的俯视图；
图2B为本发明一实施例中基底的三维视图；
图2C为本发明一实施例中基底的剖视图；
图3A为本发明一实施例中圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器的俯视图；
图3B为本发明一实施例中圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器的三维视图；
图3C为本发明一实施例中圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器的主视图；
图4A为本发明一实施例中圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器与其内侧边缘电极相对位置的俯视图；
图4B为本发明一实施例中圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器与其内侧边缘电极相对位置的三维视图；
图4C为本发明一实施例中圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器与其内侧边缘电极相对位置的剖视图；
图5A为圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺工作时圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器所做四波腹振动的驱动振型图；
图5B为圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺工作时圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器所做四波腹振动的检测振型图；
图6A-6C为本发明一实施例中基底的制作工艺流程示意图；
图7A为本发明一实施例中基底与单晶硅片键合前的示意图；
图7B为本发明一实施例中基底与单晶硅片键合后的示意图；
图8为本发明一实施例中采用深反应离子刻蚀(Deep Reactive Ion Etching)法，对单晶硅片进行刻蚀，最终得到圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺；
图中：基底100，圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器102，电极104。
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1A、图1B、图1C所示，本实施例中提供一种圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺，包括：
一个基底100，基底100上具有8个凸出的外围边缘离散的扇环部分和8个凸出的中央离散的扇环部分以及最外围的8个电极片；
一个圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器102，包含最外一圈圆环，8个双梁孤立圆环，多个同心圆环和多组辐条，其中：最外一圈圆环与基底100相连，多个同心圆环之间均通过多个辐条相连，8个双梁孤立圆环的两端均分别与最外一圈圆环内侧和多个同心圆环中的最大圆环外侧相连；
一组分布在圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器102内侧边缘的电极104，且每个电极104分别与基底100相连。
以下对实施例中涉及的关于长度、宽度、高度等说明：
如图2A所示，所述基底100的中央是镂空结构，镂空部分呈底面直径为D1(D1的值为20μm～2mm)的圆柱体，8个外围边缘离散的扇环部分的宽度均为W2(W2的值为10μm～100μm)，8个中央离散的扇环部分的宽度均为W3(W3的值为10μm～50μm)，最外围8个电极片的宽度均为W4(W4的值为10μm～100μm)。
如图2C所示，所述基底100的凸出部分(即8个外围边缘离散的扇环部分和8个中央离散的扇环部分)的高度均为H1(H1的值为1μm～100μm)，并在凸出部位上沉积一层导电薄膜，导电薄膜的厚度分别为H2(H2的值为100nm～1μm)，最外围8个电极片的厚度均为H3(H3的值为100nm～1μm)。
如图3A所示，所述圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器102的中央是镂空结构，镂空部分呈底面直径为D2(D2的值为20μm～2mm)的圆柱体，每条同心圆环的宽度均为W5(W5的值为5μm～50μm)，同心圆环之间的间隙宽度均为W6(W6的值为5μm～50μm)，每个辐条的宽度均为W7(W7的值为5μm～50μm)，最外一圈圆环的宽度为W8(W8的值为20μm～200μm)；8个所述双梁孤立圆环均呈中心对称，且均由两个柔性梁和一个圆环构成，两个柔性梁的尺寸相同，长度均为W9(W9的值为10μm～100μm)、宽度均为W10(W10的值为5μm～50μm)，圆环的外圆直径均为D3(D3的值为10μm～100μm)、内圆直径均为D4(D4的值为10μm～100μm)。
如图4A所示，8个所述电极104宽度均为W1(W1的值为10μm～50μm)，每个电极104与同心圆环中最小圆环之间的间隙距离均为W11(W11的值为5μm～50μm)。
如图2A、图2B、图2C所示，本实施例中，所述基底100上8个外围边缘离散的扇环部分和8个中央离散的扇环部分的高度H1相同，在凸出部位上沉积的导电薄膜的厚度H2也相同，最外围电极片的厚度H3也相同，8个外围边缘离散的扇环部分等间距分布且每个扇环部分的宽W2相同，8个中央离散的扇环部分等间距分布且每个扇环部分的宽W3相同。
如图3A、图3B、图3C所示，本实施例中，所述圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器102的中央是镂空结构，镂空部分呈圆柱体结构，外围是多个同心圆环和8个双梁孤立圆环，最外围是一圈圆环，其宽度为W8；每条同心圆环的宽W5相同，环与环之间的间隙宽度W6相同，同心圆环间均有8个辐条均匀排列，每个辐条的宽度W7相同，每个双梁孤立圆环中两个柔性梁的长度W9相同、宽度W10相同，圆环的外圆直径D3相同、内圆直径D4相同。
如图4A、图4B、图4C所示，本实施例中，8个所述电极104沿圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器102内侧边缘均匀分布，且每个电极104的中心轴均与圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器102的中心轴重合，每个电极104的宽度W1相同，每个电极104与同心圆环中最小圆环之间的间隙距离W11也相同。
本实施例中，所述圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器102中：每条同心圆环的宽度W5、同心圆环之间的宽度W6、每个辐条的宽度W7、辐条间的角度差θ以及每个双梁孤立圆环中两个柔性梁的长度W9、宽度W10和圆环的外圆直径D3、内圆直径D4，在加工时可以适当调节以达到理想的模态匹配。
本实施例中，所述电极104包括八个扇环电极，分别为4个驱动电极和4个检测电极，其中：4个驱动电极和4个检测电极均匀间隔排布，相邻驱动电极的位置间隔90°，相邻检测电极的位置间隔90°，相邻驱动电极和检测电极的位置间隔45°。
如图5A、图5B所示，本实施例中，所述圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器102的平面四波腹振动模态作为参考振动，在该模态下所述圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器102径向振动。具体的工作原理为：
所述圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器102与所述基底100的外围边缘离散的扇环部分接地，保证同电势为0V；利用所述圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器102的平面四波腹振动模态作为参考振动，所述圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器102内侧边缘电极104中的驱动电极被施加交流电压时，由逆压电效应产生径向振动，从而带动所述圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器102振动；当有所述圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器102中心轴方向的角速度输入时，在科氏力的作用下，所述圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器102的振型向检测模态转变，带动所述圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器102内侧边缘电极104振动，由正压电效应在所述电极104中的检测电极上得到电信号，从而得到所述圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器102在检测模态下的振幅，由于检测模态谐振振幅与输入角速度的大小成正比，进而可以得到输入角速度的大小。图5A、5B的驱动模态和检测模态相差45°。
本实施例中，所述基底100的厚为300μm～800μm、直径为2mm～8mm；所述基底100的材料是熔融石英，石英材料具有耐高温、热膨胀系数小、耐腐蚀、谐振等特性，可以使陀螺仪成品能在恶劣环境下工作。
本实施例中，所述圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器102的厚为100μm～500μm、直径为2mm～8mm；所述电极104的厚为100μm～500μm；所述圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器102及其内侧边缘的电极104的材料均为单晶硅，单晶硅具有半导体性质，可以使陀螺仪达到较高的性能。
本实施例提供一种圆盘多环内双梁孤立圆环谐振陀螺的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用MEMS微细加工工艺，对熔融石英块进行湿法或干法刻蚀，得到所述基底100的凹槽和凸出的部分，然后在基底100上的凸出部分上沉积一层导电薄膜，最终得到所述基底100(如图6A、图6B、图6C所示)；
(2)采用键合技术，将上述基底100与单晶硅片键合(如图7A、图7B所示，其中：图7A为基底100与单晶硅片键合前的示意图，图7B为基底与单晶硅片键合后的示意图)；
(3)采用深反应离子刻蚀(Deep Reactive Ion Etching)法，对单晶硅片进行刻蚀，得到圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器102及其内侧边缘的电极104，最终得到圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺(如图8所示)。
本实施例中陀螺的优点：1、较小的尺寸；2、良好的性能；3、抗冲击能力好；4、工艺步骤简单，利于批量生产，从而降低了制造成本。
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)

1.一种圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺，包括：一个基底；其特征在于，还包括：
一个圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器，包含最外一圈圆环、多个双梁孤立圆环、多个同心圆环和多个辐条，其中：最外一圈圆环与基底相连，多个同心圆环之间均通过多个辐条相连，多个双梁孤立圆环的两端均分别与最外一圈圆环内侧和多个同心圆环中的最大圆环外侧相连；
一组分布在圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器内侧边缘的电极，且每个电极分别与基底相连。
2.根据权利要求1所述的一种圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺，其特征在于，所述基底的中央为圆柱体镂空结构；
所述基底上设有凸出的部分，所述凸出的部分包括n个外围边缘离散的扇环部分和n个中央离散的扇环部分，n≥8且n为偶数，其中：n个外围边缘离散的扇环部分等间距分布且每个扇环部分的宽均相等；n个中央离散的扇环部分等间距分布且每个扇环部分的宽均相等；n个外围边缘离散的扇环部分的中心轴与n个中央离散的扇环部分的中心轴重合；n个外围边缘离散的扇环部分与n个中央离散的扇环部分高均相等；
基底上最外侧边缘是n个等间距分布的电极片，其中：n个电极片分别与n个中央离散的扇环部分的位置一一对应，n个电极片分别与n个中央离散的扇环部分用导线相连，且导线分别从n个外围边缘离散的扇环部分的间隙中穿过；n个电极片的宽度、厚度均相等；
基底上的中央圆柱上将引出一条引线，用于接地或接零电势。
3.根据权利要求2所述的一种圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺，其特征在于，在n个所述外围边缘离散的扇环部分与n个中央离散的扇环部分上面分别设有一层导电薄膜，然后将所述基底与单晶硅片键合。
4.根据权利要求1所述的一种圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺，其特征在于，所述基底的材料为熔融石英或耐热玻璃或单晶硅。
5.根据权利要求1所述的一种圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺，其特征在于，所述圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器的中心是圆柱体镂空结构；
多个同心圆环的中心轴与最外一圈圆环的中心轴重合；多个同心圆环的宽度均相等，同心圆环之间的间隙宽度均相等；
分布于同心圆环间的每组辐条均匀间隔排列；每组辐条的个数为m个，m≥8且m为偶数，每组辐条的间隔角度为360°/m；每个辐条的宽度均相等；
双梁孤立圆环的个数为n个，n≥8且n为偶数，n个双梁孤立圆环等间距分布，且n个双梁孤立圆环的中心位于同一圆周上；n个双梁孤立圆环与最外一圈圆环位于同一水平面。
6.根据权利要求5所述的一种圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺，其特征在于，每个所述双梁孤立圆环均呈中心对称，且均由两个柔性梁和一个圆环构成，其中：
两个柔性梁的尺寸相同，长度、宽度均相等；
圆环的外圆直径均相等，圆环的内圆直径均相等。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺，其特征在于，所述圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器的材料为单晶硅。
8.根据权利要求1-6任一项所述的一种圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺，其特征在于，所述电极为n个扇环形状的电极，n≥8且n为偶数；n个电极的位置与n个双梁孤立圆环的位置一一对应，且每个电极的中心轴均与圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器的中心轴重合；n个电极与同心圆环中最小圆环之间的间隙距离均相等；
n个电极包含n/2个驱动电极和n/2个检测电极，n/2个驱动电极和n/2个检测电极沿圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器内侧边缘均匀间隔排布。
9.根据权利要求8所述的一种圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺，其特征在于，所述电极的材料为单晶硅。
10.一种权利要求1-9任一项所述的圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)采用MEMS微细加工工艺，对基底进行刻蚀，形成凹槽和凸出部分，在凸出部分上镀一层导电薄膜；
(2)采用键合技术，将步骤(1)所得的基底与单晶硅片键合；
(3)采用深反应离子刻蚀法，对单晶硅片进行刻蚀，得到圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器及其内侧边缘的电极，最终得到圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺。
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