CN105486298A - Mems金刚石多环陀螺仪及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MEMS金刚石多环陀螺仪及其加工方法，该金刚石多环陀螺仪包含金刚石多环谐振子，其包含从内向外依次分布且同心的若干层金刚石圆环；金刚石侧向电极，其分布在金刚石多环谐振子的外侧；支撑结构，其包含：中心支撑柱，中心支撑柱位于金刚石多环谐振子的圆心位置处，且与基底固定；若干根弹簧支撑梁，其连接在最内侧的金刚石圆环和中心支撑柱之间，使得金刚石多环谐振子悬空。本发明具有体积小、质量轻、功耗低、品质因数高、稳定性好、可批量化生产等优势，同时可以免疫外部环境振动对器件性能的影响。

Description

MEMS金刚石多环陀螺仪及其加工方法

技术领域

本发明涉及MEMS惯性传感器，具体地，为一种基于轴对称结构谐振原理的MEMS金刚石多环陀螺仪。

背景技术

现有的MEMS陀螺仪，主要采用石英音叉式结构，其对称性较差，品质因数低，且存在输入输出轴之间的交叉耦合现象，精度很难提高。并且石英材料加工困难，批量化生产存在一定的难度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明由解决的主要问题是提供一种高对称性、高品质因数、高精度、易于批量化生产的MEMS陀螺仪。该陀螺仪基于轴对称结构谐振原理，提高了器件的轴对称性，减小了频率分裂；同时采用高品质因数的金刚石材料作为谐振子材料，提高了器件的品质因数，从而提高了器件的精度；在加工工艺上，设计了一种的MEMS加工工艺路线，实现了批量化生产。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种MEMS金刚石多环陀螺仪，其特点是，包含：

金刚石多环谐振子，其包含从内向外依次分布且同心的若干层金刚石圆环；

金刚石侧向电极，其分布在金刚石多环谐振子的外侧；

支撑结构，其包含：中心支撑柱，所述的中心支撑柱位于金刚石多环谐振子的圆心位置处，且与基底固定；若干根弹簧支撑梁，其连接在最内侧的金刚石圆环和中心支撑柱之间，使得所述的金刚石多环谐振子悬空。

所述的金刚石多环谐振子还包含若干组连接梁，每组所述的连接梁均匀设置在相邻两层金刚石圆环之间。

所述的金刚石侧向电极包含若干个以圆周方式均匀分布在金刚石多环谐振子外侧的驱动检测电极，及对应设置在每两个驱动检测电极之间的隔离电极。

相邻两层金刚石圆环之间通过n个均匀分布的支撑梁连接，每相邻的支撑梁之间的夹角为360°/n，相邻两个同心圆的支撑梁之间的最小夹角为360°/2n。

每根所述的弹簧支撑梁由两个半圆弧结构组成且呈“S”型，且所述弹簧支撑梁的位置角度与连接靠近最外面一层的金刚石圆环和最外面一层金刚石圆环的支撑梁位置角度一致。

一种MEMS金刚石多环陀螺仪的加工方法，其特点是，该方法包含：

S1，SOI硅片上表面图形化，利用深硅刻蚀，形成多环谐振子、侧向电极、支撑结构的结构槽；

S2，离子束刻蚀氧化硅，去除在中心支撑柱位置的氧化层；

S3，沉积掺杂金刚石，填充结构槽，形成金刚石多环谐振子、金刚石侧向电极、支撑结构；

S4，湿法刻蚀去除硅片上表面硅；

S5，湿法刻蚀去除氧化层，释放金刚石结构。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明提高了器件的轴对称性，减小了频率分裂；同时采用高品质因数的金刚石材料作为谐振子材料，提高了器件的品质因数，从而提高了器件的精度；在加工工艺上，设计了一种的MEMS加工工艺路线，实现了批量化生产。

附图说明

图1为本发明一种MEMS金刚石多环陀螺仪的结构示意图；

图2A~2E为本发明一种MEMS金刚石多环陀螺仪的加工工艺图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种MEMS金刚石多环陀螺仪，包含：金刚石多环谐振子，其包含从内向外依次分布且同心的若干层金刚石圆环；金刚石侧向电极，其分布在金刚石多环谐振子的外侧，并与金刚石多环谐振子之间保留10m左右的电容间隙；支撑结构，其包含：中心支撑柱，所述的中心支撑柱位于金刚石多环谐振子的圆心位置处，且与基底固定；若干根弹簧支撑梁9，其连接在最内侧的金刚石圆环和中心支撑柱10之间，使得金刚石多环谐振子悬空。

上述的金刚石多环谐振子还包含若干组连接梁，每组所述的连接梁均匀设置在相邻两层金刚石圆环之间。相邻两层金刚石圆环之间通过n个均匀分布的支撑梁连接，每相邻的支撑梁之间的夹角为360°/n，相邻两个同心圆的支撑梁之间的最小夹角为360°/2n，本实施例中，金刚石多环谐振子由3个同心金刚石圆环构成，并通过中间2组各8个连接梁，连接在一起，即由内、中、外三层金刚石圆环构成，外层金刚石圆环6和中层金刚石圆环7通过1组8个均匀分布的支撑梁11连接，每个支撑梁位置相差45°，中层金刚石圆环7和内层金刚石圆环8同样通过1组8个支撑梁12连接，每个支撑梁位置相处45°，这两组支撑梁位置偏差22.5°。

上述的金刚石侧向电极包含若干个以圆周方式均匀分布在金刚石多环谐振子外侧的驱动检测电极，及对应设置在每两个驱动检测电极之间的隔离电极。本实施例中，金刚石侧向电极由16个扇形电极以圆周方式均匀分布在谐振子外侧，每个电极相差22.5°，分为1组4个X方向驱动检测电极、1组4个Y方向驱动检测电极、以及1组8个隔离电极。电极排列方式，顺时针如下：X轴驱动电极1（0°方向）、隔离电极5、Y轴驱动电极3（45°方向）、隔离电极5、X轴检测电极2（90°方向）、隔离电极5、Y轴检测电极4、隔离电极5、X轴驱动电极1、隔离电极5、Y轴驱动电极3、隔离电极5、X轴检测电极2、隔离电极5、Y轴检测电极4、隔离电极5。

使用X方向驱动检测电极（1、2）作为幅度回路的驱动检测电极，Y方向驱动检测电极（3、4）作为力反馈回路的驱动检测电极，隔离电极（5）与中心支撑柱（10）接地电极。在X方向驱动电极1施加正弦的幅度激励信号，圆环谐振子沿2阶4波幅椭圆形模态振动，此时在X方向检测电极2上观察幅度信号，使其稳定在固定值，达到稳幅作用。当有外界角速度输入时，在科氏力作用下，Y方向检测电极4偏离原先稳定值，通过在Y方向驱动电极3上施加力反馈信号，将电极4上的信号稳定在原先稳定值上，实现力反馈。此时电极3上的电压信号与外界输入的角速度成正比，通过解调该信号的幅值，可以得到输入角速度的大小。

每根所述的弹簧支撑梁9由两个半圆弧结构组成且呈“S”型，且所述弹簧支撑梁的位置角度与连接靠近最外面一层的金刚石圆环和最外面一层金刚石圆环的支撑梁位置角度一致。

如图2所示，一种MEMS金刚石多环陀螺仪的加工方法，包含：

S1，SOI硅片上表面图形化，利用深硅刻蚀，形成多环谐振子、侧向电极、支撑结构的结构槽；（参见图2A）

S2，离子束刻蚀氧化硅，去除在中心支撑柱位置的氧化层；（参见图2B）

S3，LF-CVD沉积掺杂金刚石，填充结构槽，形成金刚石多环谐振子、金刚石侧向电极、支撑结构；（参见图2C）

S4，湿法刻蚀去除硅片上表面硅；（参见图2D）

S5，湿法刻蚀去除氧化层，释放多晶硅结构；（参见图2E）。

综上所述，本发明一种MEMS金刚石多环陀螺仪及其加工方法，具有体积小、质量轻、功耗低、品质因数高、稳定性好、可批量化生产等优势，同时可以免疫外部环境振动对器件性能的影响。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种MEMS金刚石多环陀螺仪，其特征在于，包含：

金刚石多环谐振子，其包含从内向外依次分布且同心的若干层金刚石圆环；

金刚石侧向电极，其分布在金刚石多环谐振子的外侧；

支撑结构，其包含：中心支撑柱，所述的中心支撑柱位于金刚石多环谐振子的圆心位置处，且与基底固定；若干根弹簧支撑梁，其连接在最内侧的金刚石圆环和中心支撑柱之间，使得所述的金刚石多环谐振子悬空。

2.如权利要求1所述的MEMS金刚石多环陀螺仪，其特征在于，所述的金刚石多环谐振子还包含若干组连接梁，每组所述的连接梁均匀设置在相邻两层金刚石圆环之间。

3.如权利要求1所述的MEMS金刚石多环陀螺仪，其特征在于，所述的金刚石侧向电极包含若干个以圆周方式均匀分布在金刚石多环谐振子外侧的驱动检测电极，及对应设置在每两个驱动检测电极之间的隔离电极。

4.如权利要求2所述的MEMS金刚石多环陀螺仪，其特征在于，相邻两层金刚石圆环之间通过一组n个均匀分布的支撑梁连接，每相邻的支撑梁之间的夹角为360°/n，相邻两组支撑梁之间的夹角为360°/2n。

5.如权利要求1所述的MEMS金刚石多环陀螺仪，其特征在于，每根所述的弹簧支撑梁由两个半圆弧结构组成且呈“S”型，且所述弹簧支撑梁的位置角度与连接靠近最外面一层的金刚石圆环和最外面一层金刚石圆环的支撑梁位置角度一致。

6.一种MEMS金刚石多环陀螺仪的加工方法，其特征在于，该方法包含：

S1，SOI硅片上表面图形化，利用深硅刻蚀，形成多环谐振子、侧向电极、支撑结构的结构槽；

S2，离子束刻蚀氧化硅，去除在中心支撑柱位置的氧化层；

S3，沉积掺杂金刚石，填充结构槽，形成金刚石多环谐振子、金刚石侧向电极、支撑结构；

S4，湿法刻蚀去除硅片上表面硅；

S5，湿法刻蚀去除氧化层，释放金刚石结构。