CN106323262B - 内分立外环形的双电极分布式微陀螺仪及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种内分立外环形的双电极分布式微陀螺仪及其制备方法，其中：中心固定支撑柱一端与单晶硅基底连接，另一端与微型谐振子连接；外电极设置于单晶硅基底或玻璃基底的表面；内电极设置于单晶硅基底或玻璃基底的表面；单晶硅基底与玻璃基底键合；本发明结合MEMS体硅加工和表面硅加工工艺进行制作；本发明可提供不同的驱动、检测方式及不同的工作模式，可工作在需要复杂控制的系统中；可利用内电极和环形一体式外电极分别进行驱动和检测，减小驱动电极和检测电极之间的寄生电容，提高检测精度。

Description

内分立外环形的双电极分布式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微型陀螺仪，具体地，涉及一种内分立外环形的双电极分布式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。

对于微型陀螺仪而言，采用全角度控制技术，具有稳定性高、抗冲击能力强、精度高、误差小等优越特性，在航空航天、惯性导航以及民用消费电子等领域具有广泛的应用前景。目前设计的陀螺仪的电极数量较少，限制了其在复杂控制系统中的应用；并且一般的陀螺仪只有一个面上的一套电极，驱动、检测及控制电极之间存在一定的寄生电容及信号干扰，限制了其检测精度。

基于此，迫切需要提出一种新的陀螺仪结构，使其避免或减小上述影响因素，同时扩展其应用范围。

经检索，公开号为CN104165623A、申请号为201410389616.2的中国发明专利申请，该发明提供了一种内外双电极式微型半球谐振陀螺仪及其制备方法，包括：单晶硅基底、中心固定支撑柱、微型半球谐振子、外电极、外电极金属焊接板、玻璃基底、金属引线、圆形焊线盘、外电极金属连接柱内电极和种子层。该发明可利用内电极和外电极分别进行驱动和检测，减小驱动电极和检测电极之间的寄生电容，提高检测精度；为内电极和外电极提供了金属引线及圆形焊线盘，便于信号施加和信号提取。

但是上述专利仅提供了内部分立电极和外部分立电极的微型半球陀螺仪的结构方案，无法为多种微型陀螺仪提供不同的电极分布方案。

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内分立外环形的双电极分布式微陀螺仪及其制备方法，所述微陀螺仪结合MEMS体硅加工工艺和表面硅加工工艺进行制作，是一种新颖的加工工艺；可提供不同的驱动、检测方式及不同的工作模式，可工作在需要复杂控制的系统中。

根据本发明的一个方面，提供一种内分立外环形的双电极分布式微陀螺仪，包括：单晶硅基底、中心固定支撑柱、微型谐振子、外电极、内电极和玻璃基底；其中：

所述外电极，设置在微型谐振子的外围，并且该电极呈环形一体式，构成一环形一体式外电极，同时所述外电极设置于所述单晶硅基底的表面或者玻璃基底的表面；

所述内电极为多个，多个内电极均匀分布在微型谐振子的内侧，构成均匀分布式内电极，同时所述内电极设置于所述单晶硅基底的表面或者玻璃基底的表面；

所述中心固定支撑柱的一端与所述单晶硅基底连接，所述中心固定支撑柱的另一端与所述微型谐振子连接；所述单晶硅基底与所述玻璃基底键合；

所述微型谐振子作为微陀螺仪的振动体，所述外电极和所述内电极用于所述微陀螺仪的驱动、检测及控制。

本发明所述微陀螺仪工作在角速率模式下时，施加交流驱动信号，在所述微型谐振子上施加直流偏置信号，环形一体化外电极通过静电力使所述微型谐振子工作在所需的驱动模态下，驱动模态的振动幅值和频率保持不变；当垂直于单晶硅基底方向存在外加角速度时，检测模态的振动幅值会发生变化，该振动幅值的大小与外加角速度的大小成正比，同时引起所述环形一体化外电极与所述微型谐振子之间的电容发生变化；通过采集所述环形一体化外电极上的信号变化计算检测模态振动幅值的大小，进而计算外加角速度的大小。

进一步的，本发明所述微陀螺仪采集所述均匀分布式内电极上的信号变化计算检测模态振动幅值的大小，进而计算外加角速度的大小，从而减小所述均匀分布式内电极之间的寄生电容，提高检测精度。

进一步的，本发明所述微陀螺仪在所述均匀分布式内电极上施加交流驱动信号，并在所述环形一体化外电极或所述均匀分布式内电极上采集检测信号，提供不同的驱动、检测及控制方式。

进一步的，本发明通过所述均匀分布式内电极上的信号变化判断所述陀螺仪的工作状态，在非正常工作状态下，通过控制算法在所述均匀分布式内电极上施加控制信号，可调节所述微陀螺仪的工作状态，从而使所述微陀螺仪正常工作。

进一步的，本发明所述微陀螺仪能工作在力平衡模式和全角度模式下，力平衡模式能直接检测外加角速度的大小，全角度模式能直接检测外加旋转角度的大小。

优选地，所述外电极和所述内电极的材料为硼离子或磷离子掺杂硅或者为金属镍；当外电极或者内电极位于单晶硅基底上时，材料为硼离子或磷离子掺杂硅；当外电极或者内电极位于玻璃基底上时，材料为金属镍。

优选地，所述微陀螺仪为鸟巢形谐振陀螺仪、环形谐振陀螺仪、半球谐振陀螺仪、杯形谐振陀螺仪。

优选地，所述单晶硅基底和玻璃基底的材料分别为高阻硅或者二氧化硅的高阻材料，高阻硅材料用于减小外电极与内电极之间的信号干扰；

优选地，所述中心固定支撑柱的材料为高阻硅或者二氧化硅。

优选地，所述微型谐振子的材料为掺杂金刚石或掺杂多晶硅，是所述微陀螺仪的主要振动体。

本发明中，所述内电极和外电极分布可用于复杂的控制系统中，实现全角度控制。

本发明均匀分布式内电极和环形一体式外电极的多种微型陀螺仪结构，电极分布方式存在巨大差异，能适用于特殊的电路驱动和检测方案(如实施例所述)，微型谐振子不仅仅局限于微型半球谐振陀螺仪，也能为多种微型陀螺仪提供了不同的电极分布方案。

本发明所述的内分立外环形的双电极分布，是内外分布的，而不是相邻分布或者上下分布，并且外侧电极为环形一体式，与内外双分立电极相比工艺更为简单。

根据本发明的另一个方面，提供一种内分立外环形的双电极分布式微陀螺仪的制备方法，包括如下步骤：

第一步、对单晶硅基底和玻璃基底进行清洗、涂胶、光刻、显影、硼离子注入、溅射、去胶工艺，在单晶硅基底上得到硼离子或磷离子掺杂硅材料的内电极或外电极；

第二步、在单晶硅基底上进行涂胶、光刻、显影、硅的各向同性刻蚀、去胶，以在单晶硅基底上得到微型谐振子形状对应的凹槽；

第三步、在单晶硅基底上沉积二氧化硅，为制作微型谐振子及内电极或外电极间隙提供牺牲层；

第四步、在单晶硅基底上沉积掺杂金刚石或掺杂多晶硅，并进行化学机械抛光，以制作微型谐振子；

第五步、在第四步的基础上利用BOE溶液刻蚀二氧化硅牺牲层并控制刻蚀时间，以释放微型谐振子，并将残余部分作为中心固定支撑柱；

第六步、在玻璃基底上进行涂胶、光刻、显影、电镀镍、去胶，以制作金属镍材料的内电极或外电极；

第七步、倒置玻璃基底，并与单晶硅基底进行键合，使玻璃基底的中心部分与单晶硅基底的中心固定支撑柱的中心对准，实现两个基底固定，从而得到内分立外环形的双电极分布式微陀螺仪。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)所述微陀螺仪是结合MEMS体硅加工工艺和表面硅加工工艺进行制作的，是一种新颖的加工工艺；

(2)所述微陀螺仪可提供不同的驱动、检测方式及不同的工作模式，在不减小电极面积的情况下，增加了电极数量，可使所述微陀螺仪工作在需要复杂控制的系统中；

(3)所述微陀螺仪可利用内电极和外电极分别进行驱动和检测，减小驱动电极和检测电极之间的寄生电容，提高检测精度；可用于复杂的控制系统中，实现全角度控制。

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(c)为本发明一实施例的内分立外环形的双电极分布式微型半球谐振陀螺仪的结构示意图；

图2(a)-图2(c)为本发明一实施例的内分立外环形的双电极分布式微型环形谐振陀螺仪的结构示意图；

图3(a)-图3(c)为本发明一实施例的内分立外环形的双电极分布式微型杯形谐振陀螺仪的结构示意图；

图4(a)-图4(g)为本发明一实施例的内分立外环形的双电极分布式微型半球谐振陀螺仪的制备方法流程图；

图中：1为微型谐振子，2为环形一体化外电极，3为均匀分布式内电极，4为单晶硅基底，5为玻璃基底，6为中心固定支撑柱。

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1(a)-图1(c)所示，本实施例提供一种内分立外环形的双电极分布式微型半球谐振陀螺仪，包括：

一个半球形的微型谐振子1；

一个环形一体化外电极2；

十六个均匀分布式内电极3；

一个单晶硅基底4；

一个玻璃基底5；

一个中心固定支撑柱6；其中：

所述中心固定支撑柱6的一端与单晶硅基底4连接，所述中心固定支撑柱6的另一端与半球形的微型谐振子1连接(如图1(a)所示)；一个所述环形一体化外电极2设置于玻璃基底5的表面(如图1(b)所示)，并分布在半球形的微型谐振子1的外围(如图1(c)所示)；十六个所述均匀分布式内电极3设置于玻璃基底5的表面(如图1(b)所示)，并均匀地分布在半球形的微型谐振子1的内腔(如图1(c)所示)；所述单晶硅基底4与玻璃基底5键合。

本实施例中，所述微型谐振子1的材料为掺杂金刚石或掺杂多晶硅，是所述微型半球谐振陀螺仪的主要振动体。

本实施例中，所述环形一体化外电极2的材料为硼离子掺杂硅，也可以是磷离子掺杂硅，用于所述微型半球谐振陀螺仪的驱动、检测及控制。

本实施例中，所述均匀分布式内电极3的材料为硼离子或磷离子掺杂硅，用于所述微型半球谐振陀螺仪的驱动、检测及控制。

本实施例中，所述单晶硅基底4和玻璃基底5的材料分别为高阻硅和二氧化硅这样的高阻材料，高阻材料可以减小一个环形一体化外电极2和十六个均匀分布式内电极3之间的信号干扰。

进一步的，所述内电极和外电极提供金属引线，所述金属引线的一端与所述外电极、所述内电极连接，所述金属引线的另外一端作为外部接口；便于信号施加和信号提取。

本实施例中，所述中心固定支撑柱6的材料为二氧化硅，也可以是高阻硅。

本实施例中，所述微型半球谐振陀螺仪可工作在角速率模式下，通过金属引线施加交流驱动信号，在所述微型谐振子1上施加直流偏置信号，所述环形一体化外电极2通过静电力使所述微型谐振子1工作在所需的驱动模态下，驱动模态的振动幅值和频率保持不变；当垂直于单晶硅基底4方向存在外加角速度时，检测模态的振动幅值会发生变化，该振动幅值的大小与外加角速度的大小成正比，同时引起所述环形一体化外电极2与所述微型谐振子1之间的电容发生变化；通过采集所述环形一体化外电极2上的信号变化可以计算检测模态振动幅值的大小，进而计算外加角速度的大小。

本实施例中，所述微型半球谐振陀螺仪也可以采集所述均匀分布式内电极3上的信号变化计算检测模态振动幅值的大小，进而计算外加角速度的大小，从而减小所述均匀分布式内电极3之间的寄生电容，提高检测精度。

本实施例中，所述微型半球谐振陀螺仪可以在所述均匀分布式内电极3上施加交流驱动信号，并在所述环形一体化外电极2或所述均匀分布式内电极3上采集检测信号，提供不同的驱动、检测及控制方式。

本实施例中，所述微型半球谐振陀螺仪可以通过所述均匀分布式内电极3上的信号变化判断所述微型半球谐振陀螺仪的工作状态，在非正常工作状态下，通过控制算法在所述均匀分布式内电极3上施加控制信号，可调节所述微型半球谐振陀螺仪的工作状态，从而使所述微型半球谐振陀螺仪正常工作。

本实施例中，所述微型半球谐振陀螺仪也可工作在力平衡模式和全角度模式下，力平衡模式可直接检测外加角速度的大小，全角度模式可直接检测外加旋转角度的大小。

实施例2

如图2(a)-图2(c)所示，本实施例提供一种内分立外环形的双电极分布式微型环形谐振陀螺仪，包括：

一个环形的微型谐振子1；

一个环形一体化外电极2；

十六个均匀分布式内电极3；

一个单晶硅基底4；

一个玻璃基底5；

一个中心固定支撑柱6；其中：

所述中心固定支撑柱6的一端与单晶硅基底4连接，所述中心固定支撑柱6的另一端与环形的微型谐振子1连接(如图2(a)所示)；一个所述环形一体化外电极2设置于单晶硅基底4的表面，并分布在环形的微型谐振子1的外围(如图2(a)所示)；十六个所述均匀分布式内电极3设置于玻璃基底5的表面(如图2(b)所示)，并均匀地分布在环形的微型谐振子1的内侧(如图2(c)所示)；所述单晶硅基底4与玻璃基底5键合。

本实施例中，所述微型谐振子1的材料为掺杂金刚石或掺杂多晶硅，是所述微型环形谐振陀螺仪的主要振动体。

本实施例中，所述环形一体化外电极2的材料为硼离子掺杂硅，也可以是磷离子掺杂硅，用于所述微型环形谐振陀螺仪的驱动、检测及控制。

本实施例中，所述均匀分布式内电极3的材料为硼离子或磷离子掺杂硅，用于所述微型环形谐振陀螺仪的驱动、检测及控制。

本实施例中，所述单晶硅基底4和玻璃基底5的材料分别为高阻硅和二氧化硅这样的高阻材料，高阻材料可以减小一个环形一体化外电极2十六个均匀分布式内电极3之间的信号干扰。

本实施例中，所述中心固定支撑柱6的材料为二氧化硅，也可以是高阻硅。

本实施例中，所述微型环形谐振陀螺仪也可工作在力平衡模式和全角度模式下，力平衡模式可直接检测外加角速度的大小，全角度模式可直接检测外加旋转角度的大小。

实施例3

如图3(a)-图3(c)所示，本实施例提供一种内分立外环形的双电极分布式微型杯形谐振陀螺仪，包括：

一个杯形的微型谐振子1；

一个环形一体化外电极2；

十六个均匀分布式内电极3；

一个单晶硅基底4；

一个玻璃基底5；

一个中心固定支撑柱6；其中：

所述中心固定支撑柱6的一端与单晶硅基底4连接，所述中心固定支撑柱6的另一端与杯形的微型谐振子1连接(如图3(a)所示)；一个所述环形一体化外电极2设置于所述单晶硅基底4的表面，并分布在杯形的微型谐振子1的外围(如图3(a)所示)；十六个所述均匀分布式内电极3设置于所述玻璃基底5的表面(如图3(b)所示)，并均匀地分布在杯形的微型谐振子1的内侧(如图3(c)所示)；所述单晶硅基底4与玻璃基底5键合。

本实施例中，所述微型谐振子1的材料为掺杂金刚石或掺杂多晶硅，是所述微型杯形谐振陀螺仪的主要振动体。

本实施例中，所述环形一体化外电极2的材料为硼离子掺杂硅，也可以是磷离子掺杂硅，用于所述微型杯形谐振陀螺仪的驱动、检测及控制。

本实施例中，所述均匀分布式内电极3的材料为硼离子或磷离子掺杂硅，用于所述微型杯形谐振陀螺仪的驱动、检测及控制。

本实施例中，所述单晶硅基底4和玻璃基底5的材料分别为高阻硅和二氧化硅这样的高阻材料，高阻材料可以减小一个环形一体化外电极2和十六个均匀分布式内电极3之间的信号干扰。

本实施例中，所述中心固定支撑柱6的材料为二氧化硅，也可以是高阻硅。

本实施例中，所述微型杯形谐振陀螺仪也可工作在力平衡模式和全角度模式下，力平衡模式可直接检测外加角速度的大小，全角度模式可直接检测外加旋转角度的大小。

本发明结合了MEMS体硅加工工艺和表面硅加工工艺进行制作，是一种新颖的加工工艺；本发明中的微陀螺仪可提供不同的驱动、检测方式及不同的工作模式，可工作在需要复杂控制的系统中；本发明中的微陀螺仪可利用内电极和外电极分别进行驱动和检测，减小驱动电极和检测电极之间的寄生电容，提高检测精度。

实施例4

如图4(a)-图4(g)所示，本实施例提供一种内分立外环形的双电极分布式微型半球谐振陀螺仪的制备方法，包括如下步骤：

第一步、如图4(a)所示，对单晶硅基底4进行清洗、涂胶、光刻、显影、硼离子注入、溅射、去胶工艺，以在单晶硅基底1上得到厚度为10μm-50μm的硼离子掺杂硅材料的外电极2；

第二步、如图4(b)所示，在单晶硅基底上进行涂胶、光刻、显影、硅的各向同性刻蚀、去胶，以在单晶硅基底4上得到半径为300μm-700μm的半球形凹槽；

第三步、如图4(c)所示，在单晶硅基底上沉积厚度为1μm-5μm的二氧化硅，为制作微型半球谐振子1及电极间隙提供牺牲层；

第四步、如图4(d)所示，在第三步的基础上沉积掺杂金刚石或掺杂多晶硅，并进行化学机械抛光，以制作厚度为1μm-5μm的微型半球谐振子1；

第五步、如图4(e)所示，在第四步的基础上利用BOE溶液刻蚀二氧化硅牺牲层并控制刻蚀时间，以释放微型半球谐振子1，将残余部分作为半径为15μm-35μm的中心固定支撑柱6；

第六步、如图4(f)所示，在玻璃基底5上涂胶、光刻、显影、电镀镍、去胶，以制作高度为20μm-70μm的金属镍材料的内电极3。

第七步、如图4(g)所示，倒置玻璃基底5，并与单晶硅基底4进行键合，使玻璃基底5的中心部分与单晶硅基底4的中心固定支撑柱的中心对准，实现两个基底固定，从而得到内分立外环形的双电极分布式微陀螺仪。

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 (9)

1.一种内分立外环形的双电极分布式微陀螺仪，其特征在于，包括：单晶硅基底、中心固定支撑柱、微型谐振子、外电极、内电极和玻璃基底；其中：

所述外电极，设置在微型谐振子的外围，并且该电极呈环形一体式，构成一环形一体式外电极，同时所述外电极设置于所述单晶硅基底的表面或者玻璃基底的表面；

所述内电极为多个，多个内电极均匀分布在微型谐振子的内侧，构成均匀分布式内电极，同时所述内电极设置于所述单晶硅基底的表面或者玻璃基底的表面；

所述中心固定支撑柱的一端与所述单晶硅基底连接，所述中心固定支撑柱的另一端与所述微型谐振子连接；所述单晶硅基底与所述玻璃基底键合；

所述微型谐振子作为微陀螺仪的振动体，所述外电极和所述内电极用于所述微陀螺仪的驱动、检测及控制；

所述微陀螺仪工作在角速率模式下时，施加交流驱动信号，在所述微型谐振子上施加直流偏置信号，环形一体化外电极通过静电力使所述微型谐振子工作在所需的驱动模态下，驱动模态的振动幅值和频率保持不变；当垂直于单晶硅基底方向存在外加角速度时，检测模态的振动幅值会发生变化，该振动幅值的大小与外加角速度的大小成正比，同时引起所述环形一体化外电极与所述微型谐振子之间的电容发生变化；通过采集所述环形一体化外电极上的信号变化计算检测模态振动幅值的大小，进而计算外加角速度的大小。

2.根据权利要求1所述的一种内分立外环形的双电极分布式微陀螺仪，其特征在于，所述微陀螺仪采集所述均匀分布式内电极上的信号变化计算检测模态振动幅值的大小，进而计算外加角速度的大小，从而减小所述均匀分布式内电极之间的寄生电容，提高检测精度。

3.根据权利要求1所述的一种内分立外环形的双电极分布式微陀螺仪，其特征在于，所述微陀螺仪在所述均匀分布式内电极上施加交流驱动信号，并在所述环形一体化外电极或所述均匀分布式内电极上采集检测信号，提供不同的驱动、检测及控制方式。

4.根据权利要求1所述的一种内分立外环形的双电极分布式微陀螺仪，其特征在于，通过所述均匀分布式内电极上的信号变化判断所述陀螺仪的工作状态，在非正常工作状态下，通过控制算法在所述均匀分布式内电极上施加控制信号，调节所述微陀螺仪的工作状态，从而使所述微陀螺仪正常工作。

5.根据权利要求1所述的一种内分立外环形的双电极分布式微陀螺仪，其特征在于，所述微陀螺仪能工作在力平衡模式和全角度模式下，力平衡模式能直接检测外加角速度的大小，全角度模式能直接检测外加旋转角度的大小。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种内分立外环形的双电极分布式微陀螺仪，其特征在于，所述外电极和所述内电极的材料为硼离子或磷离子掺杂硅或者为金属镍；当外电极或者内电极位于单晶硅基底上时，材料为硼离子或磷离子掺杂硅；当外电极或者内电极位于玻璃基底上时，材料为金属镍。

7.根据权利要求1-5任一项所述的一种内分立外环形的双电极分布式微陀螺仪，其特征在于，所述单晶硅基底和玻璃基底的材料为高阻硅或者二氧化硅的高阻材料，高阻硅材料用于减小外电极与内电极之间的信号干扰。

8.根据权利要求1-5任一项所述的一种内分立外环形的双电极分布式微陀螺仪，其特征在于，所述中心固定支撑柱的材料为高阻硅或者二氧化硅；

所述微型谐振子的材料为掺杂金刚石或掺杂多晶硅。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的内分立外环形的双电极分布式微陀螺仪的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步、对单晶硅基底和玻璃基底进行清洗、涂胶、光刻、显影、硼离子注入、溅射、去胶工艺，在单晶硅基底上得到硼离子或磷离子掺杂硅材料的内电极或外电极；

第二步、在单晶硅基底上进行涂胶、光刻、显影、硅的各向同性刻蚀、去胶，以在单晶硅基底上得到微型谐振子形状对应的凹槽；

第三步、在单晶硅基底上沉积二氧化硅，为制作微型谐振子及内电极或外电极间隙提供牺牲层；

第四步、在单晶硅基底上沉积掺杂金刚石或掺杂多晶硅，并进行化学机械抛光，以制作微型谐振子；

第五步、在第四步的基础上利用BOE溶液刻蚀二氧化硅牺牲层并控制刻蚀时间，以释放微型谐振子，并将残余部分作为中心固定支撑柱；

第六步、在玻璃基底上进行涂胶、光刻、显影、电镀镍、去胶，以制作金属镍材料的内电极或外电极；

第七步、倒置玻璃基底，并与单晶硅基底进行键合，使玻璃基底的中心部分与单晶硅基底的中心固定支撑柱的中心对准，实现两个基底固定，从而得到内分立外环形的双电极分布式微陀螺仪。

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