CN106441260A - 硅上压电薄膜多支撑梁mems陀螺及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种硅上压电薄膜多支撑梁MEMS陀螺及其制备方法，包括支撑梁、地电极、压电薄膜、上电极、柱惯性质量，所述柱惯性质量位于整个MEMS陀螺的中央，柱惯性质量周边均匀分布支撑梁，柱惯性质量与支撑梁形成固定联结，在支撑梁的上表面由底部往顶层依次设有地电极、压电薄膜、上电极。本发明采用压电逆效应和压电效应进行驱动和敏感检测，避免了静电驱动中诸多不利因素，采用硅上压电薄膜结构可获得大的品质因子、具有好的集成电路兼容性，方便将测控电路与陀螺结构集成在一块芯片上；采用多支撑梁柱惯性质量结构的几个特殊共振模态作为参考振动和感应振动，利用同一陀螺结构，可实现三轴角速率的检测，方便实现多轴惯性传感器。

Description

硅上压电薄膜多支撑梁MEMS陀螺及其制备方法
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)的陀螺仪，具体地，涉及一种硅上压电薄膜多支撑梁MEMS陀螺及其制备方法。
背景技术
以MEMS微陀螺为主要组成部分的微惯性传感器是MEMS工业及其市场重要组成部分。MEMS惯性传感器在传统的应用领域有广泛应用，如：汽车的安全气囊、汽车电子稳定系统(ESP)、军用智能炮弹等，MEMS惯性传感器在传统的应用领域中市场份额逐渐饱和。近些年来，MEMS惯性传感器在消费电子领域中的应用在急速增长，这些领域包括：手机、平板电脑、无人飞行器、摄像机以及其它人机交互系统。MEMS惯性传感器在消费电子领域中的应用还存在非常大的市场潜力。在这些应用领域中，MEMS惯性传感器需要具有更小的体积、更低的功耗、与IC电路集成性好。
当前MEMS微陀螺的振动激励方式主要分为两种：一种为静电电容激励，另一种为压电激励。静电激励要求电容极板的间距极小(亚微米级)，同时还需要施加直流偏置电压以减小驱动电路的动态阻抗，静电激励还需要采用真空封装工艺，以减小振子的阻尼，提高品质因子。这些要求分别增大了静电激励结构的微加工制作难度，增大了器件运行所需的功耗，增大了封装工艺的难度。压电激励避免了静电激励中的小间隙结构，可无需真空封装。但压电激励微陀螺大多采用压电体材料，压电体材料的IC工艺集成性不好。
经检索，公开号为102636162A的中国发明申请，该发明涉及一种三轴微机械陀螺仪，包括基板和固定安装在基板上的陀螺仪主体，其中陀螺仪主体包括平面检测单元和z轴检测单元，平面检测单元包括第一支撑梁、联动梁、驱动电极和第一质量块，z轴检测单元由八个模块组成，其中四个模块沿x轴在y轴质量块两侧分布，剩余四个模块沿y轴在x轴质量块两侧分布，每个模块包括第二支撑梁、解耦梁、驱动梁、第二质量块和检测电极。采用单驱动设计，采用梳齿电极驱动，平面x轴和y轴通过变间隙平板电容检测，z轴通过梳齿电容检测，x、y和z轴分别实现了驱动和检测的解耦。
但是上述专利采用静电驱动、电容检测的MEMS三轴陀螺，具有所有静电驱动、电容检测MEMS陀螺的特性，即需要制作极小间隙的电容结构、空气阻尼效应明显、需高真空度封装，这些对加工制作、提高可靠性、提高精度增大了难度。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种硅上压电薄膜多支撑梁MEMS陀螺及其制备方法，这种结构不需要真空封装，由于器件是制作在硅基体上，所以制作工艺和IC兼容性好。本发明采用压电逆效应来驱动，压电正效应来检测，避免了静电驱动、电容检测的MEMS陀螺的不足。
根据本发明的第一方面，提供一种硅上压电薄膜多支撑梁MEMS陀螺，包括支撑梁、地电极、压电薄膜、上电极、柱惯性质量，其中：
所述柱惯性质量位于整个MEMS陀螺的中央，柱惯性质量周边均匀分布支撑梁，柱惯性质量与支撑梁形成固定联结，所述支撑梁主体为单晶硅层，在支撑梁的上表面由底部往顶层依次设有地电极、压电薄膜、上电极；
所述柱惯性质量和支撑梁形成质量弹簧系统，柱惯性质量的高度比支撑梁的厚度大，支撑梁的弹性变形使得柱惯性质量偏离平衡位置，产生振动；
所述支撑梁上的地电极、压电薄膜、上电极，利用压电薄膜的逆压电效应和压电效应，实现MEMS陀螺参考振动的激励电极和感应振动的检测电极。
优选地，所述柱惯性质量，存在三种振动模态，其中两种是支撑梁平面内的一对正交面内摆动模态，另外一个为柱惯性质量的支撑梁平面面外振动模态，通过控制支撑梁和柱惯性质量的尺寸，使得柱惯性质量的面内摆动模态的共振频率和面外振动模态的共振频率相等。
更优选地，所述柱惯性质量，采用其三种振动模态的两两组合作为MEMS陀螺的参考振动与感应振动，分别构造用于测量空间正交三轴角运动MEMS陀螺。
更优选地，定义支撑梁平面内的两个正交方向分别为x轴和y轴向，面外方向为z轴向，则所述硅上压电薄膜多支撑梁柱惯性质量MEMS陀螺形成的三轴角运动MEMS陀螺，工作模式为：
在支撑梁分布圆周的直径方向上一对激励电极分别施加同相驱动电压，电压频率和面外振动模态频率相等，使得柱惯性质量在z轴方向上发生共振；当在x轴方向有角速率输入时，则在y轴方向激励感应振动，形成x轴向角运动传感器；当在y轴方向有角速率输入时，则在x轴方向激励感应振动，形成y轴向角运动传感器；检测电极敏感检测出感应振动；
在支撑梁分布圆周的直径方向上一对激励电极分别施加反相驱动电压，电压频率和面内振动模态频率相等，使得柱惯性质量在x轴方向上发生共振，当在z轴方向上有角速度输入时，则在y轴方向上激励感应振动，通过检测电极检测出y轴方向上的感应振动，获得z轴角速率的检测。
根据本发明的另一方面，提供一种硅上压电薄膜多支撑梁MEMS陀螺的制备方法，包括如下步骤：
在SOI硅片正面上沉积金属地电极；
然后采用光刻和刻蚀工艺对地电极进行图形化，在图形化的地电极和裸露的单晶硅上沉积压电薄膜；
采用光刻和刻蚀或剥离工艺对所述压电薄膜图形化，沉积上电极并对其图形化，并图形化刻蚀SOI硅片的器件层单晶硅；
最后采用硅的深刻蚀工艺打开背面厚硅腔室，同时去除暴露出来的埋层氧化层，此步骤中是形成柱惯性质量和支撑梁。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明的硅上压电薄膜多支撑梁柱惯性质量MEMS陀螺，分别采用压电逆效应和压电效应进行驱动和敏感检测，避免了静电驱动中诸多不利因素，如：需要小的间隙增大了加工困难程度、大的偏置电压、高真空封装以消除空气阻尼效应。
本发明采用硅上压电薄膜结构相比于体压电材料优势有：可获得大的品质因子(Q值)，硅基体结构具有好的集成电路兼容性，方便将测控电路与陀螺结构集成在一块芯片上。
本发明采用多支撑梁柱惯性质量结构的几个特殊共振模态作为参考振动和感应振动，利用同一陀螺结构，可实现三轴角速率的检测，方便实现多轴惯性传感器。
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为本发明一实施例的MEMS陀螺俯视图；
图2为本发明一实施例的MEMS陀螺侧视图；
图3a为本发明一实施例的MEMS陀螺振子的面内振动模态1图；
图3b为本发明一实施例的MEMS陀螺振子的面内振动模态2图；
图3c为本发明一实施例的MEMS陀螺振子的面外模态图；
图4为本发明一实施例的MEMS陀螺的面内转动的测量机理，其中(a)为陀螺的参考振动，(b)为感应振动；
图5为本发明一实施例的MEMS陀螺的面外方向转动的测量机理，其中(a)为陀螺的参考振动，(b)为感应振动；
图6为本发明一实施例的MEMS陀螺微加工制备流程图；
图中：上电极1，3，6，8，10，11，13，15；弹性支撑梁2，4，5，7，9，12，14，16；压电薄膜层17；地电极层18；单晶硅层19；刚性支承20；柱惯性质量21。
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1、图2所示，一种硅上压电薄膜多支撑梁柱惯性质量MEMS陀螺的实施例，包括支撑梁(2、4、5、7、9、12、14、16)、地电极层18、压电薄膜层17、上电极(1、3、6、8、10、11、13、15)、柱惯性质量21，其中：
柱惯性质量周边均匀分布支撑梁，柱惯性质量与支撑梁形成固定联结，柱惯性质量21通过弹性支撑梁2、4、5、7、9、12、14、16和刚性支承20形成联结，弹性支撑梁2、4、5、7、9、12、14、16易发生弹性变形，柱惯性质量21和弹性支撑梁2、4、5、7、9、12、14、16形成质量弹簧系统，刚性支承20具有较大的刚度，不易发生变形，这可减小柱惯性质量向外围环境中的能量耗散，提高振动的品质因子。
在一实施例中，如图1所示，弹性支撑梁2、4、5、7、9、12、14、16共有8个，在柱惯性质量21的外围圆周方向上均匀分布。
如图1和图2所示，弹性支撑梁2、4、5、7、9、12、14、16具有多层结构，从顶部往底部依次为上电极1、3、6、8、10、11、13、15，压电薄膜层17，地电极层18，单晶硅层19，弹性支撑梁2、4、5、7、9、12、14、16的厚度比柱惯性质量21的高度要小，因此，弹性支撑梁2、4、5、7、9、12、14、16易发生弯曲或扭转变形，单晶硅层19具有优越的晶体结构，这有利于减小振动过程中材料内部的阻尼能量耗散，提高振子的品质因子。
如图3a、图3b、图3c所示，由柱惯性质量21和弹性支撑梁2、4、5、7、9、12、14、16组成的质量弹簧系统存在三种振动模态，分别为：图3a为柱惯性质量21绕y轴方向上的摆动振动模态，图3b为柱惯性质量21绕x轴方向上的摆动振动模态，图3c为柱惯性质量21沿着z轴方向上的线性振动模态。
如图4中(a)、(b)所示，采用z轴方向上的线性振动模态作为陀螺的参考振动，当x轴方向上有角速率输入时，则在y轴方向上产生摆动振动模态的感应振动；如果在y轴方向上有角速率输入时，则在x轴方向上产生摆动振动模态的感应振动。电极E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8，分别位于弹性支撑梁2、4、5、7、9、12、14、16上，这里，电极E3、E7位于x轴的正向和反向，E1、E5位于y轴的正向和反向，E2、E4、E6、E8位于x轴和y轴夹角的等分线上。选择E2、E6作为参考振动的激励，则电极E4、E8为参考振动的监测。通过在电极E2、E6上施加同相的激励电压，当激励电压的频率和z轴方向上的线性振动模态谐振频率相等时，则会激励z轴方向上的参考振动。电极E1、E5为y轴方向上摆动振动的感应电极，E3、E7为x轴方向上摆动振动的感应电极。这时，陀螺用于检测x轴和y轴方向上输入的角速率。
如图5中(a)、(b)所示，采用y轴方向上的摆动振动模态作为陀螺的参考振动，当z轴方向上有角速率输入时，则在x轴方向上产生摆动振动模态的感应振动；选择E2、E6作为参考振动的激励，则电极E4、E8为参考振动的监测。通过在电极E2、E6上施加反相的激励电压，当激励电压的频率和y轴方向上的摆动振动模态谐振频率相等时，则会激励y轴方向上的参考振动，此时，电极E4、E8可用于检测x轴方向上的摆动振动的感应电极。这时，陀螺用于检测z轴方向上输入的角速率。
图6给出了一种上述硅上压电薄膜多支撑梁柱惯性质量MEMS陀螺的微加工工艺，包括：
在SOI硅片(如图6中a所示)上沉积金属地电极(如图6中b所示)；
然后采用光刻和刻蚀工艺对地电极进行图形化(如图6中c所示)，在图形化的地电极和裸露的单晶硅上沉积压电薄膜(如图6中d所示)；
采用光刻和刻蚀或剥离工艺对压电薄膜图形化(如图6中e所示)，沉积上电极并对其图形化，并图形化刻蚀器件层单晶硅(如图6中f所示)；
最后采用硅的深刻蚀工艺打开背面厚硅腔室，同时去除暴露出来的埋层氧化层(如图6中g所示)。
本发明采用压电逆效应和压电效应进行驱动和敏感检测，避免了静电驱动中诸多不利因素。
本发明采用多支撑梁柱惯性质量结构的几个特殊共振模态作为参考振动和感应振动，利用同一陀螺结构，可实现三轴角速率的检测，方便实现多轴惯性传感器。
本发明采用硅上压电薄膜结构可获得大的品质因子、具有好的集成电路兼容性，方便将测控电路与陀螺结构集成在一块芯片上。
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 (5)

1.一种硅上压电薄膜多支撑梁MEMS陀螺，其特征在于：包括支撑梁、地电极、压电薄膜、上电极、柱惯性质量，其中：
所述柱惯性质量位于整个MEMS陀螺的中央，柱惯性质量周边均匀分布支撑梁，柱惯性质量与支撑梁形成固定联结，所述支撑梁主体为单晶硅层，在支撑梁的上表面由底部往顶层依次设有地电极、压电薄膜、上电极；
所述柱惯性质量和支撑梁形成质量弹簧系统，柱惯性质量的高度比支撑梁的厚度大，支撑梁的弹性变形使得柱惯性质量偏离平衡位置，产生振动；
所述支撑梁上的地电极、压电薄膜、上电极，利用压电薄膜的逆压电效应和压电效应，实现MEMS陀螺参考振动的激励电极和感应振动的检测电极。
2.根据权利要求1所述的硅上压电薄膜多支撑梁MEMS陀螺，其特征在于：
所述柱惯性质量，存在三种振动模态，其中两种是支撑梁平面内的一对正交面内摆动模态，另外一个为柱惯性质量的支撑梁平面面外振动模态，通过控制支撑梁和柱惯性质量的尺寸，使得柱惯性质量的面内摆动模态的共振频率和面外振动模态的共振频率相等。
3.根据权利要求2所述的硅上压电薄膜多支撑梁MEMS陀螺，其特征在于：
所述柱惯性质量，采用其三种振动模态的两两组合作为MEMS陀螺的参考振动与感应振动，分别构造用于测量空间正交三轴角运动MEMS陀螺。
4.根据权利要求3所述的硅上压电薄膜多支撑梁MEMS陀螺，其特征在于：
定义支撑梁平面内的两个正交方向分别为x轴和y轴向，面外方向为z轴向，则所述硅上压电薄膜多支撑梁柱惯性质量MEMS陀螺形成的三轴角运动MEMS陀螺，工作模式为：
在支撑梁分布圆周的直径方向上一对激励电极分别施加同相驱动电压，电压频率和面外振动模态频率相等，使得柱惯性质量在z轴方向上发生共振；当在x轴方向有角速率输入时，则在y轴方向激励感应振动，形成x轴向角运动传感器；当在y轴方向有角速率输入时，则在x轴方向激励感应振动，形成y轴向角运动传感器；检测电极敏感检测出感应振动；
在支撑梁分布圆周的直径方向上一对激励电极分别施加反相驱动电压，电压频率和面内振动模态频率相等，使得柱惯性质量在x轴方向上发生共振，当在z轴方向上有角速度输入时，则在y轴方向上激励感应振动，通过检测电极检测出y轴方向上的感应振动，获得z轴角速率的检测。
5.一种权利要求1-4任一项所述的硅上压电薄膜多支撑梁MEMS陀螺的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
在SOI硅片正面上沉积金属地电极；
然后采用光刻和刻蚀工艺对地电极进行图形化，在图形化的地电极和裸露的单晶硅上沉积压电薄膜；
采用光刻和刻蚀或剥离工艺对所述压电薄膜图形化，沉积上电极并对其图形化，并图形化刻蚀SOI硅片器件层单晶硅；
最后采用硅的深刻蚀工艺打开背面厚硅腔室，同时去除暴露出来的埋层氧化层，形成柱惯性质量和支撑梁。
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