CN107063224B - 一种soi微半球陀螺敏感结构 - Google Patents

一种soi微半球陀螺敏感结构 Download PDF

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Abstract

本发明属于惯性测量技术领域，涉及一种微半球陀螺，具体涉及一种SOI微半球陀螺敏感结构，该结构包括中心半球谐振子、环形电极、电极绝缘层、离散电极和底座；中心半球谐振子为中心对称结构，包括半球壳体和底部支撑柱；底部支撑柱设置在半球壳体正下方，并与底座固定连接；环形电极和离散电极设置在中心半球谐振子的外侧圆周，并与中心半球谐振子之间形成间隙，环形电极设置在离散电极上，并与离散电极之间通过电极绝缘层实现隔离，离散电极设置在底座上；中心半球谐振子的半球壳体上部自由端至少与环形电极上端面保持齐平。本发明可实现角度(速率积分)工作模式，该工作模式避免了角速率的积分误差等环节，可确保高线性度和大动态测量范围。

Description

一种SOI微半球陀螺敏感结构
技术领域
本发明属于惯性测量技术领域，涉及一种微半球陀螺，具体涉及一种SOI微半球陀螺敏感结构。
背景技术
陀螺是一种用于敏感载体相对于惯性空间角运动的仪表，是惯性导航和制导系统的核心器件。
微半球陀螺是一种将传统半球陀螺微型化的新型陀螺，其基于固体波动原理，具有全对称、高品质因子等特征，理论上拥有很高的精度潜能，同时采用角度(速率积分)模式输出时，可获取高线性度和大动态测量范围。
微半球陀螺的基体材料主要有硅、熔融石英、低膨胀石英玻璃、金属合金以及宝石等，其中，硅微半球陀螺可通过光刻、刻蚀、沉积等MEMS工艺制作，具有可批量化加工、低成本、小体积、高集成度等优点，是微半球陀螺的一个重要技术方向。
一种硅微半球陀螺敏感结构如图1和图2所示，主要由中心半球壳体41、圆周驱动/检测电极21、V型外支撑42等组成。其主要工艺步骤包括：
a)在单晶硅基片11上通过掺杂形成圆周驱动/检测电极21；
b)通过各向同性刻蚀形成上部半球型空腔；
c)通过各向异性湿法腐蚀形成下部V型空腔；
d)在上部半球型空腔和下部V型空腔的表面沉积一层二氧化硅做牺牲层31；
e)在牺牲层表面再沉积一层多晶硅，即半球壳体的结构层；
f)通过湿法腐蚀进行结构释放，通过控制腐蚀参数保留部分二氧化硅作为V型内支撑32。
释放后，上部形成可动的多晶硅半球壳体41，牺牲层的厚度即为半球壳体41与圆周驱动/检测电极21组成极板电容的间隙51；结构下部通过V型内支撑32和V型外支撑42实现支撑，并在底部实现锚接固定。
上述敏感结构主要存在以下问题：
1)驱动/检测电极的初始电容是敏感结构的一项关键参数。初始电容大，对应驱动端，驱动力大、效率高；对应检测端，机械增益大、信噪比高。如图1所示，敏感结构在硅基片上通过掺杂形成圆周驱动/检测电极，初始电容的大小与掺杂深度相关，受限于掺杂工艺较难获取较大深度，存在驱动力小和检测信号微弱等问题。
2)如图2所示，敏感结构的电极配置一般为：在某一角度位置上(如0°-180°和90°-270°方向)为驱动或驱动反馈电极，与之相隔45°位置上(45°-225°和135°-315°方向)为检测或检测反馈电极。工作时，一般通过驱动和驱动反馈电极维持精确的驱动振型，检测电极和检测反馈电极实现对外界输入角速率信号的敏感，该模式在常规环境下能够满足测量精度要求，但当陀螺工作环境的动态范围较大时，存在线性度不足、大动态测量误差大等问题。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的目的在于提供一种SOI微半球陀螺敏感结构，在常规的离散驱动/检测电极的基础上设置一个环形电极，实现角度(速率积分)工作模式，获取高线性度和大动态测量范围。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案。
本发明的目的在于提供一种SOI微半球陀螺敏感结构，该结构包括；中心半球谐振子、环形电极、电极绝缘层、离散电极和底座；
中心半球谐振子为中心对称结构，包括半球壳体和底部支撑柱；底部支撑柱设置在半球壳体正下方，并与底座固定连接；
环形电极和离散电极设置在中心半球谐振子的外侧圆周，并与中心半球谐振子之间形成间隙，环形电极设置在离散电极上，并与离散电极之间通过电极绝缘层实现隔离，离散电极设置在底座上；
中心半球谐振子的半球壳体上部自由端至少与环形电极上端面保持齐平。
进一步，所述间隙包括半球壳体与环形电极和离散电极之间的空隙，以及底部支撑柱与离散电极之间的空隙，间隙在各个方向上保持均匀性。
进一步，所述环形电极为整体电极，中心开孔，半球壳体上部自由端设置在环形电极中心孔内，至少与环形电极上端面保持齐平，半球壳体与环形电极中心孔之间形成间隙，环形电极中心孔的内表面与半球壳体的外表面形成一组极板电容。
进一步，所述离散电极包括多个离散电极，多个离散电极分散、均匀分布在半球谐振子的外侧圆周处，各个离散电极之间通过隔离槽隔离，离散电极的内表面与中心半球谐振子外表面之间形成间隙，每个离散电极的内表面与半球壳体的外表面形成一组极板电容。
进一步，所述离散电极的数量及类型可根据需要进行设置，设置数量为2的整数倍，并且设置数量不少于8个。
进一步，所述离散电极包括驱动电极、驱动反馈电极，检测电极以及检测反馈电极，驱动电极与驱动反馈电极、检测电极与检测反馈电极相对布置，驱动电极与检测电极相隔布置。
进一步，当离散电极的设置数量为8个时，离散电极在0°、180°方向设置为驱动电极和驱动反馈电极，离散电极在90°、270°方向设置为驱动电极和驱动反馈电极，离散电极在45°、225°方向设置为检测电极和检测反馈电极，离散电极在135°、315°方向设置为检测电极和检测反馈电极。
一种SOI微半球陀螺敏感结构的制造工艺，该制造工艺包括以下步骤：
步骤一、半球空腔刻蚀；
SOI基片包括浅硅层、绝缘层、主体结构硅层，通过多步刻蚀形成半球型空腔；
步骤二、牺牲层和多晶硅层沉积；
在半球型空腔的内表面依次沉积牺牲层和多晶硅层；
步骤三、底部支撑柱制备；
在主体结构硅层，半球型空腔正下方经多步刻蚀形成圆柱孔，圆柱孔穿透牺牲层，并在圆柱孔内填充多晶硅，形成底部支撑柱；
步骤四、离散电极制备；
通过刻蚀在主体结构硅层和底部支撑柱之间形成隔离孔，同时将主体结构硅层按照需要刻蚀成一定数量的离散电极，离散电极之间通过隔离槽实现隔离；
步骤五、键合；
将步骤四完成的SOI基片与底座键合，实现固联；
步骤六、释放；
去除牺牲层，进行结构释放，得到完整的SOI微半球陀螺敏感结构。
进一步，所述离散电极的数量及类型可根据需要进行设置，设置数量为2的整数倍，并且设置数量不少于8个。
进一步，所述离散电极包括驱动电极、驱动反馈电极，检测电极以及检测反馈电极，驱动电极与驱动反馈电极、检测电极与检测反馈电极相对布置，驱动电极与检测电极相隔布置。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
1)本发明一种SOI微半球陀螺敏感结构的离散电极通过SOI基片的主体结构硅层加工而得，厚度较大，进而提供更大的初始电容，且电极间隙可通过牺牲层工艺形成，能够保证较高的精度和均匀性。
2)本发明一种SOI微半球陀螺敏感结构在常规的离散驱动/检测电极的基础上设置一个环形电极，该环形电极与半球谐振子之间的交变静电激振力方向始终沿着振幅最大处，并不断对谐振子补充能量，维持谐振振幅恒定。同时，通过与离散电极共同作用，形成精确的振动波形，当外界角速度输入时，振动波形相对基座产生进动，通过检测离散电极对应的极板电容的交变幅度，即可获取偏转角的大小。该工作模式直接进行角度输出，避免了角速率的积分误差等环节，可确保高线性度和大动态测量范围。
附图说明
图1是现有技术一种硅微半球陀螺敏感结构剖视图；
图2是现有技术一种硅微半球陀螺敏感结构俯视图；
图3是本发明对应的一种SOI微半球陀螺敏感结构剖视图；
图4是本发明对应的一种SOI微半球陀螺敏感结构俯视图；
图5是本发明对应的一种SOI微半球陀螺敏感结构离散电极示意图；
图6是微半球陀螺速率工作模式中驱动模态和检测模态振型示意图，其中，(a)为驱动振型，(b)为检测振型；
图7是微半球陀螺速率积分工作模式中振型变化示意图，其中(a)为初始振型，(b)为基座旋转后的振型；
图8是本发明对应的结构制备中的半球空腔刻蚀剖面示意图；
图9是本发明对应的结构制备中的牺牲层和多晶硅层沉积剖面示意图；
图10是本发明对应的结构制备中的底部支撑柱制备剖面示意图；
图11是本发明对应的结构制备中的离散电极制备示意图，其中，(a)为剖面图，(b)为仰视图；
图12是本发明对应的结构制备中的键合工艺剖面示意图；
图13是本发明对应的结构制备中的结构释放剖面示意图；
图中：11-单晶硅基片，21-圆周驱动/检测电极，31-牺牲层，32-V型内支撑，41-半球壳体，42-V型外支撑，51-电容间隙，60-浅硅层，61-环形电极，70-绝缘层，71-电极绝缘层，72-半球型空腔，80-主体结构硅层，81-离散电极，82-隔离槽，83-牺牲层，84-多晶硅层，91-半球谐振子，92-半球壳体，101-底部支撑柱，102-隔离孔，111-底座，121-间隙，201-基座，202-基座标志位，211-振型。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明一种SOI微半球陀螺敏感结构作详细说明。
如图3至图5所示，本发明一种SOI微半球陀螺敏感结构，包括；中心半球谐振子91、环形电极61、电极绝缘层71、离散电极81和底座111；
中心半球谐振子91、环形电极61、离散电极81可由一个SOI基片制得；
中心半球谐振子91为中心对称结构，包括半球壳体92和底部支撑柱101；底部支撑柱101设置在半球壳体92正下方，并与底座111固定连接，用于支撑半球壳体92；
环形电极61和离散电极81设置在中心半球谐振子91的外侧圆周，并与中心半球谐振子91之间形成间隙121，环形电极61设置在离散电极81上，并与离散电极81之间通过电极绝缘层71实现隔离，离散电极81设置在底座111上；
所述间隙121包括半球壳体92与环形电极61和离散电极81之间的空隙，以及底部支撑柱101与离散电极81之间的空隙，间隙121应保持在各个方向上的均匀性；
中心半球谐振子91的半球壳体92上部自由端至少与环形电极61上端面保持齐平。
如图4所示，环形电极61为整体电极，中心开孔，半球壳体92上部自由端设置在环形电极61中心孔内，并与环形电极61中心孔之间形成间隙121，并至少与环形电极61上端面保持齐平，环形电极61中心孔的内表面与半球壳体92的外表面形成一组极板电容。
如图5所示，离散电极81包括多个离散电极，分散、均匀分布在半球谐振子91的外侧圆周处，各个离散电极之间通过隔离槽82隔离，离散电极81的内表面与半球壳体92外表面之间形成间隙121；
离散电极81的数量及类型可根据需要进行设置，一般不少于8个，优选设置数量为2的整数倍；
离散电极81的内表面与半球壳体92的外表面组成若干组极板电容，由于离散电极81通过SOI基片的主体结构硅层加工而得，厚度较大，能够提供更大的初始电容，且电极间隙可通过牺牲层工艺形成，能够保证较高的精度和均匀性；
离散电极包括驱动电极、驱动反馈电极，检测电极以及检测反馈电极等，驱动电极与驱动反馈电极、检测电极与检测反馈电极相对布置，驱动电极与检测电极相隔布置；
例如，当离散电极的设置数量为8个时，离散电极81在某一角度位置上(如0°-180°和90°-270°方向)为驱动电极和驱动反馈电极，则与之相隔45°位置上(45°-225°和135°-315°方向)为检测电极和检测反馈电极。
如图6和图7所示，本发明一种SOI微半球陀螺敏感结构能够实现速率和速率积分(角度)两种工作模式。
如图6所示，速率模式一般通过驱动电极或驱动反馈电极维持精确的驱动模态振型(图6a)，当外界有角速率输入时，哥式力会激发检测模态振型(图6b)，进而引起与驱动电极相隔45°的检测电极或检测反馈电极的电容极板间隙发生变化，该电容变化的大小与外界输入角速率的大小存在一一对应关系，通过提取其变化即可实现对外界输入角速率信号的敏感。
速率模式在常规环境下能够满足测量精度要求，但当陀螺工作环境的动态范围较大时，存在线性度不足、大动态测量误差大等问题。
速率积分(角度)模式如图7所示，其中图7a为初始振型，图中201为基座，202为基座上标志位，211为半球壳体92的振型；如图7b所示，当基座201发生旋转时，处于谐振状态的半球壳体92的振型211存在一个进动角θ，角度θ与基座201的旋转角度(角度量Ψ)存在一一对应关系，通过检测半球壳体92振型211相对于基座201的进动角θ，可得到基座旋转的角度，即角度量Ψ，由此直接进行角度输出，从而获取高线性度和大动态测量范围。
速率积分模式中，基座201旋转时，半球壳体92的振型将相对基座201偏转，力的作用线随之改变，常规硅微半球陀螺敏感结构中，由于仅含有离散的驱动/检测电极，维持驱动振型的驱动力沿固定方向，难以跟踪振型偏转并持续补充振动能量、维持振幅稳定。
由于环形电极61与半球谐振子91之间的交变静电激振力方向始终沿着振幅最大处，并不断对半球谐振子91补充能量，维持谐振振幅恒定。同时，通过环形电极61与离散电极81共同作用，形成精确的振型211，当外界角速度输入时，振型211相对基座201产生进动，通过检测离散电极81对应的极板电容的交变幅度，即可获取进动角θ的大小，基于进动角和基座旋转角的对应关系，从而得到基座的旋转角度。该工作模式直接进行角度输出，避免了角速率的积分误差等环节，可确保高线性度和大动态测量范围。
如图8至图13，本发明还包括一种SOI微半球陀螺敏感结构的制造工艺；该制造工艺包括以下步骤：
步骤一、半球空腔刻蚀；
如图8所示，SOI基片包括浅硅层60、绝缘层70、主体结构硅层80，通过多步刻蚀形成半球型空腔72；
步骤二、牺牲层和多晶硅层沉积；
如图9所示，在半球型空腔72的内表面依次沉积牺牲层83和多晶硅层84；
步骤三、底部支撑柱制备；
如图10所示，在主体结构硅层80，半球型空腔72正下方经多步刻蚀形成圆柱孔，圆柱孔穿透牺牲层83，并在圆柱孔内填充多晶硅，形成底部支撑柱101；
步骤四、离散电极制备；
如图11a和11b所示，通过刻蚀在主体结构硅层80和底部支撑柱101之间形成隔离孔102，同时将主体结构硅层80按照需要刻蚀成一定数量的离散电极81，离散电极之间通过隔离槽82实现隔离；
步骤五、键合；
如图12所示，将步骤四完成的基片与底座111键合，实现固联；
步骤六、释放；
如图13所示，去除牺牲层83，进行结构释放，得到完整的SOI微半球陀螺敏感结构。
以上详细描述了一种SOI微半球陀螺敏感结构，在不脱离本发明的实质范围内，可以对本发明做一定的变形或修改，其结构特征也不限于实例中所公开的内容。

Claims (8)

1.一种SOI微半球陀螺敏感结构，其特征在于，该结构包括；中心半球谐振子、环形电极、电极绝缘层、离散电极和底座；中心半球谐振子为中心对称结构，包括半球壳体和底部支撑柱；底部支撑柱设置在半球壳体正下方，并与底座固定连接；环形电极和离散电极设置在中心半球谐振子的外侧圆周，并与中心半球谐振子之间形成间隙，环形电极设置在离散电极上，并与离散电极之间通过电极绝缘层实现隔离，离散电极设置在底座上；中心半球谐振子的半球壳体上部自由端至少与环形电极上端面保持齐平。
2.根据权利要求1所述的一种SOI微半球陀螺敏感结构，其特征在于：所述间隙包括半球壳体与环形电极和离散电极之间的空隙，以及底部支撑柱与离散电极之间的空隙，间隙在各个方向上保持均匀性。
3.根据权利要求1所述的一种SOI微半球陀螺敏感结构，其特征在于：所述环形电极为整体电极，中心开孔，半球壳体上部自由端设置在环形电极中心孔内，至少与环形电极上端面保持齐平，半球壳体与环形电极中心孔之间形成间隙，环形电极中心孔的内表面与半球壳体的外表面形成一组极板电容。
4.根据权利要求1或3所述的一种SOI微半球陀螺敏感结构，其特征在于：所述离散电极包括多个离散电极，多个离散电极分散、均匀分布在半球谐振子的外侧圆周处，各个离散电极之间通过隔离槽隔离，离散电极的内表面与中心半球谐振子外表面之间形成间隙，每个离散电极的内表面与半球壳体的外表面形成一组极板电容。
5.根据权利要求4所述的一种SOI微半球陀螺敏感结构，其特征在于：所述离散电极的数量及类型可根据需要进行设置，设置数量为2的整数倍，并且设置数量不少于8个。
6.根据权利要求4所述的一种SOI微半球陀螺敏感结构，其特征在于：所述离散电极包括驱动电极、驱动反馈电极，检测电极以及检测反馈电极，驱动电极与驱动反馈电极、检测电极与检测反馈电极相对布置，驱动电极与检测电极相隔布置。
7.根据权利要求6所述的一种SOI微半球陀螺敏感结构，其特征在于：当离散电极的设置数量为8个时，离散电极在0°、180°方向设置为驱动电极和驱动反馈电极，离散电极在90°、270°方向设置为驱动电极和驱动反馈电极，离散电极在45°、225°方向设置为检测电极和检测反馈电极，离散电极在135°、315°方向设置为检测电极和检测反馈电极。
8.一种制造权利要求1、2、3、5、6或7任一所述的SOI微半球陀螺敏感结构的工艺，其特征在于：该制造工艺包括以下步骤：步骤一、半球空腔刻蚀；SOI基片包括浅硅层、绝缘层、主体结构硅层，通过多步刻蚀形成半球型空腔；步骤二、牺牲层和多晶硅层沉积；在半球型空腔的内表面依次沉积牺牲层和多晶硅层；步骤三、底部支撑柱制备；在主体结构硅层，半球型空腔正下方经多步刻蚀形成圆柱孔，圆柱孔穿透牺牲层，并在圆柱孔内填充多晶硅，形成底部支撑柱；步骤四、离散电极制备；通过刻蚀在主体结构硅层和底部支撑柱之间形成隔离孔，同时将主体结构硅层按照需要刻蚀成一定数量的离散电极，离散电极之间通过隔离槽实现隔离；步骤五、键合；将步骤四完成的SOI基片与底座键合，实现固联；步骤六、释放；去除牺牲层，进行结构释放，得到完整的SOI微半球陀螺敏感结构。
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