CN109579811A - 一种采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺及其制备方法，蝶翼式微陀螺包括硅电极基板、硅盖板以及带有振动梁的硅敏感结构，所述硅敏感结构的振动梁为以用于制备硅敏感结构的SOI硅片为原材料采用湿法腐蚀和干法刻蚀相结合制成的多边形振动梁，所述多边形振动梁的主轴方位角不等于90°；制备方法包括以SOI硅片为原材料，采用湿法腐蚀和干法刻蚀相互结合的加工工艺方法制备蝶翼式微陀螺。本发明能够实现微陀螺主轴方位角的灵活配置，同时实现减小加工工艺误差对微陀螺性能的影响，具有容差能力高、加工工艺简单、加工质量高、加工鲁棒性好、稳定性好、应用范围广的优点。

Description

一种采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺及其制备方法

技术领域

本发明涉及硅微传感器及及其硅微陀螺技术，具体涉及一种采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺及其制备方法。

背景技术

陀螺仪是测量载体相对惯性空间旋转运动的传感器，是运动测量、惯性导航、制导控制等领域的核心器件，在航空航天、智能机器人、制导弹药等高端工业装备和精确打击武器中具有非常重要的应用价值。MEMS陀螺仪主要有机械转子陀螺、静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和微机电陀螺等类型。机械转子陀螺和静电陀螺精度最高，但价格非常昂贵，启动时间长。激光陀螺和光纤陀螺能够达到惯性级水平，但体积难以新型、价格高、难以满足大批量、新型战术武器的需求。基于微机电系统的MEMS陀螺仪具有体积小、成本低、可靠性高、功耗低、寿命长、可批量生产、价格便宜等特点，特别适用于需求量大、追求成本低的场合，在大批量和小体积的工业和武器装备应用中具有先天优势，因此在过去的几十年受到了各国的高度重视。

目前，微机电系统的MEMS陀螺仪中研究完整度最高、性能最稳定、且工艺制备技术成熟的陀螺，以梳齿式和平板式电容微陀螺仪为主。其中梳齿式陀螺仪，该类型陀螺的梳齿要求具有很高的深宽比，因此加工工艺复杂，具有较高的生产成本。而平板式电容微陀螺具有结构简单、加工工艺简单、成本低、性能稳定、可靠性高等优势，适用于大批量化生产，应用广泛而受到普遍重视。尽管微机电平板式电容微陀螺已经变为重要的惯性器件并且取得了突破性的发展，但市场上高新设备的不断发展对其性能提出了更高的要求，因此如何结合现有的设计工艺制造探索结构简单、制造高效、性能卓越的微陀螺具有重要的现实意义。

国内外研究这种微机电平板式电容微陀螺较为成熟的单位包括sensonor公司，其发表的关于微机电平板式电容微陀螺的结构设计的专利，其中包含有硅微陀螺振动梁设计，如图1所示，其中a表示斜梁上端宽度，b表示梁宽度，h表示干法刻蚀深度，H表示梁高度，θ表示干法刻蚀倾斜角。该振动梁截面形状采用干法刻蚀加工工艺。具体的凸边形振动梁加工工艺步骤如下，首先硅片结构层采用干法刻蚀工艺加工出凸边形振动梁的两个矩形凹槽，之后与底部电极键合后，在结构层背面采用干法刻蚀工艺得到凸边形振动梁的竖直侧壁。该振动梁截面形状存在的不足之处主要在于两个方面，其一是采用干法刻蚀工艺加工出来凸形梁的凹槽底部面粗糙度较大，并且干法刻蚀工艺加工的竖直侧壁存在陡直度倾角误差。其二是该凸形梁截面易受到加工误差的影响，尺寸偏差对截面主轴方位角影响程度高，截面容差能力不强，加工误差难以控制，加工难度大。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够提升微陀螺主轴方位角的同时加工工艺误差对性能的影响较小，容差能力高、加工工艺简单、加工质量高、加工鲁棒性好、稳定性好、应用范围广的采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺，包括硅电极基板、硅盖板以及带有振动梁的硅敏感结构，所述硅敏感结构的振动梁为以用于制备硅敏感结构的SOI硅片为原材料采用湿法腐蚀和干法刻蚀相结合制成的多边形振动梁，所述多边形振动梁的主轴方位角不等于90°。

优选地，所述多边形振动梁的横截面为六边形或五边形，所述多边形振动梁的一侧的至少一端设有采用湿法腐蚀形成的斜壁、另一侧的两端均为采用干法刻蚀形成的直壁。

优选地，所述多边形振动梁的中部设有应力释放结构。

优选地，所述应力释放结构包括和多边形振动梁交叉垂直布置的应力释放框，所述应力释放框的中部设有沿应力释放框的长度方向布置的应力释放长槽，所述应力释放长槽的两侧各设有一对相对多边形振动梁对称布置的应力释放短槽，且所述应力释放长槽两侧的应力释放短槽相对应力释放长槽相互对称布置。

优选地，所述硅敏感结构包括固定框架，所述多边形振动梁设于固定框架中，所述固定框架中还设有通过多边形振动梁连接到固定框架上的四件作为活动电容板的敏感质量块。

优选地，所述固定框架的中部位于多边形振动梁的两侧各设有一个通孔区域，各通孔区域内均布置有一对敏感质量块，且所述四个敏感质量块相对多边形振动梁呈对称布置。

优选地，所述硅电极基板上设有平面电极以及与四个敏感质量块一一对应且相对间隙设置的固定电容板，所述固定电容板包括间隙布置的驱动电容板和检测电容板，所述驱动电容板和检测电容板分别与平面电极相连。

优选地，每一组固定电容板包括一块检测电容板和两块驱动电容板，且一块检测电容板和两块驱动电容板呈品字形分布，两块驱动电容板对称布置于检测电容板的同一侧，四块检测电容板分别具有独立的平面电极，对应多边形振动梁对称分布的两块驱动电容板具有同一根平面电极。

优选地，所述敏感质量块上设有多个均匀布置的导通小孔。

本发明还提供一种前述采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺的制备方法，实施步骤包括：

1）准备用于制作硅敏感结构的第一SOI硅片；

2）对第一SOI硅片的衬底硅进行湿法腐蚀得到多边形振动梁结构；

3）准备用于制作硅电极基板的第二SOI硅片；

4）对第二SOI硅片进行电极间隙深度的干法刻蚀，刻蚀出电极的锚点位置，制作出蝶翼式微陀螺的电极间隙；

5）对第二SOI硅片进一步进行干法刻蚀，直至埋氧层，干法刻蚀出蝶翼式微陀螺的电极结构、键合凸台、电极引线；

6）采用“硅-硅”低应力键合技术，将第一SOI硅片、第二SOI硅片键合实现固连；

7）去除键合后的第一SOI硅片的上层指定厚度；

8）采用高精度双面光刻图形对准技术，在键合后的第一SOI硅片上进行光刻，形成与步骤2）的多边形振动梁结构图像重叠的图案，进行干法刻蚀并将其刻穿，得到硅敏感结构；

9）选用双抛硅片制备用于构成硅盖板的封装盖帽；

10）根据蝶翼式硅微陀螺的硅敏感结构的尺寸，针对封装盖帽刻蚀出真空密封的内部腔体，设定浆料键合环宽度以及玻璃浆料键合时与敏感结构和电极引线之间的距离，得到硅盖板；

11）在硅盖板的底部电极引线位置增加玻璃浆料，用于形成密封圈；

12）利用玻璃浆料键合技术，将硅盖板与结构封装，最终实现蝶翼式微陀螺的圆片级真空封装。

本发明采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺具有下述优点：

1、本发明的多边形振动梁设计，能够在灵活配置微陀螺主轴方位角的同时，降低各类加工工艺误差对微陀螺性能的影响，该振动梁截面具有很高的容差能力，对加工工艺误差的容忍能力较强，能减小工艺制造误差对振动梁结构截面尺寸和陀螺的性能影响程度，提高振动梁的实际加工性能效果和设计值匹配度较高。

2、本发明进一步在多边形振动梁的中部设有应力释放结构，不仅综合考虑结构小型化设计和抗冲击能力，并且具有良好的应力释放效果，能够实现降低结构应力，提高结构鲁棒性，提高敏感结构灵敏度的设计目的。

3、本发明的多边形振动梁的蝶翼式微陀螺包括硅敏感结构、硅电极基板和硅盖板，硅敏感结构夹持布置于硅电极基板和硅盖板之间形成三层结构，硅敏感结构包括固定框架，固定框架的中部设有多边形振动梁和四件作为活动电容板的敏感质量块，硅电极基板上设有平面电极以及与四个敏感质量块一一对应且相对间隙设置的固定电容板，大幅减小蝶翼式微陀螺敏感结构的整体体积，具有加工工艺简单、加工质量高、加工鲁棒性好、稳定性好、应用范围广的优点。

本发明采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺的制备方法具有下述优点：本发明采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺的制备方法采用湿法腐蚀和干法刻蚀结合加工工艺，“硅-硅”低应力键合技术，实现全硅多边形振动梁蝶翼式微陀螺加工，能够充分、有效合理利用各加工工艺的优势，实现整体蝶翼式微陀螺的加工，并保证了较高的加工精度，具有加工工艺简单、加工质量高、加工鲁棒性好、稳定性好、应用范围广的优点。

附图说明

图1为现有技术的凸形振动梁的截面结构示意图。

图2为本发明实施例一的立体分解结构示意图。

图3为本发明实施例一中多边形振动梁的截面结构示意图。

图4为本发明实施例一中多边形振动梁的截面结构参数示意图。

图5为本发明实施例一中多边形振动梁和凸形振动梁的误差对比曲线示意图。

图6为本发明实施例一中硅敏感结构的立体结构示意图。

图7为图5中应力释放结构部分的局部放大结构示意图。

图8为本发明实施例一硅电极基板的立体结构示意图。

图9为本发明实施例一硅敏感结构的驱动模态振型图。

图10为本发明实施例一硅敏感结构的检测模态振型图。

图11为本发明实施例一的制备原理示意图。

图12为本发明实施例二的多边形振动梁截面结构示意图。

图13为本发明实施例三的多边形振动梁截面结构示意图。

图14为本发明实施例四的多边形振动梁截面结构示意图。

图例说明：1、硅电极基板；11、平面电极；12、固定电容板；121、驱动电容板；122、检测电容板；2、硅敏感结构；21、固定框架；22、多边形振动梁；23、敏感质量块；231、导通小孔；24、应力释放结构；241、应力释放框；242、应力释放长槽；243、应力释放短槽；3、硅盖板。

具体实施方式

实施例一：

如图2和图3所示，本实施例采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺包括硅电极基板1、硅盖板3以及带有振动梁的硅敏感结构2，硅敏感结构2的振动梁为以用于制备硅敏感结构2的SOI硅片为原材料采用湿法腐蚀和干法刻蚀相结合制成的多边形振动梁22，多边形振动梁22的主轴方位角不等于90°。在蝶翼式微陀螺的硅敏感结构2中，振动梁是硅敏感结构2中重要的部分，振动梁的刚度决定驱动和检测模态频率及振动梁的运动特性，而振动梁的刚度与振动梁截面形状紧密联系，因此对振动梁的截面形状进行优化设计，可以获得较高的灵敏度，提高蝶翼式微陀螺的检测性能。对于振动梁的加工精度要求高，工艺制造误差对振动梁结构截面尺寸和陀螺的性能影响显著。因此，设计具有较高容差能力的振动梁截面，减小工艺偏差对陀螺性能的影响。本实施例中，硅敏感结构2的敏感结构工作时会产生水平方向的弯矩，通过设计主轴方位角不为90°的振动梁结构，使得多边形振动梁22的截面产生倾斜的弯曲主轴，通过设计主轴方位角不为90°的振动梁结构，弯矩将在振动梁弯曲主轴方向上产生分量，驱动蝶翼式微陀螺的工作模态，采用多边形振动梁22的截面设计方案可以实现弯曲主轴的灵活配置，且该多边形振动梁22的截面对加工工艺误差具有较高的容差能力，并且不存在尺寸突变可以避免应力集中现象。

多边形振动梁22的刚度决定驱动和检测模态频率及振动梁的运动特性，而多边形振动梁22的刚度与振动梁截面形状紧密联系，因此对微陀螺振动梁截面形状进行优化设计，可以获得较高的灵敏度，提高微陀螺的检测性能。如图3和图4所示，本实施例中的多边形振动梁22的横截面为六边形，多边形振动梁22的一侧的至少一端设有采用湿法腐蚀形成的斜壁、另一侧的两端均为采用干法刻蚀形成的直壁。参见图3，多边形振动梁22的一侧（a边侧）的两端分别设有采用湿法腐蚀形成的斜壁a₁和a₂、另一侧（b边侧）的两端均为采用干法刻蚀形成的直壁b₁和b₂。对比图1，其中a表示斜梁上端宽度，b表示梁宽度，h表示湿法腐蚀深度，H表示梁高度，θ表示干法刻蚀倾斜角，表示湿法腐蚀倾斜角。基于上述参数，可保证本实施例的多边形振动梁22和截面如图1所示的现有技术的凸形振动梁各基本参数尺寸一致，在同一主轴方位角下，讨论工艺过程中各尺寸参数偏差，对截面主轴方位角的影响程度。目前，一般微陀螺的振动梁采用湿法腐蚀预掩埋制备工艺制备，而本实施例巧妙的利用湿法-干法刻蚀工艺的结合，在多边形振动梁11一端的两侧为采用干法刻蚀工艺刻蚀、另一端采用湿法腐蚀工艺腐蚀，从而得到至少一个斜侧壁的六边形结构的多边形振动梁11，能够有效提升微陀螺主轴方位角，增强陀螺的带宽，扩大陀螺的检测角速度范围，各类加工工艺误差对其性能的影响较小，具有很高的容差能力，不存在尺寸突变的问题，而且可以避免应力集中现象。而且，通过改变湿法腐蚀缺角的位置，可以实现弯曲主轴方位角的灵活配置，且结构设计紧凑，大幅减小蝶翼式微陀螺敏感结构的整体体积。

基于相同参数，将本实施例的多边形振动梁22和截面如图1所示的现有技术的凸形振动梁进行了误差对比，分别讨论不同的加工误差对多边形振动梁截面和凸形振动梁截面主轴方位角的影响程度，根据加工工艺经验，选取对应加工误差类型可能存在的尺寸偏差变化范围，在不同主轴方位角的情况下，每个点表示在该主轴方位角下，不同尺寸误差对截面主轴方位角的影响程度。主要的对比误差包括：对准误差、硅片厚度误差、刻蚀深度误差、侧壁倾角误差、上端尺寸误差和截面宽度误差。最终，得到的结果如图5(a)-(f)所示，根据图5(a)-(f)可以获得截面整体的一个变化趋势，矩形点曲线表示的是多边形截面变化（本实施例的多边形振动梁22）趋势，圆形点曲线表示的是凸形截面（图1所示的现有技术的凸形振动梁）的变化趋势。根据图5(a)-(f)所示的对比结果可知，本实施例的多边形振动梁22相对于图1所示现有技术的凸形振动梁截面对截面各尺寸参数偏差对主轴方位角的影响程度较小。在一定的尺寸偏差范围内，本实施例的多边形振动梁22的截面的主轴方位角变化程度小，与设计的理想数值偏差不大，最终对微陀螺的性能影响程度也较小。

如图6所示，硅敏感结构2包括固定框架21，多边形振动梁22设于固定框架21中，固定框架21中还设有通过多边形振动梁22连接到固定框架21上的四件作为活动电容板的敏感质量块23。

如图6所示，固定框架21的中部位于多边形振动梁22的两侧各设有一个通孔区域，各通孔区域内均布置有一对敏感质量块23，且四个敏感质量块23相对多边形振动梁22呈对称布置，从而使得四个敏感质量块22形成了蝶翼式结构，配合硅电极基板1上一一对应的固定电容板12构成差分电容，对测得的数据进行适当解算即可解算出两个轴向的加速度，其设计简单，安装定位方便、误差小，温度特性好，在一定量程范围内具有很高的线性度、灵敏度，并能有效提高系统鲁棒性，成本低廉。本实施例中，四个敏感质量块23分别通过悬臂梁与多边形振动梁22相连，且悬臂梁的横截面为矩形。

如图6所示，敏感质量块23上设有多个均匀布置的导通小孔231。本实施例采用多边形振动梁和平面电极布局的微陀螺在驱动模态、检测模态都会朝着垂直于平板方向运动，存在压膜阻尼，因此在敏感质量块23上设有多个均匀布置的导通小孔231，能够有效减小由于非完全真空度封装而存在的空气阻尼。

蝶翼式微陀螺加工及使用过程中要经历高低温或热循环等多个工艺环节，这会不可避免的导致结构内部产生残余热应力并严重影响结构力学特性。因此需要在蝶翼式微陀螺敏感结构中增加应力释放结构，实现降低结构应力，提高结构鲁棒性，提高敏感结构灵敏度的目的。因此在微陀螺结构设计中添加应力释放结构，可以有效减小结构应力，提高陀螺性能。如图2和图6所示，多边形振动梁22的中部设有应力释放结构24。该蝶翼式微陀螺通过在多边形振动梁22上放置应力释放结构24，在增强蝶翼式微陀螺的环境适应性的同时，降低应力对蝶翼式微陀螺整体性能的影响。在结构设计中，在多边形振动梁22上放置应力释放结构24，利用应力释放结构24在水平竖向上梁的柔性，当蝶翼式微陀螺受到热应力的时候，多边形振动梁22可以较为自由地横向伸缩，使得多边形振动梁22的截面几乎保持不变，从而不改变多边形振动梁22的特性，有效地降低热应力影响，改善蝶翼式微陀螺的振动梁应力集中现象，有效提升微陀螺的性能。

如图7所示，应力释放结构24包括和多边形振动梁22交叉垂直布置的应力释放框241，应力释放框241的中部设有沿应力释放框241的长度方向布置的应力释放长槽242，应力释放长槽242的两侧各设有一对相对多边形振动梁22对称布置的应力释放短槽243，且应力释放长槽242两侧的应力释放短槽243相对应力释放长槽242相互对称布置，利用应力释放框241在水平竖向上梁的柔性，当陀螺结构受到热应力的时候，多边形振动梁22可以较为自由地横向伸缩，使得梁的截面几乎保持不变，从而不改变矩形截面梁的特性，有效地降低热应力影响，能够实现多边形振动梁22在各个方向自由地横向伸缩以释放蝶翼式微陀螺受到的热应力。应力释放框241及其应力释放长槽242、应力释放短槽243均采用干法刻蚀工艺制备而成，加工简单方便。

为了验证应力释放结构24的效果，本实施例中分别对本实施例中的蝶翼式微陀螺具有应力释放结构24和无应力释放结构24进行热应力仿真分析，在全温区（-40°~+60°）范围内，观察温度变化状态下，微陀螺驱动和检测频率的变化情况，对比应力释放效果。具有应力释放结构24时，蝶翼式微陀螺的全温区驱动频率变化7.9Hz，检测频率7.4Hz；无应力释放结构24时，蝶翼式微陀螺的全温区驱动频率变化164.4Hz，检测频率6.1Hz。从对比数据可以看出，具有应力释放结构24的蝶翼式微陀螺具有较小的频率变化，有效减小热应力对结构频率的影响。本实施例所设计的应力释放结构24不仅综合考虑结构小型化设计和抗冲击能力，并且具有良好的应力释放效果，因此有必要在多边形振动梁22上放置应力释放结构24。

如图8所示，硅电极基板1上设有平面电极11以及与四个敏感质量块23一一对应且相对间隙设置的固定电容板12，固定电容板12包括间隙布置的驱动电容板121和检测电容板122，驱动电容板121和检测电容板122分别与平面电极11相连。

如图8所示，每一组固定电容板12包括一块检测电容板122和两块驱动电容板121，且一块检测电容板122和两块驱动电容板121呈品字形分布，两块驱动电容板121对称布置于检测电容板122的同一侧，四块检测电容板122分别具有独立的平面电极11，对应多边形振动梁22对称分布的两块驱动电容板121具有同一根平面电极。

本实施例中，硅电极基板1、硅敏感结构2以及硅盖板3均采用硅制成，因此能够有效减小陀螺键合应力和热应力。硅电极基板1、硅敏感结构2以SOI硅片为原材料，采用湿法腐蚀和干法刻蚀相互结合的加工工艺方法制成，硅敏感结构2夹持布置于硅电极基板1、硅盖板3之间形成三层结构，硅电极基板1和硅敏感结构2之间采用“硅-硅”低应力键合技术连接，再将硅盖板3采用玻璃浆料键合技技术装配在顶部即可。

如图9所示，本实施例采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺的制备方法的实施步骤包括：

1）准备用于制作硅敏感结构2的第一SOI硅片，如图11（1）所示；本实施例中，第一SOI硅片为定制的6英寸SOI硅片；

2）对第一SOI硅片的衬底硅进行湿法腐蚀得到多边形振动梁结构，如图11（2）所示；

3）准备用于制作硅电极基板1的第二SOI硅片，如图11（3）所示；本实施例中，第二SOI硅片为定制的6英寸SOI硅片；

4）对第二SOI硅片进行电极间隙深度的干法刻蚀，刻蚀出电极的锚点位置，制作出蝶翼式微陀螺的电极间隙，如图11（4）所示；

5）对第二SOI硅片进一步进行干法刻蚀，直至埋氧层，干法刻蚀出蝶翼式微陀螺的电极结构、键合凸台、电极引线，如图11（5）所示；

6）采用“硅-硅”低应力键合技术，将第一SOI硅片、第二SOI硅片键合实现固连，如图11（6）所示；

7）去除键合后的第一SOI硅片的上层指定厚度，如图11（7）所示；

8）采用高精度双面光刻图形对准技术，在键合后的第一SOI硅片上进行光刻，形成与步骤2）的多边形振动梁结构图像重叠的图案，进行干法刻蚀并将其刻穿，得到硅敏感结构2，如图11（8）所示；

9）选用双抛硅片制备用于构成硅盖板3的封装盖帽，如图11（9）所示；

10）根据蝶翼式硅微陀螺的硅敏感结构2的尺寸，针对封装盖帽刻蚀出真空密封的内部腔体，设定浆料键合环宽度以及玻璃浆料键合时与敏感结构和电极引线之间的距离，得到硅盖板3，如图11（10）所示；本实施例中，根据微陀螺敏感结构的尺寸，刻蚀出真空密封的内部腔体，浆料键合环宽度为300µm，玻璃浆料键合时与敏感结构和电极引线之间分别为100µm的距离；

11）在硅盖板（3）的底部电极引线位置增加玻璃浆料，用于形成密封圈，如图11（11）所示；

12）利用玻璃浆料键合技术，将硅盖板3与结构封装，最终实现蝶翼式微陀螺的圆片级真空封装，如图11（12）所示。

如图10所示，在蝶翼式微陀螺的驱动模态下，当蝶翼式微陀螺受到静电力矩的作用时，多边形振动梁22发生弯曲，在多边形振动梁22的弯曲主轴方向产生力矩分量，激励微陀螺产生驱动模态的振动，四个敏感质量块23在水平方向都发生偏转，同时，由于多边形振动梁22截面为不对称六边形，当多边形振动梁22发生水平弯曲的同时也会使敏感质量块23在垂直方向上也产生较明显的位移分量，从而使得对应的电容发生明显变化。

如图11所示，在蝶翼式微陀螺的检测模态下，当蝶翼式微陀螺受到垂直于多边形振动梁22的角速度输入时，敏感质量块23将产生一对方向相反并垂直于微陀螺平面的哥式力，哥式力形成的扭转作用在多边形振动梁22上，将产生检测模态振动。四个敏感质量块23在垂直方向上都产生位移，从而使得对应的电容发生变化。

根据硅敏感结构2所采用的制备工艺，可以将振动梁的截面形状分为以下三种类型：（I）单纯采用湿法腐蚀的制备工艺可以得到平行四边形和斜多边形振动梁截面，但是主轴方位角被局限在54°左右，太小的主轴方位角会导致敏感结构驱动振动的幅值受电容间隙限制，制约了敏感结构灵敏度提升，并且无法将结构尺寸缩减。（II）采用干法刻蚀工艺，纯干法刻蚀工艺可以生成L形、凸形梁截面；（III）湿法干法工艺结合可以生成六边形梁、五边形梁、三角形梁和尖角六边形梁。L形梁是凸形梁的极限情况，而六边形梁是其他三种梁是的极限情况。因此，着重对凸形和多边形振动梁截面进行容差能力分析。通过对多边形振动梁截面和凸形振动梁截面进行各加工误差导致的截面尺寸参数偏差对截面主轴方位角的影响程度，对比结果可知，多边形振动梁截面具有更强的容差能力，对尺寸参数偏差的敏感程度更低。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，其主要不同点为多边形振动梁22的形状不同。如图12所示，本实施例中多边形振动梁22的横截面为五边形，多边形振动梁22的一侧（a边侧）的一端分别设有采用湿法腐蚀形成的斜壁a₁、另一侧（b边侧）的两端均为采用干法刻蚀形成的直壁b₁和b₂，a边侧的另一端则为采用干法刻蚀形成的直壁a₂。

实施例三：

本实施例与实施例一基本相同，其主要不同点为多边形振动梁22的形状不同。如图13所示，本实施例中多边形振动梁22的横截面为四边形，多边形振动梁22的一侧（a边侧）的宽度为0，且a边侧的一端分别设有采用湿法腐蚀形成的斜壁a₁、另一侧（b边侧）的两端均为采用干法刻蚀形成的直壁b₁和b₂，a边侧的另一端则为采用干法刻蚀形成的直壁a₂。

实施例四：

本实施例与实施例一基本相同，其主要不同点为多边形振动梁22的形状不同。如图14所示，本实施例中多边形振动梁22的横截面为五边形，多边形振动梁22的一侧（a边侧）的宽度为0，且a边侧的一端分别设有采用湿法腐蚀形成的斜壁a₁和a₂、另一侧（b边侧）的两端均为采用干法刻蚀形成的直壁b₁和b₂。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺，包括硅电极基板(1)、硅盖板(3)以及带有振动梁的硅敏感结构(2)，其特征在于：所述硅敏感结构(2)的振动梁为以用于制备硅敏感结构(2)的SOI硅片为原材料采用湿法腐蚀和干法刻蚀相结合制成的多边形振动梁(22)，所述多边形振动梁(22)的主轴方位角不等于90°。

2.根据权利要求1所述的采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺，其特征在于：所述多边形振动梁(22)的横截面为六边形或五边形，所述多边形振动梁(22)的一侧的至少一端设有采用湿法腐蚀形成的斜壁、另一侧的两端均为采用干法刻蚀形成的直壁。

3.根据权利要求1所述的采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺，其特征在于：所述多边形振动梁(22)的中部设有应力释放结构(24)。

4.根据权利要求3所述的采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺，其特征在于：所述应力释放结构(24)包括和多边形振动梁(22)交叉垂直布置的应力释放框(241)，所述应力释放框(241)的中部设有沿应力释放框(241)的长度方向布置的应力释放长槽(242)，所述应力释放长槽(242)的两侧各设有一对相对多边形振动梁(22)对称布置的应力释放短槽(243)，且所述应力释放长槽(242)两侧的应力释放短槽(243)相对应力释放长槽(242)相互对称布置。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺，其特征在于：所述硅敏感结构(2)包括固定框架(21)，所述多边形振动梁(22)设于固定框架(21)中，所述固定框架(21)中还设有通过多边形振动梁(22)连接到固定框架(21)上的四件作为活动电容板的敏感质量块(23)。

6.根据权利要求5所述的采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺，其特征在于：所述固定框架(21)的中部位于多边形振动梁(22)的两侧各设有一个通孔区域，各通孔区域内均布置有一对敏感质量块(23)，且所述四个敏感质量块(23)相对多边形振动梁(22)呈对称布置。

7.根据权利要求6所述的采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺，其特征在于：所述硅电极基板(1)上设有平面电极(11)以及与四个敏感质量块(23)一一对应且相对间隙设置的固定电容板(12)，所述固定电容板(12)包括间隙布置的驱动电容板(121)和检测电容板(122)，所述驱动电容板(121)和检测电容板(122)分别与平面电极(11)相连。

8.根据权利要求7所述的采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺，其特征在于：每一组固定电容板(12)包括一块检测电容板(122)和两块驱动电容板(121)，且一块检测电容板(122)和两块驱动电容板(121)呈品字形分布，两块驱动电容板(121)对称布置于检测电容板(122)的同一侧，四块检测电容板(122)分别具有独立的平面电极(11)，对应多边形振动梁(22)对称分布的两块驱动电容板(121)具有同一根平面电极。

9.根据权利要求8所述的采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺，其特征在于：所述敏感质量块(23)上设有多个均匀布置的导通小孔(231)。

10.一种权利要求1～9中任意一项所述采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺的制备方法，其特征在于实施步骤包括：

1)准备用于制作硅敏感结构(2)的第一SOI硅片；

2)对第一SOI硅片的衬底硅进行湿法腐蚀得到多边形振动梁结构；

3)准备用于制作硅电极基板(1)的第二SOI硅片；

4)对第二SOI硅片进行电极间隙深度的干法刻蚀，刻蚀出电极的锚点位置，制作出蝶翼式微陀螺的电极间隙；

5)对第二SOI硅片进一步进行干法刻蚀，直至埋氧层，干法刻蚀出蝶翼式微陀螺的电极结构、键合凸台、电极引线；

6)采用“硅-硅”低应力键合技术，将第一SOI硅片、第二SOI硅片键合实现固连；

7)去除键合后的第一SOI硅片的上层指定厚度；

8)采用高精度双面光刻图形对准技术，在键合后的第一SOI硅片上进行光刻，形成与步骤2)的多边形振动梁结构图像重叠的图案，进行干法刻蚀并将其刻穿，得到硅敏感结构(2)；

9)选用双抛硅片制备用于构成硅盖板(3)的封装盖帽；

10)根据蝶翼式硅微陀螺的硅敏感结构(2)的尺寸，针对封装盖帽刻蚀出真空密封的内部腔体，设定浆料键合环宽度以及玻璃浆料键合时与敏感结构和电极引线之间的距离，得到硅盖板(3)；

11)在硅盖板(3)的底部电极引线位置增加玻璃浆料，用于形成密封圈；

12)利用玻璃浆料键合技术，将硅盖板(3)与结构封装，最终实现蝶翼式微陀螺的圆片级真空封装。