專利名稱：具有三角形振子的硅微陀螺儀及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機電技術(shù)領(lǐng)域的微陀螺及其制作方法，具體地說，涉及的是一種具有三角形振子的硅微陀螺儀及其制作方法。
背景技術(shù)：
陀螺儀是一種能夠敏感載體角度或角速度的慣性器件，在姿態(tài)控制和導(dǎo)航定位等領(lǐng)域有著非常重要的作用。隨著國防科技和航空、航天工業(yè)的發(fā)展，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對于陀螺儀的要求也向低成本、小體積、高精度、高可靠性、能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的方向發(fā)展。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利“容性體聲波陀螺儀”(專利申請?zhí)?200680054450. 2)利用(100)硅片和(111)硅片上加工出具有圓盤狀振子和環(huán)形電極的體聲波陀螺儀，通過在環(huán)形電極上施加一定頻率的電壓信號，對振子施加靜電力，激勵振子產(chǎn)生體聲波諧振模，當有角速度輸入時，振子在科氏力作用下向另一簡并的體聲波諧振模轉(zhuǎn)化，兩個簡并的體聲波諧振模之間相差一定的角度，通過檢測環(huán)形電極和振子間電容的變化即可檢測輸入角速度的變化。此技術(shù)存在如下不足該容性體聲波陀螺儀環(huán)形電極和圓盤狀振子之間的電容間隙只有200nm，圓盤厚40 μ m，其深寬比高達200:1，電容間隙加工困難，且由于間隙小，側(cè)壁表面粗糙度精度難以控制，工作過程中容易引起隧穿。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有三角形振子的硅微陀螺儀及其制作方法，該陀螺體積小，結(jié)構(gòu)簡單，加工工藝易于實現(xiàn)，能夠同CMOS工藝兼容，抗沖擊， 不需要真空封裝，適用于批量化生產(chǎn)。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
本發(fā)明提供一種具有三角形振子的硅微陀螺儀，它包括一個具有三個振動梁的等邊三角形振子，與振動梁平行且有一定間隙的驅(qū)動電極，與振動梁平行且有一定間隙的檢測電極和一個用于固定于載體上的基板。所述三角形振子由三個首尾相接的振動梁，三個輪輻狀的支撐梁以及一個圓柱形的支撐柱組成。所述驅(qū)動電極共有三個，分別與等邊三角形振子的三個振動梁平行，且有一定間隙，處于振動梁中點位置處，每個驅(qū)動電極和振動梁組成一個電容。所述檢測電極共有三對，分別位于驅(qū)動電極的兩側(cè)且與驅(qū)動梁平行，每對檢測電極和振動梁組成一對差分電容。所述驅(qū)動電極用于向三角形振子施加靜電力驅(qū)動振子產(chǎn)生驅(qū)動模態(tài)，檢測電極用于檢測垂直于基底表面方向(ζ軸)角速度的變化。所述基板為圓盤狀，材料為玻璃，三角形振子、驅(qū)動電極和檢測電極都固定在基板上面。
所述三角形振子的三個振動梁為等邊三角形的三個邊，三個支撐梁分別連接等邊三角形的三個頂點和等邊三角形外接圓的圓心，圓柱形的支撐位于三角形外接圓圓心處， 下端固定在基板上。所述三個驅(qū)動電極和六個檢測電極分別沿與三個振動梁平行的方向配置，且與振動梁之間有一定間隙，每個驅(qū)動電極兩側(cè)分別是兩個與驅(qū)動梁平行的檢測電極，驅(qū)動電極和檢測電極都固定在基板上。本發(fā)明還提供一種上述具有三角形振子的硅微陀螺儀的制作方法，包括如下步驟
(a)將硅片清洗干凈，烘干，然后在硅片的單面濺射一層幾微米厚的金屬鋁；
(b)利用鋁作為掩膜，在鋁表面旋涂一層光刻膠，利用制作好的掩模板對光刻膠進行光刻，顯影，然后圖形化鋁掩膜，最后利用深度反應(yīng)離子刻蝕深刻蝕出驅(qū)動電極、檢測電極和圓柱形支撐結(jié)構(gòu)；
(c)將上一步中的鋁掩膜去除，清洗并烘干硅片，對上一步中硅片刻蝕出的腔室進行氧化，制作一層氧化硅保護層，保護已制作好的支撐結(jié)構(gòu)；
(d)利用陽極鍵合的方法通過靜電力將硅片和清洗干凈的玻璃基底鍵合在一起；
(e)在硅的另一面濺射金屬鋁作為掩膜，在鋁表面旋涂一層光刻膠，利用制作好的掩模板對光刻膠進行光刻，顯影，然后圖形化鋁掩膜，最后利用深度反應(yīng)離子刻蝕釋放出三角形振子和三角形分布的驅(qū)動電極和檢測電極。本發(fā)明利用具有三個振動梁的等邊三角形振子的特殊模態(tài)作為參考振動，在該模態(tài)下三個振動梁沿垂直于三角形三邊的方向振動。通過在與振動梁平行且有一定間隙的驅(qū)動電極上施加電壓對振子施加靜電力激勵振子產(chǎn)生驅(qū)動模態(tài)。當有垂直于基底表面(ζ軸) 的角速度輸入時，在科氏力作用下，陀螺振子受到一個旋轉(zhuǎn)力矩的作用，三角形振子會沿垂直于基底表面(ζ軸)的方向繞圓柱形支撐柱旋轉(zhuǎn)一定的角度。其中，旋轉(zhuǎn)的角度大小同輸入角速度的大小成正比。通過檢測與振動梁平衡的檢測電極與三角形振子的振動梁間電容的變化即可檢測垂直于基底表面方向(Z軸)輸入角速度的大小。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點本發(fā)明采用具有三個振動梁的等邊三角形振子，結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動電極和檢測電極同振動梁間的間隙為微米級，振子結(jié)構(gòu)的深寬比小于 40:1，加工工藝易于實現(xiàn)。本發(fā)明利用三角形振子特殊模態(tài)下的振動作為參考振動，利用三角形振子振動梁同檢測電極之間的電容變化作為檢測信號，通過處理三對差分電容的輸出信號，能夠準確的檢測垂直于基底表面方向(ζ軸)輸入角速度的大小。本發(fā)明采用硅微加工工藝，制作工藝簡單，可靠性高，能保證較低的成本和較高的成品率。


圖1是本發(fā)明的三維立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖3是本發(fā)明結(jié)構(gòu)的左視圖。圖4是本發(fā)明中三角形振子的驅(qū)動模態(tài)示意圖。圖5是本發(fā)明中三角形振子的檢測模態(tài)示意圖。圖6是本發(fā)明制作工藝中的單面濺射金屬鋁的示意圖。
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圖7是本發(fā)明制作工藝中刻蝕出圓柱形支撐的示意圖。圖8是本發(fā)明制作工藝中硅片和玻璃陽極鍵合的示意圖。圖9是本發(fā)明制作工藝中刻蝕釋放出振子、驅(qū)動電極和檢測電極的示意圖。圖中1三角形振子，2驅(qū)動電極，3檢測電極，4基板，5振動梁，6支撐梁，7支撐柱。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1
如圖1、圖2、圖3所示，本實施例包括一個具有三個振動梁的等邊三角形振子1，與振動梁平行且有一定間隙的驅(qū)動電極2，與振動梁平行且有一定間隙的檢測電極3以及基板4。本實施例中，三角形振子1由三個首尾相接的振動梁5，三個輪輻狀的支撐梁6以及一個圓柱形的支撐柱7組成。本實施例中，驅(qū)動電極2共有三個，分別與等邊三角形振子1的三個振動梁5平行，且有一定間隙，處于振動梁5中點位置處，每個驅(qū)動電極2和振動梁5組成一個電容。本實施例中，檢測電極3共有三對，分別位于驅(qū)動電極2的兩側(cè)且與驅(qū)動梁5平行，每對檢測電極3和振動梁5組成一對差分電容。本實施例中，驅(qū)動電極2用于向三角形振子1施加靜電力驅(qū)動振子1產(chǎn)生驅(qū)動模態(tài)，檢測電極3用于檢測垂直于基底表面方向(ζ軸)角速度的變化。本實施例中，基板4為圓盤狀，材料為玻璃，三角形振子1、驅(qū)動電極2和檢測電極 3都固定在基板4上面。本實施例中，三角形振子1的三個振動梁5為為等邊三角形的三個邊，三個支撐梁 6分別連接等邊三角形的三個頂點和等邊三角形外接圓的圓心，圓柱形的支撐柱7位于三角形外接圓圓心處，下端同基板4相連。三個驅(qū)動電極2和六個檢測電極3分別沿與三個振動梁5平行的方向配置，且與振動梁5之間有一定間隙，每個驅(qū)動電極2兩側(cè)分別是兩個與驅(qū)動梁平行的檢測電極3。如圖4所示，通過有限元分析的方法得到三角形振子的一個特殊模態(tài)，在該模態(tài)下三個振動梁5分別沿垂直于振動梁5長度的方向振動，且其同時指向或背離三角形振子 1中心的支撐柱7。通過在三個驅(qū)動電極2上施加相同的正弦電壓信號即可產(chǎn)生靜電力激勵三角形振子1產(chǎn)生驅(qū)動模態(tài)。如圖5所示，當有垂直于基底方向(ζ軸)的角速度輸入時，三個振動梁5分別收到沿梁長度方向的科氏力，且三個科氏力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩方向相同。在旋轉(zhuǎn)力矩的作用下， 三角形振子1會沿垂直于基底表面(ζ軸)的方向繞圓柱形支撐柱7旋轉(zhuǎn)一定的角度且旋轉(zhuǎn)的角度大小同輸入角速度的大小成正比。當三角形振子1繞ζ軸方向的旋轉(zhuǎn)引起三個振動梁5同三對檢測電極3間電容的變化，通過檢測三對差分電容的變化即可檢測垂直于基底表面方向(ζ軸)輸入角速度的大小。實施例2本實施例涉及實施例1中所述微陀螺的制作工藝，如圖6-圖9所示，主要包括以下幾個步驟
(a)將硅片清洗干凈，烘干，然后在硅片的單面濺射一層幾微米厚的金屬鋁。(b)利用鋁作為掩膜，在鋁表面旋涂一層光刻膠，利用制作好的掩模板對光刻膠進行光刻，顯影，然后圖形化鋁掩膜，最后利用深度反應(yīng)離子刻蝕深刻蝕出驅(qū)動電極2、檢測電極3和圓柱形支撐柱7結(jié)構(gòu)。(c)將上一步中的鋁掩膜去除，清洗并烘干硅片，對上一步中硅片刻蝕出的腔室進行氧化，制作一層氧化硅保護層，保護已制作好的支撐柱7。(d)利用陽極鍵合的方法通過靜電力將硅片和清洗干凈的玻璃基板4鍵合在一起。(e)在硅的另一面濺射金屬鋁作為掩膜，在鋁表面旋涂一層光刻膠，利用制作好的掩模板對光刻膠進行光刻，顯影，然后圖形化鋁掩膜，最后利用深度反應(yīng)離子刻蝕釋放出三角形振子1和三角形分布的驅(qū)動電極2和檢測電極3。本發(fā)明采用具有三個振動梁5的等邊三角形振子1，結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動電極2和檢測電極3同振動梁5間的間隙為微米級，振子1結(jié)構(gòu)的深寬比小于40:1，采用硅微加工工藝， 制作工藝簡單，可靠性高，能保證較低的成本和較高的成品率。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護范疇。應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也都應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種具有三角形振子的硅微陀螺儀，其特征在于它包括一個具有三個振動梁的等邊三角形振子，與振動梁平行且有間隙的驅(qū)動電極，與振動梁平行且有間隙的檢測電極和一個用于固定于載體上的基板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有三角形振子的硅微陀螺儀，其特征是所述三角形振子由三個首尾相接的振動梁，三個輪輻狀的支撐梁以及一個圓柱形的支撐柱組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有三角形振子的硅微陀螺儀，其特征是所述三角形振子的三個振動梁為等邊三角形的三個邊，三個支撐梁分別連接等邊三角形的三個頂點和等邊三角形外接圓的圓心，圓柱形的支撐柱位于三角形外接圓圓心處，下端同基板相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有三角形振子的硅微陀螺儀，其特征是所述驅(qū)動電極共有三個，分別與等邊三角形振子的三個振動梁平行，且有間隙，處于振動梁中點位置處，每個驅(qū)動電極和振動梁組成一個電容。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有三角形振子的硅微陀螺儀，其特征是所述檢測電極共有三對，分別位于驅(qū)動電極的兩側(cè)且與驅(qū)動梁平行，每對檢測電極和振動梁組成一對差分電容。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有三角形振子的硅微陀螺儀，其特征是所述驅(qū)動電極用于向三角形振子施加靜電力驅(qū)動振子產(chǎn)生驅(qū)動模態(tài)，檢測電極用于檢測垂直于基底表面方向即ζ軸角速度的變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有三角形振子的硅微陀螺儀，其特征是所述驅(qū)動電極和檢測電極分別沿與三個振動梁平行的方向配置，且與振動梁之間有間隙，每個驅(qū)動電極兩側(cè)分別是兩個與驅(qū)動梁平行的檢測電極；驅(qū)動電極和檢測電極同振動梁間的間隙為微米級。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有三角形振子的硅微陀螺儀，其特征是所述基板為圓盤形，三角形振子、驅(qū)動電極和檢測電極均固定在基板上。
9.一種如權(quán)利要求1所述的具有三角形振子的硅微陀螺儀的制作方法，其特征在于包括如下步驟(a)將硅片清洗干凈，烘干，然后在硅片的單面濺射一層幾微米厚的金屬鋁；(b)利用鋁作為掩膜，在鋁表面旋涂一層光刻膠，利用制作好的掩模板對光刻膠進行光刻，顯影，然后圖形化鋁掩膜，最后利用深度反應(yīng)離子刻蝕深刻蝕出驅(qū)動電極、檢測電極和圓柱形支撐結(jié)構(gòu)；(c)將上一步中的鋁掩膜去除，清洗并烘干硅片，對上一步中硅片刻蝕出的腔室進行氧化，制作一層氧化硅保護層，保護已制作好的支撐結(jié)構(gòu)；(d)利用陽極鍵合的方法通過靜電力將硅片和清洗干凈的玻璃基底鍵合在一起；(e)在硅的另一面濺射金屬鋁作為掩膜，在鋁表面旋涂一層光刻膠，利用制作好的掩模板對光刻膠進行光刻，顯影，然后圖形化鋁掩膜，最后利用深度反應(yīng)離子刻蝕釋放出三角形振子和三角形分布的驅(qū)動電極和檢測電極。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的具有三角形振子的硅微陀螺儀的制作方法，其特征在于所述驅(qū)動電極和檢測電極同三角形振子的振動梁間的間隙為微米級，三角形振子結(jié)構(gòu)的深寬比小于40:1。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微機電技術(shù)領(lǐng)域的具有三角形振子的硅微陀螺儀及其制作方法，包括一個具有三個振動梁的等邊三角形振子，與振動梁平行且有一定間隙的驅(qū)動電極，位于驅(qū)動電極的兩側(cè)且與驅(qū)動梁平行的檢測電極以及基板。該微陀螺的制作方法采用體硅微加工工藝，制作工藝簡單，可靠性高，能保證較低的成本和較高的成品率。本發(fā)明體積小，結(jié)構(gòu)簡單，加工工藝易于實現(xiàn)，能夠同CMOS工藝兼容，抗沖擊，不需要真空封裝，適用于批量化生產(chǎn)。
文檔編號G01C19/56GK102278983SQ20111020694
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月22日
發(fā)明者關(guān)冉, 劉武, 吳校生, 崔峰, 張衛(wèi)平, 張弓, 陳文元 申請人:上海交通大學(xué)