一種雙半球結(jié)構(gòu)微型諧振陀螺儀及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種雙半球結(jié)構(gòu)微型諧振陀螺儀及其制備方法，包括一個單晶硅基底、十六個均勻分布式電極、兩個對稱的微型半球諧振子、一個中心固定支撐柱，其中：中心固定支撐柱的上下兩端分別連接兩個微型半球諧振子，每個微型半球諧振子周圍均勻分布八個電極；兩個微型半球諧振子具有相同的中心軸，彼此獨立、互不影響。本發(fā)明采用靜電驅(qū)動的方式分別激勵兩個微型半球諧振子工作，驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)分別相互匹配。本發(fā)明結(jié)合MEMS體硅加工工藝和表面硅加工工藝進(jìn)行制作。本發(fā)明通過差分處理的方式減小離心力、向心力、共模噪聲、二次非線性項等因素的影響；在單一器件上同時實現(xiàn)高帶寬、高分辨率、高靈敏度、高動態(tài)范圍等性能指標(biāo)。
【專利說明】一種雙半球結(jié)構(gòu)微型諧振陀螺儀及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微機電【技術(shù)領(lǐng)域】的微型諧振陀螺儀，具體地，涉及一種雙半球結(jié)構(gòu)微型諧振陀螺儀及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]陀螺儀是一種能夠檢測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、多軸檢測、高可靠性、能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的方向發(fā)展。因此，MEMS陀螺儀的重要性不言而喻。特別地，微型諧振陀螺儀作為MEMS陀螺儀的一個重要研究方向，已經(jīng)成為該領(lǐng)域的一個研究熱點。
[0003]半球諧振陀螺儀利用半球諧振子進(jìn)行檢測，沒有高速旋轉(zhuǎn)部件，加之材料的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的對稱性，使其具有許多突出的優(yōu)點，是目前精度最高的機械振動陀螺儀。
[0004]經(jīng)過現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)搜索發(fā)現(xiàn)，美國專利“VIBRATORY ROTAT1N SENSOR”(專利號:4951508)詳細(xì)地介紹了半球諧振陀螺儀的原理及信號檢測方法，對半球諧振陀螺儀的研究具有指導(dǎo)意義。然而，上述陀螺屬于傳統(tǒng)型的半球諧振陀螺儀，尺寸相對較大，限制了其應(yīng)用范圍?；贛EMS技術(shù)的微型半球諧振陀螺儀繼承了傳統(tǒng)型半球諧振陀螺儀的優(yōu)點，又兼具體積小、功耗低、批量化生產(chǎn)等優(yōu)勢，具有重要的研究價值。目前可見的微型半球諧振陀螺儀均采用單半球結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，這種結(jié)構(gòu)的陀螺儀在工作時往往會受到向心力、離心力、共模噪聲、二次非線性項等因素的影響。此外，目前可見的微型半球諧振陀螺儀在單一器件中同一時刻只能檢測外界輸入角速度或角度中的一項，需要通過積分/微分環(huán)節(jié)才能計算得到另一項，這會引入積分/微分誤差，減小測量精度。而單一器件也無法同時實現(xiàn)高帶寬、高分辨率、高靈敏度、高動態(tài)范圍等性能指標(biāo)，極大地限制陀螺儀的應(yīng)用范圍。
[0005]基于此，迫切需要提出一種新的陀螺儀結(jié)構(gòu)，使其避免或減小上述影響因素，同時擴展其應(yīng)用范圍。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種雙半球結(jié)構(gòu)微型諧振陀螺儀及其制備方法，實現(xiàn):(I)減小共模噪聲、二次非線性項等因素的影響；(2)在單一器件中同時檢測外界輸入角速度和角度；(3)在單一器件中同時得到高帶寬、高靈敏度、高分辨率、高動態(tài)范圍等性能指標(biāo)。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種雙半球結(jié)構(gòu)微型諧振陀螺儀，包括:
[0008]一個單晶硅基底；
[0009]十六個均勻分布式電極；
[0010]兩個對稱的微型半球諧振子；
[0011]一個中心固定支撐柱；
[0012]其中，中心固定支撐柱的上下兩端分別連接兩個微型半球諧振子，每個微型半球諧振子的周圍均勻地分布著八個電極；兩個所述微型半球諧振子具有相同的中心軸，彼此獨立，互不影響。
[0013]所述陀螺儀采用靜電驅(qū)動的方式分別激勵兩個微型半球諧振子進(jìn)行工作，其驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)分別相互匹配；所述陀螺儀將兩個微半球諧振子的反相輸出信號進(jìn)行差分處理，減小離心力、向心力、共模噪聲、二次非線性項等因素的影響；所述陀螺儀通過后端電路的配置使兩個微型半球諧振子分別工作在角速度或角度模式下，實現(xiàn)在單一器件上同時、直接檢測外界輸入角速度和角度，無需引入積分/微分環(huán)節(jié)，提高測量精度；所述陀螺儀可以進(jìn)行個性化設(shè)計，使單個微型半球諧振子工作在高帶寬或高分辨率或高靈敏度等模式下，不同組合方式的陀螺儀可以同時實現(xiàn)高帶寬、高分辨率、高靈敏度、高動態(tài)范圍等性能指標(biāo)，擴展陀螺儀的應(yīng)用范圍。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種雙半球結(jié)構(gòu)微型諧振陀螺儀的制備方法，所述陀螺儀結(jié)合MEMS體硅加工工藝和表面硅加工工藝進(jìn)行制作；所述方法包括如下步驟:
[0015]所述方法包括如下步驟:
[0016]第一步、對單晶硅基底進(jìn)行清洗，在單晶硅基底正面進(jìn)行涂膠、光刻、顯影、硼離子注入、去膠工藝，在單晶硅基底上得到硼離子摻雜電極；
[0017]第二步、在第一步的基礎(chǔ)上進(jìn)行涂膠、光刻、顯影、各向同性刻蝕、去膠，在單晶硅基底上得到半球形深槽；
[0018]第三步、在單晶硅基底正面涂膠進(jìn)行保護(hù)，準(zhǔn)備反面工藝；
[0019]第四步、在單晶硅基底反面重復(fù)第一步和第二步，同時去除單晶硅基底正面的膠，得到深度相同的硼離子摻雜電極以及半徑相同的半球形深槽；
[0020]第五步、在單晶硅基底正面涂膠、光刻、顯影、刻蝕、去膠，得到支撐柱深槽；
[0021]第六步、在單晶硅基底上通過熱氧化的方式在整體表面生長二氧化硅，得到犧牲層；
[0022]第七步、在二氧化硅犧牲層上沉積多晶硅或金剛石，得到結(jié)構(gòu)層；
[0023]第八步、利用化學(xué)機械拋光去除單晶硅基底正面和反面表面的結(jié)構(gòu)材料，保留兩個半球形深槽中的結(jié)構(gòu)材料，同時露出二氧化硅犧牲層；
[0024]第九步、利用BHF溶液對二氧化硅犧牲層進(jìn)行濕法刻蝕，通過控制刻蝕時間確定中心固定支撐柱的支撐面積，釋放微型半球諧振子，得到雙半球結(jié)構(gòu)微型諧振陀螺儀。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0026](I)所述陀螺儀是結(jié)合MEMS體硅加工工藝和表面硅加工工藝進(jìn)行制作的，是一種新穎的加工工藝；
[0027](2)所述陀螺儀可以將兩個微半球諧振子的反相輸出信號進(jìn)行差分處理，減小離心力、向心力、共模噪聲、二次非線性項等因素的影響；
[0028](3)所述陀螺儀可以通過后端電路的配置在單一器件上同時、直接檢測外界輸入的角速度和角度，無需引入積分/微分環(huán)節(jié)；
[0029](4)所述陀螺儀可以進(jìn)行個性化設(shè)計，在單一器件上同時實現(xiàn)高帶寬、高分辨率、聞靈敏度、聞動態(tài)范圍等性能指標(biāo)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0031]圖1 (a)_圖1 (i)為本發(fā)明一較優(yōu)實施例的制備流程圖；
[0032]圖2為本發(fā)明一較優(yōu)實施例的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0033]圖中:1為單晶硅基底，2為均勻分布式電極，3為微型半球諧振子，4為中心固定支撐柱。

【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0035]實施例1
[0036]如圖2所示，本實施例提供一種雙半球結(jié)構(gòu)微型諧振陀螺儀，包括:
[0037]一個單晶硅基底I ;
[0038]十六個均勻分布式電極2;
[0039]兩個對稱的微型半球諧振子3 ；
[0040]一個中心固定支撐柱4;
[0041]其中，中心固定支撐柱4的上下兩端分別連接兩個微型半球諧振子3，每個微型半球諧振子3的周圍均勻地分布著八個電極2 ;兩個所述微型半球諧振子3具有相同的中心軸，彼此獨立，互不影響。
[0042]本實施例中，所述基底I的材料為單晶硅，與中心固定支撐柱4直接相連；
[0043]本實施例中，所述電極的材料2為硼離子摻雜硅，八個所述電極2均勻地分布在上層的所述微型半球諧振子3的周圍，另外八個所述電極2均勻地分布在下層的所述微型半球諧振子3的周圍；
[0044]本實施例中，兩個所述微型半球諧振子3的材料均為多晶硅或金剛石，兩個微型半球諧振子3分別與中心固定支撐柱4的兩端相連，且對稱分布于上層和下層；
[0045]本實施例中，所述中心固定支撐柱4包括內(nèi)層和外層，內(nèi)層的材料與微型半球諧振子3的材料相同且直接相連于兩個微型半球諧振子3，外層的材料為二氧化硅，是犧牲層的殘留部分。
[0046]本實施例中，雙半球結(jié)構(gòu)微型諧振陀螺儀可以看作是兩個相同尺寸的共軸微型半球諧振陀螺儀，單個微型半球諧振陀螺儀的工作原理相同。在驅(qū)動電極2上施加驅(qū)動電壓，驅(qū)動電極2通過靜電力的方式使微型半球諧振子3工作在所需的驅(qū)動模態(tài)下，驅(qū)動模態(tài)的振動幅值和頻率保持不變。當(dāng)垂直于基體方向存在外加角速度時，檢測模態(tài)的振動幅值會發(fā)生變化，該振動幅值的大小與外加角速度的大小成正比，通過檢測電極2檢測該振動幅值的大小，即可計算得到外加角速度的大小。兩個微型半球諧振陀螺儀可以單獨使用，也可以配合使用，從而達(dá)到不同的檢測效果。
[0047]實施例2
[0048]本實施例提供一種所述雙半球結(jié)構(gòu)微型諧振陀螺儀的制備方法，包括如下步驟:
[0049]第一步，如圖1 (a)所示，對單晶硅基底I進(jìn)行清洗，在單晶硅基底I的的正面進(jìn)行涂膠、光刻、顯影、硼離子注入、去膠工藝，在單晶硅基底I上得到深度為10 μ m-50 μ m的硼離子摻雜硅材料的電極2 ；
[0050]第二步，如圖1(b)所示，在第一步的基礎(chǔ)上進(jìn)行涂膠、光刻、顯影、各向同性刻蝕、去膠，在單晶硅基底I上得到半徑為300-700 μ m的半球形深槽；
[0051]第三步，如圖1(c)所示，在正面涂膠進(jìn)行保護(hù)，準(zhǔn)備反面工藝；
[0052]第四步，如圖1(d)所示，在反面重復(fù)第一步和第二步，得到與單晶硅基底I正面深度相同的硼離子摻雜硅材料的電極2以及半徑相同的半球形深槽，同時去除第三步中單晶硅基底I正面旋涂的保護(hù)膠；
[0053]第五步，如圖1(e)所示，在正面涂膠、光刻、顯影、刻蝕、去膠，得到中心固定支撐柱4的深槽；
[0054]第六步，如圖1(f)所示，在單晶硅基底I上通過熱氧化的方式在整體表面生長二氧化硅，得到厚度為1-5 μ m的犧牲層；
[0055]第七步，如圖1(g)所示，在二氧化硅犧牲層上沉積多晶硅或金剛石，得到厚度1-5 μ m的結(jié)構(gòu)層3 ；
[0056]第八步，如圖1(h)所示，利用化學(xué)機械拋光去除單晶硅基底正面和反面表面的結(jié)構(gòu)材料，保留兩個半球形深槽中的結(jié)構(gòu)材料，同時露出二氧化硅犧牲層；
[0057]第九步，如圖l(i)所示，利用BHF或其他溶液對二氧化硅犧牲層進(jìn)行濕法刻蝕，通過控制刻蝕時間確定中心固定支撐柱4的支撐面積，釋放微型半球諧振子3，得到雙半球結(jié)構(gòu)微型諧振陀螺儀器件。
[0058]本實施例所述的陀螺儀采用靜電驅(qū)動的方式分別激勵兩個微型半球諧振子3進(jìn)行工作，其驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)分別相互匹配。
[0059]綜上，本發(fā)明中的陀螺儀結(jié)合MEMS體硅加工工藝和表面硅加工工藝進(jìn)行制作，是一種新穎的加工工藝。
[0060]本發(fā)明中的陀螺儀可以將兩個微型半球諧振子3的反相輸出信號進(jìn)行差分處理，減小離心力、向心力、共模噪聲、二次非線性項等因素的影響。
[0061]本發(fā)明中的陀螺儀可以通過后端電路的配置使兩個微型半球諧振子3分別工作在角速度或角度模式下，實現(xiàn)在單一器件上同時、直接檢測外界輸入角速度和角度，無需引入積分/微分環(huán)節(jié)，提高測量精度。
[0062]本發(fā)明中的陀螺儀可以進(jìn)行個性化設(shè)計，使單個微型半球諧振子3工作在高帶寬或高分辨率或高靈敏度等模式下，不同組合方式的陀螺儀可以同時實現(xiàn)高帶寬、高分辨率、聞靈敏度、聞動態(tài)范圍等性能指標(biāo)，擴展陀螺儀的應(yīng)用范圍。
[0063]以上對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種雙半球結(jié)構(gòu)微型諧振陀螺儀，其特征在于，包括: 一個單晶娃基底； 十六個均勻分布式電極； 兩個對稱的微型半球諧振子； 一個中心固定支撐柱； 其中，中心固定支撐柱的上下兩端分別連接兩個微型半球諧振子，每個微型半球諧振子的周圍均勻地分布著八個電極；兩個所述微型半球諧振子具有相同的中心軸，彼此獨立，互不影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙半球結(jié)構(gòu)微型諧振陀螺儀，其特征在于，所述微型半球諧振子的材料為多晶硅或或金剛石，兩個微型半球諧振子分別與中心固定支撐柱的兩端相連，且對稱分布于上層和下層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種雙半球結(jié)構(gòu)微型諧振陀螺儀，其特征在于，所述電極的材料為硼離子摻雜硅，其中八個電極均勻地分布在上層微型半球諧振子的周圍，另外八個電極均勻地分布在下層微型半球諧振子的周圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的一種雙半球結(jié)構(gòu)微型諧振陀螺儀，其特征在于，所述中心固定支撐柱包括內(nèi)層和外層，內(nèi)層的材料與微型半球諧振子的材料相同，直接相連于兩個微型半球諧振子；外層的材料為二氧化硅，是犧牲層的殘留部分。
5.一種如權(quán)利要求1-4任一項所述的雙半球結(jié)構(gòu)微型諧振陀螺儀的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 第一步、對單晶硅基底進(jìn)行清洗，在單晶硅基底正面進(jìn)行涂膠、光刻、顯影、硼離子注入、去膠工藝，在單晶硅基底上得到硼離子摻雜電極； 第二步、在第一步的基礎(chǔ)上進(jìn)行涂膠、光刻、顯影、各向同性刻蝕、去膠，在單晶硅基底上得到半球形深槽； 第三步、在單晶硅基底正面涂膠進(jìn)行保護(hù)，準(zhǔn)備反面工藝； 第四步、在單晶硅基底反面重復(fù)第一步和第二步，同時去除單晶硅基底正面的膠，得到深度相同的硼離子摻雜電極以及半徑相同的半球形深槽； 第五步、在單晶硅基底正面涂膠、光刻、顯影、刻蝕、去膠，得到支撐柱深槽； 第六步、在單晶硅基底上通過熱氧化的方式在整體表面生長二氧化硅，得到犧牲層； 第七步、在二氧化硅犧牲層上沉積多晶硅或金剛石，得到結(jié)構(gòu)層； 第八步、利用化學(xué)機械拋光去除單晶硅基底正面和反面表面的結(jié)構(gòu)材料，保留兩個半球形深槽中的結(jié)構(gòu)材料，同時露出二氧化硅犧牲層； 第九步、利用BHF溶液對二氧化硅犧牲層進(jìn)行濕法刻蝕，通過控制刻蝕時間確定中心固定支撐柱的支撐面積，釋放微型半球諧振子，得到雙半球結(jié)構(gòu)微型諧振陀螺儀。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙半球結(jié)構(gòu)微型諧振陀螺儀的制備方法，其特征在于，第一步中，在單晶硅基底上得到深度為10 μ m-50 μ m的硼離子摻雜電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙半球結(jié)構(gòu)微型諧振陀螺儀的制備方法，其特征在于，第二步中，在單晶硅基底上得到半徑為300-700 μ m的半球形深槽。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙半球結(jié)構(gòu)微型諧振陀螺儀的制備方法，其特征在于，第六步中，得到厚度為1-5 μ m的犧牲層。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙半球結(jié)構(gòu)微型諧振陀螺儀的制備方法，其特征在于，第七步中，得到厚度1-5 μ m的結(jié)構(gòu)層。
【文檔編號】G01C25/00GK104197909SQ201410390459
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月8日
【發(fā)明者】張衛(wèi)平, 唐健, 汪濙海, 劉亞東, 成宇翔, 孫殿竣, 邢亞亮, 陳文元 申請人:上海交通大學(xué)