本發(fā)明涉及微機電技術領域的微型陀螺儀，具體地，涉及一種上分立下環(huán)形的雙電極分布式微陀螺儀及其制備方法。

背景技術：

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)控制和導航定位等領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、能適應各種惡劣環(huán)境的方向發(fā)展。因此，MEMS微陀螺的重要性不言而喻。特別地，微型圓盤諧振陀螺儀作為MEMS微陀螺的一個重要研究方向，已經(jīng)成為該領域的一個研究熱點。

對于微型陀螺儀而言，采用全角度控制技術，具有穩(wěn)定性高、抗沖擊能力強、精度高、誤差小等優(yōu)越特性，在航空航天、慣性導航以及民用消費電子等領域具有廣泛的應用前景。目前設計的陀螺儀的電極數(shù)量較少，限制了其在復雜控制系統(tǒng)中的應用；并且一般的陀螺儀只有一個面上的一套電極，驅動、檢測及控制電極之間存在一定的寄生電容及信號干擾，限制了其檢測精度。

基于此，迫切需要提出一種新的陀螺儀結構，使其避免或減小上述影響因素，同時擴展其應用范圍。

經(jīng)檢索，公開號為CN104165623A、申請?zhí)枮?01410389616.2的中國發(fā)明專利申請，該發(fā)明提供了一種內(nèi)外雙電極式微型半球諧振陀螺儀及其制備方法，包括：單晶硅基底、中心固定支撐柱、微型半球諧振子、外電極、外電極金屬焊接板、玻璃基底、金屬引線、圓形焊線盤、外電極金屬連接柱內(nèi)電極和種子層。該發(fā)明可利用內(nèi)電極和外電極分別進行驅動和檢測，減小驅動電極和檢測電極之間的寄生電容，提高檢測精度；為內(nèi)電極和外電極提供了金屬引線及圓形焊線盤，便于信號施加和信號提取。

但是上述專利僅提供了內(nèi)部分立電極和外部分立電極的微型半球陀螺儀的結構方案，無法為多種微型陀螺儀提供不同的電極分布方案。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種上分立下環(huán)形的雙電極分布式微陀螺儀及其制備方法，所述微陀螺儀結合MEMS體硅加工工藝和表面硅加工工藝進行制作，是一種新穎的加工工藝；可提供不同的驅動、檢測方式及不同的工作模式，可工作在需要復雜控制的系統(tǒng)中。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種上分立下環(huán)形的雙電極分布式微陀螺儀，包括：單晶硅基底、中心固定支撐柱、微型諧振子、上電極、下電極和玻璃基底；其中：

所述上電極為多個，多個上電極分布均勻在微型諧振子的上側，構成均勻分布式上電極，同時所述上電極設置于所述單晶硅基底的表面或者玻璃基底的表面；

所述下電極為一個，設置在微型諧振子的下側且該下電極呈環(huán)形一體式，構成一環(huán)形一體式下電極；同時所述下電極設置于所述單晶硅基底的表面或者玻璃基底的表面；

所述中心固定支撐柱的一端與所述單晶硅基底連接，所述中心固定支撐柱的另一端與所述微型諧振子連接；所述單晶硅基底與所述玻璃基底鍵合；

所述微型諧振子是所述微陀螺儀的振動體，所述上電極和所述下電極用于所述微陀螺儀的驅動、檢測及控制。

本發(fā)明所述微陀螺儀工作在角速率模式下時，施加交流驅動信號，在所述微型諧振子上施加直流偏置信號，均勻分布式上電極通過靜電力使所述微型諧振子工作在所需的驅動模態(tài)下，驅動模態(tài)的振動幅值和頻率保持不變；當垂直于單晶硅基底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，同時引起均勻分布式上電極與所述微型諧振子之間的電容發(fā)生變化；通過采集均勻分布式上電極上的信號變化計算檢測模態(tài)振動幅值的大小，進而計算外加角速度的大小。

進一步的，本發(fā)明所述微陀螺儀采集所述環(huán)形一體式下電極上的信號變化計算檢測模態(tài)振動幅值的大小，進而計算外加角速度的大小，從而減小均勻分布式上電極之間的寄生電容，提高檢測精度。

進一步的，本發(fā)明所述微陀螺儀在環(huán)形一體式下電極上施加交流驅動信號，并在均勻分布式上電極或環(huán)形一體式下電極上采集檢測信號，提供不同的驅動、檢測及控制方式。

進一步的，本發(fā)明通過環(huán)形一體式下電極上的信號變化判斷所述微陀螺儀的工作狀態(tài)，在非正常工作狀態(tài)下，通過控制算法在部分環(huán)形一體式下電極上施加控制信號，可調(diào)節(jié)所述微陀螺儀的工作狀態(tài)，從而使所述微陀螺儀正常工作。

進一步的，本發(fā)明所述微陀螺儀能工作在力平衡模式和全角度模式下，力平衡模式直接檢測外加角速度的大小，全角度模式直接檢測外加旋轉角度的大小。

優(yōu)選地，所述上電極和所述下電極的材料為硼離子或磷離子摻雜硅或者為金屬鎳；當上電極或者下電極位于單晶硅基底上時，材料為硼離子或磷離子摻雜硅；當上電極或者下電極位于玻璃基底上時，材料為金屬鎳。

優(yōu)選地，所述微陀螺儀為環(huán)形諧振陀螺儀、圓盤諧振陀螺儀、多環(huán)諧振陀螺儀、杯形諧振陀螺儀。

優(yōu)選地，所述微型諧振子的材料為摻雜金剛石或摻雜多晶硅，是所述微陀螺儀的主要振動體。

優(yōu)選地，所述單晶硅基底和玻璃基底的材料分別為高阻硅和二氧化硅的高阻材料，高阻材料用于減少上電極與下電極之間的信號干擾。

優(yōu)選地，所述中心固定支撐柱的材料為高阻硅或者二氧化硅。

本發(fā)明中，所述上電極和下電極分布可用于復雜的控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)全角度控制。

本發(fā)明可以是均勻分布式上電極和環(huán)形一體式下電極分布的多種微型陀螺儀結構，電極分布方式存在巨大差異，能適用于特殊的電路驅動和檢測方案(如實施例所述)，微型諧振子不僅僅局限于微型半球諧振陀螺儀，也能為多種微型陀螺儀提供了不同的電極分布方案。

本發(fā)明所述的上分立下環(huán)形的雙電極分布，它的電極是上下分布的，而不是相鄰分布或者內(nèi)外分布，并且下側電極為環(huán)形一體式，與上下雙分立電極相比，工藝更為簡單。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種上分立下環(huán)形的雙電極分布式微陀螺儀的制備方法，包括如下步驟：

第一步、對單晶硅基底和玻璃基底進行清洗、涂膠、光刻、顯影、硼離子注入、濺射、去膠工藝，在單晶硅基底上得到硼離子或磷離子摻雜硅材料的上電極或下電極；

第二步、在單晶硅基底上進行涂膠、光刻、顯影、硅的各向同性刻蝕、去膠，以在單晶硅基底上得到微型諧振子形狀對應的凹槽；

第三步、在單晶硅基底上沉積二氧化硅，為制作微型諧振子及上電極或下電極間隙提供犧牲層；

第四步、在單晶硅基底上沉積摻雜金剛石或摻雜多晶硅，并進行化學機械拋光，以制作微型諧振子；

第五步、在第四步的基礎上利用BOE溶液刻蝕二氧化硅犧牲層并控制刻蝕時間，以釋放微型諧振子，并將殘余部分作為中心固定支撐柱；

第六步、在玻璃基底上進行涂膠、光刻、顯影、電鍍鎳、去膠，以制作金屬鎳材料的上電極或下電極；

第七步、倒置玻璃基底，并與單晶硅基底進行鍵合，使玻璃基底的中心部分與單晶硅基底的中心固定支撐柱的中心對準，實現(xiàn)兩個基底固定，從而得到上分立下環(huán)形的雙電極分布式微陀螺儀。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

(1)所述微陀螺儀是結合MEMS體硅加工工藝和表面硅加工工藝進行制作的，是一種新穎的加工工藝；

(2)所述微陀螺儀可提供不同的驅動、檢測方式及不同的工作模式，在不減小電極面積的情況下，增加了電極數(shù)量，可使所述微陀螺儀工作在需要復雜控制的系統(tǒng)中；

(3)所述微陀螺儀可利用下電極和上電極分別進行驅動和檢測，減小驅動電極和檢測電極之間的寄生電容，提高檢測精度；可用于復雜的控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)全角度控制。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1(a)-圖1(c)為本發(fā)明一實施例的上分立下環(huán)形的雙電極分布式微型圓盤諧振陀螺儀的結構示意圖；

圖2(a)-圖2(c)為本發(fā)明一實施例的上分立下環(huán)形的雙電極分布式微型環(huán)形諧振陀螺儀的結構示意圖；

圖3(a)-圖3(c)為本發(fā)明一實施例的上分立下環(huán)形的雙電極分布式微型多環(huán)諧振陀螺儀的結構示意圖；

圖4(a)-圖4(c)為本發(fā)明一實施例的上分立下環(huán)形的雙電極分布式微型杯形諧振陀螺儀的結構示意圖；

圖5(a)-圖5(g)為本發(fā)明一實施例的上分立下環(huán)形的雙電極分布式微型圓盤諧振陀螺儀的制備方法流程圖；

圖中：1為微型諧振子，2為均勻分布式上電極，3為環(huán)形一體式下電極，4為單晶硅基底，5為玻璃基底，6為中心固定支撐柱。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

實施例1

如圖1(a)-圖1(c)所示，本實施例提供一種上分立下環(huán)形的雙電極分布式微型圓盤諧振陀螺儀，包括：

一個圓盤形的微型諧振子1；

十六個均勻分布式上電極2；

一個環(huán)形一體式下電極3；

一個單晶硅基底4；

一個玻璃基底5；

一個中心固定支撐柱6；其中：

所述中心固定支撐柱6的一端與所述單晶硅基底4連接，所述中心固定支撐柱6的另一端與所述微型諧振子1連接(如圖1(a)所示)；

十六個所述均勻分布式上電極2設置于所述玻璃基底5的表面(如圖1(b)所示)，并均勻地分布在所述微型諧振子1的上側(如圖1(c)所示)；一個所述環(huán)形一體式下電極3設置于所述單晶硅基底4的表面，并分布在所述微型諧振子1的下側(如圖1(a)、圖1(c)所示)；所述單晶硅基底4與玻璃基底5鍵合。

本實施例中，所述微型諧振子1的材料為摻雜金剛石或摻雜多晶硅，是所述微型圓盤諧振陀螺儀的主要振動體。

本實施例中，所述均勻分布式上電極2的材料為硼離子摻雜硅，也可以是磷離子摻雜硅，用于所述微型圓盤諧振陀螺儀的驅動、檢測及控制。

本實施例中，所述環(huán)形一體式下電極3的材料為硼離子或磷離子摻雜硅，用于所述微型圓盤諧振陀螺儀的驅動、檢測及控制。

本實施例中，所述單晶硅基底4和玻璃基底5的材料分別為高阻硅和二氧化硅這樣的高阻材料，高阻材料可以減小十六個均勻分布式上電極2和一個環(huán)形一體式下電極3之間的信號干擾。

本實施例中，所述中心固定支撐柱6的材料為二氧化硅，也可以是高阻硅。

本實施例中，所述微型圓盤諧振陀螺儀可工作在角速率模式下，施加交流驅動信號，在所述微型諧振子1上施加直流偏置信號，所述均勻分布式上電極2通過靜電力使所述微型諧振子1工作在所需的驅動模態(tài)下，驅動模態(tài)的振動幅值和頻率保持不變；當垂直于單晶硅基底4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，同時引起所述均勻分布式上電極2與所述微型諧振子1之間的電容發(fā)生變化；通過采集所述均勻分布式上電極2上的信號變化可以計算檢測模態(tài)振動幅值的大小，進而計算外加角速度的大小。

本實施例中，所述微型圓盤諧振陀螺儀也可以采集所述環(huán)形一體式下電極3上的信號變化計算檢測模態(tài)振動幅值的大小，進而計算外加角速度的大小，從而減小所述均勻分布式上電極2之間的寄生電容，提高檢測精度。

本實施例中，所述微型圓盤諧振陀螺儀可以在所述環(huán)形一體式下電極3上施加交流驅動信號，并在所述均勻分布式上電極2或所述環(huán)形一體式下電極3上采集檢測信號，提供不同的驅動、檢測及控制方式。

本實施例中，所述微型圓盤諧振陀螺儀可以通過所述環(huán)形一體式下電極3上的信號變化判斷所述微型圓盤諧振陀螺儀的工作狀態(tài)，在非正常工作狀態(tài)下，通過控制算法在部分所述環(huán)形一體式下電極3上施加控制信號，可調(diào)節(jié)所述微型圓盤諧振陀螺儀的工作狀態(tài)，從而使所述微型圓盤諧振陀螺儀正常工作。

本實施例中，所述微型圓盤諧振陀螺儀也可工作在力平衡模式和全角度模式下，力平衡模式可直接檢測外加角速度的大小，全角度模式可直接檢測外加旋轉角度的大小。

實施例2

如圖2(a)-圖2(c)所示，本實施例提供一種上分立下環(huán)形的雙電極分布式微型環(huán)形諧振陀螺儀，包括：

一個環(huán)形的微型諧振子1；

十六個均勻分布式上電極2；

一個環(huán)形一體式下電極3；

一個單晶硅基底4；

一個玻璃基底5；

一個中心固定支撐柱6；其中：

所述中心固定支撐柱6的一端與所述單晶硅基底4連接，所述中心固定支撐柱6的另一端與所述微型諧振子1連接(如圖2(a)所示)；十六個所述均勻分布式上電極2設置于所述玻璃基底5的表面(如圖2(b)所示)，并均勻地分布在所述微型諧振子1的上側(如圖2(c)所示)；一個所述環(huán)形一體式下電極3設置于所述單晶硅基底4的表面，并分布在所述微型諧振子1的下側(如圖2(a)、圖2(c)所示)；所述單晶硅基底4與玻璃基底5鍵合。

本實施例中，所述微型諧振子1的材料為摻雜金剛石或摻雜多晶硅，是所述微型環(huán)形諧振陀螺儀的主要振動體。

本實施例中，所述均勻分布式上電極2的材料為硼離子摻雜硅，也可以是磷離子摻雜硅，用于所述微型環(huán)形諧振陀螺儀的驅動、檢測及控制。

本實施例中，所述環(huán)形一體式下電極3的材料為硼離子或磷離子摻雜硅，用于所述微型環(huán)形諧振陀螺儀的驅動、檢測及控制。

本實施例中，所述單晶硅基底4和玻璃基底5的材料分別為高阻硅和二氧化硅這樣的高阻材料，高阻材料可以減小十六個均勻分布式上電極2和一個環(huán)形一體式下電極3之間的信號干擾。

本實施例中，所述中心固定支撐柱6的材料為二氧化硅，也可以是高阻硅。

本實施例中，所述微型環(huán)形諧振陀螺儀也可工作在力平衡模式和全角度模式下，力平衡模式可直接檢測外加角速度的大小，全角度模式可直接檢測外加旋轉角度的大小。

實施例3

如圖3(a)-圖3(c)所示，本實施例提供一種上分立下環(huán)形的雙電極分布式微型多環(huán)諧振陀螺儀，包括：

一個多環(huán)形的微型諧振子1；

十六個均勻分布式上電極2；

一個環(huán)形一體式下電極3；

一個單晶硅基底4；

一個玻璃基底5；

一個中心固定支撐柱6；其中：

所述中心固定支撐柱6的一端與所述單晶硅基底4連接，所述中心固定支撐柱6的另一端與所述微型諧振子1連接(如圖3(a)所示)；十六個所述均勻分布式上電極2設置于所述玻璃基底5的表面(如圖3(b)所示)，并均勻地分布在所述微型諧振子1的上側(如圖3(c)所示)；一個所述環(huán)形一體式下電極3設置于所述單晶硅基底4的表面，并分布在所述微型諧振子1的下側(如圖3(a)、圖3(c)所示)；所述單晶硅基底4與玻璃基底5鍵合。

本實施例中，所述微型諧振子1的材料為摻雜金剛石或摻雜多晶硅，是所述微型多環(huán)諧振陀螺儀的主要振動體。

本實施例中，所述均勻分布式上電極2的材料為硼離子摻雜硅，也可以是磷離子摻雜硅，用于所述微型多環(huán)諧振陀螺儀的驅動、檢測及控制。

本實施例中，所述環(huán)形一體式下電極3的材料為硼離子或磷離子摻雜硅，用于所述微型多環(huán)諧振陀螺儀的驅動、檢測及控制。

本實施例中，所述單晶硅基底4和玻璃基底5的材料分別為高阻硅和二氧化硅這樣的高阻材料，高阻材料可以減小十六個均勻分布式上電極2和一個環(huán)形一體式下電極3之間的信號干擾。

本實施例中，所述中心固定支撐柱6的材料為二氧化硅，也可以是高阻硅。

本實施例中，所述微型多環(huán)諧振陀螺儀也可工作在力平衡模式和全角度模式下，力平衡模式可直接檢測外加角速度的大小，全角度模式可直接檢測外加旋轉角度的大小。

實施例4

如圖4(a)-圖4(c)所示，本實施例提供一種上分立下環(huán)形的雙電極分布式微型杯形諧振陀螺儀，包括：

一個杯形的微型諧振子1；

十六個均勻分布式上電極2；

一個環(huán)形一體式下電極3；

一個單晶硅基底4；

一個玻璃基底5；

一個中心固定支撐柱6；其中：

所述中心固定支撐柱6的一端與所述單晶硅基底4連接，所述中心固定支撐柱6的另一端與所述微型諧振子1連接(如圖4(a)所示)；十六個所述均勻分布式上電極2設置于所述玻璃基底5的表面(如圖4(b)所示)，并均勻地分布在所述微型諧振子1的上側(如圖4(c)所示)；一個所述環(huán)形一體式下電極3設置于所述單晶硅基底4的表面，并分布在所述微型諧振子1的下側(如圖4(a)、圖4(c)所示)；所述單晶硅基底4與玻璃基底5鍵合。

本實施例中，所述微型諧振子1的材料為摻雜金剛石或摻雜多晶硅，是所述微型杯形諧振陀螺儀的主要振動體。

本實施例中，所述均勻分布式上電極2的材料為硼離子摻雜硅，也可以是磷離子摻雜硅，用于所述微型杯形諧振陀螺儀的驅動、檢測及控制。

本實施例中，所述環(huán)形一體式下電極3的材料為硼離子或磷離子摻雜硅，用于所述微型杯形諧振陀螺儀的驅動、檢測及控制。

進一步的，所述微陀螺可以設置金屬引線，所述金屬引線的一端與所述上電極、所述下電極連接，所述金屬引線的另一端作為外部接口；所述金屬引線用于信號施加和信號提取。

本實施例中，所述單晶硅基底4和玻璃基底5的材料分別為高阻硅和二氧化硅這樣的高阻材料，高阻材料可以減小十六個均勻分布式上電極2和一個環(huán)形一體式下電極3之間的信號干擾。

本實施例中，所述中心固定支撐柱6的材料為二氧化硅，也可以是高阻硅。

本實施例中，所述微型杯形諧振陀螺儀也可工作在力平衡模式和全角度模式下，力平衡模式可直接檢測外加角速度的大小，全角度模式可直接檢測外加旋轉角度的大小。

本發(fā)明結合了MEMS體硅加工工藝和表面硅加工工藝進行制作，是一種新穎的加工工藝；本發(fā)明中的微陀螺儀可提供不同的驅動、檢測方式及不同的工作模式，可工作在需要復雜控制的系統(tǒng)中；本發(fā)明中的微陀螺儀可利用下電極和上電極分別進行驅動和檢測，減小驅動電極和檢測電極之間的寄生電容，提高檢測精度；本發(fā)明中的微陀螺儀下電極和上電極提供了金屬引線，便于信號施加和信號提取。

實施例5

如圖5(a)-圖5(g)所示，本實施例提供一種上分立下環(huán)形的雙電極分布式微型圓盤諧振陀螺儀的制備方法，包括如下步驟：

第一步、如圖5(a)所示，在單晶硅基底上進行涂膠、光刻、顯影、硅的各向同性刻蝕、去膠，以在單晶硅基底4上得到半徑為300μm-700μm的圓柱形凹槽；

第二步、如圖5(b)所示，對單晶硅基底4進行清洗、涂膠、光刻、顯影、硼離子注入、濺射、去膠工藝，以在單晶硅基底4上得到厚度為10μm-50μm的硼離子摻雜硅材料的下電極3；

第三步、如圖5(c)所示，在單晶硅基底上沉積厚度為1μm-6μm的二氧化硅，為制作微型圓盤諧振子1及電極間隙提供犧牲層；

第四步、如圖5(d)所示，在第三步的基礎上沉積摻雜金剛石或摻雜多晶硅，并進行化學機械拋光，以制作厚度為10μm-30μm的微型圓盤諧振子1；

第五步、如圖5(e)所示，在第四步的基礎上利用BOE溶液刻蝕二氧化硅犧牲層并控制刻蝕時間，以釋放微型圓盤諧振子1，將殘余部分作為半徑為15μm-35μm的中心固定支撐柱6；

第六步、如圖5(f)所示，在玻璃基底5上涂膠、光刻、顯影、電鍍鎳、去膠，以制作高度為20μm-70μm的金屬鎳材料的上電極2；

第七步、如圖5(g)所示，倒置玻璃基底5，并與單晶硅基底4進行鍵合，使玻璃基底5的中心部分與單晶硅基底4的中心固定支撐柱的中心對準，實現(xiàn)兩個基底固定，從而得到上分立下環(huán)形的雙電極分布式微陀螺儀。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質內(nèi)容。