本發(fā)明涉及微機電系統(tǒng)(MEMS)的陀螺儀，具體地，涉及一種硅上壓電薄膜多支撐梁MEMS陀螺及其制備方法。

背景技術(shù)：

以MEMS微陀螺為主要組成部分的微慣性傳感器是MEMS工業(yè)及其市場重要組成部分。MEMS慣性傳感器在傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，如：汽車的安全氣囊、汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESP)、軍用智能炮彈等，MEMS慣性傳感器在傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域中市場份額逐漸飽和。近些年來，MEMS慣性傳感器在消費電子領(lǐng)域中的應(yīng)用在急速增長，這些領(lǐng)域包括：手機、平板電腦、無人飛行器、攝像機以及其它人機交互系統(tǒng)。MEMS慣性傳感器在消費電子領(lǐng)域中的應(yīng)用還存在非常大的市場潛力。在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，MEMS慣性傳感器需要具有更小的體積、更低的功耗、與IC電路集成性好。

當(dāng)前MEMS微陀螺的振動激勵方式主要分為兩種：一種為靜電電容激勵，另一種為壓電激勵。靜電激勵要求電容極板的間距極小(亞微米級)，同時還需要施加直流偏置電壓以減小驅(qū)動電路的動態(tài)阻抗，靜電激勵還需要采用真空封裝工藝，以減小振子的阻尼，提高品質(zhì)因子。這些要求分別增大了靜電激勵結(jié)構(gòu)的微加工制作難度，增大了器件運行所需的功耗，增大了封裝工藝的難度。壓電激勵避免了靜電激勵中的小間隙結(jié)構(gòu)，可無需真空封裝。但壓電激勵微陀螺大多采用壓電體材料，壓電體材料的IC工藝集成性不好。

經(jīng)檢索，公開號為102636162A的中國發(fā)明申請，該發(fā)明涉及一種三軸微機械陀螺儀，包括基板和固定安裝在基板上的陀螺儀主體，其中陀螺儀主體包括平面檢測單元和z軸檢測單元，平面檢測單元包括第一支撐梁、聯(lián)動梁、驅(qū)動電極和第一質(zhì)量塊，z軸檢測單元由八個模塊組成，其中四個模塊沿x軸在y軸質(zhì)量塊兩側(cè)分布，剩余四個模塊沿y軸在x軸質(zhì)量塊兩側(cè)分布，每個模塊包括第二支撐梁、解耦梁、驅(qū)動梁、第二質(zhì)量塊和檢測電極。采用單驅(qū)動設(shè)計，采用梳齒電極驅(qū)動，平面x軸和y軸通過變間隙平板電容檢測，z軸通過梳齒電容檢測，x、y和z軸分別實現(xiàn)了驅(qū)動和檢測的解耦。

但是上述專利采用靜電驅(qū)動、電容檢測的MEMS三軸陀螺，具有所有靜電驅(qū)動、電容檢測MEMS陀螺的特性，即需要制作極小間隙的電容結(jié)構(gòu)、空氣阻尼效應(yīng)明顯、需高真空度封裝，這些對加工制作、提高可靠性、提高精度增大了難度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的是提供一種硅上壓電薄膜多支撐梁MEMS陀螺及其制備方法，這種結(jié)構(gòu)不需要真空封裝，由于器件是制作在硅基體上，所以制作工藝和IC兼容性好。本發(fā)明采用壓電逆效應(yīng)來驅(qū)動，壓電正效應(yīng)來檢測，避免了靜電驅(qū)動、電容檢測的MEMS陀螺的不足。

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種硅上壓電薄膜多支撐梁MEMS陀螺，包括支撐梁、地電極、壓電薄膜、上電極、柱慣性質(zhì)量，其中：

所述柱慣性質(zhì)量位于整個MEMS陀螺的中央，柱慣性質(zhì)量周邊均勻分布支撐梁，柱慣性質(zhì)量與支撐梁形成固定聯(lián)結(jié)，所述支撐梁主體為單晶硅層，在支撐梁的上表面由底部往頂層依次設(shè)有地電極、壓電薄膜、上電極；

所述柱慣性質(zhì)量和支撐梁形成質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，柱慣性質(zhì)量的高度比支撐梁的厚度大，支撐梁的彈性變形使得柱慣性質(zhì)量偏離平衡位置，產(chǎn)生振動；

所述支撐梁上的地電極、壓電薄膜、上電極，利用壓電薄膜的逆壓電效應(yīng)和壓電效應(yīng)，實現(xiàn)MEMS陀螺參考振動的激勵電極和感應(yīng)振動的檢測電極。

優(yōu)選地，所述柱慣性質(zhì)量，存在三種振動模態(tài)，其中兩種是支撐梁平面內(nèi)的一對正交面內(nèi)擺動模態(tài)，另外一個為柱慣性質(zhì)量的支撐梁平面面外振動模態(tài)，通過控制支撐梁和柱慣性質(zhì)量的尺寸，使得柱慣性質(zhì)量的面內(nèi)擺動模態(tài)的共振頻率和面外振動模態(tài)的共振頻率相等。

更優(yōu)選地，所述柱慣性質(zhì)量，采用其三種振動模態(tài)的兩兩組合作為MEMS陀螺的參考振動與感應(yīng)振動，分別構(gòu)造用于測量空間正交三軸角運動MEMS陀螺。

更優(yōu)選地，定義支撐梁平面內(nèi)的兩個正交方向分別為x軸和y軸向，面外方向為z軸向，則所述硅上壓電薄膜多支撐梁柱慣性質(zhì)量MEMS陀螺形成的三軸角運動MEMS陀螺，工作模式為：

在支撐梁分布圓周的直徑方向上一對激勵電極分別施加同相驅(qū)動電壓，電壓頻率和面外振動模態(tài)頻率相等，使得柱慣性質(zhì)量在z軸方向上發(fā)生共振；當(dāng)在x軸方向有角速率輸入時，則在y軸方向激勵感應(yīng)振動，形成x軸向角運動傳感器；當(dāng)在y軸方向有角速率輸入時，則在x軸方向激勵感應(yīng)振動，形成y軸向角運動傳感器；檢測電極敏感檢測出感應(yīng)振動；

在支撐梁分布圓周的直徑方向上一對激勵電極分別施加反相驅(qū)動電壓，電壓頻率和面內(nèi)振動模態(tài)頻率相等，使得柱慣性質(zhì)量在x軸方向上發(fā)生共振，當(dāng)在z軸方向上有角速度輸入時，則在y軸方向上激勵感應(yīng)振動，通過檢測電極檢測出y軸方向上的感應(yīng)振動，獲得z軸角速率的檢測。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種硅上壓電薄膜多支撐梁MEMS陀螺的制備方法，包括如下步驟：

在SOI硅片正面上沉積金屬地電極；

然后采用光刻和刻蝕工藝對地電極進行圖形化，在圖形化的地電極和裸露的單晶硅上沉積壓電薄膜；

采用光刻和刻蝕或剝離工藝對所述壓電薄膜圖形化，沉積上電極并對其圖形化，并圖形化刻蝕SOI硅片的器件層單晶硅；

最后采用硅的深刻蝕工藝打開背面厚硅腔室，同時去除暴露出來的埋層氧化層，此步驟中是形成柱慣性質(zhì)量和支撐梁。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

本發(fā)明的硅上壓電薄膜多支撐梁柱慣性質(zhì)量MEMS陀螺，分別采用壓電逆效應(yīng)和壓電效應(yīng)進行驅(qū)動和敏感檢測，避免了靜電驅(qū)動中諸多不利因素，如：需要小的間隙增大了加工困難程度、大的偏置電壓、高真空封裝以消除空氣阻尼效應(yīng)。

本發(fā)明采用硅上壓電薄膜結(jié)構(gòu)相比于體壓電材料優(yōu)勢有：可獲得大的品質(zhì)因子(Q值)，硅基體結(jié)構(gòu)具有好的集成電路兼容性，方便將測控電路與陀螺結(jié)構(gòu)集成在一塊芯片上。

本發(fā)明采用多支撐梁柱慣性質(zhì)量結(jié)構(gòu)的幾個特殊共振模態(tài)作為參考振動和感應(yīng)振動，利用同一陀螺結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)三軸角速率的檢測，方便實現(xiàn)多軸慣性傳感器。

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為本發(fā)明一實施例的MEMS陀螺俯視圖；

圖2為本發(fā)明一實施例的MEMS陀螺側(cè)視圖；

圖3a為本發(fā)明一實施例的MEMS陀螺振子的面內(nèi)振動模態(tài)1圖；

圖3b為本發(fā)明一實施例的MEMS陀螺振子的面內(nèi)振動模態(tài)2圖；

圖3c為本發(fā)明一實施例的MEMS陀螺振子的面外模態(tài)圖；

圖4為本發(fā)明一實施例的MEMS陀螺的面內(nèi)轉(zhuǎn)動的測量機理，其中(a)為陀螺的參考振動，(b)為感應(yīng)振動；

圖5為本發(fā)明一實施例的MEMS陀螺的面外方向轉(zhuǎn)動的測量機理，其中(a)為陀螺的參考振動，(b)為感應(yīng)振動；

圖6為本發(fā)明一實施例的MEMS陀螺微加工制備流程圖；

圖中：上電極1，3，6，8，10，11，13，15；彈性支撐梁2，4，5，7，9，12，14，16；壓電薄膜層17；地電極層18；單晶硅層19；剛性支承20；柱慣性質(zhì)量21。

具體實施方式

下面結(jié)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(lǐng)域的技術(shù)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(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。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

如圖1、圖2所示，一種硅上壓電薄膜多支撐梁柱慣性質(zhì)量MEMS陀螺的實施例，包括支撐梁(2、4、5、7、9、12、14、16)、地電極層18、壓電薄膜層17、上電極(1、3、6、8、10、11、13、15)、柱慣性質(zhì)量21，其中：

柱慣性質(zhì)量周邊均勻分布支撐梁，柱慣性質(zhì)量與支撐梁形成固定聯(lián)結(jié)，柱慣性質(zhì)量21通過彈性支撐梁2、4、5、7、9、12、14、16和剛性支承20形成聯(lián)結(jié)，彈性支撐梁2、4、5、7、9、12、14、16易發(fā)生彈性變形，柱慣性質(zhì)量21和彈性支撐梁2、4、5、7、9、12、14、16形成質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，剛性支承20具有較大的剛度，不易發(fā)生變形，這可減小柱慣性質(zhì)量向外圍環(huán)境中的能量耗散，提高振動的品質(zhì)因子。

在一實施例中，如圖1所示，彈性支撐梁2、4、5、7、9、12、14、16共有8個，在柱慣性質(zhì)量21的外圍圓周方向上均勻分布。

如圖1和圖2所示，彈性支撐梁2、4、5、7、9、12、14、16具有多層結(jié)構(gòu)，從頂部往底部依次為上電極1、3、6、8、10、11、13、15，壓電薄膜層17，地電極層18，單晶硅層19，彈性支撐梁2、4、5、7、9、12、14、16的厚度比柱慣性質(zhì)量21的高度要小，因此，彈性支撐梁2、4、5、7、9、12、14、16易發(fā)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形，單晶硅層19具有優(yōu)越的晶體結(jié)構(gòu)，這有利于減小振動過程中材料內(nèi)部的阻尼能量耗散，提高振子的品質(zhì)因子。

如圖3a、圖3b、圖3c所示，由柱慣性質(zhì)量21和彈性支撐梁2、4、5、7、9、12、14、16組成的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)存在三種振動模態(tài)，分別為：圖3a為柱慣性質(zhì)量21繞y軸方向上的擺動振動模態(tài)，圖3b為柱慣性質(zhì)量21繞x軸方向上的擺動振動模態(tài)，圖3c為柱慣性質(zhì)量21沿著z軸方向上的線性振動模態(tài)。

如圖4中(a)、(b)所示，采用z軸方向上的線性振動模態(tài)作為陀螺的參考振動，當(dāng)x軸方向上有角速率輸入時，則在y軸方向上產(chǎn)生擺動振動模態(tài)的感應(yīng)振動；如果在y軸方向上有角速率輸入時，則在x軸方向上產(chǎn)生擺動振動模態(tài)的感應(yīng)振動。電極E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8，分別位于彈性支撐梁2、4、5、7、9、12、14、16上，這里，電極E3、E7位于x軸的正向和反向，E1、E5位于y軸的正向和反向，E2、E4、E6、E8位于x軸和y軸夾角的等分線上。選擇E2、E6作為參考振動的激勵，則電極E4、E8為參考振動的監(jiān)測。通過在電極E2、E6上施加同相的激勵電壓，當(dāng)激勵電壓的頻率和z軸方向上的線性振動模態(tài)諧振頻率相等時，則會激勵z軸方向上的參考振動。電極E1、E5為y軸方向上擺動振動的感應(yīng)電極，E3、E7為x軸方向上擺動振動的感應(yīng)電極。這時，陀螺用于檢測x軸和y軸方向上輸入的角速率。

如圖5中(a)、(b)所示，采用y軸方向上的擺動振動模態(tài)作為陀螺的參考振動，當(dāng)z軸方向上有角速率輸入時，則在x軸方向上產(chǎn)生擺動振動模態(tài)的感應(yīng)振動；選擇E2、E6作為參考振動的激勵，則電極E4、E8為參考振動的監(jiān)測。通過在電極E2、E6上施加反相的激勵電壓，當(dāng)激勵電壓的頻率和y軸方向上的擺動振動模態(tài)諧振頻率相等時，則會激勵y軸方向上的參考振動，此時，電極E4、E8可用于檢測x軸方向上的擺動振動的感應(yīng)電極。這時，陀螺用于檢測z軸方向上輸入的角速率。

圖6給出了一種上述硅上壓電薄膜多支撐梁柱慣性質(zhì)量MEMS陀螺的微加工工藝，包括：

在SOI硅片(如圖6中a所示)上沉積金屬地電極(如圖6中b所示)；

然后采用光刻和刻蝕工藝對地電極進行圖形化(如圖6中c所示)，在圖形化的地電極和裸露的單晶硅上沉積壓電薄膜(如圖6中d所示)；

采用光刻和刻蝕或剝離工藝對壓電薄膜圖形化(如圖6中e所示)，沉積上電極并對其圖形化，并圖形化刻蝕器件層單晶硅(如圖6中f所示)；

最后采用硅的深刻蝕工藝打開背面厚硅腔室，同時去除暴露出來的埋層氧化層(如圖6中g(shù)所示)。

本發(fā)明采用壓電逆效應(yīng)和壓電效應(yīng)進行驅(qū)動和敏感檢測，避免了靜電驅(qū)動中諸多不利因素。

本發(fā)明采用多支撐梁柱慣性質(zhì)量結(jié)構(gòu)的幾個特殊共振模態(tài)作為參考振動和感應(yīng)振動，利用同一陀螺結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)三軸角速率的檢測，方便實現(xiàn)多軸慣性傳感器。

本發(fā)明采用硅上壓電薄膜結(jié)構(gòu)可獲得大的品質(zhì)因子、具有好的集成電路兼容性，方便將測控電路與陀螺結(jié)構(gòu)集成在一塊芯片上。

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(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。