蜂窩狀固體波動微機械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(MEMS)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及于微機電陀螺儀領(lǐng)域，是一種蜂窩狀固體波動微機械陀螺儀及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]陀螺儀作為一種載體角速度敏感慣性傳感器，在航空、航天、船舶等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的姿態(tài)控制和導航定位等方面有著非常重要的作用。MEMS微陀螺具有尺寸質(zhì)量小、功耗低、成本低、環(huán)境適應性好、集成度高等優(yōu)點。
[0003]隨著國防科技和航空、航天工業(yè)的發(fā)展，我國在軍事、工業(yè)及消費電子等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅?、小尺寸、高可靠性的MEMS微陀螺的需求正變得日益迫切?；贛EMS技術(shù)的微陀螺儀采用微納批量制造技術(shù)加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而且環(huán)境適應性、工作壽命、可靠性、集成度與傳統(tǒng)技術(shù)相比有極大的提高，因而MEMS微陀螺已經(jīng)成為近些年來MEMS技術(shù)廣泛研宄和應用開發(fā)的一個重要方向。
[0004]經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利“一種Z軸MEMS電容式陀螺儀”(專利申請?zhí)?201310475914.9)，提供了一種具有彈性梁，質(zhì)量塊以及杠桿構(gòu)成的MEMS微陀螺。通過在驅(qū)動電容組施加單一特定頻率的電壓信號，對質(zhì)量塊施加驅(qū)動力使得質(zhì)量塊振動。當有外界角速度輸入時，在科氏力作用下，振動向一個軸發(fā)生偏移，通過檢測電極電容組可以檢測角速度的變化。
[0005]此技術(shù)存在如下不足:采用傳統(tǒng)的彈簧-質(zhì)量塊的結(jié)構(gòu)模型，故而抗沖擊性差，靈敏度不高，Q值較低，零漂較大，達到高精度有一定困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、小體積、抗沖擊、重量輕，具有高Q值，且不需要真空封裝的高頻蜂窩狀固體波動微機械陀螺儀及其制備方法，該陀螺成本低并且適合大批量生產(chǎn)。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
[0008]本發(fā)明提供一種蜂窩狀固體波動微機械陀螺儀，包括:包括基底；設(shè)置在所述基底上的蜂窩狀諧振子；位于基底上連接諧振子、起支撐作用的支撐體；以及位于蜂窩狀諧振子周圍的驅(qū)動電極、檢測電極、監(jiān)測電極、平衡電極；其中:所述蜂窩狀諧振子內(nèi)部為蜂窩結(jié)構(gòu)，蜂窩的結(jié)構(gòu)單元橫截面為正六角形，相鄰兩個單元共用一個壁，結(jié)構(gòu)強度高；質(zhì)量輕；抗沖擊；強度，剛度可以通過調(diào)整蜂窩芯的孔徑、芯柱高度來調(diào)節(jié)。
[0009]優(yōu)選的，所述驅(qū)動電極、檢測電極、監(jiān)測電極、平衡電極平均分布于蜂窩狀諧振子周圍的基底上；電極與蜂窩狀諧振子之間存在間隙，形成差動電容；所述蜂窩狀諧振子通過支撐體引出電極接地，保證電勢為O。
[0010]優(yōu)選的，所述驅(qū)動電極被施加工作模態(tài)的驅(qū)動交流電壓時，由電容效應驅(qū)動蜂窩狀諧振子產(chǎn)生振動，此時蜂窩狀諧振子工作在驅(qū)動模態(tài)下；當存在輸入角速度時，所述蜂窩狀諧振子的振型向檢測模態(tài)轉(zhuǎn)變，此時由于科氏力作用以及差動電容效應，對檢測電極與監(jiān)測電極信號進行檢出解調(diào)，得到陀螺角速度信號。
[0011]優(yōu)選的，所述驅(qū)動電極、檢測電極、監(jiān)測電極、平衡電極為四對電極，分別為一對驅(qū)動電極、一對檢測電極、一對監(jiān)測電極、一對平衡電極，八個電極按順時針順序分布為:第一個驅(qū)動電極、第一個檢測電極、第一個監(jiān)測電極、第一個平衡電極、第二個驅(qū)動電極、第二個檢測電極、第二個監(jiān)測電極、第二個平衡電極，每個電極為對稱的半扇形結(jié)構(gòu)，每兩個相鄰電極中心的夾角為45°。
[0012]優(yōu)選的，所述蜂窩狀諧振子材料可以為金屬、以及硅材料等，利用基底上電極與蜂窩狀諧振子形成的電容的間隙變化進行檢測。
[0013]優(yōu)選的，所述驅(qū)動電極材料為金屬或摻雜硅PN結(jié)，對所述蜂窩狀諧振子施加交流驅(qū)動信號起振，使其工作在驅(qū)動模態(tài)下。
[0014]優(yōu)選的，所述監(jiān)測電極材料為金屬或摻雜硅PN結(jié)，用于監(jiān)測所述蜂窩狀諧振子是否工作在理想驅(qū)動模態(tài)振型。
[0015]優(yōu)選的，所述檢測電極材料為金屬或摻雜硅PN結(jié)，用于檢測垂直于所述基底上表面方向即z軸方向的角速度引起的所述蜂窩狀諧振子檢測模態(tài)上振動。
[0016]優(yōu)選的，所述平衡電極材料為金屬或摻雜硅PN結(jié)，用于在力平衡工作模式下施加交流電信號，使得所述蜂窩狀諧振子恢復驅(qū)動模態(tài)振型。
[0017]優(yōu)選的，所述驅(qū)動電極、檢測電極、監(jiān)測電極、平衡電極均通過引線于外圍電路相連，外圍電路采用模擬配合數(shù)字電路方式實現(xiàn)，同時完成所述蜂窩狀固體波動微機械陀螺儀的驅(qū)動、檢測、校正工作，同時可控制所屬蜂窩狀固體波動微機械陀螺儀工作在力平衡狀態(tài)下。
[0018]本發(fā)明仿生自然中的蜂巢，結(jié)構(gòu)強度好，在高沖擊載荷等惡劣環(huán)境下，具有更強的穩(wěn)定性和抗破壞性。
[0019]本發(fā)明還提供一種上述陀螺儀的制備方法，所述陀螺儀采用MEMS微細加工工藝，其諧振子工藝利用光刻蝕以及氣體刻蝕進行定向刻蝕，電極利用濺射金屬層進行金屬圖形化形成，最終再進行電極線引出，外圍電路連接以及封裝工作。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0021]本發(fā)明為全固態(tài)MEMS陀螺，采用了蜂窩狀諧振子，諧振子為全固態(tài)的半球或圓盤結(jié)構(gòu)，抗沖擊；并且諧振子內(nèi)存在蜂窩狀六邊形鏤空結(jié)構(gòu)，故而其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，重量輕；采用MEMS工藝制造，體積小，可大批量制備；同時可采用娃以及金剛石等材料，Q值高，能量損失小。
【附圖說明】
[0022]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:
[0023]圖1為本發(fā)明實施例一蜂窩狀半球固體波動微機械陀螺立體切面圖；
[0024]圖2為本發(fā)明實施例一蜂窩狀半球固體波動微機械陀螺頂面圖；
[0025]圖3為本發(fā)明實施例二蜂窩狀圓盤固體波動微機械陀螺立體切面圖；
[0026]圖4為本發(fā)明實施例二蜂窩狀圓盤固體波動微機械陀螺頂面圖；
[0027]圖中:基底I，支撐體2，蜂窩狀諧振子3，基底上表面4，驅(qū)動電極5，檢測電極6，監(jiān)測電極7，平衡電極8，監(jiān)測電極9，檢測電極10，驅(qū)動電極11，平衡電極12。
【具體實施方式】
[0028]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。應當指出的是，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。
[0029]實施例一:
[0030]參照圖1，本實施例提供一種蜂窩狀半球固體波動微機械陀螺，其包括:
[0031]一個具有上表面4的基底I ;
[0032]一個置在所述基底上的蜂窩狀半球諧振子3 ;
[0033]位于基底上連接諧振子，起支撐作用的支撐體2 ;
[0034]以及位于基底I的上表面4上、蜂窩狀諧振子周圍的驅(qū)動電極5，檢測電極6，監(jiān)測電極7，平衡電極12，驅(qū)動電極11，檢測電極10，監(jiān)測電極9，平衡電極8 ；
[0035]其中，所述驅(qū)動電極，檢測電極，監(jiān)測電極，平衡電極均為一對，共八個，平均分布于蜂窩狀諧振子周圍的基底上，兩個電極中心之間相隔45° ;電極與蜂窩狀諧振子之間存在間隙，形成差動電容。
[0036]所述蜂窩狀諧振子通過支撐體2引出電極接地，保證電勢為O。
[0037]所述驅(qū)動電極被施加工作模態(tài)的驅(qū)動交流電壓時，由電容效應驅(qū)動蜂窩狀諧振子產(chǎn)生振動，此時蜂窩狀諧振子工作在驅(qū)動模態(tài)下；當存在輸入角速度時，所述蜂窩狀諧振子的振型向檢測模態(tài)轉(zhuǎn)變，此時由于科氏力作用以及差動電容效應，對檢測電極與監(jiān)測電極信號進行檢出解調(diào)，可得到陀螺角速度信號。
[0038]本實施例中，所述蜂窩狀諧振子材料為金屬或摻雜硅PN結(jié)，利用基底上電極與蜂窩狀諧振子形成的電容的間隙變化進行檢測。
[0039]參照圖2，作為一個優(yōu)選，八個電極按功能分為四對，分別為驅(qū)動電極5以及驅(qū)動電極11構(gòu)成的驅(qū)動電極對，檢測電極6以及檢測電極10構(gòu)成的檢測電極對，監(jiān)測電極9以及監(jiān)測電極7構(gòu)成的監(jiān)測電極對，平衡電極12以及平衡電極8構(gòu)成的平衡電極對，圖2中，所述電極對中電極按順時針順序分布為驅(qū)動電極5、檢測電極6、監(jiān)測電極7、平衡電極12、驅(qū)動電極11、檢測電極10、監(jiān)測電極9、平衡電極8，每個電極為對稱的半扇形結(jié)構(gòu)，相鄰每兩個電極中心的夾角為45°。
[0040]作為一個優(yōu)選，所述驅(qū)動電極5、11材料為金屬或摻雜硅PN結(jié)，對所述蜂窩狀諧振子施加交流驅(qū)動信號起振，使其工作在驅(qū)動模態(tài)下。
[0041]作為一個優(yōu)選，所述監(jiān)測電極7、9材料為金屬或摻雜硅PN結(jié)，用于監(jiān)測所述蜂窩狀諧