面外電磁式半球形微陀螺儀及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域的振動(dòng)陀螺儀，具體地，涉及面外電磁式半球形微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(cè)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(guó)防科技和航空、航天工業(yè)的發(fā)展，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)于陀螺儀的要求也向低成本、小體積、高精度、多軸檢測(cè)、高可靠性、能適應(yīng)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，微型半球諧振陀螺儀作為MEMS微陀螺的一個(gè)重要研究方向，已經(jīng)成為該領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
[0003]經(jīng)過(guò)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)搜索發(fā)現(xiàn)，美國(guó)喬治亞理工學(xué)院L.D.Sorenson.等人在其論文“3-D MICROMACHINED HEMISPHERICAL SHELL RESONATORS WITH INTEGRATED CAPACITIVETRANSDUCERS”中介紹了一種面內(nèi)靜電式半球諧振微陀螺儀，該陀螺儀通過(guò)摻雜技術(shù)在微諧振子周圍制作了微電極，通過(guò)沉積的方式在半球形凹槽中制作了多晶硅微諧振子，通過(guò)背部刻蝕沉積的手段在微諧振子下端制作了支撐柱。然而，摻雜技術(shù)的制作精度有限，難以實(shí)現(xiàn)高度對(duì)稱電極的加工；四周分布的電容式微電極相距較近，相鄰電極之間存在一定的寄生電容，干擾微陀螺的控制和檢測(cè)，限制了其最終精度；沉積方式制作的微諧振子厚度有限，一般僅在微米級(jí)別，可控性較差；陀螺儀的制作需要多次光刻掩膜，工藝復(fù)雜，不利于高精度的實(shí)現(xiàn)。
[0004]基于此，迫切需要提出一種新的陀螺儀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高陀螺儀高度對(duì)稱微結(jié)構(gòu)的加工精度；解決相鄰電容式微電極之間的相互串?dāng)_問(wèn)題和微小電容極板之間的靜電吸附問(wèn)題；選擇更加靈活的微諧振子制作方法，提高微陀螺儀的成型多樣性；減少微陀螺儀的工藝復(fù)雜性，最終實(shí)現(xiàn)微陀螺儀的高精度控制和檢測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供面外電磁式半球形微陀螺儀及其制備方法，實(shí)現(xiàn):(I)提高陀螺儀高度對(duì)稱微結(jié)構(gòu)的加工精度；(2)解決相鄰電容式微電極之間的相互串?dāng)_問(wèn)題和微小電容極板之間的靜電吸附問(wèn)題；(3)選擇更加靈活的微諧振子制作方法，提高微陀螺儀的成型多樣性；(4)減少微陀螺儀的工藝復(fù)雜性，最終實(shí)現(xiàn)微陀螺儀的高精度控制和檢測(cè)。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供面外電磁式半球形微陀螺儀，包括:設(shè)有半球形凹槽的單晶硅基底、微型半球形諧振子、圓柱形支撐柱、多個(gè)均勻分布式平面線圈、多個(gè)均勻分布式永磁體、以及凹形支架；其中:所述圓柱形支撐柱的上端與所述微型半球形諧振子相連，下端與所述單晶硅基底相連；所述圓柱形支撐柱和所述微型半球形諧振子位于所述單晶硅基底的半球形凹槽內(nèi)；多個(gè)平面線圈均勻地分布于所述微型半球形諧振子的上表面；多個(gè)永磁體均勻地布置在所述凹形支架的下表面凹槽內(nèi)，并位于平面線圈的正上方，各永磁體與正下方平面線圈的距離相同；所述凹形支架的下表面與所述單晶硅基底的上表面相連；所述單晶硅基底的半球形凹槽、所述微型半球形諧振子、所述圓柱形支撐柱、所述平面線圈、所述永磁體以及所述凹形支架的中心對(duì)稱軸重合。
[0007]優(yōu)選地，所述單晶硅基底的中心設(shè)置半球形凹槽，為制作所述微型半球形諧振子提供半球形模具，同時(shí)保護(hù)所述微型半球形諧振子不被破壞。
[0008]優(yōu)選地，所述圓柱形支撐柱的材料為玻璃或陶瓷，位于所述單晶硅基底的半球形凹槽內(nèi)的底部，為所述微型半球形諧振子提供支撐。
[0009]優(yōu)選地，所述微型半球形諧振子為實(shí)心半球體，材料與所述圓柱形支撐柱的材料相同，位于所述單晶硅基底的半球形凹槽內(nèi)，用于敏感外界角速度。
[0010]優(yōu)選地，所述平面線圈分為上下兩層，下層為在所述微型半球形諧振子上表面濺射的鉻、銅種子層，上層為在種子層上表面電鍍的金屬鎳，上下兩層的形狀相同，共同組成所述平面線圈；所述平面線圈均勻分布于所述微型半球形諧振子的上表面，不同平面線圈的形狀、大小相同，均為繞制多圈后形成的扇形；單個(gè)平面線圈兩兩圈層之間相互平行，相鄰圈層之間的間距相同，不同圈層的線圈寬度相同。
[0011]優(yōu)選地，所述永磁體的材料為磁化釤鈷，部分永磁體的極性垂直指向所述微型半球形諧振子，其余部分永磁體的極性垂直指向所述凹形支架底部，相鄰永磁體的極性均相反；所述永磁體與所述平面線圈的外圍輪廓形狀、外圍輪廓大小相同。
[0012]優(yōu)選地，所述凹形支架整體為圓形結(jié)構(gòu)，所述凹形支架的凹槽底部與所述永磁體的上表面相連，為所述永磁體提供支撐和固定。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供面外電磁式半球形微陀螺儀的制備方法，包括如下步驟:
[0014]第一步、清洗所述單晶硅基底，生長(zhǎng)氮化硅層，通過(guò)涂膠、光刻、顯影、RIE刻蝕、去膠等步驟在氮化硅層上開圓形口，通過(guò)HNA刻蝕、熱磷酸腐蝕等步驟在所述單晶硅基底上制備半球形凹槽；
[0015]第二步、在第一步的基礎(chǔ)上熱氧化生長(zhǎng)二氧化硅層，通過(guò)涂膠、光刻、顯影、刻蝕、去膠等步驟在二氧化硅層底部開圓形口，形成帶缺口的犧牲層，為制作所述圓柱形支撐柱和所述微型半球形諧振子提供基礎(chǔ)；
[0016]第三步、在第二步的基礎(chǔ)上熔融玻璃或燒結(jié)陶瓷，將半球形凹槽以外的部分通過(guò)磨削或減薄等技術(shù)去除，制備所述圓柱形支撐柱和所述微型半球形諧振子；
[0017]第四步、在第三步的基礎(chǔ)上濺射鉻、銅種子層，為后續(xù)的電鍍工藝提供導(dǎo)電基底；
[0018]第五步、在第四步的基礎(chǔ)上通過(guò)涂膠、光刻、顯影、電鍍金屬鎳、離子束刻蝕等工藝制作所述平面線圈；
[0019]第六步、在第五步的基礎(chǔ)上利用BHF溶液對(duì)二氧化硅犧牲層結(jié)構(gòu)進(jìn)行腐蝕，從所述單晶硅基底上釋放所述微型半球形諧振子；
[0020]第七步、準(zhǔn)備未磁化的釤鈷永磁體毛坯材料，利用電火花技術(shù)將其加工成薄板狀，并通過(guò)拋光技術(shù)將薄板兩面進(jìn)行拋光；
[0021]第八步、在第七步的基礎(chǔ)上利用激光加工將釤鈷永磁體薄板分割成所需的扇形；
[0022]第九步、在第八步的基礎(chǔ)上將分割后的扇形釤鈷永磁體進(jìn)行磁化，極性方向垂直于薄板的上下表面；
[0023]第十步、利用機(jī)械加工的方式將電工鋼材料制成所述凹形支架，將第九步得到的磁化釤鈷永磁體固定在所述凹形支架的凹槽底部，相鄰永磁體的極性方向相反；
[0024]第十一步、在第六步和第十步的基礎(chǔ)上將所述凹形支架和所述單晶硅基底對(duì)準(zhǔn)粘連，完成面外電磁式半球形微陀螺儀的制作。
[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)所述微陀螺儀采用面外驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)面外力與面內(nèi)位移之間的相互轉(zhuǎn)換，便于檢測(cè)垂直于基底方向的科氏效應(yīng)；
[0027](2)所述微陀螺儀采用電磁式驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)方法，無(wú)需制作靜電式所需的微小電容間隙，同時(shí)可避免寄生電容、靜電吸附等問(wèn)題；
[0028](3)所述微陀螺儀采用平面線圈和永磁體的方式進(jìn)行電磁驅(qū)動(dòng)和電磁檢測(cè)，便于制作和實(shí)現(xiàn)；
[0029](4)所述微陀螺儀體積小，成本低，工藝簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說(shuō)明】
[0030]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)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(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0031]圖1 (a)_圖1 (k)為本發(fā)明一較優(yōu)實(shí)施例的工藝流程圖；
[0032]圖2(a)為本發(fā)明一較優(yōu)實(shí)施例中單晶硅基底的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0033]圖2 (b)為本發(fā)明一較優(yōu)實(shí)施例中單晶硅基底的俯視圖；
[0034]圖2(c)為本發(fā)明一較優(yōu)實(shí)施例中凹形支架的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0035]圖2(d)為本發(fā)明一較優(yōu)實(shí)施例中整體結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0036]圖3(a)-圖3(b)