Mems金剛石多環(huán)陀螺儀及其加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及MEMS慣性傳感器，具體地，為一種基于軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)諧振原理的MEMS金剛石多環(huán)陀螺儀。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的MEMS陀螺儀，主要采用石英音叉式結(jié)構(gòu)，其對(duì)稱(chēng)性較差，品質(zhì)因數(shù)低，且存在輸入輸出軸之間的交叉耦合現(xiàn)象，精度很難提高。并且石英材料加工困難，批量化生產(chǎn)存在一定的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明由解決的主要問(wèn)題是提供一種高對(duì)稱(chēng)性、高品質(zhì)因數(shù)、高精度、易于批量化生產(chǎn)的MEMS陀螺儀。該陀螺儀基于軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)諧振原理，提高了器件的軸對(duì)稱(chēng)性，減小了頻率分裂;同時(shí)采用高品質(zhì)因數(shù)的金剛石材料作為諧振子材料，提高了器件的品質(zhì)因數(shù)，從而提高了器件的精度;在加工工藝上，設(shè)計(jì)了一種的MEMS加工工藝路線，實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種MEMS金剛石多環(huán)陀螺儀，其特點(diǎn)是，包含:
金剛石多環(huán)諧振子，其包含從內(nèi)向外依次分布且同心的若干層金剛石圓環(huán)；
金剛石側(cè)向電極，其分布在金剛石多環(huán)諧振子的外側(cè)；
支撐結(jié)構(gòu)，其包含:中心支撐柱，所述的中心支撐柱位于金剛石多環(huán)諧振子的圓心位置處，且與基底固定;若干根彈簧支撐梁，其連接在最內(nèi)側(cè)的金剛石圓環(huán)和中心支撐柱之間，使得所述的金剛石多環(huán)諧振子懸空。
[0005]所述的金剛石多環(huán)諧振子還包含若干組連接梁，每組所述的連接梁均勻設(shè)置在相鄰兩層金剛石圓環(huán)之間。
[0006]所述的金剛石側(cè)向電極包含若干個(gè)以圓周方式均勾分布在金剛石多環(huán)諧振子外側(cè)的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極，及對(duì)應(yīng)設(shè)置在每?jī)蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極之間的隔離電極。
[0007]相鄰兩層金剛石圓環(huán)之間通過(guò)η個(gè)均勻分布的支撐梁連接，每相鄰的支撐梁之間的夾角為360° /η，相鄰兩個(gè)同心圓的支撐梁之間的最小夾角為360° /2η。
[0008]每根所述的彈簧支撐梁由兩個(gè)半圓弧結(jié)構(gòu)組成且呈“S”型，且所述彈簧支撐梁的位置角度與連接靠近最外面一層的金剛石圓環(huán)和最外面一層金剛石圓環(huán)的支撐梁位置角度一致。
[0009 ] 一種MEMS金剛石多環(huán)陀螺儀的加工方法，其特點(diǎn)是，該方法包含:
S1，S0I硅片上表面圖形化，利用深硅刻蝕，形成多環(huán)諧振子、側(cè)向電極、支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)槽；
S2，離子束刻蝕氧化硅，去除在中心支撐柱位置的氧化層；
S3，沉積摻雜金剛石，填充結(jié)構(gòu)槽，形成金剛石多環(huán)諧振子、金剛石側(cè)向電極、支撐結(jié)構(gòu)；
S4，濕法刻蝕去除硅片上表面硅；
S5，濕法刻蝕去除氧化層，釋放金剛石結(jié)構(gòu)。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明提高了器件的軸對(duì)稱(chēng)性，減小了頻率分裂；同時(shí)采用高品質(zhì)因數(shù)的金剛石材料作為諧振子材料，提高了器件的品質(zhì)因數(shù)，從而提高了器件的精度;在加工工藝上，設(shè)計(jì)了一種的MEMS加工工藝路線，實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為本發(fā)明一種MEMS金剛石多環(huán)陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2A~2E為本發(fā)明一種MEMS金剛石多環(huán)陀螺儀的加工工藝圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]以下結(jié)合附圖，通過(guò)詳細(xì)說(shuō)明一個(gè)較佳的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。
[0013]如圖1所示，一種MEMS金剛石多環(huán)陀螺儀，包含:金剛石多環(huán)諧振子，其包含從內(nèi)向外依次分布且同心的若干層金剛石圓環(huán);金剛石側(cè)向電極，其分布在金剛石多環(huán)諧振子的外側(cè)，并與金剛石多環(huán)諧振子之間保留10m左右的電容間隙；支撐結(jié)構(gòu)，其包含:中心支撐柱，所述的中心支撐柱位于金剛石多環(huán)諧振子的圓心位置處，且與基底固定;若干根彈簧支撐梁9，其連接在最內(nèi)側(cè)的金剛石圓環(huán)和中心支撐柱10之間，使得金剛石多環(huán)諧振子懸空。
[0014]上述的金剛石多環(huán)諧振子還包含若干組連接梁，每組所述的連接梁均勻設(shè)置在相鄰兩層金剛石圓環(huán)之間。相鄰兩層金剛石圓環(huán)之間通過(guò)η個(gè)均勻分布的支撐梁連接，每相鄰的支撐梁之間的夾角為360° /η，相鄰兩個(gè)同心圓的支撐梁之間的最小夾角為360° /2η，本實(shí)施例中，金剛石多環(huán)諧振子由3個(gè)同心金剛石圓環(huán)構(gòu)成，并通過(guò)中間2組各8個(gè)連接梁，連接在一起，即由內(nèi)、中、外三層金剛石圓環(huán)構(gòu)成，外層金剛石圓環(huán)6和中層金剛石圓環(huán)7通過(guò)1組8個(gè)均勻分布的支撐梁11連接，每個(gè)支撐梁位置相差45°，中層金剛石圓環(huán)7和內(nèi)層金剛石圓環(huán)8同樣通過(guò)1組8個(gè)支撐梁12連接，每個(gè)支撐梁位置相處45°，這兩組支撐梁位置偏差22.5。。
[0015]上述的金剛石側(cè)向電極包含若干個(gè)以圓周方式均勻分布在金剛石多環(huán)諧振子外側(cè)的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極，及對(duì)應(yīng)設(shè)置在每?jī)蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極之間的隔離電極。本實(shí)施例中，金剛石側(cè)向電極由16個(gè)扇形電極以圓周方式均勾分布在諧振子外側(cè)，每個(gè)電極相差22.5°，分為1組4個(gè)X方向驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極、1組4個(gè)Υ方向驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極、以及1組8個(gè)隔離電極。電極排列方式，順時(shí)針如下:Χ軸驅(qū)動(dòng)電極1(0°方向)、隔離電極5、Υ軸驅(qū)動(dòng)電極3(45°方向)、隔離電極5、X軸檢測(cè)電極2(90°方向)、隔離電極5、Υ軸檢測(cè)電極4、隔離電極5、Χ軸驅(qū)動(dòng)電極1、隔離電極5、Υ軸驅(qū)動(dòng)電極3、隔離電極5、Χ軸檢測(cè)電極2、隔離電極5、Υ軸檢測(cè)電極4、隔離電極5。
[0016]使用X方向驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極(1、2)作為幅度回路的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極，Υ方向驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極(3、4)作為力反饋回路的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極，隔離電極(5)與中心支撐柱(10)接地電極。在X方向驅(qū)動(dòng)電極1施加正弦的幅度激勵(lì)信號(hào)，圓環(huán)諧振子沿2階4波幅橢圓形模態(tài)振動(dòng)，此時(shí)在X方向檢測(cè)電極2上觀察幅度信號(hào)，使其穩(wěn)定在固定值，達(dá)到穩(wěn)幅作用。當(dāng)有外界角速度輸入時(shí)，在科氏力作用下，Υ方向檢測(cè)電極4偏離原先穩(wěn)定值，通過(guò)在Υ方向驅(qū)動(dòng)電極3上施加力反饋信號(hào)，將電極4上的信號(hào)穩(wěn)定在原先穩(wěn)定值上，實(shí)現(xiàn)力反饋。此時(shí)電極3上的電壓信號(hào)與外界輸入的角速度成正比，通過(guò)解調(diào)該信號(hào)的幅值，可以得到輸入角速度的大小。
[0017]每根所述的彈簧支撐梁9由兩個(gè)半圓弧結(jié)構(gòu)組成且呈“S”型，且所述彈簧支撐梁的位置角度與連接靠近最外面一層的金剛石圓環(huán)和最外面一層金剛石圓環(huán)的支撐梁位置角度一致。
[0018]如圖2所示，一種MEMS金剛石多環(huán)陀螺儀的加工方法，包含:
S1，S0I硅片上表面圖形化，利用深硅刻蝕，形成多環(huán)諧振子、側(cè)向電極、支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)槽;(參見(jiàn)圖2A)
S2，離子束刻蝕氧化硅，去除在中心支撐柱位置的氧化層;(參見(jiàn)圖2B)
S3，LF-CVD沉積摻雜金剛石，填充結(jié)構(gòu)槽，形成金剛石多環(huán)諧振子、金剛石側(cè)向電極、支撐結(jié)構(gòu)；(參見(jiàn)圖2C)
S4，濕法刻蝕去除硅片上表面硅；(參見(jiàn)圖2D)
S5，濕法刻蝕去除氧化層，釋放多晶硅結(jié)構(gòu)；(參見(jiàn)圖2E)。
[0019]綜上所述，本發(fā)明一種MEMS金剛石多環(huán)陀螺儀及其加工方法，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、品質(zhì)因數(shù)高、穩(wěn)定性好、可批量化生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可以免疫外部環(huán)境振動(dòng)對(duì)器件性能的影響。
[0020]盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種MEMS金剛石多環(huán)陀螺儀，其特征在于，包含: 金剛石多環(huán)諧振子，其包含從內(nèi)向外依次分布且同心的若干層金剛石圓環(huán)； 金剛石側(cè)向電極，其分布在金剛石多環(huán)諧振子的外側(cè)； 支撐結(jié)構(gòu)，其包含:中心支撐柱，所述的中心支撐柱位于金剛石多環(huán)諧振子的圓心位置處，且與基底固定;若干根彈簧支撐梁，其連接在最內(nèi)側(cè)的金剛石圓環(huán)和中心支撐柱之間，使得所述的金剛石多環(huán)諧振子懸空。2.如權(quán)利要求1所述的MEMS金剛石多環(huán)陀螺儀，其特征在于，所述的金剛石多環(huán)諧振子還包含若干組連接梁，每組所述的連接梁均勻設(shè)置在相鄰兩層金剛石圓環(huán)之間。3.如權(quán)利要求1所述的MEMS金剛石多環(huán)陀螺儀，其特征在于，所述的金剛石側(cè)向電極包含若干個(gè)以圓周方式均勻分布在金剛石多環(huán)諧振子外側(cè)的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極，及對(duì)應(yīng)設(shè)置在每?jī)蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電極之間的隔離電極。4.如權(quán)利要求2所述的MEMS金剛石多環(huán)陀螺儀，其特征在于，相鄰兩層金剛石圓環(huán)之間通過(guò)一組η個(gè)均勻分布的支撐梁連接，每相鄰的支撐梁之間的夾角為360°/n，相鄰兩組支撐梁之間的夾角為360°/2n。5.如權(quán)利要求1所述的MEMS金剛石多環(huán)陀螺儀，其特征在于，每根所述的彈簧支撐梁由兩個(gè)半圓弧結(jié)構(gòu)組成且呈“S”型，且所述彈簧支撐梁的位置角度與連接靠近最外面一層的金剛石圓環(huán)和最外面一層金剛石圓環(huán)的支撐梁位置角度一致。6.一種MEMS金剛石多環(huán)陀螺儀的加工方法，其特征在于，該方法包含: Sl，SOI硅片上表面圖形化，利用深硅刻蝕，形成多環(huán)諧振子、側(cè)向電極、支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)槽； S2，離子束刻蝕氧化硅，去除在中心支撐柱位置的氧化層； S3，沉積摻雜金剛石，填充結(jié)構(gòu)槽，形成金剛石多環(huán)諧振子、金剛石側(cè)向電極、支撐結(jié)構(gòu)； S4，濕法刻蝕去除硅片上表面硅； S5，濕法刻蝕去除氧化層，釋放金剛石結(jié)構(gòu)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種MEMS金剛石多環(huán)陀螺儀及其加工方法，該金剛石多環(huán)陀螺儀包含金剛石多環(huán)諧振子，其包含從內(nèi)向外依次分布且同心的若干層金剛石圓環(huán)；金剛石側(cè)向電極，其分布在金剛石多環(huán)諧振子的外側(cè)；支撐結(jié)構(gòu)，其包含：中心支撐柱，中心支撐柱位于金剛石多環(huán)諧振子的圓心位置處，且與基底固定；若干根彈簧支撐梁，其連接在最內(nèi)側(cè)的金剛石圓環(huán)和中心支撐柱之間，使得金剛石多環(huán)諧振子懸空。本發(fā)明具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、品質(zhì)因數(shù)高、穩(wěn)定性好、可批量化生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可以免疫外部環(huán)境振動(dòng)對(duì)器件性能的影響。
【IPC分類(lèi)】G01C19/5684
【公開(kāi)號(hào)】CN105486298
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510843246
【發(fā)明人】成宇翔, 趙萬(wàn)良, 李紹良, 陳筠, 蔡雄
【申請(qǐng)人】上海新躍儀表廠
【公開(kāi)日】2016年4月13日
【申請(qǐng)日】2015年11月27日