專利名稱：靜電懸浮轉子微慣性傳感器及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種微慣性傳感器及其制造方法，特別是一種靜電懸浮轉子微慣性傳感器及其制造方法，用于微機電系統技術領域。
背景技術：
靜電懸浮轉子微慣性傳感器是一種不同于振動式微陀螺和一般微加速度計的微機械慣性傳感器，它通過靜電力懸浮使檢測質量與襯底分開，利用懸浮的微小扁平轉子(利用變電容微馬達的原理進行旋轉驅動)作為檢測質量，由懸浮微轉子高速旋轉產生的陀螺效應，借助力矩再平衡原理測量輸入的二軸角速度；同時，由懸浮微轉子借助力平衡原理可測量三軸線加速度。用一個懸浮微轉子作為檢測質量實現角速度和線加速度測量的微慣性傳感器也有報道。經文獻檢索，專利號為US5353656，名稱為“靜電控制微機械陀螺(Electrostatically ControlledMicromachined Gyroscope)”的美國專利提出了一種采用多層多晶硅工藝的，由兩層氮化硅緣絕層隔開的三層多晶硅制成的扁平圓盤轉子的二軸靜電微陀螺。由于受多晶硅工藝的限制，該微轉子不能太大太厚，其直徑僅200μm，厚約7μm，因而該微陀螺的位移電容檢測比較困難；另一方面，由于轉子太薄，因而限制了微轉子側向線加速度的測量能力。文獻檢索中還發現，T.Murakoshi等人在《日本應用物理》期刊上發表的“靜電懸浮環形轉子陀螺和加速度計”(JapaneseJournal of Applied Physics，2003(42)2468-2472，ElectrostaticallyLevitated Ring-shaped Rotational-Gyro/Accelerometer)一文中闡述了一種能同時測量二軸角速度和三軸線加速度的，采用體硅刻蝕工藝的單晶硅環形轉子的靜電懸浮微慣性傳感器。該靜電懸浮轉子微慣性傳感器采用玻璃-硅-玻璃三層鍵合結構，工作部分由單晶硅環形轉子和布置于環形轉子周圍的軸向懸浮控制電極、徑向懸浮控制電極、靜電旋轉驅動電極、電容檢測公共電極組成，其中在環形轉子徑向的內外側均設置有徑向懸浮控制電極和電容檢測公共電極。主要采用感應耦合等離子體深反應離子刻蝕(ICP DRIE)和陽極鍵合工藝制作首先在兩側的硼硅玻璃襯底上刻蝕出軸向電容間隙和軸向止擋，并沉積薄膜金屬形成軸向電極和引線；然后將一側玻璃襯底與硅片進行陽極鍵合，利用ICP DRIE刻蝕硅片以釋放環形轉子、徑向電極，并形成轉子與內外側電極的徑向間隙；接著與另一側玻璃襯底進行陽極鍵合；切片獲得微器件芯片。ICP DRIE工藝的主要缺點是工藝復雜，設備成本高，刻蝕的體硅側壁平坦度差，為減小側壁表面粗糙度以防止徑向間隙發生本地化放電擊穿，ICP DRIE刻蝕體硅時須進行嚴格的工藝參數控制。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中存在的上述缺點，提供一種結構簡單、制造成本低的靜電懸浮轉子微慣性傳感器及其制造方法，并使其實現靜電懸浮扁平微轉子的五軸慣性(二軸角速度和三軸線加速度)測量功能。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明靜電懸浮轉子微慣性傳感器采用三明治式的三層鍵合結構，由下襯底層、中間金屬結構層和上襯底層構成，中間金屬結構層由金屬轉子和金屬轉子周邊的徑向電極組成，下襯底層、上襯底層分別和徑向電極相鍵合形成轉子腔，轉子腔的中心為慣性坐標系OXYZ的原點O，上下方向的中心軸向為OZ軸；金屬轉子處于形成的轉子腔的中心，OZ軸向為其旋轉軸方向；在下襯底的上表面上設置有薄膜金屬軸向電極和引線，下襯底的中心處設置有止擋凹坑；上襯底層與下襯底層的結構相同，上襯底的下表面上同樣設置有薄膜金屬軸向電極和引線，下襯底的中心處同樣設置有止擋凹坑；金屬轉子與上、下襯底上的薄膜金屬軸向電極和周邊徑向電極之間分別形成軸向電極間隙和徑向電極間隙。
下襯底上表面或上襯底下表面上的薄膜金屬軸向電極包括沿X軸正向和負向且關于X軸對稱布置的軸向懸浮控制電極對、沿Y軸正向和負向且關于Y軸對稱布置的軸向懸浮控制電極對、公共電極和數量為三的倍數的旋轉驅動定子電極；其中軸向懸浮控制電極對由兩個形狀和大小都相同的軸向電極組成，公共電極由布置于軸向懸浮控制電極對之間的公共電極和中心公共電極組成。
金屬轉子周邊的徑向電極包括沿X軸正向和負向且關于X軸對稱布置的徑向懸浮控制電極對、沿Y軸正向和負向且關于X軸對稱布置的徑向懸浮控制電極對和布置于徑向懸浮電極對之間的公共電極；其中徑向懸浮控制電極對由兩個形狀和大小都相同的徑向電極組成。
金屬轉子為輪狀，其上均勻地設置有數量為二的倍數的通槽，各通槽之間輻條的上、下表面為旋轉驅動轉子電極，并通過軸向電極間隙與上、下襯底層上的旋轉驅動定子電極相對應，旋轉驅動轉子電極和旋轉驅動定子電極的電極數量不同；金屬轉子輪緣的上、下表面及中心處輪轂的上、下表面通過軸向電極間隙分別與上、下襯底層上的軸向電極相對應；金屬轉子輪緣的外側面通過徑向電極間隙與周邊徑向電極相對應，金屬轉子輪轂上、下面的中心處設置有突出軸柱，并通過間隙分別與上、下襯底中心處的止擋凹坑相對應。
上、下襯底均為方板玻璃襯底，上、下襯底中心處的止擋凹坑的內表面鍍薄膜金屬導電層。
本發明靜電懸浮轉子微慣性傳感器的制造方法，包括下襯底層的工序、中間金屬結構層的工序、上襯底層的工序和鍵合工序，其中下襯底層的工序或上襯底層的工序包括首先準備方板玻璃襯底，然后在方板玻璃襯底的中心處刻蝕止擋凹坑，接著制作止擋凹坑內表面的薄膜導電層、薄膜金屬軸向電極和引線，并沉積絕緣保護層；中間金屬結構層的工序包括在下襯底層工序的基礎上制作犧牲層，接著蒸鍍金種子層，旋涂厚光刻膠并光刻成模，然后同時電鑄形成金屬轉子和徑向電極；拋磨電鑄結構的上表面后，二次電鑄鎳形成轉子輪轂上面中心處的突出軸柱，然后在徑向電極上制作鍵合焊接層；去除光刻膠和犧牲層，釋放金屬轉子；鍵合工序包括將已完成上襯底層工序的玻璃上襯底層倒置，與中間金屬結構層對齊裝配，然后共熔回流自對準焊接鍵合；切片，獲得微器件芯片。
該基于準LIGA(光刻、電鑄、注塑)技術的制造方法所采用電鑄金屬轉子和徑向電極的材質均為金屬鎳(Ni)，所用的厚光刻膠為SU-8負性光刻膠。電鑄金屬轉子和徑向電極在厚光刻膠模上同時電鑄形成，并通過SU-8厚光刻膠模定義徑向電極間隙；鍵合焊接層為電鑄鉛錫(Pb-Sn)焊層，共熔回流自對準焊接鍵合；金屬轉子下方的軸向電極間隙通過犧牲層定義，上方的軸向電極間隙通過刻蝕上襯底下陷并經焊接鍵合來形成。
或者本發明的制造方法，包括下襯底層的工序、上襯底層的工序、徑向電極的工序、金屬轉子的工序和微裝配與鍵合工序，徑向電極和金屬轉子分別通過徑向電極的工序和金屬轉子的工序經SU8厚光刻膠模分別電鑄金屬Ni而成，并且金屬轉子的外徑和厚度分別小于徑向電極的內徑和高度，通過微裝配和鉛錫(Pb-Sn)焊接鍵合來形成徑向電極間隙和軸向電極間隙。
與現有技術相比，本發明的有益效果在于，靜電懸浮轉子微慣性傳感器采用輪狀的Ni金屬轉子和SU-8光刻膠的近紫外線(UV)準LIGA技術，結構簡單、制造成本低；通過本發明利用靜電懸浮Ni金屬微轉子可以同時實現二軸角速度和三軸線加速度的測量功能。
圖1本發明XOZ平面的結構剖面2本發明沿OZ軸的分解立體結構示意3本發明金屬轉子的立體結構示意圖具體實施方式
如圖1、圖2所示，本發明采用三明治式的三層鍵合結構，由下襯底層1，中間金屬結構層2和上襯底層3構成。在下襯底層1的襯底10的上表面上設置有軸向薄膜金屬電極和引線，其中軸向薄膜金屬電極包括沿X軸向布置的軸向懸浮控制電極對11、13，沿Y軸向布置的軸向懸浮控制電極對12、14，公共電極15a～15e和數量為三的倍數的旋轉驅動定子電極16；在下襯底10的中心處還設置有止擋凹坑17。上襯底層3與下襯底層1的結構相同，其襯底30的下底面上同樣設置有沿X軸向布置的軸向懸浮控制電極對31、33，沿Y軸向布置的軸向懸浮控制電極對32、34，公共電極35a～35e，數量為三的倍數的旋轉驅動定子電極36；上襯底30中心處同樣設置有止擋凹坑37。中間金屬結構層2包括轉子20和轉子20周邊布置的徑向電極，其中包括沿X軸向布置的徑向懸浮控制電極對21、23，沿Y軸向布置的徑向懸浮控制電極對22、24，公共電極25a～25d。
如圖3所示，金屬轉子20為輪狀，其上均勻地設置有數量為二的倍數的通槽42，各通槽42之間輻條的上、下表面為旋轉驅動轉子電極41，并與旋轉驅動定子電極36、16相對應；轉子20輪緣的上、下表面45為轉子的軸向懸浮作用面，分別與上襯底30上的軸向電極31～34、35a～35d和下襯底10上的軸向電極11～14、15a～15d相對應；轉子20輪緣的外側面46為轉子的徑向懸浮作用面，與周邊徑向電極21～24、25a～25d相對應；轉子20中心處輪轂的上、下表面43分別與上、下襯底30、10上的公共電極35e和15e相對應；轉子20輪轂中心處的突出軸柱44分別與上、下襯底30、10中心處的止擋凹坑37和17相對應。
如圖1所示，下襯底層1、上襯底層3分別和徑向電極21～24、25a～25d相鍵合形成轉子腔29，轉子20處于轉子腔29的中心；轉子20與下襯底層1上的軸向電極11～14、15a～15e和上襯底層3上的軸向電極31～34、35a～35e間分別形成軸向電極間隙27，與徑向電極21～24、25a～25d間形成徑向電極間隙26；轉子20輪轂上、下面43的中心處設置有突出軸柱44，并分別與上、下止擋凹坑37、17之間形成間隙28a和28b。
上、下襯底30和10均采用方板玻璃襯底，由于玻璃襯底為絕緣體，作為金屬電極和引線的載體，其分布電容較小，對于微電容測量有好處；另一方面，采用方形玻璃板襯底可為微慣性傳感器提供敏感軸方位基準。上、下玻璃襯底上的軸向懸浮控制電極對31～34和11～14用于懸浮轉子Z軸向的線位移和繞X或Y軸的轉角位移的懸浮控制；金屬轉子20周邊的徑向懸浮控制電極對21～24用于懸浮轉子徑向的線位移的懸浮控制；所有公共電極15a～15e、35a～35e和25a～25d相連，用于輸出轉子的位移檢測電流，為提高檢測信號的信噪比，要求公共電極與轉子間形成的大公共電容要盡可能大。轉子20輪轂上、下面的中心處的突出軸柱44用作轉子20的支撐柱，用于懸浮啟動時減小轉子與襯底之間的靜摩擦力；上、下襯底30和10中心處的止擋凹坑37、17分別通過轉子上、下面的突出軸柱44作用，用于約束轉子軸向和徑向的過大位移；上、下襯底30和10中心處的止擋凹坑37、17的內表面鍍薄膜金屬導電層用作接地面，用于轉子停歇時釋放其上可能的積累電荷，以保證轉子為零電位。上、下襯底30、10上的旋轉驅動定子電極36和16的數量為3的倍數并分成三組以施加三相直流驅動電壓，轉子20的輻條上、下表面的旋轉驅動轉子電極41的數量為二的倍數，且與旋轉驅動定子電極16或36的數量不同。
本發明靜電懸浮轉子微慣性傳感器的主要工作過程為下襯底10上的軸向懸浮控制電極對11～14、上襯底30上的軸向懸浮控制電極對31～34和轉子20之間形成4對Z軸向的軸向差動電容；轉子20周邊X軸向的徑向懸浮控制電極對21和23、Y軸向的徑向懸浮控制電極對22和24與轉子20之間分別形成X軸向和Y軸向的徑向差動電容。工作時，在軸向和徑向懸浮控制電極對11～14，31～34，21～24上分別施加等值異號的直流懸浮控制電壓，將使轉子20在軸向、徑向靜電支撐力的作用下懸浮在轉子腔的中間位置(零位)上；在軸向和徑向懸浮控制電極對11～14，31～34，21～24上分別再疊加表示轉子線位移和角位移的不同頻率(高頻)的載波電壓，因高頻激勵電壓作用，當轉子20發生線位移或角位移時，在相連的公共電極15a～15e、35a～35e、25a～25d上將產生表示轉子相應位移的交流檢測電流信號。同樣，當在上、下襯底的旋轉驅動定子電極36、16上施加三相直流驅動電壓(相應同相的上下驅動定子電極所加的驅動電壓等值異號)并疊加表示轉子電極相對定子電極的轉角位置檢測載波信號時，轉子將繞其中心軸高速旋轉，并也將在公共電極15a～15e、35a～35e、25a～25d上產生表示轉子轉角位置的交流檢測電流信號。即在表示轉子六個自由度位移的不同頻率的高頻載波激勵信號下，轉子20與其周圍的所有公共電極之間形成一個大的公共電容，當轉子20發生線位移或角位移時，由這個大公共電容的公共電極上可同時引出包含轉子線位移、角位移六個運動自由度信息的交流檢測電流信號。此交流檢測電流信號經包括前置放大器在內的位移檢出電路轉換生成交流檢測電壓信號vp。包含轉子位移信息的檢測交流電壓信號vp，以標準載波信號為參考信號進行同步解調、濾波，產生轉子相應軸的位移信號，經計算求得相應懸浮電極對上應加的直流懸浮控制電壓從而使轉子20歸零位。同樣，包含旋轉驅動轉子電極41相對旋轉驅動定子電極16或36轉角位移信息的交流檢測電壓信號vp，進行同步解調，濾波后，可計算出轉子驅動電極相對定子驅動電極的轉角位置和轉子20的實際轉速，經閉環恒速控制自動調節各相定子驅動電極上的加壓脈寬或幅值，可實現轉子20按設定轉速旋轉。
力矩再平衡原理測角速度的原理當微慣性傳感器的殼體相對慣性空間有垂直于轉子20自轉軸oz的角速度如繞Y軸輸入角速度ωy時，殼體將繞Y軸轉動，即轉子相對殼體繞Y軸發生轉角位移φy，經位移電容檢測、靜電懸浮控制后，將相應改變沿Y軸向布置的構成差動電容的軸向懸浮控制電極對12與32，14與34上的懸浮控制電壓的大小，即轉子20將受到懸浮控制施加的繞X軸的控制力矩Mx的作用。在Mx平衡力矩作用下，轉子自轉軸oz繞Y軸相對慣性空間進動，且進動方向與殼體的轉動方向相同，從而將轉子繞Y軸相對殼體產生的轉角位移φy消除掉，以保證轉子20的自轉軸始終處于轉子腔29的零位工作。由產生的懸浮控制電壓的大小，計算出轉子所受的平衡力矩Mx，由下式可求得繞Y軸輸入的角速度ωy=MxH=MxIΩ]]>式中H為轉子20的角動量，I為轉子20的極轉動慣量，Ω為轉子20的自轉角速度。同理，若殼體相對慣性空間繞X軸輸入角速度ωx時，轉子相對殼體繞X軸將發生轉角位移φx，由沿X軸向布置的構成差動電容的軸向懸浮電極對11與31，13與33上產生的再平衡力矩My，根據下式可求得繞X軸輸入的角速度ωx=MyH=MyIΩ]]>力平衡原理實現轉子三軸線加速度的測量當轉子20發生沿X或Y或Z軸向的線位移時，在構成差動電容的懸浮電極對上的直流懸浮控制電壓將發生改變，即產生相應的靜電懸浮控制力F使轉子20歸零。由使轉子20回零位的靜電反饋平衡力F，由下式可求得輸入的相應線加速度a=Fm]]>式中線加速度a＝[ax，ay，az]T，反饋平衡力F＝[Fx，Fy，Fz]T，m為轉子20的質量。
為提高本發明微慣性傳感器軸向和徑向工作的靈敏度，實現本發明結構的關鍵在于幾微米大小的軸向電極間隙27和徑向電極間隙26的形成，特別是轉子20和徑向電極之間的高深寬比徑向電極間隙26的形成。準LIGA技術由于利用近紫外光(UV)來代替LIGA技術中的X射線光，從而使得工藝成本大為降低，并且同樣能獲得數百微米厚，側壁陡峭，表面平整的高深寬比(可大于20∶1)微結構。特別是SU-8厚光刻膠的開發，使得UV-LIGA技術在高深寬比微結構中獲得了廣泛應用。因此，本發明主要采用這種基于SU-8光刻膠的UV-LIGA微加工技術來實現上述靜電懸浮轉子微慣性傳感器結構。
本發明所涉及的靜電懸浮轉子微慣性傳感器的一種制作方法，包括下襯底層的工序、中間金屬結構層的工序、上襯底層的工序和鍵合工序。
下襯底層的工序首先準備方板玻璃下襯底10，并刻蝕中心止擋凹坑17；接著濺射一層Cr/Au或Ti/Au薄膜，其中Cr、Ti為附著層，厚20nm，Au為薄膜電極及引線層，厚500nm；然后圖形化以形成止擋凹坑17內表面的薄膜導電層、薄膜金屬軸向電極(包括電極11～14，15a～15e和16)、徑向電極電鑄金屬基層和引線；接著沉積一層500nm厚的氮化硅或氧化硅的絕緣保護層。
中間金屬結構層的工序在下襯底層工序形成的絕緣保護層上，接著制作形成下軸向電極間隙的厚為2～5μm的犧牲層，該犧牲層可通過旋涂光刻膠或濺射Ti形成；光刻犧牲層和絕緣保護層以露出電鑄金屬基層和引線點，然后蒸鍍Au種子層；接著旋涂100μm左右的SU8厚光刻膠，并光刻成轉子20和徑向電極21～24、25a～25d的光刻膠模，即用光刻膠模定義徑向電極間隙26，間隙大小小于10μm；用氨基磺酸鎳為主的電鍍液進行電鑄Ni結構以形成Ni轉子和徑向電極，氨基磺酸鎳濃度為300g/L，電鑄電流密度10～25A/dm2；由于電鍍結構的上表面比較粗糙，需要進行多步拋磨以使粗糙度達到亞微米級。接著旋涂數微米厚的光刻膠并光刻成模，然后二次電鑄Ni以形成轉子20輪轂上面中心處的突出軸柱44。剝離上面突出軸柱44的光刻膠模，再次旋涂光刻膠并在徑向電極之上光刻成模，用含氟硼酸鉛和氟硼酸錫為主的電鍍液電鑄約20μm厚的鉛錫(Pb-Sn)焊接層作為徑向電極和玻璃上襯底30之間的鍵合焊接層。采用氧等離子灰化法去除光刻膠，并刻蝕掉犧牲層，釋放轉子。
上襯底層的工序與下襯底層的工序基本相同首先準備方板玻璃上襯底30，刻蝕2～5μm的下陷以定義上襯底電極與轉子間的軸向電極間隙27，并在中心處刻蝕止擋凹坑37，其深度和內徑都要稍小于下襯底止擋凹坑17的深度和內徑，這樣，工作時上襯底層放置于下面，這樣啟動前轉子不完全貼近定子電極從而減小啟動時的靜摩擦力。接下來的工序同下襯底層的濺射一層Cr/Au或Ti/Au薄膜(Cr、Ti厚20nm，Au厚500nm)，然后圖形化以形成止擋凹坑37內表面的薄膜導電層、薄膜金屬軸向電極(包括電極31～34，35a～35e和36)、徑向電極金屬基層和引線；接著沉積一層500nm厚的氮化硅或氧化硅的絕緣保護層。
中間金屬結構層和上襯底層的鍵合工序將完成上襯底層工序的玻璃上襯底層3倒置，與中間金屬結構層2對齊裝配、Pb-Sn共熔回流(183℃)自對準焊接鍵合，切片，并將微慣性器件倒置，即上襯底層3在下方。至此，可獲得本發明微慣性器件的芯片。為實現靜電懸浮轉子微慣性傳感器的功能，芯片還須進行真空封裝和控制驅動線路的制作。
上述本發明所涉及的靜電懸浮轉子微慣性傳感器制作方法的實施例，其顯著的特點是金屬轉子和徑向電極在SU8厚光刻膠模上同時電鑄Ni而成，并通過SU8厚光刻膠模定義高深寬比徑向電極間隙26；轉子下方的軸向電極間隙27通過犧牲層定義，而上方的軸向電極間隙27通過刻蝕上襯底下陷并經Pb-Sn焊接鍵合來形成。該實施例提供的微慣性傳感器的制作方法工藝簡單，易于批量制作，但定義徑向電極間隙的SU8厚光刻膠模去除困難。
本發明所涉及的靜電懸浮轉子微慣性傳感器制造方法的另一實施例為金屬轉子和徑向電極通過各自的SU8厚光刻膠模分別電鑄Ni而成，并通過微裝配來形成金屬轉子和徑向電極之間的高深寬比徑向電極間隙。即該種靜電懸浮轉子微慣性傳感器的制造方法，包括下襯底層的工序、上襯底層的工序、徑向電極的工序、金屬轉子的工序和微裝配與鍵合工序。下襯底層的工序或上襯底層的工序，同上述實施例中的下襯底層工序，包括首先準備方板玻璃襯底，然后在方板玻璃襯底的中心處刻蝕止擋凹坑，接著制作止擋凹坑內表面的薄膜導電層、薄膜金屬軸向電極、徑向電極電鑄金屬基層和引線，并沉積絕緣保護層；所述的徑向電極的工序包括在下襯底層工序的基礎上，在徑向電極電鑄金屬基層上蒸鍍金種子層，旋涂SU-8厚光刻膠并光刻成模，然后電鑄Ni金屬徑向電極；拋磨電鑄金屬徑向電極的上表面后，然后在徑向電極上電鑄Pb-Sn鍵合焊接層，去光刻膠。金屬轉子的工序準備玻璃或硅襯底，蒸鍍Cr/Au種子層并圖形化，旋涂SU-8厚光刻膠并光刻成模，然后電鑄Ni金屬轉子，拋磨其上表面后，二次電鑄鎳形成轉子輪轂上面中心處的突出軸柱，去除光刻膠，釋放金屬轉子；微裝配與鍵合工序包括在顯微鏡下將釋放的Ni金屬轉子置于電鑄Ni徑向電極之中完成微裝配，然后將玻璃上襯底層倒置，與徑向電極之上的電鑄Pb-Sn鍵合焊接層對齊裝配，然后共熔回流自對準焊接鍵合；切片，獲得微器件芯片。該靜電懸浮轉子微慣性傳感器制造方法實施例的另一顯著的特點是金屬轉子的外徑和厚度分別小于徑向電極的內徑和高度，通過微裝配和焊接鍵合來形成徑向電極間隙和軸向電極間隙。該微慣性傳感器制造方法的實施例通過微裝配來形成徑向電極間隙，避免了上述實施例采用SU8厚光刻膠模定義徑向電極而引起的去膠困難的缺點，但工藝相對復雜。
以上所述的實施例目的在于使熟知此項技術的人士能夠了解本發明的內容并據以實施，但不能作為本發明的保護范圍，即凡是依據本發明所揭示的精神而加以修飾或變化，仍應認為落入本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種靜電懸浮轉子微慣性傳感器，由下襯底層(1)，中間金屬結構層(2)和上襯底層(3)構成，其特征在于中間金屬結構層(2)由金屬轉子(20)和金屬轉子周邊的徑向電極(21～24、25a～25d)組成，下襯底層(1)、上襯底層(3)分別和徑向電極(21～24、25a～25d)相鍵合形成轉子腔(29)，轉子腔(29)的中心為慣性坐標系OXYZ的原點O，上下方向的中心軸向為OZ軸，金屬轉子(20)處于轉子腔(29)的中心，OZ軸向為其旋轉軸方向；在下襯底(10)的上表面上設置有薄膜金屬軸向電極(11～14、15a～15e)和引線，下襯底(10)的中心處設置有止擋凹坑(17)；上襯底層(3)與下襯底層(1)的結構相同，上襯底(30)的下表面上同樣設置有薄膜金屬軸向電極(31～34、35a～35e)和引線，上襯底(30)的中心處同樣設置有止擋凹坑(37)；金屬轉子(20)與上襯底(30)上的薄膜金屬軸向電極(31～34、35a～35e)和下襯底(10)上的薄膜金屬軸向電極(11～14、15a～15e)之間分別形成軸向電極間隙(27)；金屬轉子(20)與周邊徑向電極(21～24、25a～25d)之間形成徑向電極間隙(26)。
2.根據權利要求1所述的靜電懸浮轉子微慣性傳感器，其特征是，所述的下襯底(10)上表面上的薄膜金屬軸向電極(11～14、15a～15e)包括沿X軸正向和負向且關于X軸對稱布置的軸向懸浮控制電極對(11)和(13)、沿Y軸正向和負向且關于Y軸對稱布置的軸向懸浮控制電極對(12)和(14)、公共電極(15a～15e)和數量為三的倍數的旋轉驅動定子電極(16)，其中軸向懸浮控制電極對(11～14)由兩個形狀和大小都相同的軸向電極組成，公共電極(15a～15e)由布置于所述的軸向懸浮控制電極對(11～14)之間的公共電極(15a～15d)和中心公共電極(15e)組成；所述的上襯底(30)下表面上的薄膜金屬軸向電極(31～34、35a～35e)包括沿X軸正向和負向且關于X軸對稱布置的軸向懸浮控制電極對(31)和(33)、沿Y軸正向和負向且關于Y軸對稱布置的軸向懸浮控制電極對(32)和(34)、公共電極(35a～35e)和數量為三的倍數的旋轉驅動定子電極(36)，其中軸向懸浮控制電極對(31～34)由兩個形狀和大小都相同的軸向電極組成，公共電極(35a～35e)由布置于所述的軸向懸浮電極對(31～34)之間的公共電極(35a～35d)和中心公共電極(35e)組成。
3.根據權利要求1所述的靜電懸浮轉子微慣性傳感器，其特征是，所述的金屬轉子(20)周邊的徑向電極(21～24、25a～25d)包括沿X軸正向和負向且關于X軸對稱布置的徑向懸浮控制電極對(21)和(23)、沿Y軸正向和負向且關于X軸對稱布置的徑向懸浮控制電極對(22)和(24)和布置于所述的徑向懸浮電極對(21～24)之間的公共電極(25a～25d)，其中徑向懸浮控制電極對(21～24)由兩個形狀和大小都相同的徑向電極組成。
4.根據權利要求1或2所述的靜電懸浮轉子微慣性傳感器，其特征是，所述的金屬轉子(20)為輪狀，其上均勻地設置有數量為二的倍數的通槽(42)，各通槽(42)之間輻條的上、下表面為旋轉驅動轉子電極(41)，并通過軸向電極間隙(27)與上、下襯底層上的旋轉驅動定子電極(36)、(16)相對應；金屬轉子(20)輪緣的上、下表面(45)通過軸向電極間隙(27)分別與上襯底(30)上的薄膜金屬軸向電極(31～34、35a～35d)和下襯底(10)上的薄膜金屬軸向電極(11～14、15a～15d)相對應；金屬轉子(20)中心處輪轂的上、下表面(43)通過軸向電極間隙(27)分別與上襯底層上的中心公共電極(35e)和下襯底層上的中心公共電極(15e)相對應；金屬轉子(20)輪緣的外側面(46)通過徑向電極間隙(26)與周邊徑向電極(21～24、25a～25d)相對應；金屬轉子(20)輪轂上、下面(43)的中心處均設置有突出軸柱(44)，并通過間隙(28a、28b)分別與上襯底(30)中心處的止擋凹坑(37)和下襯底(10)中心處的止擋凹坑(17)相對應。
5.根據權利要求1所述的靜電懸浮轉子微慣性傳感器，其特征是，所述的上襯底(30)和所述的下襯底(10)均為方板玻璃襯底，上襯底(30)中心處的止擋凹坑(37)和下襯底(10)中心處的止擋凹坑(17)的內表面鍍薄膜金屬導電層。
6.一種靜電懸浮轉子微慣性傳感器的制造方法，其特征在于包括下襯底層的工序、中間金屬結構層的工序、上襯底層的工序和鍵合工序，所述的下襯底層的工序或上襯底層的工序包括首先準備方板玻璃襯底，然后在方板玻璃襯底的中心處刻蝕止擋凹坑，接著制作止擋凹坑內表面的薄膜導電層、薄膜金屬軸向電極和引線，并沉積絕緣保護層；所述的中間金屬結構層的工序包括在所述的下襯底層工序的基礎上制作犧牲層，接著蒸鍍金種子層，旋涂厚光刻膠并光刻成模，然后同時電鑄形成金屬轉子和徑向電極，并通過形成的厚光刻膠模定義徑向電極間隙；拋磨電鑄結構的上表面后，二次電鑄鎳形成轉子輪轂上面中心處的突出軸柱，然后在徑向電極上制作鍵合焊接層，去除光刻膠和犧牲層，釋放金屬轉子；所述的鍵合工序包括將已完成上襯底層工序的玻璃上襯底層倒置，與中間金屬結構層對齊裝配，然后共熔回流自對準焊接鍵合，切片，獲得微器件芯片；或者包括下襯底層的工序、上襯底層的工序、徑向電極的工序、金屬轉子的工序和微裝配與鍵合工序，徑向電極和金屬轉子分別通過所述的徑向電極的工序和所述的金屬轉子的工序經厚光刻膠模分別電鑄金屬而成，并且金屬轉子的外徑和厚度分別小于徑向電極的內徑和高度，通過微裝配與鍵合工序來形成徑向電極間隙和軸向電極間隙。
7.根據權利要求6所述的靜電懸浮轉子微慣性傳感器的制造方法，其特征是，所述的電鑄金屬轉子和徑向電極的材質均為金屬鎳，厚光刻膠為SU-8負性光刻膠。
8.根據權利要求6所述的靜電懸浮轉子微慣性傳感器的制造方法，其特征是，所述的鍵合焊接層為電鑄鉛錫焊層。
9.根據權利要求6或7或8所述的靜電懸浮轉子微慣性傳感器的制造方法，其特征是，金屬轉子下方的軸向電極間隙通過犧牲層定義，上方的軸向電極間隙通過刻蝕上襯底下陷并經焊接鍵合來形成。
全文摘要
一種靜電懸浮轉子微慣性傳感器及其制造方法，用于微機電系統技術領域。本發明微慣性傳感器包括下襯底層，中間金屬結構層和上襯底層，中間金屬結構層由金屬轉子和周邊徑向電極組成，下、上襯底層分別和徑向電極相鍵合形成轉子腔，輪狀的金屬轉子處于轉子腔的中心，與下、上襯底上的軸向電極和周邊徑向電極之間分別形成軸向電極間隙和徑向電極間隙。制備方法包括下襯底層的工序、中間金屬結構層的工序、上襯底層的工序和鍵合工序，或包括下襯底層的工序、上襯底層的工序、徑向電極的工序、金屬轉子的工序和微裝配與鍵合工序，給出了基于UV－LIGA技術的制造方法。本發明結構簡單、制造成本低，可以同時測量二軸角速度和三軸線加速度。
文檔編號G01C19/24GK1580701SQ20041001847
公開日2005年2月16日 申請日期2004年5月20日 優先權日2004年5月20日
發明者陳文元, 崔峰, 趙小林, 張衛平 申請人:上海交通大學