基于硅平面加工工藝的靜電驅動式體聲波固體波動微陀螺的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種基于硅平面加工工藝的靜電驅動式體聲波固體波動微陀螺，包括：一個長方體基體、一個帶有四根梁的方形諧振子、四個驅動電極和四個檢測電極，其中：四個驅動電極和四個檢測電極分別沿方形諧振子頂端四個角兩側對應的基體內表面側壁上分布配置，通過在連接方形諧振子的梁上布置金屬連接線對其施加正負電壓，從而配合驅動電極和檢測電極實現靜電驅動與檢測。本發明利用方形諧振子的特殊振動模態進行工作，其驅動模態和檢測模態互相匹配。本發明采用MEMS工藝制作，結構簡單、體積小、與硅的平面加工工藝兼容且便于封裝。
【專利說明】基于硅平面加工工藝的靜電驅動式體聲波固體波動微陀螺
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種微機電【技術領域】的固體波動模態匹配陀螺，具體地，涉及一種基于娃平面加工工藝的靜電驅動式體聲波固體波動微陀螺。
【背景技術】
[0002]陀螺儀是一種能夠敏感載體角度或角速度的慣性器件，在姿態控制和導航定位等領域有著非常重要的作用。隨著國防科技和航空、航天工業的發展，慣性導航系統對于陀螺儀的要求也向低成本、小體積、高精度、多軸檢測、高可靠性、能適應各種惡劣環境的方向發展。基于MEMS技術的微陀螺儀采用微納批量制造技術加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而且環境適應性、工作壽命、可靠性、集成度與傳統技術相比有極大的提高，因而MEMS微陀螺已經成為近些年來MEMS技術廣泛研究和應用開發的一個重要方向。
[0003]固體波是固體中的一種機械波動，把固體中某一點或部分受力或其他原因的擾動引起的形變，如體積形變或剪切形變，以波動的形式傳播到固體的其他部分。在波動傳播過程中，固體中的質點除在它原來的位置上有微小的振動外，并不產生永久性的位移。因為固體有彈性，彈性力有使擾動引起的形變恢復到無形變的狀態的能力，于是形成波動。彈性是固體中能形成波動的主要原因。
[0004]目前，大多數MEMS固體波動微機械陀螺與硅加工工藝不兼容，即使采用了硅加工的工藝，多數是采用3-D體硅加工工藝，制造工藝復雜，導致成本較高，不適合大批量生產。
【發明內容】
[0005]針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種基于硅平面加工工藝的靜電驅動式體聲波固體波動微陀螺，該陀螺結構簡單、體積小、抗沖擊、具有高Q值且便于封裝。
[0006]為實現以上目的，本發明提供一種基于硅平面加工工藝的靜電驅動式體聲波固體波動微陀螺，包括:
[0007]一個長方體基體；
[0008]一個帶有四根梁的方形諧振子；
[0009]四個沿方形諧振子頂端四個角一側對應的長方體基體內表面側壁上分布配置的驅動電極；
[0010]四個沿方形諧振子頂端四個角一側對應的長方體基體內表面側壁上分布配置的檢測電極；
[0011]其中，驅動電極、檢測電極與方形諧振子均非接觸，且四個驅動電極的空間位置與四個檢測電極的空間位置互相垂直。
[0012]優選地，所述微陀螺進一步包括連接金屬引腳和驅動電極、檢測電極的金屬連接線，所述金屬引腳通過金屬連接線將外部的電信號引入驅動電極或者將檢測電極4處產生的電信號通過金屬連接線導出。
[0013]優選地，所述方形諧振子上設有導電層，該導電層為離子摻雜的單晶硅，具有導電作用；該導電層上沉積有一層金屬，這層金屬和金屬引腳、金屬連接線是由在長方體基體上沉積的同一層金屬經過掩膜、刻蝕之后形成。
[0014]優選地，所述方形諧振子于四個側壁，即與頂面和底面相異的平面垂直中心線上通過四根梁施加固定。
[0015]優選地，所述方形諧振子材料為單晶硅，使用電容感應效應進行驅動和檢測。
[0016]優選地，四個所述驅動電極材料為摻雜的單晶硅，沿長方體基體的內側壁表面互相平行地呈2*2陣列式分布，用于激勵方形諧振子產生驅動模態振型。
[0017]優選地，四個所述檢測電極材料為摻雜的單晶硅，沿長方體基體的內側壁表面互相平行地呈2*2陣列式分布，且與四個驅動電極在空間上互相垂直，用于檢測垂直于長方體基體底面平面即z軸方向的角速度引起的方形諧振子與檢測電極上由于電容感應效應產生的電容變化。
[0018]優選地，四個所述驅動電極中的兩個相對的驅動電極被施加交流電壓時，由電容感應效應產生方形諧振子在驅動模態的振動；當存在輸入角速度時，方形諧振子的振型向檢測模態轉變，利用檢測電極處電容感應效應產生的敏感電信號進行信號檢測；上述驅動模態和檢測模態互相匹配。
[0019]本發明利用方形諧振子的特殊模態作為參考振動，在該模態下方形諧振子頂部四個角沿四邊方向振動。通過在四個驅動電極中一對驅動電極上施加正弦交流電壓，由電容感應效應產生方形諧振子在驅動模態的振動。當有垂直于方形諧振子底部的角速度輸入時，在科氏力的作用下，方形諧振子的諧振方式會從驅動模態向檢測模態變化，檢測模態沿方形四邊方向的諧振振幅與輸入角速度的大小成正比。通過檢測方形諧振子與基體內表面側壁上的四個檢測電極間的感應電容的變化，就可檢測垂直于方形諧振子底面平面角速度的大小。
[0020]與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果:
[0021]1、采用硅平面加工工藝，與現有的硅加工工藝兼容，并且，相對于體加工工藝制作的陀螺來說，工藝簡單，成本較低；
[0022]2、可以一次性地進行離子摻雜，形成驅動電極和檢測電極；
[0023]3、可以一次性地沉積、刻蝕金屬形成連接線和引腳，且引腳對稱、整齊地分布在長方體底座的邊緣，便于封裝；
[0024]4、利用方形諧振器沿固定梁方向的運動作為驅動和檢測模態，諧振器剛度較大，具有較好的抗沖擊性；
[0025]5、采用振型完全一樣的驅動模態和檢測模態，使得溫度變化對于驅動模態和檢測模態的影響是一樣的，因此降低了溫度敏感性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]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，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯:
[0027]圖1為本實施例立體結構示意圖；
[0028]圖2為本實施例在長方體基體上用以形成諧振子的導電層、驅動電極和檢測電極的區域示意圖；[0029]圖3為本實施例在長方體基體上沉積一層金屬層并刻蝕之后的結構示意圖；
[0030]圖4為本實施例立體結構剖面圖；
[0031]圖5為本實施例通過有限元分析的方法得到方形諧振子的驅動模態振型仿真示意圖；
[0032]圖6為圖5的驅動模態振型的簡化示意圖；
[0033]圖7為本實施例方形諧振子的振型由驅動模態向檢測模態轉變的立體振型示意圖；
[0034]圖8為本實施例通過有限元分析的方法得到方形諧振子的檢測模態振型仿真示意圖；
[0035]圖9為圖8的檢測模態振型的簡化示意圖；
[0036]圖10為本實施例驅動模態的電壓分布ANSYS仿真示意圖；
[0037]圖11為本實施例檢測模態的電壓分布ANSYS仿真示意圖；
[0038]圖中:I為長方體基體，2為方形諧振子，3為驅動電極，4為檢測電極，5為金屬引腳，6為金屬連接線,7為導電層,8為單晶娃,9為摻雜后的單晶娃，10為在摻雜單晶娃上沉積刻蝕的金屬層。
【具體實施方式】
[0039]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。
[0040]如圖1所示，本實施例提供一種基于硅平面加工工藝的靜電驅動式體聲波固體波動微陀螺，包括:
[0041]一個長方體基體I ;
[0042]一個帶有四根梁的方形諧振子2 ；
[0043]四個沿方形諧振子2的頂端四個角一側對應的長方體基體I內表面側壁上分布配置的驅動電極3 ；
[0044]四個沿方形諧振子2的頂端四個角一側對應的長方體基體I內表面側壁上分布配置的檢測電極4;
[0045]分布在長方體基體I上表面邊緣的金屬引腳5 ；
[0046]連接金屬引腳5和驅動電極3、檢測電極4的金屬連接線6 ；
[0047]方形諧振子2的導電層7 ;
[0048]其中:驅動電極3與方形諧振子2非接觸，檢測電極4與方形諧振子2非接觸，且四個驅動電極3的空間位置與四個檢測電極4的空間位置互相垂直。
[0049]本實施例中，所述金屬引腳5可以通過金屬連接線6將外部的電信號引入驅動電極3 (離子摻雜后的單晶硅，具有導電作用)或者將檢測電極4 (離子摻雜后的單晶硅，具有導電作用)處產生的電信號通過金屬連接線6導出，通過設置金屬引腳5可以使得本發明的封裝工藝與微電子IC封裝工藝兼容，便于利用現有技術進行封裝。
[0050]本實施例中，所述導電層7為離子摻雜的單晶硅，具有導電作用。其上沉積有一層金屬，這層金屬和金屬引腳5、金屬連接線6是由在長方體基體I上沉積的同一層金屬經過掩膜、刻蝕之后形成。
[0051]變間隙驅動力指的是靜電驅動力在垂直于電極平面方向產生的力分量。如果令垂直于電極平面方向為標準，則電極平面在此方向上的作用力與兩電極平面上所被施加的電壓平方成正比，從而可以利用此效應對振動體進行驅動。
[0052]把被測的機械量，如位移、壓力等轉換為電容量變化的效應稱為電容感應效應。其最常用的形式是由兩個平行電極組成、極間以空氣為介質的電容器。若忽略邊緣效應，平板電容器的電容為εΑ/δ，式中ε為極間介質的介電常數，A為兩電極互相覆蓋的有效面積，δ為兩電極之間的距離。δ、Α、ε三個參數中任一個的變化都將引起電容量變化，并可用于測量。因此電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質變化型三類。極距變化型一般用來測量微小的線位移或由于力、壓力、振動等引起的極距變化(見電容式壓力傳感器)。面積變化型一般用于測量角位移或較大的線位移。介質變化型常用于物位測量和各種介質的溫度、密度、濕度的測定。本實施例采用的就是極距變化型的電容感應。
[0053]本實施例中，方形諧振子2于四個側壁，即與頂面和底面相異的平面的垂直中心線上，通過四根梁(如圖1中，驅動電極3或者檢測電極4之間的單晶硅橫梁)施加固定。
[0054]本實施例中，方形諧振子2的材料為單晶硅。
[0055]本實施例中，四個驅動電極3的材料為摻雜單晶硅，沿長方體基體I的內側壁表面互相平行地呈2*2陣列式分布，用于采用電容感應效應激勵方形諧振子2產生驅動模態振型。
[0056]本實施例中，四個檢測電極4的材料為摻雜單晶硅，沿長方體基體I的內側壁表面互相平行地呈2*2陣列式分布，且每個檢測電極4位于每個驅動電極3的一側，四個檢測電極3與四個驅動電極4在空間上互相垂直，用于采用電容感應效應檢測垂直于方形諧振子2底面平面(ζ軸)方向角速度的大小。
[0057]如圖2所示，其中3為驅動電極部分，由單晶硅經過硼離子或磷離子摻雜后形成一定厚度的可導電區域，可以通過金屬連接線6 (如圖1中所示)將金屬引腳5 (如圖1中所示)處的外部電信號引入；4為檢測電極部分，由單晶硅經過硼離子或磷離子摻雜后形成一定厚度的可導電區域，可以通過金屬連接線6 (如圖1中所示)將該電極產生的電信號導出到金屬引腳5 (如圖1中所示)處。7為方形諧振子的導電層，由單晶硅經過硼離子或磷離子摻雜后形成一定厚度的可導電區域，其上方最后會沉積一層金屬10 (如圖4中所示)，通過對該諧振子施加一個變化的電壓，就可以使其在兩對驅動電極之間的驅動力下產生振動，當有外部角速度輸入時，就可以在兩對檢測電極之間產生相應的電信號的變化。
[0058]圖3為本實施例在長方體基體上沉積一層金屬層并刻蝕之后的結構示意圖；圖2中的驅動電極、檢測電極、方形諧振子的導電層等是在相應位置對單晶硅經過硼離子或磷離子摻雜后會形成的一定厚度的可導電區域，為了實現電信號的引入或導出，需要在這些位置處沉積一層金屬并通過金屬連接線6連接至對應的金屬引腳5處。本發明可以通過一次性金屬層沉積、刻蝕完成。即在圖3中所示長方體基體I的上表面沉積一層金屬層10(如圖4中所示)，并在圖中3、4、5、6、7位置處刻蝕成需要的形狀。
[0059]圖4為本實施例立體結構剖面圖；其中，8為單晶硅，本發明中的長方體基體I整體結構為單晶硅，當在某一位置經過硼離子或磷離子摻雜后會形成的一定厚度的可導電區域，即成為離子摻雜后的單晶硅9，用作驅動電極、檢測電極、方形諧振子的導電層等；10為在摻雜單晶硅上沉積的金屬層以及用作金屬連接線6和金屬引腳5的金屬層。通過在長方體基體I的上表面沉積金屬、并刻蝕形成。
[0060]如圖5所示為通過有限元分析的方法得到方形諧振子2的驅動模態振型仿真圖；如圖6所示為圖5的驅動模態振型的簡化示意圖，通過在四個驅動電極3中非對角的任意兩個相對的驅動電極3上施加相同的正弦電壓信號，使得驅動電極3和方形諧振子2之間通過靜電力產生驅動模態振動，此時方形諧振子2的四個頂角在四邊方向上振動。
[0061]當有垂直于方形諧振子2底面平面的z軸方向角速度輸入時，陀螺在振動方向上的受力如圖7所示。在科氏力的作用下，方形諧振子2振動由驅動模態振型向檢測模態振型變化，振動的幅值和輸入角速度成正比。
[0062]如圖8所示為通過有限元分析的方法得到方形諧振子2的檢測模態振型仿真圖；如圖7所示為圖8檢測模態振型的簡化示意圖。當有垂直于方形諧振子2底面平面的z軸方向角速度輸入時，方形諧振子2產生檢測模態振型的振動，通過測量四個檢測電極4產生的電容感應效應電容變化，可檢測垂直于方形諧振子2底面表面(z軸)的方向角速度的大小。
[0063]如圖5和圖8所示的方形諧振子2的驅動模態和檢測模態互相匹配，其含義是:驅動模態和檢測模態的振型相似，只互相相差一定的角度；驅動模態和檢測模態當中不含其它振動模態，頻率分裂小。當本實施例中的方形諧振子2的頂部面空間對稱時，形成模態匹配；當本實施例中的方形諧振子2的頂部面空間不對稱時，模態匹配無法形成。
[0064]如圖10所示為本實施例驅動模態的電壓分布ANSYS仿真示意圖；如圖11所示為本實施例檢測模態的電壓分布ANSYS仿真示意圖；圖10、11說明了在驅動模態和檢測模態下，回柱形諧振子由于壓電效應而產生的電荷分布情況。
[0065]本實施例所述的一種基于娃平面加工工藝的靜電驅動式體聲波固體波動微陀螺，使用單晶硅基體，采用硅平面加工工藝，通過離子摻雜形成單晶硅導電層、驅動電極和檢測電極；然后，在其上沉積、刻蝕一層金屬，形成金屬引腳以及連接金屬引腳和電極的金屬連接線；最后，為方形諧振子焊接外圍電路以及進行最終的封裝得到陀螺芯片成品。
[0066]以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。
【權利要求】
1.一種基于硅平面加工工藝的靜電驅動式體聲波固體波動微陀螺，其特征在于，包括: 一個長方體基體； 一個帶有四根梁的方形諧振子； 四個沿方形諧振子頂端四個角一側對應的長方體基體內表面側壁上分布配置的驅動電極； 四個沿方形諧振子頂端四個角一側對應的長方體基體內表面側壁上分布配置的檢測電極； 其中，驅動電極與方形諧振子均非接觸，檢測電極與方形諧振子均非接觸，且四個驅動電極的空間位置與四個檢測電極的空間位置互相垂直； 所述微陀螺利用方形諧振子的驅動模態與檢測模態的模態匹配作為參考振動，在該模態下方形諧振子頂端四個角沿四邊方向振動；通過在四個驅動電極中一對驅動電極上施加正弦交流電壓，由電容感應效應產生方形諧振子在驅動模態的振動；當有垂直于方形諧振子底部的角速度輸入時，在科氏力的作用下，方形諧振子的諧振方式會從驅動模態向檢測模態變化，檢測模態沿方形四邊方向的諧振振幅與輸入角速度的大小成正比；通過檢測方形諧振子與長方形基體內表面側壁上的四個檢測電極間的感應電容的變化，就可檢測垂直于方形諧振子底面平面角速度的大小。
2.根據權利要求1所述的一種基于娃平面加工工藝的靜電驅動式體聲波固體波動微陀螺，其特征在于，所述微陀螺進一步包括連接金屬引腳和驅動電極、檢測電極的金屬連接線，所述金屬引腳通過金 屬連接線將外部的電信號引入驅動電極或者將檢測電極4處產生的電信號通過金屬連接線導出。
3.根據權利要求2所述的一種基于娃平面加工工藝的靜電驅動式體聲波固體波動微陀螺，其特征在于，所述方形諧振子上設有導電層，該導電層為離子摻雜的單晶硅，具有導電作用；該導電層上沉積有一層金屬，這層金屬和金屬引腳、金屬連接線是由在長方體基體上沉積的同一層金屬經過掩膜、刻蝕之后形成。
4.根據權利要求1-3任一項所述的一種基于娃平面加工工藝的靜電驅動式體聲波固體波動微陀螺，其特征在于，所述方形諧振子于四個側壁，即與頂面和底面相異的平面垂直中心線上通過四根梁施加固定。
5.根據權利要求4所述的一種基于娃平面加工工藝的靜電驅動式體聲波固體波動微陀螺，其特征在于，所述方形諧振子材料為單晶硅，使用電容感應效應進行驅動和檢測。
6.根據權利要求1-3任一項所述的一種基于娃平面加工工藝的靜電驅動式體聲波固體波動微陀螺，其特征在于，四個所述驅動電極材料為摻雜的單晶硅，沿長方體基體的內側壁表面互相平行地呈2*2陣列式分布，用于激勵方形諧振子產生驅動模態振型。
7.根據權利要求1-3任一項所述的一種基于娃平面加工工藝的靜電驅動式體聲波固體波動微陀螺，其特征在于，四個所述檢測電極材料為摻雜的單晶硅，沿長方體基體的內側壁表面互相平行地呈2*2陣列式分布，且與四個驅動電極在空間上互相垂直，用于檢測垂直于長方體基體底面平面即z軸方向的角速度引起的方形諧振子與檢測電極上由于電容感應效應產生的電容變化。
8.根據權利要求1-3任一項所述的一種基于娃平面加工工藝的靜電驅動式體聲波固體波動微陀螺，其特征在于，四個所述驅動電極中的兩個相對的驅動電極被施加交流電壓時，由電容感應效應產生方形諧振子在驅動模態的振動；當存在輸入角速度時，方形諧振子的振型向檢測模態轉變，利用檢測電極處電容感應效應產生的敏感電信號進行信號檢測；上述驅動模態和檢 測模態互相匹配。
【文檔編號】G01C19/5663GK103697876SQ201310686903
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月13日 優先權日:2013年12月13日
【發明者】張衛平, 劉亞東, 汪濙海, 成宇翔, 唐健, 許仲興, 張弓, 孫殿竣, 陳文元 申請人:上海交通大學