徑向支撐體聲波硅微陀螺儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種微機電【技術領域】的徑向支撐體聲波硅微陀螺儀，包括圓盤形諧振子，側向支撐臂，圓弧形驅動電極，具有位移放大機構的電容檢測電極，檢測電極固定凸臺和基板。陀螺采用圓盤狀諧振子的2個面內四波幅波節頻率匹配模態作為驅動模態和檢測模態，陀螺的所有結構全部在(111)硅片上通過微機械電子加工工藝實現。陀螺利用在側向支撐的方式支撐圓盤形諧振子，通過靜電驅動和三角放大機構放大檢測模態的位移輸出的方法測量角速度的輸入，提高了陀螺的靈敏度，大大簡化了體聲波硅微陀螺的制作工藝，降低了生產成本，提高了陀螺的抗沖擊能力，減小了陀螺的零偏，提高了陀螺的精度。
【專利說明】徑向支撐體聲波娃微陀螺儀
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及的是一種微機電【技術領域】的微陀螺，具體地說，涉及的是一種徑向支撐體聲波娃微陀螺儀。
【背景技術】
[0002]微陀螺儀是一種利用微機械電子(MEMS)工藝制作的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。得益于近來微電子加工技術的進步，硅微陀螺儀由于加工工藝可和集成電路工藝兼容而得到了快速的發展，體積小，能耗低的硅微陀螺儀在消費電子姿態控制系統、汽車輔助導航和安全控制系統、工業機器人姿態控制、武器慣性制導等方面得到了廣泛的應用。
[0003]體聲波硅微陀螺儀是采用體聲波技術來制作新型固態MEMS陀螺儀，相比現有的陀螺儀，具有以下優點:尺寸更小、動態響應好、可靠性高、成本更低、容易實現CMOS工藝集成。現有的MEMS陀螺儀技術利用質量塊低頻振動(5~50kHz)來測量角速度，而體聲波MEMS陀螺儀的工作頻率高出幾個數量級，是兆赫茲范圍(l~10MHz)。使用體聲波技術制作的陀螺儀剛度較高，這不僅使陀螺儀對環境中的振動不敏感，還可以防止在生產制造過程中出現粘附問題，因此提高了 MEMS器件的可靠性和成品率。在實際應用中，往往存在振動影響陀螺儀正常工作，而體聲波MEMS陀螺儀擁有更出色的性能表現。
[0004]由于體聲波陀螺圓盤諧振子剛度較大、工作頻率較高，因此其驅動模態和檢測模態下諧振子的振動幅值都在20nm左右，為增大陀螺的靈敏度，圓弧形驅動電極和檢測電極同圓盤狀諧振子之間的電容間隙只有200nm，圓盤厚40 μ m，其深寬比高達200:1，電容間隙加工十分困難，且由于間隙寬度較小，側壁表面粗糙度精度難以控制，工作過程中容易引起隧穿；為減小體聲波陀螺儀中圓柱狀支撐柱振動引起的支撐阻尼，增大硅微陀螺儀的機械品質因數，陀螺儀的支撐柱直徑要非常小，在工藝制作過程中利用控制S12刻蝕液的刻蝕時間來控制S12支撐柱直徑大小的方法使得陀螺的工藝難度加大；同圓盤諧振子中心固定的單一的小直徑支撐柱由于尺寸較小，使得陀螺抗沖擊能力較弱；驅動模態下圓弧形檢測電極同諧振子之間輸出并不為零，增大了陀螺的零偏和噪聲，影響了陀螺的測量精度。
實用新型內容
[0005]本實用新型針對現有技術的不足提供了一種徑向支撐體聲波硅微陀螺儀，陀螺儀采用圓盤形諧振子徑向支撐代替圓盤狀諧振子中心圓柱支撐的方案，采用三角型位移放大機構放大檢測模態位移輸出的方法，提高了陀螺的靈敏度，簡化了體聲波硅微陀螺儀加工工藝，提升了陀螺儀的抗沖擊能力，減小了陀螺的零偏，提高了陀螺的精度。
[0006]為實現上述目的，本實用新型提出如下的技術方案:一種徑向支撐體聲波硅微陀螺儀，包括圓盤形諧振子，側向支撐臂，具有位移放大機構的電容檢測電極，檢測電極固定凸臺，圓弧形驅動電極和基板。陀螺儀采用圓盤狀諧振子的2個面內四波幅波節頻率匹配模態作為驅動模態和檢測模態，驅動模態和檢測模態具有相同的振型，且其徑向振動正交，即驅動模態的波幅為檢測模態的波節，驅動模態的波節為檢測模態的波幅。
[0007]側向支撐臂共有四個，四個側向支撐臂位于驅動模態徑向振動的波節處，形狀為長方體，側向支撐臂一端同圓盤狀諧振子在半徑方向固定連接，另一端同具有位移放大機構的電容檢測電極固定。
[0008]具有位移放大機構的電容檢測電極由左右對稱的兩個三角形位移放大機構和兩個電容極板組成，三角形位移放大機構為無下底邊的等腰梯形結構，等腰梯形的兩腰為彈性梁，上底邊為剛性梁，等腰梯形兩腰之間的夾角為鈍角。三角形位移放大機構的上底邊剛性梁和電容極板之間固定連接，電容極板平行于三角形位移放大機構的上底邊剛性梁，兩個三角形位移放大機構的兩腰彈性梁通過兩個剛性固定梁連接。具有位移放大機構的電容檢測電極一端同側向支撐臂固定連接，另一端和檢測電極固定凸臺固定連接，電容極板和檢測電極固定凸臺之間形成平行的電容間隙作為檢測電容。具有位移放大機構的電容檢測電極共有四個，電容極板和檢測電極固定凸臺之間的間隙為1-10 μ m，具有位移放大機構的電容檢測電極通過重離子摻雜的工藝提高其電導率。
[0009]圓盤形諧振子上開有關于圓心對稱均勻分布的貫穿孔，可以通過改變孔的大小調節諧振子的剛度，圓盤形諧振子通過重離子摻雜的工藝提高其電導率。
[0010]圓弧形驅動電極和圓盤狀諧振子同心，圓弧形驅動電極位于圓盤形諧振子驅動模態的波幅處，共有四個，圓弧形驅動電極和圓盤狀諧振子之間的間隙為1-10 μπι，間隙的深寬比小于20:1，圓弧形驅動電極通過重離子摻雜的工藝提高其電導率。
[0011]檢測電極固定凸臺的外徑和圓盤狀諧振子同心，檢測電極固定凸臺位于圓盤形諧振子檢測模態的波幅對應的半徑延長線上，共有四個，檢測電極固定凸臺的外徑和圓弧形驅動電極外徑大小相同。
[0012]基板為圓盤形，基板和圓盤形諧振子同心，半徑和檢測電極固定凸臺以及圓弧形驅動電極的外徑相同，檢測電極固定凸臺和圓弧形驅動電極固定在基板上。
[0013]圓盤形諧振子，側向支撐臂，具有位移放大機構的電容檢測電極，檢測電極固定凸臺，圓弧形驅動電極和基板全部通過在(111)晶向的硅片上通過微機械電子加工工藝制作rfn 。
[0014]本實用新型徑向支撐體聲波硅微陀螺儀的工作原理為:在圓弧形驅動電極上施加同陀螺驅動模態同頻率的電壓驅動信號時，在驅動電極和圓盤形諧振子之間的靜電力作用下，陀螺產生驅動模態下的振動，驅動模態振動下側向支撐臂處徑向位移為零，因此電容檢測電極無輸出；當有沿圓盤形諧振子軸線方向的角速度輸入時，在科氏力作用下陀螺會產生檢測模態下的振動，檢測模態振動下側向支撐臂處的徑向位移和徑向力最大，在兩個三角形位移放大機構的作用下，檢測模態的小位移輸出被放大為電容極板的大位移輸出，電容極板的運動將導致電容極板和檢測電極固定凸臺之間電容的變化，電容的變化量正比于輸入角速度的大小，通過測量電容檢測電極輸出的大小即可檢測輸入角速度。
[0015]本實用新型徑向支撐體聲波硅微陀螺儀相比現有的體聲波陀螺儀來講其優勢在于:在圓盤形諧振子驅動模態的節點處采用側向支撐臂支撐圓盤形諧振子，可有效的減小對諧振子驅動模態的影響，同時避免了小直徑支撐柱的復雜難以控制的加工工藝，結構簡單易于實現；采用兩個三角形位移放大機構將檢測模態的小位移輸出放大，可提高陀螺的靈敏度，降低對驅動電極和圓盤形諧振子之間電容間隙的要求；采用四個對稱分布的側向支撐臂的方式，使得陀螺的支撐更可靠，大大提高了陀螺的抗沖擊能力；在無角速度輸入時側向支撐臂無徑向位移，電容檢測電極無輸出，可以減小陀螺的零偏，提高陀螺的精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本實用新型徑向支撐體聲波硅微陀螺儀的結構示意圖。
[0017]圖2為本實用新型具有位移放大機構的電容檢測電極局部放大結構示意圖。
[0018]圖3為本實用新型徑向支撐體聲波硅微陀螺儀的三維結構示意圖。
[0019]圖4為本實用新型徑向支撐體聲波硅微陀螺儀驅動模態振型。
[0020]圖5為本實用新型徑向支撐體聲波硅微陀螺儀檢測模態振型。
【具體實施方式】
[0021]以下將結合附圖1、附圖2、附圖3、附圖4、附圖5和一個具體實施例對本實用新型徑向支撐體聲波硅微陀螺儀進行進一步的說明。
[0022]如圖1、圖2和圖3所示徑向支撐體聲波硅微陀螺儀包括圓盤形諧振子1，側向支撐臂2a-2d，圓弧形驅動電極3a-3d，具有位移放大機構的電容檢測電極4a_4d，檢測電極固定凸臺5a-5d和基板6。陀螺儀采用如圖4和圖5所示圓盤狀諧振子1的兩個面內四波幅波節頻率匹配模態作為驅動模態和檢測模態，驅動模態和檢測模態具有相同的振型，且其徑向振動正交，即驅動模態的波幅為檢測模態的波節，驅動模態的波節為檢測模態的波幅。
[0023]本實施例中側向支撐臂2a_2d共有四個，四個側向支撐臂2a_2d位于驅動模態徑向振動的波節處，形狀為長方體，側向支撐臂2a_2d—端同圓盤狀諧振子1在半徑方向固定連接，另一端同具有位移放大機構的電容檢測電極4a_4d固定。具有位移放大機構的電容檢測電極4a-4d由左右對稱的兩個三角形位移放大機構401a、40 lb和兩個電容極板402a、402b組成，三角形位移放大機構401a、401b為無下底邊的等腰梯形結構，等腰梯形的兩腰為彈性梁，上底邊為剛性梁，等腰梯形兩腰之間的夾角為鈍角。三角形位移放大機構401a、401b的上底邊剛性梁和電容極板402a、402b之間固定連接，電容極板402a、402b平行于三角形位移放大機構401a、401b的上底邊剛性梁，兩個三角形位移放大機構401a、401b的兩腰彈性梁通過兩個剛性固定梁連接。具有位移放大機構的電容檢測電極4a-4d—端同側向支撐臂2a_2d固定連接，另一端和檢測電極固定凸臺5a_5d固定連接，電容極板402a、402b和檢測電極固定凸臺2a_2d之間形成平行的電容間隙作為檢測電容。具有位移放大機構的電容檢測電極4a-4d共有四個，電容極板402a、402b和檢測電極固定凸臺5a_5d之間的間隙為1-10 μ m，具有位移放大機構的電容檢測電極4a-4d通過重離子摻雜的工藝提高其電導率。圓盤形諧振子1上開有關于圓心對稱均勻分布的貫穿孔，可以通過改變孔的大小調節諧振子的剛度，圓盤形諧振子1通過重離子摻雜的工藝提高其電導率。圓弧形驅動電極3a-3d和圓盤狀諧振子1同心，圓弧形驅動電極3a-3d位于圓盤形諧振子1驅動模態的波幅處，共有四個，圓弧形驅動電極3a-3d和圓盤狀諧振子1之間的間隙為1-10 μπι，間隙的深寬比小于20:1，圓弧形驅動電極3a-3d通過重離子摻雜的工藝提高其電導率。檢測電極固定凸臺5a_5d的外徑和圓盤狀諧振子1同心，檢測電極固定凸臺5a_5d位于圓盤形諧振子1檢測模態的波幅對應的半徑延長線上，共有四個，檢測電極固定凸臺5a_5d的外徑和圓弧形驅動電極3a-3d外徑大小相同。基板6為圓盤形，基板6和圓盤形諧振子1同心，半徑和檢測電極固定凸臺5a-5d以及圓弧形驅動電極3a_3d的外徑相同，檢測電極固定凸臺5a_5d和圓弧形驅動電極3a_3d固定在基板6上。圓盤形諧振子1，側向支撐臂2a_2d，具有位移放大機構的電容檢測電極4a_4d，檢測電極固定凸臺5a_5d，圓弧形驅動電極3a_3d和基板全部通過在(111)晶向的硅片上通過微機械電子加工工藝制作而成。
[0024]本實施例中圓盤形諧振子1，側向支撐臂2a_2d，圓弧形驅動電極3a_3d，具有位移放大機構的電容檢測電極4a_4d，檢測電極固定凸臺5a_5d和基板6全部通過在(111)晶向的硅片上通過微機械電子加工工藝制作而成。首先將硅片清洗干凈，烘干，然后在硅片正面旋涂一層光刻膠，光刻顯影出圓盤形諧振子1、側向支撐臂2a_2d、圓弧形驅動電極3a_3d及具有位移放大機構的電容檢測電極4a-4d對應的區域，進行離子注入重摻雜，退火處理后去除光刻膠；在硅片背面濺射一層幾微米厚的金屬鋁作為掩膜，在鋁表面旋涂一層光刻膠，利用制作好的掩模板對光刻膠進行光刻，顯影出除圓弧形驅動電極3a-3d和檢測電極固定凸臺5a-5d以外的區域，利用深度反應離子刻蝕將顯影區域的厚度減薄到圓盤形諧振子I的厚度，去除鋁掩膜；利用陽極鍵合工藝將硅片的背面和作為基板6的硅片鍵合在一起，用機械方法將基板硅片減薄到所需厚度；在硅片正面濺射一層幾微米厚的金屬鋁作為掩膜，在鋁表面旋涂一層光刻膠，利用制作好的掩模板對光刻膠進行光刻，顯影出除圓盤形諧振子1、側面支撐臂2a_2d、圓弧形驅動電極3a_3d、具有位移放大機構的電容檢測電極4a_4d、檢測電極固定凸臺5a_5d以外的區域，利用深度反應離子刻蝕釋放得到圓盤形諧振子1、側面支撐臂2a_2d、圓弧形驅動電極3a_3d、具有位移放大機構的電容檢測電極4a_4d和檢測電極固定凸臺5a_5d，去除鋁掩膜，烘干切片即可得到本實施例所述徑向支撐體聲波硅微陀螺儀結構。
[0025]當在圓弧形驅動電極3a_3d上施加同陀螺驅動模態同頻率的電壓驅動信號時，在驅動電極3a-3d和圓盤形諧振子I之間的靜電力作用下，圓盤形諧振子I產生如圖4所示的驅動模態下的振動，驅動模態振動下側向支撐臂處徑向位移為零，因此具有位移放大機構的電容檢測電極4a_4d無輸出；當有圓盤形諧振子I軸線方向的角速度輸入時，在科氏力作用下陀螺會產生如圖5所示檢測模態下的振動，檢測模態振動下側向支撐臂2a_2d處的徑向位移最大，在兩個三角形位移放大機構401a、401b的作用下，檢測模態的小位移輸出被放大為電容極板402a、402b的大位移輸出，電容極板402a、402b的運動將導致電容極板402a,402b和檢測電極固定凸臺5a_5d之間電容的變化，電容的變化量正比于輸入角速度的大小，通過測量電容檢測電極4a-4d輸出的大小即可檢測輸入角速度。
[0026]以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，本實用新型的保護范圍不僅局限于上述實施例，凡屬于本實用新型思路下的技術方案均屬于本實用新型的保護范疇。應當指出，對于本【技術領域】的技術人員來說，在不脫離本實用新型原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也都應視為本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1.一種徑向支撐體聲波硅微陀螺儀，其特征在于:包括圓盤形諧振子，側向支撐臂，具有位移放大機構的電容檢測電極，檢測電極固定凸臺，圓弧形驅動電極和基板；采用圓盤狀諧振子的兩個面內四波幅波節頻率匹配模態作為驅動模態和檢測模態，驅動模態和檢測模態具有相同的振型，且其徑向振動正交，即驅動模態的波幅為檢測模態的波節，驅動模態的波節為檢測模態的波幅；側向支撐臂共有四個，四個側向支撐臂位于驅動模態徑向振動的波節處，形狀為長方體，側向支撐臂一端同圓盤狀諧振子在半徑方向固定連接，另一端同具有位移放大機構的電容檢測電極固定；具有位移放大機構的電容檢測電極由左右對稱的兩個三角形位移放大機構和兩個電容極板組成，三角形位移放大機構為無下底邊的等腰梯形結構，等腰梯形的兩腰為彈性梁，上底邊為剛性梁，等腰梯形兩腰之間的夾角為鈍角；三角形位移放大機構的上底邊剛性梁和電容極板之間固定連接，電容極板平行于三角形位移放大機構的上底邊剛性梁，兩個三角形位移放大機構的兩腰彈性梁通過兩個剛性固定梁連接；具有位移放大機構的電容檢測電極一端同側向支撐臂固定連接，另一端和檢測電極固定凸臺固定連接，電容極板和檢測電極固定凸臺之間形成平行的電容間隙作為檢測電容；具有位移放大機構的電容檢測電極共有四個，電容極板和檢測電極固定凸臺之間的間隙為1-10 μ m，具有位移放大機構的電容檢測電極通過重離子摻雜的工藝提高其電導率。
2.基于權利要求1所述的一種徑向支撐體聲波硅微陀螺儀，其特征在于:所述圓盤形諧振子上開有關于圓心對稱均勻分布的貫穿孔，可以通過改變孔的大小調節諧振子的剛度，圓盤形諧振子通過重離子摻雜的工藝提高其電導率。
3.基于權利要求1所述的一種徑向支撐體聲波硅微陀螺儀，其特征在于:所述圓弧形驅動電極和圓盤狀諧振子同心，圓弧形驅動電極位于圓盤形諧振子驅動模態的波幅處，共有四個，圓弧形驅動電極和圓盤狀諧振子之間的間隙為1-10 μπι，間隙的深寬比小于20:1，圓弧形驅動電極通過重離子摻雜的工藝提高其電導率。
4.基于權利要求1所述的一種徑向支撐體聲波硅微陀螺儀，其特征在于:所述檢測電極固定凸臺的外徑和圓盤狀諧振子同心，檢測電極固定凸臺位于圓盤形諧振子檢測模態的波幅對應的半徑延長線上，共有四個，檢測電極固定凸臺的外徑和圓弧形驅動電極外徑大小相同。
5.基于權利要求1所述的一種徑向支撐體聲波硅微陀螺儀，其特征在于:所述基板為圓盤形，基板和圓盤形諧振子同心，半徑和檢測電極固定凸臺以及圓弧形驅動電極的外徑相同，檢測電極固定凸臺和圓弧形驅動電極固定在基板上。
6.基于權利要求1所述的一種徑向支撐體聲波硅微陀螺儀，其特征在于:所述圓盤形諧振子，側向支撐臂，具有位移放大機構的電容檢測電極，檢測電極固定凸臺，圓弧形驅動電極和基板全部通過在(111)晶向的硅片上通過微機械電子加工工藝制作而成。
【文檔編號】G01C19/5719GK204241001SQ201420716782
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月26日 優先權日:2014年11月26日
【發明者】司紅康 申請人:司紅康