半球體固態(tài)波動(dòng)微陀螺儀及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種半球體固態(tài)波動(dòng)微陀螺儀及其制備方法，包括：?jiǎn)尉Ч杌?、信?hào)電極、屏蔽電極、微型半球體諧振子、中心固定支撐柱，微型半球體諧振子與單晶硅基底通過中心固定支撐柱相連；信號(hào)電極和屏蔽電極設(shè)置于單晶硅基底的上表面，兩者相互交錯(cuò)均勻地分布在微型半球體諧振子的周圍；八個(gè)信號(hào)電極與微型半球體諧振子之間的距離、八個(gè)屏蔽電極與微型半球體諧振子之間的距離分別相同。本發(fā)明結(jié)合MEMS體硅加工工藝和表面硅加工工藝進(jìn)行制作；具有更大的有效振動(dòng)質(zhì)量，可增強(qiáng)柯氏效應(yīng)的檢測(cè)效果；具有更高的工作模態(tài)振動(dòng)頻率，可減小環(huán)境噪聲和機(jī)械噪聲等；設(shè)置了屏蔽電極，可減少信號(hào)電極之間的相互串?dāng)_，減小檢測(cè)過程中寄生電容的影響。
【專利說明】 半球體固態(tài)波動(dòng)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，涉及一種半球體固態(tài)波動(dòng)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)過現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)搜索發(fā)現(xiàn),美國(guó)Draper實(shí)驗(yàn)室J J Bernstein等人在其論文“A MEMS diamond hemispherical resonator”中介紹了一種單端固定的微型半球諧振陀螺儀，該陀螺儀采用金剛石半球殼作為諧振子，有效振動(dòng)質(zhì)量?jī)H分布在殼體的邊緣，工作模態(tài)的諧振頻率在百千赫茲級(jí)別，沒有達(dá)到兆赫茲級(jí)別。此外，該陀螺儀擁有8個(gè)信號(hào)電極，相鄰信號(hào)電極之間的距離較近，存在一定的串?dāng)_現(xiàn)象。
[0004]基于此，迫切需要提出一種新的陀螺儀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高陀螺儀的有效振動(dòng)質(zhì)量，增強(qiáng)柯氏效應(yīng)的檢測(cè)效果；進(jìn)一步提高陀螺儀工作模態(tài)的諧振頻率，減小環(huán)境噪聲、機(jī)械噪聲等因素的影響；同時(shí)減少信號(hào)電極之間的相互串?dāng)_，減小檢測(cè)過程中寄生電容帶來的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種半球體固態(tài)波動(dòng)微陀螺儀及其制備方法。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種半球體固態(tài)波動(dòng)微陀螺儀，包括:
[0007]一個(gè)單晶硅基底；
[0008]八個(gè)均勻分布式信號(hào)電極；
[0009]八個(gè)均勻分布式屏蔽電極；
[0010]一個(gè)微型半球體諧振子；
[0011]一個(gè)中心固定支撐柱；
[0012]其中:微型半球體諧振子與單晶硅基底通過中心固定支撐柱相連；信號(hào)電極和屏蔽電極均設(shè)置于單晶硅基底的上表面，且信號(hào)電極與屏蔽電極相互交錯(cuò)均勻地分布在微型半球體諧振子的周圍；八個(gè)信號(hào)電極與微型半球體諧振子之間的距離相同；八個(gè)屏蔽電極與微型半球體諧振子之間的距離也相同。
[0013]所述微陀螺利用靜電驅(qū)動(dòng)的方式激勵(lì)微型半球諧振子進(jìn)行工作，其驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)相互匹配，可以實(shí)現(xiàn):(1)提高陀螺儀的有效振動(dòng)質(zhì)量，增強(qiáng)柯氏效應(yīng)的檢測(cè)效果；
(2)提高陀螺儀工作模態(tài)的諧振頻率，減小環(huán)境噪聲、機(jī)械噪聲等因素的影響；(3)減少信號(hào)電極之間的相互串?dāng)_，減小檢測(cè)過程中寄生電容帶來的影響。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種半球體固態(tài)波動(dòng)微陀螺儀的制備方法，包括如下步驟:
[0015]第一步、對(duì)單晶硅基底進(jìn)行清洗、涂膠、光刻、顯影、硼離子注入、去膠工藝，以在單晶硅基底上得到硼離子摻雜硅材料的信號(hào)電極和屏蔽電極；
[0016]第二步、在第一步的基礎(chǔ)上進(jìn)行涂膠、光刻、顯影工藝，以在單晶硅基底表面得到圖形化的光刻膠，為刻蝕半球形凹槽做掩膜；
[0017]第三步、在第二步的基礎(chǔ)上進(jìn)行單晶硅的各向同性刻蝕工藝及去膠工藝，以在單晶硅基底上得到半球形凹槽；
[0018]第四步、在第三步的基礎(chǔ)上通過熱氧化法生長(zhǎng)二氧化硅，以得到釋放半球體諧振子的犧牲層；通過涂膠、光刻、顯影、刻蝕工藝在二氧化硅犧牲層底部形成圓形槽，為制作中心固定支撐柱做準(zhǔn)備；
[0019]第五步、在第四步的基礎(chǔ)上于單晶硅基底上放置塊狀金屬玻璃板并將其加熱至液態(tài)，待液體完全填充所有半球形凹槽后，利用快速冷卻技術(shù)將溫度降至金屬玻璃的過冷液區(qū)，以得到完全填充半球形凹槽的金屬玻璃結(jié)構(gòu)，然后通過磨削技術(shù)或減薄技術(shù)將上表面的金屬玻璃去除，只保留半球形凹槽中的金屬玻璃結(jié)構(gòu)；
[0020]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，從單晶硅基底上釋放微型半球體諧振子。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0022](I)所述微陀螺結(jié)合MEMS體硅加工工藝和表面硅加工工藝進(jìn)行制作，是一種新穎的加工工藝；
[0023](2)所述微陀螺采用半球體作為諧振子，具有更大的有效振動(dòng)質(zhì)量，可增強(qiáng)柯氏效應(yīng)的檢測(cè)效果；
[0024](3)所述微陀螺制作的半球體諧振子相比于常規(guī)的半球殼諧振子具有更高的諧振頻率，可達(dá)到兆赫茲級(jí)別，減小環(huán)境噪聲、機(jī)械噪聲等因素的影響；
[0025](4)所述微陀螺在相鄰信號(hào)電極之間均設(shè)置了屏蔽電極，可減少信號(hào)電極之間的相互串?dāng)_，減小檢測(cè)過程中寄生電容帶來的影響。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]通過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:
[0027]圖1 (a)_圖1 (f)為本發(fā)明一較優(yōu)實(shí)施例的工藝流程圖；
[0028]圖2為本發(fā)明一較優(yōu)實(shí)施例的三維結(jié)構(gòu)圖；
[0029]圖3(a)-圖3(b)為本發(fā)明一較優(yōu)實(shí)施例在工作模態(tài)下的振動(dòng)圖；
[0030]圖中:I為單晶硅基底，2為均勻分布式信號(hào)電極，3為均勻分布式屏蔽電極，4為微型半球體諧振子，5為中心固定支撐柱。

【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0032]實(shí)施例1
[0033]如圖2所示，本實(shí)施例提供一種半球體固態(tài)波動(dòng)微陀螺儀，包括:
[0034]一個(gè)單晶硅基底I ;
[0035]八個(gè)均勻分布式信號(hào)電極2 ；
[0036]八個(gè)均勻分布式屏蔽電極3 ;
[0037]一個(gè)微型半球體諧振子4 ；
[0038]一個(gè)中心固定支撐柱5;
[0039]其中:微型半球體諧振子4與單晶硅基底I通過中心固定支撐柱5相連；信號(hào)電極2和屏蔽電極3設(shè)置于單晶硅基底I的上表面，兩者相互交錯(cuò)均勻地分布在微型半球體諧振子4的周圍；八個(gè)信號(hào)電極2與微型半球體諧振子4之間的距離相同，八個(gè)屏蔽電極3與微型半球體諧振子4之間的距離也相同。
[0040]本實(shí)施例中，所述中心固定支撐柱5的材料為金屬玻璃，位于單晶硅基底I中心位置的半球形凹槽底部，下端與單晶硅基底I相連，上端與微型半球體諧振子4相連。
[0041]本實(shí)施例中，所述微型半球體諧振子4的材料與中心固定支撐柱5相同，位于單晶硅基底I中心位置的半球形凹槽中，底部通過中心固定支撐柱5約束，其他位置無約束。
[0042]本實(shí)施例中，所述信號(hào)電極2的材料為硼離子摻雜硅，鑲嵌于單晶硅基底I的上表面。所述信號(hào)電極2的形狀和大小相同，均勻地圍繞在微型半球體諧振子4的周圍，與微型半球體諧振子4邊緣的距離相同。
[0043]本實(shí)施例中，所述屏蔽電極3的材料與信號(hào)電極2相同，鑲嵌于單晶硅基底I的上表面。所述屏蔽電極3的形狀和大小相同，設(shè)置于信號(hào)電極2之間，任意屏蔽電極3與相鄰信號(hào)電極2的距離相同。
[0044]本實(shí)施例中，所述信號(hào)電極2分為驅(qū)動(dòng)電極和檢測(cè)電極，兩者形狀相同，間隔分布，其中:驅(qū)動(dòng)電極為微型半球諧振子4提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，檢測(cè)電極提取微型半球諧振子4中的檢測(cè)信號(hào)。半球體固態(tài)波動(dòng)微陀螺儀在驅(qū)動(dòng)電極上施加交流驅(qū)動(dòng)電壓，在金屬玻璃微型半球體諧振子4上施加直流偏置電壓，驅(qū)動(dòng)電極通過靜電力的方式使微型半球體諧振子4工作在所需的驅(qū)動(dòng)模態(tài)下，驅(qū)動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)幅值和頻率保持不變。當(dāng)垂直于基體方向存在外加角速度時(shí)，檢測(cè)模態(tài)的振動(dòng)幅值會(huì)發(fā)生變化，該振動(dòng)幅值的大小與外加角速度的大小成正比，同時(shí)引起檢測(cè)電極與微型半球體諧振子4之間的檢測(cè)電容發(fā)生變化。通過采集檢測(cè)電極上的信號(hào)變化可以計(jì)算檢測(cè)模態(tài)振動(dòng)幅值的大小，進(jìn)一步計(jì)算外加角速度的大小。
[0045]本實(shí)施例中，半球體固態(tài)波動(dòng)微陀螺儀在屏蔽電極3上施加地信號(hào)，可有效屏蔽相鄰信號(hào)電極2在施加高頻交流信號(hào)之后的相互串?dāng)_，減小寄生電容帶來的影響。
[0046]如圖3(a)和圖3(b)所示，通過有限元分析方法得到本實(shí)施例提供的半球體固態(tài)波動(dòng)微陀螺儀的驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)的振動(dòng)圖，當(dāng)半球體固態(tài)波動(dòng)微陀螺儀工作在圖3(a)所示的驅(qū)動(dòng)模態(tài)時(shí)，在外加角速度(垂直于基體的方向)的作用下，會(huì)引起如圖3(b)所示的檢測(cè)模態(tài)，該檢測(cè)模態(tài)的振動(dòng)幅值與外加角速度的大小成正比。驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)的振動(dòng)頻率相同，都在兆赫茲級(jí)別，比常規(guī)的微型半球殼式諧振陀螺儀的振動(dòng)頻率高一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)，可以有效減小環(huán)境噪聲、機(jī)械噪聲等因素的影響，提高微陀螺儀的陀螺性能。
[0047]實(shí)施例2
[0048]如圖1(a)-圖1(f)所示，本實(shí)施例提供一種半球體固態(tài)波動(dòng)微陀螺儀的制備方法，包括如下步驟:
[0049]第一步、如圖1(a)所示，對(duì)單晶硅基底I進(jìn)行清洗、涂膠、光刻、顯影、硼離子注入、去膠工藝，在單晶硅基底I上得到厚度為10 μ m-50 μ m的硼離子摻雜硅材料的信號(hào)電極2和屏蔽電極3 ;
[0050]第二步、如圖1(b)所示，在第一步的基礎(chǔ)上進(jìn)行涂膠、光刻、顯影工藝，以在單晶硅基底I表面得到圖形化的光刻膠，為刻蝕半球形凹槽做掩膜；
[0051]第三步、如圖1(c)所示，在第二步的基礎(chǔ)上進(jìn)行單晶硅的各向同性刻蝕工藝及去膠工藝，在單晶硅基底I上得到半徑為300-700 μ m的半球形凹槽；
[0052]第四步、如圖1(d)所示，在第三步的基礎(chǔ)上通過熱氧化法生長(zhǎng)二氧化硅，得到厚度為1-5 μ m的犧牲層；通過涂膠、光刻、顯影、刻蝕工藝在二氧化硅犧牲層底部形成半徑為15-35 μ m圓形槽,為制作中心固定支撐柱5做準(zhǔn)備；
[0053]第五步、如圖1(e)所示，在第四步的基礎(chǔ)上于單晶硅基底I上放置厚度為1-1Omm的塊狀金屬玻璃板并將其加熱至液態(tài)，待液體完全填充所有半球形凹槽后，利用快速冷卻技術(shù)將溫度降至金屬玻璃的過冷液區(qū)，以得到完全填充半球形凹槽的金屬玻璃結(jié)構(gòu)，然后通過磨削技術(shù)或減薄技術(shù)將上表面的金屬玻璃去除，只保留半球形凹槽中的金屬玻璃結(jié)構(gòu)；
[0054]第六步、如圖1 (f)所示，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，從單晶硅基底I上釋放微型半球體諧振子4。
[0055]本發(fā)明利用靜電驅(qū)動(dòng)的方式激勵(lì)微型半球諧振子4進(jìn)行工作，其驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)相互匹配；本發(fā)明結(jié)合MEMS體硅加工工藝和表面硅加工工藝進(jìn)行制作，是一種新穎的加工工藝。
[0056]本發(fā)明采用半球體作為諧振子，具有更大的有效振動(dòng)質(zhì)量，可增強(qiáng)柯氏效應(yīng)的檢測(cè)效果；本發(fā)明制作的微型半球體諧振子4相比于常規(guī)的半球殼諧振子具有更高的諧振頻率，可達(dá)到兆赫茲級(jí)別，減小環(huán)境噪聲、機(jī)械噪聲等因素的影響。
[0057]本發(fā)明在相鄰信號(hào)電極2之間均設(shè)置了屏蔽電極3，可減少信號(hào)電極2之間的相互串?dāng)_，減小檢測(cè)過程中寄生電容帶來的影響。
[0058]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種半球體固態(tài)波動(dòng)微陀螺儀，其特征在于，包括: 一個(gè)單晶娃基底； 八個(gè)均勻分布式信號(hào)電極； 八個(gè)均勻分布式屏蔽電極； 一個(gè)微型半球體諧振子； 一個(gè)中心固定支撐柱； 其中:微型半球體諧振子與單晶硅基底通過中心固定支撐柱相連；信號(hào)電極和屏蔽電極均設(shè)置于單晶硅基底的上表面，且信號(hào)電極與屏蔽電極相互交錯(cuò)均勻地分布在微型半球體諧振子的周圍；八個(gè)信號(hào)電極與微型半球體諧振子之間的距離相同；八個(gè)屏蔽電極與微型半球體諧振子之間的距離也相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半球體固態(tài)波動(dòng)微陀螺儀，其特征在于，所述中心固定支撐柱的材料為金屬玻璃，該中心固定支撐柱設(shè)置于單晶硅基底中心位置的半球形凹槽底部，所述中心固定支撐柱的下端與單晶硅基底相連、上端與微型半球體諧振子相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半球體固態(tài)波動(dòng)微陀螺儀，其特征在于，所述微型半球體諧振子的材料為金屬玻璃，位于單晶硅基底中心位置的半球形凹槽中，所述微型半球體諧振子的底部通過中心固定支撐柱約束，其他位置無約束。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半球體固態(tài)波動(dòng)微陀螺儀，其特征在于，所述信號(hào)電極的材料為硼離子摻雜硅；所述信號(hào)電極的形狀和大小相同，均勻地圍繞在微型半球體諧振子的周圍，并與微型半球體諧振子邊緣的距離相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半球體固態(tài)波動(dòng)微陀螺儀，其特征在于，所述屏蔽電極的材料為硼離子摻雜硅；所述屏蔽電極的形狀和大小相同，設(shè)置于信號(hào)電極之間，任意屏蔽電極與相鄰信號(hào)電極的距離相同。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的半球體固態(tài)波動(dòng)微陀螺儀的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 第一步、對(duì)單晶硅基底進(jìn)行清洗、涂膠、光刻、顯影、硼離子注入、去膠工藝，以在單晶硅基底上得到硼離子摻雜硅材料的信號(hào)電極和屏蔽電極； 第二步、在第一步的基礎(chǔ)上進(jìn)行涂膠、光刻、顯影工藝，以在單晶硅基底表面得到圖形化的光刻膠，為刻蝕半球形凹槽做掩膜； 第三步、在第二步的基礎(chǔ)上進(jìn)行單晶硅的各向同性刻蝕工藝及去膠工藝，以在單晶硅基底上得到半球形凹槽； 第四步、在第三步的基礎(chǔ)上通過熱氧化法生長(zhǎng)二氧化硅，以得到釋放半球體諧振子的犧牲層；通過涂膠、光刻、顯影、刻蝕工藝在二氧化硅犧牲層底部形成圓形槽，為制作中心固定支撐柱做準(zhǔn)備； 第五步、在第四步的基礎(chǔ)上于單晶硅基底上放置塊狀金屬玻璃板并將其加熱至液態(tài)，待液體完全填充所有半球形凹槽后，利用快速冷卻技術(shù)將溫度降至金屬玻璃的過冷液區(qū)，以得到完全填充半球形凹槽的金屬玻璃結(jié)構(gòu)，然后通過磨削技術(shù)或減薄技術(shù)將上表面的金屬玻璃去除，只保留半球形凹槽中的金屬玻璃結(jié)構(gòu)； 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，從單晶硅基底上釋放微型半球體諧振子。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種半球體固態(tài)波動(dòng)微陀螺儀的制備方法，其特征在于，第一步中，在所述單晶硅基底上得到的硼離子摻雜硅材料的所述信號(hào)電極和所述屏蔽電極的厚度為 10 μ m-50 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種半球體固態(tài)波動(dòng)微陀螺儀的制備方法，其特征在于，第三步中，在所述單晶硅基底上得到的所述半球形凹槽的半徑為300-700 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種半球體固態(tài)波動(dòng)微陀螺儀的制備方法，其特征在于，第四步中，所述犧牲層的厚度為1-5 μ m,所述圓形槽的半徑為15-35 μ m。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種半球體固態(tài)波動(dòng)微陀螺儀的制備方法，其特征在于，第五步中，所述塊狀金屬玻璃板的厚度為l-10mm。
【文檔編號(hào)】G01C19/5691GK104197916SQ201410389850
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月8日
【發(fā)明者】張衛(wèi)平, 唐健, 劉亞東, 汪濙海, 成宇翔, 孫殿竣, 邢亞亮, 陳文元 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)