[发明专利]一种角振动硅微陀螺及其制作方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及到微电子机械系统领域，特指一种角振动硅微陀螺及其制作方法。

背景技术

与传统陀螺相比，基于微机电系统技术的硅微陀螺具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高、易集成等优点，在飞行器稳定控制、武器导航制导、汽车安全等领域具有广泛的应用前景。现有硅微陀螺的结构种类很多，但它们都是利用哥氏力效应来检测角速度，它有两个相互垂直的振动方向，即激励振动方向和哥氏力引起的敏感振动方向。

微机械陀螺通常采用静电力驱动方式，它利用两组电极之间的静电力来实现，电极的结构有梳齿电容和平板电容两种。梳齿电容驱动主要受滑膜阻尼的影响，品质因子较高，但是这种电容结构的制作工艺复杂，主要依靠深反应离子刻蚀设备，制作难度较大；平板电容驱动受到压膜阻尼的影响，品质因子较小，但是电极的加工相对简单。中国科学院上海微系统所的车录锋、熊斌等设计了一种新型微陀螺，它利用平板电容之间的切向力驱动微陀螺的质量块产生切向运动，在大气下达到了较高的品质因子，但是平板电容之间的切向力比法向力小很多。

发明内容

本发明要解决的问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、制作工艺简单、具有较高品质因子的角振动硅微陀螺及其制作方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种角振动硅微陀螺，其特征在于：它包括通过键合连接的第一基板和第二基板，所述第二基板上中心处设有呈“十“字形的主悬挂梁，主悬挂梁的两侧分别通过“T”形梁组件与质量块相连，每个“T”形梁组件的两端分别对称布置有一个质量块；所述第一基板上开设有凹槽，凹槽内与每个质量块对应的位置处设有一组电极组件。

所述“T”形梁组件包括倾斜悬臂梁和两根梯形梁，所述倾斜悬臂梁的一端与主悬臂梁相连，倾斜悬臂梁的另一端与呈对称布置的两根梯形梁相连。

所述倾斜悬臂梁的截面为平行四边形，其底边与斜边的夹角为54.6°；所述梯形梁的截面为梯形，其底边与斜边的夹角为54.6°。

所述电极组件包括呈“品”字形布置的两个驱动电极和一个检测电极以及驱动电极引线、检测电极引线，所述质量块为“凸”字形。

所述质量块上开设有若干个阻尼孔。

一种角振动硅微陀螺的制作方法，其特征在于步骤为：

(a)、选用键合玻璃基板或硅片作为第一基板，于第一基板的表面生成一层二氧化硅绝缘层，利用湿法腐蚀工艺或者干法刻蚀工艺在第一基板的中间制作一个凹槽；

(b)、利用蒸镀或者溅射的工艺方法，在凹槽的底面形成铝材料的驱动电极、检测电极、驱动电极引线、检测电极引线；

(c)、选用晶向双面抛光的硅片作为第二基板，在硅片表面生成各向异性湿法腐蚀掩膜层，该掩模层是二氧化硅薄膜或二氧化硅和氮化硅复合薄膜；

(d)、利用双面对准光刻工艺对第二基板进行双面对准光刻，刻蚀掩膜层后在第二基板两面制作出掩模图形；

(e)、在碱性溶液中对第二基板进行各向异性湿法腐蚀，待硅片腐蚀穿透后，去除硅片表面的掩膜层，制作出主悬挂梁、倾斜悬臂梁、梯形梁以及质量块；

(f)、将第一基板的上表面和第二基板的下表面对准后键合在一起，完成微陀螺的制作工艺。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：本发明的角振动微陀螺与现有其他微陀螺结构的主要区别是利用倾斜悬臂梁作为微陀螺质量块的支撑梁，采用各向异性湿法腐蚀技术制作微陀螺的倾斜悬臂梁、“凸”字形质量块和阻尼孔。本发明的角振动微陀螺及其制作工艺利用静电力驱动和电容检测方式，采用了对称差分结构，减小了外界加速度和振动对微陀螺的影响，提高了系统的抗干扰能力，增大了微陀螺灵敏度。采用了倾斜悬臂梁，使得可以利用平板电容的法向静电力使微陀螺质量块产生切向运动，使微陀螺驱动方向即有较大的驱动力，又有较高的品质因子；在驱动电极上施加驱动模态频率的交流电压和直流电压叠加量，能够在质量块上产生弯矩，该弯矩使倾斜悬臂梁发生弯曲，从带动微陀螺质量块在陀螺平面内左右振动；当有在陀螺平面内、与倾斜悬臂梁垂直方向的角速度时，哥氏力将在微陀螺质量块上产生转矩，使质量块围绕倾斜悬臂梁发生扭转，使得质量块下面的检测电容发生变化，微陀螺差分检测电容的变化与输入角速度成比例，通过测量差分检测电容的变化，就可以解调得到输入角速的的大小。本发明角振动微陀螺结构新颖，制作工艺简单，灵敏度高，能够达到较低的成本和较高的成品率，具有批量制造的潜力。本发明的制作方法主要采用湿法腐蚀工艺制作，制作工艺简单而且成熟，不需要复杂昂贵的深反应离子刻蚀设备，能够保证较低的成本和较高的成品率。