[发明专利]压电驱动静电检测体声波谐振三轴微陀螺及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的微陀螺及其制备方法，具体地说，涉及的是一种利用体声波鞍形谐振模态的具有盘形谐振子的三轴微陀螺仪及其制备方法。

背景技术

陀螺仪是一种能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。随着国防科技和航空、航天工业的发展，惯性导航系统对于陀螺仪的要求也向低成本、小体积、高精度、高可靠性、能适应各种恶劣环境的方向发展。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利“双轴MEMS陀螺仪”（专利申请号：201020033300.7）利用MEMS体硅和键合工艺，在硅片上加工出具有弹簧和质量块的悬臂梁结构与空腔结构。通过在上下和侧面电极与质量块上施加单一特定频率的电压信号，对质量块施加静电力使得质量块振动。当有外界角速度输入时，在科氏力作用下，振动会转移到另外一个轴上去，通过检测电极电容可以检测角速度的变化。

此技术存在如下不足：该陀螺仪采用传统的弹簧-质量块的结构模型，所得到的信号灵敏度不高，Q值较低，零漂过大，抗冲击性差，很难达到高精度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种压电驱动静电检测体声波谐振三轴微陀螺及其制备方法。该陀螺利用压电效应进行陀螺驱动，同时利用非接触式的平衡电极给下电极施加电势，使得陀螺结构得到了优化。该陀螺体积小，结构简单，品质因数大，加工工艺易于实现，能够同CMOS工艺兼容，抗冲击，不需要真空封装，适用于批量化生产。

根据本发明的一方面，提供一种压电驱动静电检测体声波谐振三轴微陀螺，它包括：不带释放孔的压电圆盘振子，圆柱形的支撑柱，基板，驱动电极，检测电极、平衡电极和公共电极。所述圆盘振子通过所述圆柱形的支撑柱固定在基板上，且所述圆盘振子垂直于所述基板的z轴；所述驱动电极分布于所述圆盘振子上；所述检测电极、平衡电极和公共电极呈圆周分布于所述基板上并位于所述圆盘振子下方，同时与所述圆盘振子平行且有一间隙；所述公共电极分布于平衡电极与检测电极之间，所述检测电极、所述平衡电极和所述公共电极按照两个平衡电极、一个公共电极、两个检测电极、一个公共电极、两个平衡电极的排列顺序交叉循环分布。

优选地，所述圆盘振子上表面分布所述驱动电极，所述圆盘振子下表面为导电体，并通过所述支撑柱固定在所述基板上。

优选地，所述驱动电极分布于所述圆盘振子上，呈圆周分布。

优选地，所述检测电极、所述平衡电极和所述公共电极与所述圆盘振子之间的间隙为2-3微米。

优选地，每两个相邻的所述平衡电极为一组，分别施加大小相等符号相反的一组直流驱动电压信号。每一组所述平衡电极形成一个电容，用于平衡所述圆盘振子的下表面保持零电势。

优选地，每两个相邻的所述检测电极为一组，分别施加大小相等符号相反的一组直流驱动电压信号以及大小相等相位相反的一组交流载波信号。每一组所述驱动电极形成一个电容，用于检测压电力驱动所述圆盘振子产生检测模态。

根据本发明的另一方面，提供一种上述微陀螺的制作方法，其步骤如下：

(a)将基板清洗干净，烘干，在正面通过光刻工艺，溅射形成金属电极；

(b)在基板上沉积多晶硅层，厚度为2-3微米；

(c)通过光刻掩模，刻蚀多晶硅层，保留支撑柱和阻挡层；

(d)将另一个压电基板清洗干净，烘干，在正面通过光刻掩模工艺，溅射形成金属电极；

(e)在压电基板背面溅射沉积金属层；

(f)激光切割，利用键合的方法将两块基板键合起来，形成一体化的结构。