[发明专利]一种压电驱动和检测的微型半球谐振陀螺仪及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微机电技术领域的半球谐振陀螺仪，具体地，涉及一种压电驱动和检测的微型半球谐振陀螺仪及其制备方法。

背景技术

陀螺仪是一种能够检测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、多轴检测、高可靠性、能适应各种恶劣环境的方向发展。因此，MEMS陀螺仪的重要性不言而喻。特别地，微型谐振陀螺仪作为MEMS陀螺仪的一个重要研究方向，已经成为该领域的一个研究热点。

半球谐振陀螺仪利用半球谐振子进行检测，没有高速旋转部件，加之材料的稳定性和结构的对称性，使其具有许多突出的优点，是目前精度最高的机械振动陀螺仪。

经过现有技术的文献搜索发现，美国专利“VIBRATORY ROTATION SENSOR”(专利号：4951508)详细地介绍了半球谐振陀螺仪的原理及信号检测方法，对半球谐振陀螺仪的研究具有指导意义。然而，上述陀螺属于传统型的半球谐振陀螺仪，尺寸相对较大，限制了其应用范围。基于MEMS技术的微型半球谐振陀螺仪继承了传统型半球谐振陀螺仪的优点，又兼具体积小、功耗低、批量化生产等优势，具有重要的研究价值。目前常见的微型半球谐振陀螺仪均采用静电驱动和电容检测，这种驱动方法需要制作微小尺寸的电容间隙，并施加高幅值的直流偏置，从而提供足够的驱动力；这种检测方法需要制作微小尺寸的电容间隙以提高检测精度；利用这种方法驱动和检测的陀螺仪易受到寄生电容的影响。

基于此，迫切需要提出一种新的陀螺仪结构，使其避免或减小上述影响因素，同时扩展其应用范围。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种压电驱动和检测的微型半球谐振陀螺仪及其制备方法，无需制作微小尺寸的电容间隙，无需施加高幅值的直流偏置，同时可避免寄生电容的影响。

根据本发明的一个方面，提供一种压电驱动和检测的微型半球谐振陀螺仪，包括：

一个单晶硅基底；

一个微型半球谐振子；

一个固定并支撑微型半球谐振子的中心固定支撑柱；

一个公共电极；

八个均匀分布于公共电极上的薄膜式压电体；

八个均匀分布式信号电极；

其中，单晶硅基底与微型半球谐振子通过中心固定支撑柱相连；公共电极与微型半球谐振子的形状相同，且位于微型半球谐振子与薄膜式压电体之间；薄膜式压电体与信号电极的形状相同，且位于公共电极与信号电极之间。

所述陀螺仪采用压电驱动的方式激励微型半球谐振子进行工作，驱动模态和检测模态相互匹配。所述陀螺仪利用逆压电效应和压电效应进行微陀螺仪的驱动和检测，相比于常用的静电驱动和电容检测，无需制作微小尺寸的电容间隙，无需施加高幅值的直流偏置，同时可避免寄生电容的影响，具有一体化程度高、功耗低、便于批量化制作等特点。

根据本发明的另一个方面，提供一种压电驱动和检测的微型半球谐振陀螺仪的制备方法，所述方法包括如下步骤：

第一步、对单晶硅基底进行清洗，在单晶硅基底上进行涂胶、光刻、显影、溅射掩膜层、去胶、各向同性刻蚀、去除掩膜层，在单晶硅基底上得到半球形凹槽；

第二步、在第一步的基础上利用热氧化法生长二氧化硅层，涂胶、光刻、显影、局部刻蚀二氧化硅层，得到具有圆形凹槽的二氧化硅牺牲层；

第三步、在第二步的基础上沉积非掺杂多晶硅或非掺杂金刚石，并通过化学机械抛光去除半球形凹槽以外的多晶硅或金刚石，得到带有支撑柱的半球形结构层；

第四步、在第三步的基础上溅射金属铝或金属钼，涂胶、光刻、显影、刻蚀，去除半球形凹槽以外的金属铝或金属钼，得到半球形公共电极；

第五步、在第四步的基础上溅射氮化铝或PZT薄膜，得到压电薄膜层；

第六步、在第五步的基础上溅射金属铝或金属钼，得到信号电极层；

第七步、在第六步的基础上涂胶、光刻、显影，对信号电极层进行刻蚀，得到图形化后的信号电极层及均匀分布式信号电极；

第八步、在第七步的基础上以信号电极为掩膜，对压电薄膜层进行刻蚀，得到均匀分布式薄膜式压电体；

第九步、在第八步的基础上利用BHF溶液对二氧化硅牺牲层进行腐蚀，从单晶硅基底上释放微型半球谐振子。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)所述陀螺仪是结合MEMS体硅加工工艺和表面硅加工工艺进行制作的，是一种新颖的加工工艺；