[发明专利]三轴立体足球状微陀螺仪及其加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及微机电和惯性传感器领域，具体涉及一种三轴立体足球状微陀螺仪及其加工方法。

背景技术

随着MEMS制造技术变得越来越先进，微机械惯性传感器得到了迅猛的发展和更广泛的研究与应用。微陀螺仪属于一种微机械振动式角速率传感器，它通过测量旋转物体的科氏加速度实现角速度的测量，经过数据处理后就可以得到物体的方向、姿态等信息，是一种重要的惯导器件。

目前，陀螺仪的研究工作一直追求更小的尺寸，更低廉的价格，更高的精度。但是目前现有的微陀螺仪大都不能满足以上要求，极大的限制了其发展以及生产应用。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种三轴立体足球状微陀螺仪及其加工方法。

技术方案：本发明所述的一种三轴立体足球状微陀螺仪，包括两层上下叠放的玻璃基底以及安装于两侧玻璃基底之间的主单元结构，所述主单元结构包括立体质量块、内弹性梁、外弹性梁、驱动结构和检测结构；

所述立体质量块呈足球状位于主单元结构的中心位置，立体质量块通过四组内弹性梁连接于外弹性梁，四个外弹性梁依次固定连接形成正方形框架；

以立体质量块为原点建立空间直角坐标系，所述检测结构包括两个分别位于正负X轴方向的X轴检测电极、两个分别位于正负Y轴方向的Y轴检测电极和两个分别位于正负Z轴方向的Z轴检测电极，所述两个X轴检测电极和两个Y轴检测电极两两对应分别设置于靠近立体质量块的四侧边，且位于正方形框架内部；所述两个Z轴检测电极分别设置于立体质量块的正上方和正下方；

所述驱动结构包括两个分别位于正负X轴方向的X轴驱动电极、两个分别位于正负Y轴方向的Y轴驱动电极和两个分别位于正负Z轴方向的Z轴驱动电极，所述两个X轴驱动电极和两个Y轴驱动电极分别设置于相对应的外弹性梁的外侧中部位置；所述两个Z轴驱动电极分别设置于相对应的Z轴检测电极的外侧。

进一步的，所述两层玻璃基底结构与尺寸相同且均呈正方形，玻璃基底上刻有相应信号引线；所述四个外弹性梁分别与玻璃基底的四条侧边平行，并且外弹性梁两两之间通过锚点键合安装于玻璃基底上。

进一步的，所述主单元呈全对称分布；所述立体质量块由SU8光刻胶制成，立体质量块的直径为0.25～0.3mm；所述玻璃基底由硼硅酸盐玻璃制成，玻璃基底的尺寸为2mm*2mm*2mm；主单元结构由单晶硅结构层制成，该单晶硅结构层的厚度为55～650μm。

进一步的，所述X轴检测电极、Y轴检测电极和Z轴检测电极均由可动极板和固定极板构成；可动极板和固定极板构成变间隙平板电容检测；所述两个X轴检测电极之间、两个Y轴检测电极之间以及两个Z轴检测电极之间均相对应的各自相互差分，其中，Z轴检测电极呈正方形。

进一步的，所述X轴驱动电极和Y轴驱动电极均分别包括活动驱动梳齿和固定驱动梳齿，所述活动驱动梳齿设置于外弹性梁外侧边的中部位置，固定驱动梳齿固定于下层玻璃基底，所述活动驱动梳齿与固定驱动梳齿之间构成变面积式梳齿电容驱动；所述Z轴驱动电极包括驱动固定极板和驱动活动极板，驱动固定极板安装于玻璃基底的中心位置处的检测固定极板的外部，驱动固定极板与驱动活动极板构成变间隙式平板电容驱动。

本发明还公开了一种三轴立体足球状微陀螺仪的加工方法，包括以下步骤：

(1)在下层玻璃基底上沉积SiO₂，在SiO₂上涂SU8光刻胶，然后前烘；

(2)使用第一块掩膜板曝光SU8光刻胶，去除多余的部分，使其成正方体，去除SiO₂将SU8光刻胶与玻璃基底分离；

(3)清洗两块基底硼硅酸盐玻璃并烘干，在硼硅酸盐玻璃上涂光刻胶，利用第二、三块掩膜板曝光，用腐蚀液刻蚀玻璃，分别得到上层玻璃基底和下层玻璃基底电极和信号引线槽；

(4)在两块硼硅酸盐玻璃基底上，先溅射金属Cr,再溅射Au，形成电极和信号引线，去除光刻胶；

(5)对单晶硅结构层进行清洗，在其背面旋涂光刻胶，利用第四块掩膜板进行曝光并刻蚀单晶硅结构层，形成锚点和待键合结构，去除光刻胶；

(6)在单晶硅结构层正面旋涂光刻胶，利用第五块掩膜板进行曝光并刻蚀结构层硅，形成锚点，去除光刻胶；

(7)将单晶硅结构层、正方体SU8光刻胶和制作好电极和信号引线的下层硼硅酸盐玻璃基底采用键合技术通过锚点进行键合；