[发明专利]硅基MEMS碟形陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS(Micro-Electro Mechanical System)传感器技术领域，尤其涉及一种硅基MEMS碟形陀螺。

背景技术

近年来，MEMS陀螺由于其功耗低、体积小、成本低等优点，逐渐成为惯性传感器热点。MEMS环形陀螺作为一种特殊的角速度传感器，由于其结构具有圆周对称特性，具有质量、刚度、谐振频率中心对称的优点，模态匹配性好，抗过载能力强，成为军用MEMS陀螺的重要研究方向。

但是现有的MEMS环形陀螺精度普遍不高，难以达到战术级武器要求。且现有MEMS环形陀螺零偏、零偏稳定性、零偏重复性等随环境温度影响很大，无法适应复杂多变的作战环境。

发明内容

本发明解决的技术问题是：相比于现有技术，提供了一种硅基MEMS碟形陀螺，使得检测精度高和温度效应低。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种硅基MEMS碟形陀螺，包括：敏感结构、盖帽层、衬底层、金属层和绝缘层；其中，所述绝缘层与所述衬底层的上表面相连接；所述金属层与所述绝缘层相连接；所述金属层刻蚀有第一金属触点和第二金属触点；所述敏感结构与第一金属触点、第二金属触点相连接；所述盖帽层罩于所述敏感结构并与所述金属层相连接。

上述硅基MEMS碟形陀螺中，所述敏感结构包括中心锚点、若干个同心可动圆环、辐条和电极；其中，若干个同心可动圆环以中心锚点的中心为圆心径向分布；中心锚点通过辐条与相邻的同心可动圆环相连接；相邻的两个同心可动圆环通过辐条相连接，相邻的同心可动圆环与辐条之间形成凹槽；在凹槽内设置有电极；中心锚点与第一金属触点相连接；电极与第二金属触点相连接。

上述硅基MEMS碟形陀螺中，连接相邻的两个同心可动圆环的辐条的数量为多个，多个辐条沿同心可动圆环的圆周均匀分布。

上述硅基MEMS碟形陀螺中，还包括：吸气剂层，所述吸气剂层设置于所述盖帽层的内壁。

上述硅基MEMS碟形陀螺中，所述绝缘层的材料为硅。

上述硅基MEMS碟形陀螺中，所述敏感结构采用<1 1 1>晶向的硅片加工而成，厚度为30um～300um。

上述硅基MEMS碟形陀螺中，所述盖帽层的材料为硅。

上述硅基MEMS碟形陀螺中，所述凹槽的深宽比大于10:1。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明的碟形陀螺具有十几个甚至几十个同心圆环，这些圆环之间的沟槽均可以放置电极作为检测电极，相对于传统环形陀螺，检测电容面积可以提高一至二个数量级，检测电容的提高，将会大大提高检测精度，最终提高陀螺器件的精度；

(2)本发明的碟形陀螺相对于现有环形陀螺具有更大的质量，较大的质量会降低机械噪声，提高陀螺检测精度；

(3)本发明的碟形陀螺采用圆片级真空封装，其中盖帽层、敏感结构层、衬底层均采用硅材料，相同的材料层具有相同的热膨胀系数，可以大大减小由温度效应引起的零位漂移，同时也可有效降低由高温工艺产生的热应力，提高陀螺零偏重复性；

(4)由于本发明中碟形陀螺敏感结构的特殊性，具有更小的热弹性阻尼，在真空环境下Q值很高，可以达到10万以上，较普通环形陀螺的Q值可以提高一个数量级，大大提高检测灵敏度。

附图说明

图1是本发明的硅基MEMS碟形陀螺的结构示意图；

图2是本发明的敏感结构的结构示意图；

图3(a)是本发明的碟形陀螺敏感结构振型示意图；

图3(b)是本发明的碟形陀螺敏感结构振型又一示意图；

图4(a)是本发明的碟形陀螺敏感结构振型仿真示意图；

图4(b)是本发明的碟形陀螺敏感结构振型又一仿真示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

图1是本发明的硅基MEMS碟形陀螺的结构示意图。如图1所示，该硅基MEMS碟形陀螺包括：敏感结构、盖帽层7、衬底层8、金属层9和绝缘层10；其中，绝缘层10与衬底层8的上表面相连接；金属层9与绝缘层10相连接；金属层9刻蚀有第一金属触点12和第二金属触点13；敏感结构与第一金属触点12、第二金属触点13相连接；盖帽层7罩于敏感结构并与金属层9相连接。