[发明专利]一种基于纳米光栅的MOEMS陀螺仪及其加工方法

说明书

本发明公开了一种基于纳米光栅的MOEMS陀螺仪及其加工方法，陀螺仪由上至下依次包括：盖帽、微谐振器和衬底，所述微谐振器为双质量块结构微谐振器，包括质量块、驱动框架和解耦梁结构，驱动框架设在质量块对边外围，解耦梁结构与质量块和驱动框架连接；可动纳米光栅附着在微谐振器的质量块上表面，可动纳米光栅上方的盖帽上对应设有固定纳米光栅，且盖帽对应驱动框架的梳齿处设有电极通孔。本发明利用光来检测角速度，具有质量小、测量精度高、不电磁干扰和便于批量生产等优点，应用范围广，有着良好的市场前景。

技术领域

本发明涉及微光机电和惯性导航技术，特别是涉及一种基于纳米光栅的MOEMS(微光机电)陀螺仪及其加工方法。

背景技术

MOEMS(Micro-opto-eletri-mechanical System)使之微光机电系统，也可称为光学MEMS，是微光学与MEMS技术结合的微系统，兼有MEMS技术微型化、可批量加工、低成本和光学检测的高精度、抗电磁干扰等优点。

MOEMS陀螺仪式采用MOEMS技术加工完成，相比传统的MEMS陀螺仪采用电容检测，其采用微光学器件来对由于旋转产生的角度或位置变化进行精确的检测，避免了精度和动态性能难以兼顾的矛盾；同时提高了器件的抗电磁干扰能力，另外，还实现了光电分离，使其可以应用于辐射、高温、强电磁干扰、易爆等特殊环境中。

光栅作为一种非常重要的光学元件，该元件具有周期性的空间结构，一般是在介质或者金属上进行刻蚀形成折射率调制而制成的，被广泛应用于光通信、集成光路、光学测量等领域中。此次涉及的纳米光栅，属于衍射光栅的一种，这类光栅能够对入射光的振幅或相位，或者二者同时进行周期性空间调制。而纳米光栅相比一般的光栅，特点在于其尺寸更小，导致衍射光只存在0级和1级衍射，衍射效率更高，易于集成。

发明内容

发明目的：为克服现有技术不足，得到一种兼具小体积、低功耗、高精度等优点的惯性器件，本发明旨于提供一种基于纳米光栅的MOEMS陀螺仪及其加工方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于纳米光栅的MOEMS陀螺仪，由上至下依次包括：盖帽、微谐振器和衬底，所述微谐振器为双质量块结构微谐振器，包括质量块、驱动框架和解耦梁结构，驱动框架设在质量块对边外围，解耦梁结构与质量块和驱动框架连接；可动纳米光栅附着在微谐振器的质量块上表面，可动纳米光栅上方的盖帽上对应设有固定纳米光栅，且盖帽对应驱动框架的梳齿处设有电极通孔。

工作原理：本发明基于纳米光栅的MOEMS陀螺仪，外界通过金属导线、盖帽通孔内金属焊盘与陀螺仪实现电气连接，使驱动框架产生谐振，带动解耦框架运动，当角速度发生变化时，由于哥式效应，解耦梁结构会带动质量块在与驱动方向以及角速度方向垂直的方向运动，可动硅纳米光栅与玻璃盖帽上的固定纳米光栅组成的双层光栅结构的周期随之变化，外接光源发出的检测光从光发生器进入后依次通过玻璃盖帽、固定纳米光栅、可动纳米光栅、支撑层窗口和玻璃衬底后得到出射光，由于光栅周期变化，出射光的光强随之变化，通过检测进入光电检测端的出射光光强，可以推算出角速度。

优选的，所述驱动框架为静电驱动框架，驱动框架采用静电力驱动，通过盖帽上的电极通孔实现静电驱动的信号引入。

优选的，所述静电驱动框架为两组，分别设在两个质量块对边的外围，可动纳米光栅分别位于质量块上表面的中心；固定光栅与可动光栅上下平行排布；固定光栅在盖帽上通过剥离沉积金属的工艺加工得到；相比硅光栅，其加工精度高，加工难度和成本都有所下降。

优选的，所述盖帽与衬底均采用阳极键合的方法与微谐振器键合。

优选的，盖帽和衬底均为玻璃材料，微谐振器底部依次设有掩埋氧化层和支撑层，且在支撑层上对应可动硅纳米光栅区域的下方位置开设了相应的窗口以减小出射光的损耗。