[发明专利]一种基于静电驱动新型MOEMS陀螺仪及其加工方法

说明书

本发明公开了一种基于静电驱动新型MOEMS陀螺仪及其加工方法，MOEMS陀螺仪包括器件层、金属引线层和衬底层，金属引线层介于器件层和衬底层之间。器件层包括机械模块、静电驱动模块、光学敏感模块和支撑框架。其中机械模块由质量块、驱动弹簧梁、敏感弹簧梁和解耦框架构成；静电驱动模块由两组驱动梳齿结构组成；光学敏感模块主要由集成波导、二维光子晶体和机械敏感单元组成；质量块在静电力驱动下沿着驱动轴方向振动，在外加角速度下使机械敏感单元发生位移变化，通过光信号进入集成波导经过二维光子晶体耦合入机械敏感单元，检测输出集成波导出射的光信号变化。本发明结构集成度高、封装尺寸小、低功耗、易于制造和易于携带等特点。

技术领域

本发明涉及微惯性传感器技术领域，具体提供一种基于静电驱动新型MOEMS陀螺仪及其加工方法。

背景技术

作为微机电系统（MEMS）中发展起来的一种极具活力的新型微光机电系统（MOEMS）传感器。由其高性能、成本低、尺寸小等诸多优点而受到越来越多的关注。其中MOEMS陀螺仪具有许多吸引人的优势，例如抗电磁干扰能力强、热稳定性高、性能优异、带宽宽和可靠性高。这些优点使其用于地震探测的振动分析、铁路技术、健康监测应用以及工业测试等方面潜在广泛的应用价值。

由于MEMS陀螺仪对外部角速度的响应可以通过电容、压阻、压电和光学等技术来检测。电容检测技术用于MEMS陀螺仪最广泛的方法，主要是其易于设计和制造、补偿便捷以及对环境变化适应性稳定，但现有电容检测存在卷曲效应、寄生电容和电磁干扰影响等缺点。而基于压电和压阻的传感器对外界干扰信号较敏感，在恶劣环境下不兼容。目前光学检测技术具有更强的抗电磁干扰能力和更高的热稳定性特性，有利于其他检测技术以及克服上述不足。为此，MOEMS陀螺仪备受广泛的关注。

现有的MOEMS陀螺仪处于理论研究阶段，其还未得到广泛的使用，并且其制备方法、功能验证以及工作稳定性还有待明确。此外，当前MOEMS陀螺仪的可靠性低和灵敏度不高。因此，本发明针对于现有MOEMS陀螺仪技术不足，提供一种基于静电驱动新型MOEMS陀螺仪及其加工方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于静电驱动新型MOEMS陀螺仪及其加工方法，以克服传统MEMS陀螺仪采用压电、压阻和电容检测技术存在卷曲效应、检测电路复杂、寄生电容及电磁波干扰等问题。

为了实现上述的本发明目的，本发明提供以下技术方案来实现：

一种基于静电驱动新型MOEMS陀螺仪，包括器件层、金属引线层、衬底层，所述器件层内部开设多个结构孔填充均为空气；所述金属引线层介于衬底层和器件层之间；所述器件层包括机械模块、静电驱动模块、光学敏感模块和支撑框架；其中机械模块由质量块、驱动弹簧梁、敏感弹簧梁和解耦框架构成，质量块分布在整个器件层的中心位置，质量块的四个边角处分别通过驱动弹簧梁与解耦框架相连，解耦框架的四个边角处分别通过敏感弹簧梁与支撑框架相连；静电驱动模块由两组驱动梳齿结构组成，两个驱动梳齿设置在质量块横向左右侧中间位置并且相互对称，两个驱动梳齿分别与质量块中梳齿结构相互对位，形成两组静电驱动模块；光学敏感模块由集成波导、二维光子晶体和机械敏感单元组成，其中四个集成波导分别分布在支撑框架纵向上下方的左、右位置，左、右两个集成波导介于机械敏感单元左右两侧且相互对称，分布在机械敏感单元左右两侧的二维光子晶体相互对称，多个方形孔以周期性排布形成二维光子晶体，每个方体形的集成波导与支撑框架和二维光子晶体相连接，两个呈梯形状的机械敏感单元分别位于支撑框架纵向方向的上、下方中间位置，机械敏感单元内开设长方形孔，两个机械敏感单元分别与解耦框架上下梁的中间部位相连；

上述方案中，所述的器件层材料可以为碳化硅、硅和氮化硅中任意一种，优先选择硅作为器件层材料。

上述方案中，所述的衬底层为长方体状，其材料可以为碳化硅、硅、石英玻璃和蓝宝石中任意一种，优先选择石英玻璃作为衬底材料。

上述方案中，所述的金属引线层的材料可以为金、银、铝和铜中任意一种，用于与器件层和电气连接，优选材料为铜。