徑向支撐體聲波硅微陀螺儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種微機電技術(shù)領(lǐng)域的微陀螺，具體地說，涉及的是一種徑向支撐體聲波娃微陀螺儀。
【背景技術(shù)】
[0002]微陀螺儀是一種利用微機械電子(MEMS)工藝制作的能夠敏感載體角度或角速度的慣性器件，在姿態(tài)控制和導(dǎo)航定位等領(lǐng)域有著非常重要的作用。得益于近來微電子加工技術(shù)的進步，硅微陀螺儀由于加工工藝可和集成電路工藝兼容而得到了快速的發(fā)展，體積小，能耗低的硅微陀螺儀在消費電子姿態(tài)控制系統(tǒng)、汽車輔助導(dǎo)航和安全控制系統(tǒng)、工業(yè)機器人姿態(tài)控制、武器慣性制導(dǎo)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003]體聲波硅微陀螺儀是采用體聲波技術(shù)來制作新型固態(tài)MEMS陀螺儀，相比現(xiàn)有的陀螺儀，具有以下優(yōu)點:尺寸更小、動態(tài)響應(yīng)好、可靠性高、成本更低、容易實現(xiàn)CMOS工藝集成?，F(xiàn)有的MEMS陀螺儀技術(shù)利用質(zhì)量塊低頻振動(5~50kHz)來測量角速度，而體聲波MEMS陀螺儀的工作頻率高出幾個數(shù)量級，是兆赫茲范圍(l~10MHz)。使用體聲波技術(shù)制作的陀螺儀剛度較高，這不僅使陀螺儀對環(huán)境中的振動不敏感，還可以防止在生產(chǎn)制造過程中出現(xiàn)粘附問題，因此提高了 MEMS器件的可靠性和成品率。在實際應(yīng)用中，往往存在振動影響陀螺儀正常工作，而體聲波MEMS陀螺儀擁有更出色的性能表現(xiàn)。
[0004]由于體聲波陀螺圓盤諧振子剛度較大、工作頻率較高，因此其驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)下諧振子的振動幅值都在20nm左右，為增大陀螺的靈敏度，圓弧形驅(qū)動電極和檢測電極同圓盤狀諧振子之間的電容間隙只有200nm，圓盤厚40 μπι，其深寬比高達200:1，電容間隙加工十分困難，且由于間隙寬度較小，側(cè)壁表面粗糙度精度難以控制，工作過程中容易引起隧穿；為減小體聲波陀螺儀中圓柱狀支撐柱振動引起的支撐阻尼，增大硅微陀螺儀的機械品質(zhì)因數(shù)，陀螺儀的支撐柱直徑要非常小，在工藝制作過程中利用控制S12刻蝕液的刻蝕時間來控制S12支撐柱直徑大小的方法使得陀螺的工藝難度加大；同圓盤諧振子中心固定的單一的小直徑支撐柱由于尺寸較小，使得陀螺抗沖擊能力較弱；驅(qū)動模態(tài)下圓弧形檢測電極同諧振子之間輸出并不為零，增大了陀螺的零偏和噪聲，影響了陀螺的測量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提供了一種徑向支撐體聲波硅微陀螺儀，陀螺儀采用圓盤形諧振子徑向支撐代替圓盤狀諧振子中心圓柱支撐的方案，采用三角型位移放大機構(gòu)放大檢測模態(tài)位移輸出的方法，提高了陀螺的靈敏度，簡化了體聲波硅微陀螺儀加工工藝，提升了陀螺儀的抗沖擊能力，減小了陀螺的零偏，提高了陀螺的精度。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出如下的技術(shù)方案:一種徑向支撐體聲波硅微陀螺儀，包括圓盤形諧振子，側(cè)向支撐臂，具有位移放大機構(gòu)的電容檢測電極，檢測電極固定凸臺，圓弧形驅(qū)動電極和基板。陀螺儀采用圓盤狀諧振子的2個面內(nèi)四波幅波節(jié)頻率匹配模態(tài)作為驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)，驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)具有相同的振型，且其徑向振動正交，即驅(qū)動模態(tài)的波幅為檢測模態(tài)的波節(jié)，驅(qū)動模態(tài)的波節(jié)為檢測模態(tài)的波幅。
[0007]側(cè)向支撐臂共有四個，四個側(cè)向支撐臂位于驅(qū)動模態(tài)徑向振動的波節(jié)處，形狀為長方體，側(cè)向支撐臂一端同圓盤狀諧振子在半徑方向固定連接，另一端同具有位移放大機構(gòu)的電容檢測電極固定。
[0008]具有位移放大機構(gòu)的電容檢測電極由左右對稱的兩個三角形位移放大機構(gòu)和兩個電容極板組成，三角形位移放大機構(gòu)為無下底邊的等腰梯形結(jié)構(gòu)，等腰梯形的兩腰為彈性梁，上底邊為剛性梁，等腰梯形兩腰之間的夾角為鈍角。三角形位移放大機構(gòu)的上底邊剛性梁和電容極板之間固定連接，電容極板平行于三角形位移放大機構(gòu)的上底邊剛性梁，兩個三角形位移放大機構(gòu)的兩腰彈性梁通過兩個剛性固定梁連接。具有位移放大機構(gòu)的電容檢測電極一端同側(cè)向支撐臂固定連接，另一端和檢測電極固定凸臺固定連接，電容極板和檢測電極固定凸臺之間形成平行的電容間隙作為檢測電容。具有位移放大機構(gòu)的電容檢測電極共有四個，電容極板和檢測電極固定凸臺之間的間隙為1-10 μ m，具有位移放大機構(gòu)的電容檢測電極通過重離子摻雜的工藝提高其電導(dǎo)率。
[0009]圓盤形諧振子上開有關(guān)于圓心對稱均勻分布的貫穿孔，可以通過改變孔的大小調(diào)節(jié)諧振子的剛度，圓盤形諧振子通過重離子摻雜的工藝提高其電導(dǎo)率。
[0010]圓弧形驅(qū)動電極和圓盤狀諧振子同心，圓弧形驅(qū)動電極位于圓盤形諧振子驅(qū)動模態(tài)的波幅處，共有四個，圓弧形驅(qū)動電極和圓盤狀諧振子之間的間隙為1-10 μπι，間隙的深寬比小于20:1，圓弧形驅(qū)動電極通過重離子摻雜的工藝提高其電導(dǎo)率。
[0011]檢測電極固定凸臺的外徑和圓盤狀諧振子同心，檢測電極固定凸臺位于圓盤形諧振子檢測模態(tài)的波幅對應(yīng)的半徑延長線上，共有四個，檢測電極固定凸臺的外徑和圓弧形驅(qū)動電極外徑大小相同。
[0012]基板為圓盤形，基板和圓盤形諧振子同心，半徑和檢測電極固定凸臺以及圓弧形驅(qū)動電極的外徑相同，檢測電極固定凸臺和圓弧形驅(qū)動電極固定在基板上。
[0013]圓盤形諧振子，側(cè)向支撐臂，具有位移放大機構(gòu)的電容檢測電極，檢測電極固定凸臺，圓弧形驅(qū)動電極和基板全部通過在(111)晶向的硅片上通過微機械電子加工工藝制作
ntjD
[0014]本發(fā)明徑向支撐體聲波硅微陀螺儀的工作原理為:在圓弧形驅(qū)動電極上施加同陀螺驅(qū)動模態(tài)同頻率的電壓驅(qū)動信號時，在驅(qū)動電極和圓盤形諧振子之間的靜電力作用下，陀螺產(chǎn)生驅(qū)動模態(tài)下的振動，驅(qū)動模態(tài)振動下側(cè)向支撐臂處徑向位移為零，因此電容檢測電極無輸出；當(dāng)有沿圓盤形諧振子軸線方向的角速度輸入時，在科氏力作用下陀螺會產(chǎn)生檢測模態(tài)下的振動，檢測模態(tài)振動下側(cè)向支撐臂處的徑向位移和徑向力最大，在兩個三角形位移放大機構(gòu)的作用下，檢測模態(tài)的小位移輸出被放大為電容極板的大位移輸出，電容極板的運動將導(dǎo)致電容極板和檢測電極固定凸臺之間電容的變化，電容的變化量正比于輸入角速度的大小，通過測量電容檢測電極輸出的大小即可檢測輸入角速度。
[0015]本發(fā)明徑向支撐體聲波硅微陀螺儀相比現(xiàn)有的體聲波陀螺儀來講其優(yōu)勢在于:在圓盤形諧振子驅(qū)動模態(tài)的節(jié)點處采用側(cè)向支撐臂支撐圓盤形諧振子，可有效的減小對諧振子驅(qū)動模態(tài)的影響，同時避免了小直徑支撐柱的復(fù)雜難以控制的加工工藝，結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)；采用兩個三角形位移放大機構(gòu)將檢測模態(tài)的小位移輸出放大，可提高陀螺的靈敏度，降低對驅(qū)動電極和圓盤形諧振子之間電容間隙的要求；采用四個對稱分布的側(cè)向支撐臂的方式，使得陀螺的支撐更可靠，大大提高了陀螺的抗沖擊能力；在無角速度輸入時側(cè)向支撐臂無徑向位移，電容檢測電極無輸出，可以減小陀螺的零偏，提高陀螺的精度。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明徑向支撐體聲波硅微陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明具有位移放大機構(gòu)的電容檢測電極局部放大結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3為本發(fā)明徑向支撐體聲波硅微陀螺儀的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖4為本發(fā)明徑向支撐體聲波硅微陀螺儀驅(qū)動模態(tài)振型。
[0020]圖5為本發(fā)明徑向支撐體聲波硅微陀螺儀檢測模態(tài)振型。
【具體實施方式】
[0021]以下將結(jié)合附圖1、附圖2、附圖3、附圖4、附圖5和一個具體實施例對本發(fā)明徑向支撐體聲波硅微陀螺儀進行進一步的說明。
[0022]如圖1、圖2和圖3所示徑向支撐體聲波硅微陀螺儀包括圓盤形諧振子1，側(cè)向支撐臂2a-2d，圓弧形驅(qū)動電極3a-3d，具有位移放大機構(gòu)的電容檢測電極4a_4d，檢測電極固定凸臺5a-5d和基板6。陀螺儀采用如圖4和圖5所示圓盤狀諧振子I的兩個面內(nèi)四波幅波節(jié)頻率匹配模態(tài)作為驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)，驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)具有相同的振型，且其徑向振動正交，即驅(qū)動模態(tài)的波幅為檢測模態(tài)的波節(jié)，驅(qū)動模態(tài)的波節(jié)為檢測模態(tài)的波幅。
[0023]本實施例中側(cè)向支撐臂2a_2d共有四個，四個側(cè)向支撐臂2a_2d位于驅(qū)動模態(tài)徑向振動的波節(jié)處，形狀為長方體，側(cè)向支撐臂2a_2d—端同圓盤狀諧振子I在半徑方向固定連接，另一端同具有位移放大機構(gòu)的電容檢測電極4a_4d固定。具有位移放大機構(gòu)的電容檢測電極4a-4d由左右對稱的兩個三角形位移放大機構(gòu)40la、40Ib和兩個電容極板402a、402b組成，三角形位移放大機構(gòu)401a、401b為無下底邊的等腰梯形結(jié)構(gòu)，等腰梯形的兩腰為彈性梁，上底邊為剛性梁，等腰梯形兩腰之間的夾角為鈍角。三角形位移放大機構(gòu)401