CN104197909B - 一种双半球结构微型谐振陀螺仪及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双半球结构微型谐振陀螺仪及其制备方法，包括一个单晶硅基底、十六个均匀分布式电极、两个对称的微型半球谐振子、一个中心固定支撑柱，其中：中心固定支撑柱的上下两端分别连接两个微型半球谐振子，每个微型半球谐振子周围均匀分布八个电极；两个微型半球谐振子具有相同的中心轴，彼此独立、互不影响。本发明采用静电驱动的方式分别激励两个微型半球谐振子工作，驱动模态和检测模态分别相互匹配。本发明结合MEMS体硅加工工艺和表面硅加工工艺进行制作。本发明通过差分处理的方式减小离心力、向心力、共模噪声、二次非线性项等因素的影响；在单一器件上同时实现高带宽、高分辨率、高灵敏度、高动态范围等性能指标。
Description
技术领域
本发明涉及微机电技术领域的微型谐振陀螺仪，具体地，涉及一种双半球结构微型谐振陀螺仪及其制备方法。
背景技术
陀螺仪是一种能够检测载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。随着国防科技和航空、航天工业的发展，惯性导航系统对于陀螺仪的要求也向低成本、小体积、高精度、多轴检测、高可靠性、能适应各种恶劣环境的方向发展。因此，MEMS陀螺仪的重要性不言而喻。特别地，微型谐振陀螺仪作为MEMS陀螺仪的一个重要研究方向，已经成为该领域的一个研究热点。
半球谐振陀螺仪利用半球谐振子进行检测，没有高速旋转部件，加之材料的稳定性和结构的对称性，使其具有许多突出的优点，是目前精度最高的机械振动陀螺仪。
经过现有技术的文献搜索发现，美国专利“VIBRATORY ROTATION SENSOR”(专利号：4951508)详细地介绍了半球谐振陀螺仪的原理及信号检测方法，对半球谐振陀螺仪的研究具有指导意义。然而，上述陀螺属于传统型的半球谐振陀螺仪，尺寸相对较大，限制了其应用范围。基于MEMS技术的微型半球谐振陀螺仪继承了传统型半球谐振陀螺仪的优点，又兼具体积小、功耗低、批量化生产等优势，具有重要的研究价值。目前可见的微型半球谐振陀螺仪均采用单半球结构进行检测，这种结构的陀螺仪在工作时往往会受到向心力、离心力、共模噪声、二次非线性项等因素的影响。此外，目前可见的微型半球谐振陀螺仪在单一器件中同一时刻只能检测外界输入角速度或角度中的一项，需要通过积分/微分环节才能计算得到另一项，这会引入积分/微分误差，减小测量精度。而单一器件也无法同时实现高带宽、高分辨率、高灵敏度、高动态范围等性能指标，极大地限制陀螺仪的应用范围。
基于此，迫切需要提出一种新的陀螺仪结构，使其避免或减小上述影响因素，同时扩展其应用范围。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双半球结构微型谐振陀螺仪及其制备方法，实现：(1)减小共模噪声、二次非线性项等因素的影响；(2)在单一器件中同时检测外界输入角速度和角度；(3)在单一器件中同时得到高带宽、高灵敏度、高分辨率、高动态范围等性能指标。
根据本发明的一个方面，提供一种双半球结构微型谐振陀螺仪，包括：
一个单晶硅基底；
十六个均匀分布式电极；
两个对称的微型半球谐振子；
一个中心固定支撑柱；
其中，中心固定支撑柱的上下两端分别连接两个微型半球谐振子，每个微型半球谐振子的周围均匀地分布着八个电极；两个所述微型半球谐振子具有相同的中心轴，彼此独立，互不影响。
所述陀螺仪采用静电驱动的方式分别激励两个微型半球谐振子进行工作，其驱动模态和检测模态分别相互匹配；所述陀螺仪将两个微半球谐振子的反相输出信号进行差分处理，减小离心力、向心力、共模噪声、二次非线性项等因素的影响；所述陀螺仪通过后端电路的配置使两个微型半球谐振子分别工作在角速度或角度模式下，实现在单一器件上同时、直接检测外界输入角速度和角度，无需引入积分/微分环节，提高测量精度；所述陀螺仪可以进行个性化设计，使单个微型半球谐振子工作在高带宽或高分辨率或高灵敏度等模式下，不同组合方式的陀螺仪可以同时实现高带宽、高分辨率、高灵敏度、高动态范围等性能指标，扩展陀螺仪的应用范围。
根据本发明的另一个方面，提供一种双半球结构微型谐振陀螺仪的制备方法，所述陀螺仪结合MEMS体硅加工工艺和表面硅加工工艺进行制作；所述方法包括如下步骤：
所述方法包括如下步骤：
第一步、对单晶硅基底进行清洗，在单晶硅基底正面进行涂胶、光刻、显影、硼离子注入、去胶工艺，在单晶硅基底上得到硼离子掺杂电极；
第二步、在第一步的基础上进行涂胶、光刻、显影、各向同性刻蚀、去胶，在单晶硅基底上得到半球形深槽；
第三步、在单晶硅基底正面涂胶进行保护，准备反面工艺；
第四步、在单晶硅基底反面重复第一步和第二步，同时去除单晶硅基底正面的胶，得到深度相同的硼离子掺杂电极以及半径相同的半球形深槽；
第五步、在单晶硅基底正面涂胶、光刻、显影、刻蚀、去胶，得到支撑柱深槽；
第六步、在单晶硅基底上通过热氧化的方式在整体表面生长二氧化硅，得到牺牲层；
第七步、在二氧化硅牺牲层上沉积多晶硅或金刚石，得到结构层；
第八步、利用化学机械抛光去除单晶硅基底正面和反面表面的结构材料，保留两个半球形深槽中的结构材料，同时露出二氧化硅牺牲层；
第九步、利用BHF溶液对二氧化硅牺牲层进行湿法刻蚀，通过控制刻蚀时间确定中心固定支撑柱的支撑面积，释放微型半球谐振子，得到双半球结构微型谐振陀螺仪。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)所述陀螺仪是结合MEMS体硅加工工艺和表面硅加工工艺进行制作的，是一种新颖的加工工艺；
(2)所述陀螺仪可以将两个微半球谐振子的反相输出信号进行差分处理，减小离心力、向心力、共模噪声、二次非线性项等因素的影响；
(3)所述陀螺仪可以通过后端电路的配置在单一器件上同时、直接检测外界输入的角速度和角度，无需引入积分/微分环节；
(4)所述陀螺仪可以进行个性化设计，在单一器件上同时实现高带宽、高分辨率、高灵敏度、高动态范围等性能指标。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1(a)-图1(i)为本发明一较优实施例的制备流程图；
图2为本发明一较优实施例的三维结构图；
图中：1为单晶硅基底，2为均匀分布式电极，3为微型半球谐振子，4为中心固定支撑柱。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图2所示，本实施例提供一种双半球结构微型谐振陀螺仪，包括：
一个单晶硅基底1；
十六个均匀分布式电极2；
两个对称的微型半球谐振子3；
一个中心固定支撑柱4；
其中，中心固定支撑柱4的上下两端分别连接两个微型半球谐振子3，每个微型半球谐振子3的周围均匀地分布着八个电极2；两个所述微型半球谐振子3具有相同的中心轴，彼此独立，互不影响。
本实施例中，所述基底1的材料为单晶硅，与中心固定支撑柱4直接相连；
本实施例中，所述电极的材料2为硼离子掺杂硅，八个所述电极2均匀地分布在上层的所述微型半球谐振子3的周围，另外八个所述电极2均匀地分布在下层的所述微型半球谐振子3的周围；
本实施例中，两个所述微型半球谐振子3的材料均为多晶硅或金刚石，两个微型半球谐振子3分别与中心固定支撑柱4的两端相连，且对称分布于上层和下层；
本实施例中，所述中心固定支撑柱4包括内层和外层，内层的材料与微型半球谐振子3的材料相同且直接相连于两个微型半球谐振子3，外层的材料为二氧化硅，是牺牲层的残留部分。
本实施例中，双半球结构微型谐振陀螺仪可以看作是两个相同尺寸的共轴微型半球谐振陀螺仪，单个微型半球谐振陀螺仪的工作原理相同。在驱动电极2上施加驱动电压，驱动电极2通过静电力的方式使微型半球谐振子3工作在所需的驱动模态下，驱动模态的振动幅值和频率保持不变。当垂直于基体方向存在外加角速度时，检测模态的振动幅值会发生变化，该振动幅值的大小与外加角速度的大小成正比，通过检测电极2检测该振动幅值的大小，即可计算得到外加角速度的大小。两个微型半球谐振陀螺仪可以单独使用，也可以配合使用，从而达到不同的检测效果。
实施例2
本实施例提供一种所述双半球结构微型谐振陀螺仪的制备方法，包括如下步骤：
第一步，如图1(a)所示，对单晶硅基底1进行清洗，在单晶硅基底1的正面进行涂胶、光刻、显影、硼离子注入、去胶工艺，在单晶硅基底1上得到深度为10μm-50μm的硼离子掺杂硅材料的电极2；
第二步，如图1(b)所示，在第一步的基础上进行涂胶、光刻、显影、各向同性刻蚀、去胶，在单晶硅基底1上得到半径为300-700μm的半球形深槽；
第三步，如图1(c)所示，在正面涂胶进行保护，准备反面工艺；
第四步，如图1(d)所示，在反面重复第一步和第二步，得到与单晶硅基底1正面深度相同的硼离子掺杂硅材料的电极2以及半径相同的半球形深槽，同时去除第三步中单晶硅基底1正面旋涂的保护胶；
第五步，如图1(e)所示，在正面涂胶、光刻、显影、刻蚀、去胶，得到中心固定支撑柱4的深槽；
第六步，如图1(f)所示，在单晶硅基底1上通过热氧化的方式在整体表面生长二氧化硅，得到厚度为1-5μm的牺牲层；
第七步，如图1(g)所示，在二氧化硅牺牲层上沉积多晶硅或金刚石，得到厚度1-5μm的结构层3；
第八步，如图1(h)所示，利用化学机械抛光去除单晶硅基底正面和反面表面的结构材料，保留两个半球形深槽中的结构材料，同时露出二氧化硅牺牲层；
第九步，如图1(i)所示，利用BHF或其他溶液对二氧化硅牺牲层进行湿法刻蚀，通过控制刻蚀时间确定中心固定支撑柱4的支撑面积，释放微型半球谐振子3，得到双半球结构微型谐振陀螺仪器件。
本实施例所述的陀螺仪采用静电驱动的方式分别激励两个微型半球谐振子3进行工作，其驱动模态和检测模态分别相互匹配。
综上，本发明中的陀螺仪结合MEMS体硅加工工艺和表面硅加工工艺进行制作，是一种新颖的加工工艺。
本发明中的陀螺仪可以将两个微型半球谐振子3的反相输出信号进行差分处理，减小离心力、向心力、共模噪声、二次非线性项等因素的影响。
本发明中的陀螺仪可以通过后端电路的配置使两个微型半球谐振子3分别工作在角速度或角度模式下，实现在单一器件上同时、直接检测外界输入角速度和角度，无需引入积分/微分环节，提高测量精度。
本发明中的陀螺仪可以进行个性化设计，使单个微型半球谐振子3工作在高带宽或高分辨率或高灵敏度等模式下，不同组合方式的陀螺仪可以同时实现高带宽、高分辨率、高灵敏度、高动态范围等性能指标，扩展陀螺仪的应用范围。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种双半球结构微型谐振陀螺仪，其特征在于，包括：
一个单晶硅基底；
十六个均匀分布式电极；
两个对称的微型半球谐振子；
一个中心固定支撑柱；
其中，中心固定支撑柱的上下两端分别连接两个微型半球谐振子，每个微型半球谐振子的周围均匀地分布着八个电极；两个所述微型半球谐振子具有相同的中心轴，彼此独立，互不影响；
两个微型半球谐振子分别与中心固定支撑柱的两端相连，且对称分布于上层和下层，八个所述电极均匀地分布在上层的所述微型半球谐振子的周围，另外八个所述电极均匀地分布在下层的所述微型半球谐振子的周围。
2.根据权利要求1所述的一种双半球结构微型谐振陀螺仪，其特征在于，所述微型半球谐振子的材料为多晶硅或金刚石。
3.根据权利要求2所述的一种双半球结构微型谐振陀螺仪，其特征在于，所述电极的材料为硼离子掺杂硅。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种双半球结构微型谐振陀螺仪，其特征在于，所述中心固定支撑柱包括内层和外层，内层的材料与微型半球谐振子的材料相同，直接相连于两个微型半球谐振子；外层的材料为二氧化硅，是牺牲层的残留部分。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的双半球结构微型谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
第一步、对单晶硅基底进行清洗，在单晶硅基底正面进行涂胶、光刻、显影、硼离子注入、去胶工艺，在单晶硅基底上得到硼离子掺杂电极；
第二步、在第一步的基础上进行涂胶、光刻、显影、各向同性刻蚀、去胶，在单晶硅基底上得到半球形深槽；
第三步、在单晶硅基底正面涂胶进行保护，准备反面工艺；
第四步、在单晶硅基底反面重复第一步和第二步，同时去除单晶硅基底正面的胶，得到深度相同的硼离子掺杂电极以及半径相同的半球形深槽；
第五步、在单晶硅基底正面涂胶、光刻、显影、刻蚀、去胶，得到支撑柱深槽；
第六步、在单晶硅基底上通过热氧化的方式在整体表面生长二氧化硅，得到牺牲层；
第七步、在二氧化硅牺牲层上沉积多晶硅或金刚石，得到结构层；
第八步、利用化学机械抛光去除单晶硅基底正面和反面表面的结构材料，保留两个半球形深槽中的结构材料，同时露出二氧化硅牺牲层；
第九步、利用BHF溶液对二氧化硅牺牲层进行湿法刻蚀，通过控制刻蚀时间确定中心固定支撑柱的支撑面积，释放微型半球谐振子，得到双半球结构微型谐振陀螺仪。
6.根据权利要求5所述的双半球结构微型谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于，第一步中，在单晶硅基底上得到深度为10μm-50μm的硼离子掺杂电极。
7.根据权利要求5所述的双半球结构微型谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于，第二步中，在单晶硅基底上得到半径为300-700μm的半球形深槽。
8.根据权利要求5所述的双半球结构微型谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于，第六步中，得到厚度为1-5μm的牺牲层。
9.根据权利要求5所述的双半球结构微型谐振陀螺仪的制备方法，其特征在于，第七步中，得到厚度1-5μm的结构层。
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