一种倾斜双端音叉式硅微机械陀螺及其制作方法

摘要

一种倾斜双端音叉式硅微机械陀螺及制作方法，包括陀螺总成和衬底，陀螺总成包括第一驱动电极、第二驱动电极、驱动叉指、支撑锚点、框架、弹性支撑梁以及检测叉指，驱动叉指和检测叉指分别连接于框架的两端，框架的中部设有支撑锚点，支撑锚点的两端通过弹性支撑梁与框架相连，第一驱动电极和第二驱动电极分别位于驱动叉指的两侧，支撑锚点、第一驱动电极和第二驱动电极通过阳极键合的方式与衬底键合在一起，弹性支撑梁、框架、驱动叉指以及检测叉指与衬底之间留有间隙。本发明进一步公开了上述微机械陀螺的制作方法。本发明是一种结构简单紧凑、成本低廉、加工工艺简单、易于批量生产、产品品质高的倾斜双端音叉式硅微机械陀螺及其制作方法。

说明书

技术领域

本发明主要涉及到微电子机械系统领域，特指一种倾斜双端音叉式硅微机械陀螺及其制作方法。

背景技术

和传统的陀螺相比，硅微陀螺具有体积小、重量轻、价格低等优点，广泛应用于汽车、飞行器稳定控制、武器系统导航制导、微卫星姿态控制等领域。基于科氏力效应工作原理的振动式微陀螺由于没有旋转部件成为微陀螺的主要结构形式。随着MEMS(Microelectromechanical System，微机电系统)技术的发展，现在国际上各种各样的硅微机械陀螺层出不穷。它们的共同特点是有相互垂直的两个振动方向，即驱动振动方向和科氏力作用下的敏感振动方向。

振动式微机械陀螺的工作原理是驱动微陀螺的惯性质量在驱动轴向产生振动，如果有敏感轴向的输入角速度，在科氏力的作用下，惯性质量将在检测轴向产生振动，测量得到该振动信号就能够从中解调出输入角速度。

振动式微机械陀螺驱动的方式通常有静电驱动、压电驱动和电磁驱动等多种驱动方式。压电驱动方式中压电材料的制作难以与微机械加工技术兼容。电磁驱动方式结构简单，驱动力矩较大，但易受电磁环境干扰。

比较常用的微机械陀螺的检测方式主要有电容检测方式、压阻检测方式、压电检测方式等。电容检测方法被广泛应用于位移敏感，主要因为这种技术不需要附加的加工过程，具有非常高的灵敏度，温度变化对电容性敏感结构的影响可以忽略，功耗低，动态范围宽和微机械结构简单，因此为大部分微机械陀螺所采用。压阻检测具有相对低的阻抗，良好的线性，接口电路也很简单，在微机械陀螺中应用也较广泛。压电检测具有高的电-机械耦合因子、高阻抗和温度稳定性，但存在着工艺兼容性的问题。

音叉式陀螺是一种振动式陀螺，特别是双端音叉结构在石英微陀螺中研究和应用的比较广泛，如美国BEI公司的陀螺，其结构特征使得其具有独特的能量转换与耦合机制，所以采用双端音叉结构的陀螺具有很高的性能。利用石英晶体的逆压电效应驱动音叉在较高频率处振动，当系统有角速度输入时，音叉结构在科氏力的作用下沿与原振动平面垂直的方向振动，振动幅度与测量的角速度成正比。利用石英晶体的压电效应就可以从检测叉指中提取出输入角速度的大小。石英音叉式陀螺的分辨率可以达到1°/h，且体积小，寿命长，在军事和民用中应用得比较广泛了。这种陀螺的不足之处在于利用石英晶体的压电效应驱动其叉指在驱动模态振动时，需要在其侧面制作分离的驱动电极，制作工艺很复杂；石英的腐蚀工艺很困难、均匀性和一致性较差，且无法实现陀螺结构与接口电路的单片集成。

相比较于基于石英材料的微机械加工工艺，硅微机械加工工艺就成熟的多，并且具有微机械结构与接口电路集成的潜力。采用硅微机械加工技术制作驱动用的侧面电极用陡直侧壁结构又有干法刻蚀技术和基于(110)硅片的湿法腐蚀技术两种。英国的British AerospaceSystems和Sumitomo Precision Products公司合作开发的陀螺以及G.K.Fedder等人研制的陀螺均是采用DRIE干法刻蚀技术制作的，性能较好。采用干法刻蚀技术可以获得较好的陡直侧壁结构，但也需要很昂贵的干法刻蚀设备，从而导致陀螺的制造成本很高。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、加工工艺简单、易于批量生产、产品品质高的倾斜双端音叉式硅微机械陀螺及其制作方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种倾斜双端音叉式硅微机械陀螺，其特征在于：包括陀螺总成和衬底，所述陀螺总成包括第一驱动电极、第二驱动电极、驱动叉指、支撑锚点、框架、弹性支撑梁以及检测叉指，所述驱动叉指和检测叉指分别连接于框架的两端，所述框架的中部设有支撑锚点，所述支撑锚点的两端通过弹性支撑梁与框架相连，所述第一驱动电极和第二驱动电极分别位于驱动叉指的两侧，所述支撑锚点、第一驱动电极和第二驱动电极通过阳极键合的方式与衬底键合在一起，所述弹性支撑梁、框架、驱动叉指以及检测叉指与衬底之间留有间隙。

作为本发明的进一步改进：

所述衬底上与检测叉指的对应位置处设有检测电极，所述检测电极与检测叉指构成用来检测检测叉指振动的差分电容对。

所述检测叉指的根部设有用来检测检测叉指振动的检测压阻。

所述驱动叉指和检测叉指均为两个，所述第二驱动电极位于两个驱动叉指的中间，所述第一驱动电极呈倒U型将驱动叉指以及第二驱动电极包裹于其中。

所述驱动叉指的长度为6400μm，所述检测叉指的长度约为6600μm，所述驱动叉指和检测叉指的宽度均为350μm，所述弹性支撑梁的厚度为92μm。

一种倾斜双端音叉式硅微机械陀螺的制作方法，其特征在于步骤为：

①、将硅片氧化、光刻、腐蚀制作锚点处凸台和驱动电极部分的凸台；

②、制作弹性支撑梁：先将硅片氧化，然后进行双面光刻，以SiO₂作为掩模，双面同时湿法腐蚀出弹性支撑梁的结构；

③、硅片重新氧化，以SiO₂作为掩模，光刻、湿法腐蚀出陀螺的框架及驱动叉指、检测叉指；

④、制作检测元件；

⑤、将硅片和玻璃衬底进行阳极键合，完成陀螺整体结构的制作。

所述步骤④中，以SiO₂作为掩模，采用离子注入或硼源扩散的方法，在检测叉指的根部制作检测压阻。

所述步骤④中，在玻璃衬底上溅射一层金属铝，光刻后腐蚀出检测电极。

所述硅片为(110)晶向的硅片。

所述驱动叉指和检测叉指与框架均成70.5°的倾斜结构；所述步骤⑤完成后，将陀螺划片、真空封装于壳体内以提高陀螺性能。

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

1、本发明基于(110)硅片湿法腐蚀工艺制作的音叉结构微机械陀螺，采用静电驱动、电容检测或压阻检测的工作方式。与石英硅微陀螺相比，不但具有音叉结构的优点，也可以充分利用成熟的硅基MEMS湿法腐蚀技术，既简化了工艺，同时又降低了制作成本，并且具有陀螺结构与测控电路单片集成的潜力；

2、本发明在制作静电驱动所用的陡直侧壁结构时，不是采用较昂贵的ICP-DRIE工艺，而是采用简单且成本低的湿法腐蚀工艺制作，腐蚀出的结构具有70.5°的倾斜结构；

3、本发明采用在结构上设计弹性支撑梁结合框架的方法，既能让驱动叉指在检测模态下的振动通过悬梁耦合的作用转移到检测叉指的检测模态振动上，又能使检测叉指与驱动叉指的驱动模态振动隔离，从而减小驱动模态到检测模态的机械耦合。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中陀螺总成的结构示意图；

图3是本发明中框架的立体结构示意图；

图4是本发明中倾斜双端音叉式硅微机械陀螺驱动模态振型的示意图；

图5是本发明中倾斜双端音叉式硅微机械陀螺检测模态振型的示意图；

图6是本发明中倾斜双端音叉式硅微机械陀螺电容检测方式的示意图；

图7是本发明中倾斜双端音叉式硅微机械陀螺压阻检测方式的示意图；

图8是本发明中采用电容检测方式时的制作工艺步骤流程示意图；

图9是本发明中采用压阻检测方式时的制作工艺步骤流程示意图。

图例说明

1、第一驱动电极；2、第二驱动电极；3、驱动叉指；4、支撑锚点；5、框架；6、弹性支撑梁；7、检测叉指；8、检测电极；9、衬底；10、检测压阻；11、陀螺总成；I为硅材料；II为二氧化硅材料；III为铝材料；IV为玻璃材料；V为硼离子掺杂压阻区域。

具体实施方式

以下将结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明的倾斜双端音叉式硅微机械陀螺，包含两层：上层为用来形成陀螺总成11的硅结构，下层为用来形成衬底9的玻璃。陀螺总成11包括第一驱动电极1、第二驱动电极2、驱动叉指3、支撑锚点4、框架5、弹性支撑梁6以及检测叉指7，驱动叉指3和检测叉指7分别连接于框架5的两端，框架5的中部设有支撑锚点4，支撑锚点4的两端通过弹性支撑梁6与框架5相连，即驱动叉指3和检测叉指7在框架5的支撑下通过弹性支撑梁6固连在锚点4上。弹性支撑梁6很薄，从而使得驱动叉指3在检测模态下的振动可以通过框架5传递到检测叉指7上。第一驱动电极1和第二驱动电极2分别位于驱动叉指3的两侧。其中，支撑锚点4、第一驱动电极1和第二驱动电极2通过阳极键合的方式与衬底9键合在一起，弹性支撑梁6、框架5、驱动叉指3以及检测叉指7与衬底9之间留有间隙，该间隙约为5～10微米，从而保证了可动部件可以自由运动。本实施例中，驱动叉指3和检测叉指7均为两个，第二驱动电极2位于两个驱动叉指3的中间，第一驱动电极1呈倒U型将驱动叉指3以及第二驱动电极2包裹于其中。

本发明微机械陀螺的工作原理为：在第一驱动电极1和第二驱动电极2上分别施加相位相反的交变驱动电压，所产生的静电驱动力令驱动叉指3在驱动模态方向上发生简谐振动，其振动模态如图4所示，驱动叉指3沿着图中箭头所示的方向振动。检测模态的运动如图5所示，当器件绕敏感方向旋转时，会激励驱动叉指3的检测模式运动，叉根部处的反作用力将无法抵消，结果会合成一个给框架5的弯矩。框架5并非被牢固的固定，而是由弹性支撑梁6支撑在支撑锚点4上。作为对该弯矩的响应，框架5可以发生扭转运动，并进而给检测叉指7的根部一个内部驱动力，驱动检测叉指7的检测模态运动。也就是说，当有敏感方向的角速度输入时，则检测叉指7就会发生敏感方向上的振动。

检测叉指7的这一振动可以通过两种方式来检测，并进而可以产生两种不同类型的微机械陀螺：静电驱动、电容检测形式的陀螺以及静电驱动、压阻检测形式的陀螺。电容检测形式的陀螺其检测原理如图6所示，检测叉指7与玻璃衬底9上的检测电极8构成差分电容对。当两个检测叉指7反向振动时，两个电容的电容值也不相同，从而可以通过差分电容得到输入角速度的大小。压阻检测形式的陀螺其检测原理如图7所示，在检测叉指7的根部制作了检测压阻10，当两个检测叉指7反向振动时，两个检测压阻10的阻值一个增大，一个减小，从而可以通过构成惠斯通电桥来得到输入角速度的大小。

本发明中硅微陀螺的主要部件是叉指，所以陀螺的厚度、叉指的长度、叉指的宽度以及驱动叉指3与检测叉指7的长度差这四个方面都是对叉指振动有影响的尺寸量。同时，结构中的弹性支撑梁6不仅要可支撑整个陀螺构件，还要传递扭矩，它的厚度也会对陀螺叉指的振动产生影响。通过理论计算并运用Ansys软件通过大量模拟实验得出各主要结构尺寸对陀螺驱动模态和检测模态频率的数值，通过对比得出叉指尺寸对陀螺驱动模态和检测模态频率的数值影响曲线，最终确定陀螺的结构尺寸：驱动叉指3的长度约为6400μm；检测叉指7的长度约为6600μm；陀螺厚度约为400μm；驱动叉指3和检测叉指7的宽度均为350μm；弹性支撑梁6的厚度为92μm。此结构尺寸使驱动模态和检测模态得到较好的频率匹配。当然，此结构尺寸为一个本发明所述的微机械陀螺的实例，但本发明微机械陀螺的结构尺寸不仅仅限于此，可根据实际需要来进行设计。

本发明的硅微陀螺是基于(110)晶向的硅片、运用湿法腐蚀工艺加工而成的，所以加工的陀螺音叉与梁的角度不再像石英微陀螺一样是直角，而是互成70.5°角的倾斜结构，其侧壁则是由(110)硅片独特的湿法腐蚀特性所决定的陡直结构。

本发明所述的电容检测方式陀螺，其具体工艺流程如图8所示。各步工艺流程分别为：

第一步：硅片氧化、光刻、腐蚀制作锚点处凸台和驱动电极部分的凸台。锚点处凸台是为了使陀螺可动部分(即驱动叉指3、检测叉指7等)悬空，从而拥有足够的空间可以自由运动。凸台的高度设计为5微米～10微米；

第二步：制作弹性支撑梁6。先将硅片氧化，然后进行双面光刻，以SiO₂作为掩模，双面同时湿法腐蚀出弹性支撑梁6的结构；

第三步：硅片重新氧化，以SiO₂作为掩模，光刻、腐蚀出陀螺的框架5及驱动叉指3、检测叉指7等整体结构；

第四步：在玻璃衬底9上溅射一层金属铝，光刻后腐蚀出检测电极，检测电极的厚度为6000

第五步：硅片和玻璃衬底9进行阳极键合，完成陀螺整体结构的制作。键合电压800V，温度380℃。

对于压阻检测方式的陀螺，其具体工艺流程如图9所示。其前三个工艺步骤及第五个工艺步骤与电容检测方式陀螺相同，不同之处在于第四步，为：

以SiO₂作为掩模，采用离子注入或硼源扩散的方法，在检测叉指7的根部制作检测压阻10。

至此，陀螺的圆片工艺全部完成，在经过划片以及引线键合以后，进而通过陀螺的管壳真空封装进一步提高本发明所述的微机械陀螺的性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。