专利名称：一种角振动硅微陀螺及其制作方法
技术领域：
本发明主要涉及到微电子机械系统领域，特指一种角振动硅微陀螺及其制作方法。
背景技术：
与传统陀螺相比，基于微机电系统技术的硅微陀螺具有体积小、重量轻、成本低、可靠 性高、易集成等优点，在飞行器稳定控制、武器导航制导、汽车安全等领域具有广泛的应用 前景。现有硅微陀螺的结构种类很多，但它们都是利用哥氏力效应来检测角速度，它有两个 相互垂直的振动方向，即激励振动方向和哥氏力引起的敏感振动方向。
微机械陀螺通常采用静电力驱动方式，它利用两组电极之间的静电力来实现，电极的结 构有梳齿电容和平板电容两种。梳齿电容驱动主要受滑膜阻尼的影响，品质因子较高，但是 这种电容结构的制作工艺复杂，主要依靠深反应离子刻蚀设备，制作难度较大；平板电容驱 动受到压膜阻尼的影响，品质因子较小，但是电极的加工相对简单。中国科学院上海微系统 所的车录锋、熊斌等设计了一种新型微陀螺，它利用平板电容之间的切向力驱动微陀螺的质 量块产生切向运动，在大气下达到了较高的品质因子，但是平板电容之间的切向力比法向力 小很多。
发明内容
本发明要解决的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、制作工艺简单、具有较高品质因子的角振动硅微陀螺及其制作方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为 一种角振动硅微陀螺，其特征在于 它包括通过键合连接的第一基板和第二基板，所述第二基板上中心处设有呈"十"字形的主 悬挂梁，主悬挂梁的两侧分别通过"T"形梁组件与质量块相连，每个"T"形梁组件的两端 分别对称布置有一个质量块；所述第一基板上开设有凹槽，凹槽内与每个质量块对应的位置 处设有一组电极组件。
所述"T"形梁组件包括倾斜悬臂梁和两根梯形梁，所述倾斜悬臂梁的一端与主悬臂梁相 连，倾斜悬臂梁的另一端与呈对称布置的两根梯形梁相连。
所述倾斜悬臂梁的截面为平行四边形，其底边与斜边的夹角为54.6。；所述梯形梁的截 面为梯形，其底边与斜边的夹角为54.6。。
所述电极组件包括呈"品"字形布置的两个驱动电极和一个检测电极以及驱动电极引线、 检测电极引线，所述质量块为"凸"字形。
所述质量块上开设有若干个阻尼孔。
一种角振动硅微陀螺的制作方法，其特征在于步骤为
(a) 、选用键合玻璃基板或硅片作为第一基板，于第一基板的表面生成一层二氧化硅绝 缘层，利用湿法腐蚀工艺或者干法刻蚀工艺在第一基板的中间制作一个凹槽；
(b) 、利用蒸镀或者溅射的工艺方法，在凹槽的底面形成铝材料的驱动电极、检测电极、 驱动电极引线、驱动电极引线；
(c) 、选用晶向双面抛光的硅片作为第二基板，在硅片表面生成各向异性湿法腐蚀掩膜 层，该掩模层是二氧化硅薄膜或二氧化硅和氮化硅复合薄膜
(d) 、利用双面对准光刻工艺对第二基板进行双面对准光刻，刻蚀掩膜层后在第二基板 两面制作出掩模图形；
(e) 、在碱性溶液中对第二基板进行各向异性湿法腐蚀，待硅片腐蚀穿透后，去除硅片 表面的掩膜层，制作出主悬挂梁、倾斜悬臂梁、梯形梁以及质量块；
(f) 、将第一基板的上表面和第二基板的下表面对准后键合在一起，完成微陀螺的制作工艺。
与现有技术相比，本发明的优点就在于本发明的角振动微陀螺与现有其他微陀螺结构 的主要区别是利用倾斜悬臂梁作为微陀螺质量块的支撑梁，采用各向异性湿法腐蚀技术制作 微陀螺的倾斜悬臂梁、"凸"字形质量块和阻尼孔。本发明的角振动微陀螺及其制作工艺利用 静电力驱动和电容检测方式，采用了对称差分结构，减小了外界加速度和振动对微陀螺的影 响，提高了系统的抗干扰能力，增大了微陀螺灵敏度。采用了倾斜悬臂梁，使得可以利用平 板电容的法向静电力使微陀螺质量块产生切向运动，使微陀螺驱动方向即有较大的驱动力， 又有较高的品质因子；在驱动电极上施加驱动模态频率的交流电压和直流电压叠加量，能够 在质量块上产生弯矩，该弯矩使倾斜悬臂梁发生弯曲，从带动微陀螺质量块在陀螺平面内左 右振动；当有在陀螺平面内、与倾斜悬臂梁垂直方向的角速度时，哥氏力将在微陀螺质量块 上产生转矩，使质量块围绕倾斜悬臂梁发生扭转，使得质量块下面的检测电容发生变化，微 陀螺差分检测电容的变化与输入角速度成比例，通过测量差分检测电容的变化，就可以解调 得到输入角速的的大小。本发明角振动微陀螺结构新颖，制作工艺简单，灵敏度高，能够达 到较低的成本和较高的成品率，具有批量制造的潜力。本发明的制作方法主要采用湿法腐蚀 工艺制作，制作工艺简单而且成熟，不需要复杂昂贵的深反应离子刻蚀设备，能够保证较低 的成本和较高的成品率。
图l是本发明的结构示意图2是本发明第一基板的结构示意图3是本发明第二基板的结构示意图4是本发明中第一基板盖设于第二基板上的结构示意图； 图5是本发明中倾斜悬臂梁的截面示意图 图6是本发明中梯形梁的截面示意图7是本发明制作方法中于第一基板上腐蚀出凹槽的示意图8是本发明制作方法中于第一基板的凹槽底面上形成驱动电极、检测电极及引线的示 意图9是本发明制作方法中于第二基板表面形成各向异性湿法腐蚀掩模层的示意图； 图10是本发明制作方法中对第二基板进行双面对准光刻和掩膜层刻蚀后的示意图； 图11是本发明制作方法中对第二基板进行各向异性湿法腐蚀并去除掩膜层后的示意图； 图12是本发明制作方法中将第一基板的上表面和第二基板的下表面键合后完成整个微 机械制作的示意图。 图例说明
I、 第一基板 2、凹槽
3、驱动电极 4、检测电极
5、驱动电极引线 6、检测电极引线
7、键合面 8、主悬挂梁
9、倾斜悬臂梁 10、梯形梁
II、 质量块 12、阻尼孔 13、第二基板
具体实施例方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图l、图2、图3和图4所示，本发明的一种角振动硅微陀螺，它包括通过键合连接的 第一基板1和第二基板13，第二基板13上中心处设有呈"十"字形的主悬挂梁8，主悬臂梁 8的两侧分别通过"T"形梁组件与质量块11相连，每个"T"形梁组件的两端分别对称布置 有一个质量块ll;第一基板1上开设有凹槽2，深度为数微米，凹槽2内与每个质量块11对 应的位置处设有一组电极组件。基板1上的键合面7用来完成与第二基板13的键合。本实施 例中，"T"形梁组件包括倾斜悬臂梁9和两根梯形梁10，倾斜悬臂梁9的一端与主悬臂梁8 相连，倾斜悬臂梁9的另一端与呈对称布置的两根梯形梁10相连。参见图5和图6所示，倾 斜悬臂梁9的截面为平行四边形，它是利用单晶硅各向异性腐蚀工艺制作，其底边与斜边的 夹角为54.6° ;梯形梁10的截面为梯形，其底边与斜边的夹角也为54.6° ，这个角度是单
晶硅片<100>晶向和<111>晶向的夹角。电极组件包括呈"品"字形布置的两个驱动电极3和 一个检测电极4以及驱动电极引线5、检测电极引线6，质量块ll为"凸"字形。电极组件 位于第一基板1上凹槽2的底部，每个电极与第二基板形成驱动电容和检测电容，凹槽2的 深度就是驱动电容和检测电容的电极间隙。质量块11上开设有若干个阻尼孔12，阻尼孔12 是利用各向异性湿法腐蚀工艺制作，目的是减小微陀螺结构的空气阻尼，提高品质因子。
驱动模态是倾斜悬臂梁9的弯曲模态，倾斜悬臂梁9的弯曲将使悬挂在其端部的两个质 量块11产生左、右摇摆运动，利用质量块11下面的驱动电极3在质量块11上产生力矩，可 以使倾斜悬臂梁9产生弯曲。因此，这种微陀螺利用了驱动电容的法向力使质量块ll产生切 向运动，驱动方向的阻尼主要为滑膜阻尼。检测模态是倾斜悬臂梁9的扭转模态，倾斜悬臂 梁9的扭转将改变质量块11与检测电极4之间的距离，因此通过测量检测电极4和质量块 11组成的检测电容就可以得到微陀螺检测模态的振动。本发明中所涉及到微陀螺的驱动模态 和检测模态的振型均为角振动。
如图4所示，表示了第一基板1上的电极组件和第二基板13上的质量块11的位置关系， 每一个质量块11下有两个驱动电极3和一个检测电极4，三个电极呈"品"字形分布；通过 驱动电极引线5在驱动电极3的外侧四个电极上施加驱动电压+ r。e sin，通过驱动电极 引线5在驱动电极3的内侧四个电极上施加驱动电压^ - 、 sin，其中4为直流电压，F。e 为交流电压的幅值，^为倾斜悬臂梁9弯曲模态频率，就可以在质量块ll上产生交变弯矩， 激励质量块11在第二基板13平面内左右振动；如果有图3所示方向的角速度时，倾斜悬臂 梁9两侧的质量块11上感受到的哥氏力方向也是相反的，力矩的作用使倾斜悬臂梁9发生扭 转，从而改变倾斜悬臂梁9两侧的质量块11与检测电极4形成的电容值，利用倾斜悬臂梁9 两侧检测电极4与第二基板之间的电容差就可以得到输入角速度值。
本发明涉及微陀螺的制作工艺如图7 —图12所示，主要包括以下工艺步骤
(a) 选用键合玻璃基板作为第一基板1，也可以选择硅片作为第一基板1，但是必须在 表面生成一层二氧化硅绝缘层。利用湿法腐蚀技术或者干法刻蚀技术在第一基板1中间制作 一个凹槽2，凹槽2的深度为数微米，参见图7所示；
(b) 利用蒸镀或者溅射的工艺方法，在凹槽2的底面形成铝材料的驱动电极3、检测电 极4、驱动电极引线5、驱动电极引线6，参见图8所示；
(c) 选用n型低阻〈100〉晶向双面抛光的硅片作为第二基板13,在硅片表面生成各向异 性湿法腐蚀掩膜层，掩模层可以是二氧化硅薄膜，也可以是二氧化硅和氮化硅复合薄膜，参 见图9所示；(d) 利用双面对准光刻的工艺方法对第二基板13进行双面对准光刻，刻蚀掩膜层后在
第二基板13两面制作出掩模图形，参见图10所示；
(e) 在碱性溶液中对第二基板13进行各向异性湿法腐蚀，待硅片腐蚀穿透后，去除硅 片表面的掩膜层，制作出主悬挂梁8、倾斜悬臂梁9、梯形梁10以及质量块11，参见图11 所示；
(f) 将第一基板1的上表面和第二基板13的下表面对准后键合在一起，完成微陀螺的 制作工艺，参见图12所示。
本发明的角振动硅微陀螺利用了倾斜悬臂梁9的特性，用驱动平板电容的法向力在质量 块上产生弯矩，使倾斜悬臂梁9发生弯曲变形，带动质量块lla和llb左右摆动，因此它的 驱动方向主要受滑膜阻尼的影响，在保证较大的驱动静电力的情况下，减小了驱动方向的阻 尼；同时该微陀螺的驱动电极3和检测电极4在同一平面内，主要采用湿法腐蚀工艺制作， 制作工艺简单而且成熟，不需要复杂昂贵的深反应离子刻蚀设备，能够保证较低的成本和较 高的成品率。
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。
权利要求
1.一种角振动硅微陀螺，其特征在于它包括通过键合连接的第一基板(1)和第二基板(13)，所述第二基板(13)上中心处设有呈“十“字形的主悬挂梁(8)，主悬挂梁(8)的两侧分别通过“T”形梁组件与质量块(11)相连，每个“T”形梁组件的两端分别对称布置有一个质量块(11)；所述第一基板(1)上开设有凹槽(2)，凹槽(2)内与每个质量块(11)对应的位置处设有一组电极组件。
2、 根据权利要求1所述的角振动硅微陀嫘，其特征在于所述"T"形梁组件包括倾斜 悬臂梁(9)和两根梯形梁(10)，所述倾斜悬臂梁(9)的一端与主悬挂梁(8)相连，倾斜 悬臂梁(9)的另一端与呈对称布置的两根梯形梁(10)相连。
3、 根据权利要求2所述的角振动硅微陀螺，其特征在于所述倾斜悬臂梁(9)的截面 为平行四边形，其底边与斜边的夹角为54.6。；所述梯形梁(10)的截面为梯形，其底边与 斜边的夹角为54.6° 。
4、 根据权利要求1或2或3所述的角振动硅微陀螺，其特征在于所述电极组件包括呈 "品"字形布置的两个驱动电极(3)和一个检测电极(4)以及驱动电极引线(5)、检测电极引线(6),所述质量块(11)为"凸"字形。
5、 根据权利要求1或2或3所述的角振动硅微陀螺，其特征在于所述质量块(11)上 开设有若干个阻尼孔(12)。
6、 根据权利要求1所述角振动硅微陀螺的制作方法，其特征在于步骤为(a) 、选用键合玻璃基板或硅片作为第一基板(1)，于第一基板(1)的表面生成一层二 氧化硅绝缘层，利用湿法腐蚀工艺或者干法刻蚀工艺在第一基板(1)的中间制作一个凹槽(2);(b) 、利用蒸镀或者溅射的工艺方法，在凹槽(2)的底面形成铝材料的驱动电极(3)、 检测电极(4)、驱动电极引线(5)、驱动电极引线(6);(c) 、选用晶向双面抛光的硅片作为第二基板(13)，在硅片表面生成各向异性湿法腐蚀 掩膜层，该掩模层是二氧化硅薄膜或二氧化硅和氮化硅复合薄膜；(d) 、利用双面对准光刻工艺对第二基板(13)进行双面对准光刻，刻蚀掩膜层后在第 二基板(13)两面制作出掩模图形；(e) 、在碱性溶液中对第二基板(13)进行各向异性湿法腐蚀，待硅片腐蚀穿透后，去 除硅片表面的掩膜层，制作出主悬挂梁(8)、倾斜悬臂梁(9)、梯形梁(10)以及质量块(11);(f) 、将第一基板(1)的上表面和第二基板(13)的下表面对准后键合在一起，完成微 陀螺的制作工艺。
全文摘要
一种角振动硅微陀螺及其制作方法，它包括通过键合连接的第一基板和第二基板，所述第二基板上中心处设有呈“十“字形的主悬挂梁，主悬挂梁的两侧分别通过“T”形梁组件与质量块相连，每个“T”形梁组件的两端分别对称布置有一个质量块；所述第一基板上开设有凹槽，凹槽内与每个质量块对应的位置处设有一组电极组件。该制作方法主要采用湿法腐蚀工艺制作，制作工艺简单而且成熟，不需要复杂昂贵的深反应离子刻蚀设备，能够保证较低的成本和较高的成品率。因此，本发明是一种结构简单紧凑、成本低廉、制作工艺简单、具有较高品质因子的角振动硅微陀螺及其制作方法。
文档编号G01C19/5769GK101368825SQ20081014329
公开日2009年2月18日 申请日期2008年9月25日 优先权日2008年9月25日
发明者侯占强, 吴学忠, 李圣怡, 满海鸥, 王浩旭, 肖定邦, 董培涛 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学