金属结构多环振动盘微陀螺及其制备方法与流程

本发明涉及一种测量角运动的微型传感器，具体地，涉及一种金属结构多环振动盘微陀螺及其制备方法。

背景技术：

当前运用广泛的陀螺主要为半球谐振陀螺及光线陀螺仪等。其中半球谐振陀螺所使用的振子为三维的半球薄壳结构，加工难度大，占用空间更多，较难得到高的品质因子，而光纤陀螺仪成本高昂。多环振动盘微陀螺的结构主要由四个部分组成，基板，电极，振子和封装装置，具有加工简单，占用空间小的特性，能够达到更稳定的效果。振子被驱动以后在一定的模态下振动，当外界有一个角运动时，该模态发生变化，通过电极检测该变化并且输出，经过解调计算以后，得到实际的角运动量。目前所使用的多环振动盘微陀螺多使用硅或熔融石英作为振子材料，装置的其他部分也以硅为主要材料，加工复杂度和加工成本相对较高。

经检索，公开号为105466407A的中国发明申请，其公开了一种圆盘多环外双梁孤立圆环谐振陀螺，包括：一个基底；一个圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器，包含最外一圈圆环、多个双梁孤立圆环、多个同心圆环和多个辐条，其中：最外一圈圆环与基底相连，多个同心圆环之间均通过多个辐条相连，多个双梁孤立圆环的两端均分别与最外一圈圆环内侧和多个同心圆环中的最大圆环外侧相连；一组分布在圆盘多环外双梁孤立圆环谐振器内侧边缘的电极，且每个电极分别与基底相连。

上述专利：1.采用硅材料和深硅刻蚀、结构键合工艺制作；2.采用外圈固定，内圈激励与检测。硅材料和深硅刻蚀、结构键合工艺造价昂贵。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种金属结构多环振动盘微陀螺及其制备方法，增加了微陀螺器件的驱动力以及检测灵敏度，能实现以更低的成本和条件要求来达到更高的器件精度和品质的目的。

根据本发明的第一方面，提供一种金属结构多环振动盘微陀螺，由上到下包括封装盖、金属多环振子和基片，其中：

所述封装盖与所述基片之间形成一真空封闭的空间，所述金属多环振子封装在该真空封闭的空间中；

所述金属多环振子包括金属振子结构和支撑柱，所述支撑柱位于所述金属多环振子中心，所述金属振子结构由多个同心金属圆环组成，相邻的两个金属圆环由在圆周方向上均匀分布的辐条联结，最内圈金属圆环通过辐条形成联结，相邻的金属圆环与辐条在金属多环振子内局部围成槽，形成的多个槽在金属振子结构上均匀分布；

所述金属振子结构与基片之间存在间隙，形成悬空结构，支撑柱设置在基片上表面，和基片形成固定联结，金属振子结构通过最内圈的辐条与支撑柱联结；

所述金属多环振子，其内圈的槽内设置有数对驱动电极，其外圈的槽内设置有数对检测电极，驱动电极和检测电极分别用于陀螺参考振动的激励和振动的检测。

优选地，所述封装盖包括一个顶部，以及位于顶部下方的键合金属层和真空吸气装置。

优选地，所述基片上设有封装盖的键合层，所述键合层与所述键合金属层进行键合形成一真空封闭的空间。

优选地，所述基片上设有互联层，所述互联层将检测电极和驱动电极上的电信号引出和引入，所述互联层上设有绝缘层，绝缘层位于检测电极和驱动电极的底部，形成和周围结构之间的电绝缘。

优选地，所述驱动电极和检测电极制作在基片上表面，和基片形成固定联结。

优选地，当所述金属多环振子处于静止状态时，通过驱动电极施加一个交变的激励信号，金属多环振子会发生参考振动即第一振动模态，振型介于椭圆与圆形之间变换，此时，外界对正在振动的金属多环振子在平面上输入一个逆时针角速度，若金属多环振子上某点正向金属多环振子中心运动，根据科氏效应，该点受到科氏力影响向上偏移，由于转动量守恒，陀螺产生进动，进动角度为θ，因此，金属多环振子的振动模态发生了逆时针的偏移现象，振动模态偏转一角度即第二振动模态。

本发明金属结构多环振动盘微陀螺采用金属材料和电镀工艺制作，成本更低，同时金属结构具有更大的密度，有利于提高科氏力，提高陀螺的灵敏度。本发明采用内圈固定、内圈激励、外圈检测结构，由于外圈可获得更大的参考振动和感应振动，可提高检测灵敏度。同时本发明巧妙地将检测电极和驱动电极嵌入到金属多环振动盘振子的内部，这增强了结构的紧凑性。

根据本发明的第二方面，提供一种金属结构多环振动盘微陀螺的制备方法，包括如下步骤：

在基片上沉积一层金属薄膜，并通过光刻薄膜进行图形化，定义导线的布置，即为互联层；

在互联层上沉积绝缘层，并通过光刻进行图形化，打开后续电镀金属多环振子、电极及焊点所需的窗口；

在绝缘层上溅射一层种子层，为后续电镀工艺做准备；

先在种子层上电镀一层薄膜，根据金属多环振子的结构需要，对薄膜进行光刻图形化，最后进行磨平工艺，作为后续电镀工艺的牺牲层；

在牺牲层上旋涂光刻胶，并对其进行图形化；

图形化完成后通过电镀工艺，一次加工成型金属多环振子的金属振子结构和支撑柱、检测电极、驱动电极和封装盖的键合层，然后进行磨平工艺，保证金属振子表面的平整和对称性；

完成金属振子及电极的电镀工艺以后，去除牺牲层；然后，去除多余的种子层；

在封装盖的顶部上电镀封装键合金属层；在封装盖内置入真空吸气装置，在键合后为振子的振动提供真空、封闭的环境；

通过键合金属层、键合层，将金属多环振子封装起来，得到金属多环圆盘振动微陀螺。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明金属多环振子采用了平面环状结构，容易获得更高的几何对称性和品质因子，所需的工艺成本也较低。

本发明振子采用了金属结构，相对于硅来说，密度更大，并且采用电镀工艺来加工，更容易实现微结构加工，难度与相对成本更低。

本发明采用的多环结构能够获得更大的振幅，从而达到更大的驱动力和更优的检测灵敏度。

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为本发明一实施例中金属结构多环振动盘微陀螺封装后的剖面图；

图2为本发明一实施例中金属多环振子及电极俯视图；

图3为本发明一实施例中金属多环振子振动模态图；

图4为本发明一实施例中制备方法流程图；

图中：金属多环振子100，顶部200；

支撑柱101，驱动电极102、103，检测电极104、105，辐条106，金属圆环107，槽108；

金属振子结构201，绝缘层202、203，互联层204，窗口205，真空吸气装置206，键合金属层207，键合层208。

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。

如图1所示，一种金属结构多环振动盘微陀螺封装后的剖面图，所述金属结构多环振动盘微陀螺由上到下包括封装盖、金属多环振子100和基片。

所述封装盖为金属多环振子100提供一个真空的、封闭的环境，提高陀螺的检测精度。

所述金属多环振子作为主要振动结构，被检测的对象，内置于所述封装盖与基片之间形成的真空的、封闭的环境中；

基片作为支撑的同时，负责导出电极等接口的工作。

具体的，所述封装盖包括一个顶部200，以及位于顶部200下方的键合金属层207和真空吸气装置206；真空吸气装置206通过化学反应，将封闭环境中残留或泄露进去的气体消耗掉，来持续保持高真空度。

所述基片上设有封装盖的键合层208以及互联层引出焊点205，基片作为支撑的同时，负责导出电极接口的工作；所述键合层208与所述键合金属层207进行键合形成形成一真空封闭的空间，所述金属多环振子100封装在该真空封闭的空间中；提高陀螺的检测精度。

如图2所示，为金属多环振子100俯视图，所述金属多环振子包括金属振子结构201和支撑柱101，所述支撑柱101位于所述金属多环振子100中心，通过导线引出封装外。所述金属振子结构201由多个同心金属圆环107组成，相邻的两个金属圆环107由在圆周方向上均匀分布的辐条106联结，最内圈金属圆环107通过辐条106形成联结，相邻的金属圆环107与辐条106在金属多环振子100内局部围成槽108，形成的多个槽108在金属振子结构201上均匀分布；

所述金属振子结构201与基片之间存在间隙，形成悬空结构，支撑柱101设置在基片上表面，和基片形成固定联结，金属振子结构201通过最内圈的辐条106与支撑柱101联结；

所述金属多环振子，其内圈的槽108内设置有数对驱动电极102、103，其外圈的槽108内设置有数对检测电极104、105，驱动电极102、103和检测电极104、105由导线引出，分别用于陀螺参考振动的激励和振动的检测。

所述检测电极104、105和驱动电极102、103均可以采用金属电极。

如图3所示，为金属多环振子振动模态图，具体工作原理：当金属多环振子100处于静止状态(无外界角速度输入)时，通过驱动电极102、103施加一个交变的激励信号，振子会发生酒杯型振动(第一振动模态)，振型介于椭圆与圆形之间变换，图中横轴为振动轴，为振幅最大处。此时，外界对正在振动的陀螺振子在平面上输入一个逆时针角速度(外部转动角度)，取横轴上一点作分析，若该点正向圆盘中心运动，根据科式效应，该点受到科氏力影响向上偏移。该现象中由于转动量守恒，陀螺产生进动(进动角度)，角度为θ，因此，振子的振动模态发生了逆时针的偏移现象，振动模态偏转一定角度(第二振动模态)。

如图4所示，为上述微陀螺的制备流程图，具体包括如下操作步骤：

A:在基片上沉积一层金属薄膜，并通过光刻薄膜进行图形化，定义导线的布置，即为互联层204。

B:在互联层204上沉积一层绝缘层202、203，并通过光刻进行图形化，打开后续电镀振子、电极及焊点所需的窗口205。

C:在绝缘层202、203上溅射一层种子层，为后续电镀工艺做准备。

D:先在种子层上电镀一层薄膜，根据振子的结构需要，对薄膜进行光刻图形化，最后进行磨平工艺，作为后续电镀工艺的牺牲层。

E:在牺牲层上旋涂光刻胶，并对其进行图形化。完成后通过电镀工艺，一次加工成型金属多环振子的金属振子结构201和支撑柱101、检测电极104、105、驱动电极102、103和封装盖的键合层208，然后进行磨平工艺，保证金属振子表面的平整和对称性。

F:完成金属多环振子及电极的电镀工艺以后，去除牺牲层。

G:然后，去除多余的种子层。

H:在封装盖的顶部200上电镀封装键合金属层207。

I:在封装盖内置入真空吸气装置206，在键合后为振子的振动提供真空、封闭的环境。

J:通过键合金属层207、键合层208，将金属多环振子100封装起来，得到金属多环圆盘振动微陀螺。

本发明及到MEMS技术应用和MEMS微加工工艺。本发明采用平面环状结构，加工更易实现，加工成本更低，且能获得更高的品质因子，提高器件性能；金属材料相对密度较大，采用电镀工艺进行加工，加工门槛与成本更低，且更易实现；多环结构增加了微陀螺器件的驱动力以及检测灵敏度。为实现本方案，主要采用了MEMS为加工工艺中刻蚀、沉积以及电镀的工艺，实现了以更低的成本和条件要求来达到更高的器件精度和品质的目的。

以上对本发明的具实施例进行了描述。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。