一种硅微机械石墨烯梁谐振式陀螺仪的制作方法

本发明属于微/纳机电系统的技术领域，具体涉及一种硅微机械石墨烯梁谐振式陀螺仪。

背景技术：

陀螺作为一种测量被测物角速度的传感器，可以用来辨别物体在单位时间内旋转的角度，在姿态控制和导航定位领域有着非常重要的作用。由于传统机械陀螺具有体积大、成本高、不适合批量生产等不良因素，使得硅微机械陀螺以其体积小、质量轻、成本低、功耗小、可靠性高和测量范围大等优点从众多陀螺制造中脱颖而出，在民用和军工领域得到了广泛的应用。1988年，美国draper实验室设计并加工出了第一只硅微机械陀螺，该陀螺通过测量一对电容集板件的差分电容变化量来得到角速度，精度明显高于传统陀螺。该陀螺使用的电容检测方法具有温漂小、灵敏度高、可靠性好的特点。但随着硅微机械惯性器件结构尺寸的不断优化，步入微纳米级别领域，使得通过电容检测输出的信号信噪比非常低。因此，2002年加利福尼亚大学伯克利分校的seshia等人提出了硅微机械谐振式陀螺的设想并制作出了原理样机。通过将输入角速度产生的哥氏力的变化转换成双端固支音叉(deft)谐振频率的变化，可以有效地避免在电容检测中产生的噪声干扰。其中采用的谐振敏感单元具有重复性好、分辨力高和稳定性强的优良特点，因此硅微机械谐振式陀螺成为人们研究的重点。

石墨烯的相关理论研究从1947年便已经开始。2004年英国曼彻斯特大学物理学家andregeim和konstantinnovoselov采用微机械剥离法成功从石墨中分离出单层石墨烯。独立存在的二维石墨烯晶体在高性能纳电子器件、复合材料、谐振式传感器等领域得到了广泛的应用。由于石墨烯单层的理论厚度为0.335nm，断裂强度为40n/m接近理论极限，室温下杨氏模量为1.0tpa，弹性延展率可达20％，远优于硅、碳纳米管等材料的过载能力。

由于对于硅微谐振式陀螺，敏感材料对温度、振动等环境因素产生的差异引起谐振频率的变化对传感器的测量精度和工作稳定性有重要的影响。故石墨烯谐振梁在硅微机械陀螺中作为敏感材料可以充分发挥出体积小、结构灵活、断裂强度大以及机械品质因数高的特点。而石墨烯梁谐振式陀螺的基础理论研究、关键技术突破还多以实验理论为主，具体以石墨烯作为敏感结构进行谐振特性研究，具有差动复合敏感输出的谐振式陀螺仪仍处于研究空白。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有硅微谐振式陀螺技术上的不足，充分利用石墨烯材料的优质特点，提供一种尺寸小、结构灵活、抗干扰能力强、测量范围大的一种硅微机械石墨烯梁谐振式陀螺仪，实现石墨烯谐振梁与硅微机械陀螺的紧耦合。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种硅微机械石墨烯梁谐振式陀螺仪，包括玻璃衬底、传递梁、杠杆传递部分、固定质量块驱动梳齿、陀螺质量块、第一石墨烯谐振梁、第二石墨烯谐振梁和边框，杠杆传递部分、固定质量块驱动梳齿和陀螺质量块固定在玻璃衬底上；陀螺质量块的固定基座可以允许陀螺质量块在法向方向上有位移；杠杆传递部分与陀螺质量块连接在一起，左右部分呈对称性结构；第一石墨烯谐振梁和第二石墨烯谐振梁放置在传递梁上且位于杠杆传递部分和边框之间，行成双端固支谐振梁，且两个石墨烯谐振梁第一石墨烯谐振梁和第二石墨烯谐振梁的几何尺寸一致，完全处于真空环境。

其中，所述传递梁、杠杆传递部分、固定质量块驱动梳齿和陀螺质量块材料相同且均固定在玻璃衬底上面，第一石墨烯谐振梁和第二石墨烯谐振梁所用材料相同且均固定在传递梁上且位于杠杆传递部分和边框之间，由此形成一个整体。

其中，所述传递梁、杠杆传递部分、固定质量块驱动梳齿和陀螺质量块材料可通过材料刻蚀方式形成；第一石墨烯谐振梁和第二石墨烯谐振梁所用材料可通过剥离和生长方式获得。

其中，所述杠杆传递部分、固定质量块驱动梳齿和陀螺质量块在同一水平面上，放置结构法向方向的固定质量块驱动梳齿和轴向方向的杠杆传递部分完全对称；第一石墨烯谐振梁和第二石墨烯谐振梁在同一水平面上，放置在同一条水平线上且沿法向完全对称，能同时感受被测压力和环境的影响。

其中，所述第一石墨烯谐振梁和第二石墨烯谐振梁所采用的的激励-拾振方式以及相关参数均为一致；

当所述的激励-拾振方式为电学方式时，金属电极分别位于第一石墨烯谐振梁和第二石墨烯谐振梁的两条矩形短边中心处，金属电极上分别焊接有导线；

当所述的激励-拾振方式为光学方式时，激光光斑应对准第一石墨烯谐振梁和第二石墨烯谐振梁的中心处。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明中，通过将石墨烯谐振梁作为硅微机械陀螺关键技术中的敏感结构，满足了石墨烯谐振梁敏感结构的高精度、低成本、体积小、反应快、动态范围大、适应恶劣环境的严格要求，使陀螺仪具有线性度好、零位稳定性高、漂移率低、抗冲击力强的性能，实现了谐振式传感器中高可靠、高机械品质因数、对称测量的特点。可在生物、医疗、工业机械、航空航天、安全防护领域有较大的应用。

附图说明

图1为本发明一种硅微机械石墨烯梁谐振式陀螺仪的结构俯视图。

图2为本发明一种硅微机械石墨烯梁谐振式陀螺仪的立体结构分解图。

图3为本发明一种硅微机械石墨烯梁谐振式陀螺仪的敏感结构剖面图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1-3所示，一种硅微机械石墨烯梁谐振式陀螺仪角速度传感器，包括玻璃衬底1、传递梁2、杠杆传递部分3、固定质量块驱动梳齿4、陀螺质量块5、第一石墨烯谐振梁6、第二石墨烯谐振梁7和边框8。

该陀螺结构形状简单，位于玻璃衬底1上的传递梁2、杠杆传递部分3、固定质量块驱动梳齿4和陀螺质量块5的四部分器件厚度对整体结构的固有频率没有影响，因此选用国内比较成熟的体硅加工工艺技术。通过利用硅-玻璃阳极键合、硅深刻蚀工艺技术，可实现大规模的生产方式。

选择n型硅或p型硅并清洗干净，将硅片双面氧化，并且在正面(硅片正面进行标识)进行光刻工艺。光刻后，刻蚀去掉显影位置的二氧化硅。去胶后，用二氧化硅作为掩膜用koh溶液腐蚀正面的硅表面向下3μm-0.5μm。在固定质量块驱动梳齿4和边框8锚点处形成键合。在硅正面注入并扩散磷或硼等待静电键合。

在与硅热膨胀系数相近的玻璃衬底1表面光刻出凹形图形，并溅射出au电极形成电极和引线等待静电键合。

使用与硅片热膨胀系数相近的玻璃衬底1可以有效的减少键合过程中产生的热应力，通过电场作用下阳极/静电键合避免了传统的加热键合过程中产生的较强的热应力变化。在硅-玻璃接触面上形成的电场中，玻璃中的正价钠离子向负电极漂移，使硅-玻璃的接触面紧密的结合在一起。

把硅片翻转与玻璃衬底1键合使硅片正面的凸台成为固定结构，包括传递梁2、杠杆传递部分3、固定质量块驱动梳齿4和陀螺质量块5，并将其用引线与电极相连接，继续用koh溶液腐蚀减薄，形成硅微机械陀螺的结构层。在硅片上进行二次光刻，光刻出传递梁2、杠杆传递部分3、固定质量块驱动梳齿4、陀螺质量块5以及两个传递梁2上的两条法向方向的沟槽，该沟槽用来搭建轴向方向上的两条石墨烯梁。

第一石墨烯谐振梁6、第二石墨烯谐振梁7在同一水平面上，放置方向沿轴向方向水平一致，可以通过机械剥离法和化学气相沉积的方法获得。单层石墨烯膜的厚度为0.335nm，本发明所述第一石墨烯谐振梁6、第二石墨烯谐振梁7形成双端固支谐振梁，厚度为1～1000层，沟槽长度为石墨烯谐振梁厚度的100～10000倍，均处于真空环境，如图3所示。

第一石墨烯谐振梁6、第二石墨烯谐振梁7所采用的激励-拾振方式完全相同，金属电极分别位于两条谐振梁短边中心处。

采用全真空封装实现降低耦合到检测轴上的驱动力和阻尼力，极大地提高陀螺仪的品质因数，改善陀螺仪的性能。

本发明的原理及工作过程是：在微机械陀螺工作过程中有两个振动模式，一个是法向振动模式，即驱动振动模式，通常称之为参考振动模式，本身处于谐振状态，在哥氏力作用下会产生附加运动；另一个是轴向振动模式，即敏感振动的模式，通过反映哥氏力的附加运动的检测，获得包含在哥氏力中的角速度信息。

在本发明中，固定质量块驱动梳齿4为陀螺提供法向方向的谐振状态。当角速度输入到陀螺中，陀螺质量块5用于感受角速度的变化，杠杆传递部分3用于放大哥氏力，使传递梁2在轴向方向产生内应力的变化。由于在传递梁2中各位置轴向内应力变化均相同，故在传递梁2上沟槽处放置的两条石墨烯谐振梁(第一石墨烯谐振梁6和第二石墨烯谐振梁7)可以感受传递梁2上的内应力变化。通过一个处于拉伸状态一个处于压缩状态的第一石墨烯谐振梁6和第二石墨烯谐振梁7内应力的变化，把陀螺质量块输出给它的轴向哥氏力转换为相应的频率输出，通过石墨烯谐振梁初始状态时谐振频率与受到轴向哥氏力时谐振频率的变化可以得到相应的轴向哥氏力，故此可得到输入的角速度变化。