面外电磁式半球形微陀螺仪及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微机电技术领域的振动陀螺仪，具体地，涉及面外电磁式半球形微陀螺仪及其制备方法。
【背景技术】
[0002]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微陀螺的重要性不言而喻。特别地，微型半球谐振陀螺仪作为MEMS微陀螺的一个重要研究方向，已经成为该领域的一个研究热点。
[0003]经过现有技术的文献搜索发现，美国乔治亚理工学院L.D.Sorenson.等人在其论文“3-D MICROMACHINED HEMISPHERICAL SHELL RESONATORS WITH INTEGRATED CAPACITIVETRANSDUCERS”中介绍了一种面内静电式半球谐振微陀螺仪，该陀螺仪通过掺杂技术在微谐振子周围制作了微电极，通过沉积的方式在半球形凹槽中制作了多晶硅微谐振子，通过背部刻蚀沉积的手段在微谐振子下端制作了支撑柱。然而，掺杂技术的制作精度有限，难以实现高度对称电极的加工；四周分布的电容式微电极相距较近，相邻电极之间存在一定的寄生电容，干扰微陀螺的控制和检测，限制了其最终精度；沉积方式制作的微谐振子厚度有限，一般仅在微米级别，可控性较差；陀螺仪的制作需要多次光刻掩膜，工艺复杂，不利于高精度的实现。
[0004]基于此，迫切需要提出一种新的陀螺仪结构，进一步提高陀螺仪高度对称微结构的加工精度；解决相邻电容式微电极之间的相互串扰问题和微小电容极板之间的静电吸附问题；选择更加灵活的微谐振子制作方法，提高微陀螺仪的成型多样性；减少微陀螺仪的工艺复杂性，最终实现微陀螺仪的高精度控制和检测。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供面外电磁式半球形微陀螺仪及其制备方法，实现:(I)提高陀螺仪高度对称微结构的加工精度；(2)解决相邻电容式微电极之间的相互串扰问题和微小电容极板之间的静电吸附问题；(3)选择更加灵活的微谐振子制作方法，提高微陀螺仪的成型多样性；(4)减少微陀螺仪的工艺复杂性，最终实现微陀螺仪的高精度控制和检测。
[0006]根据本发明的一个方面，提供面外电磁式半球形微陀螺仪，包括:设有半球形凹槽的单晶硅基底、微型半球形谐振子、圆柱形支撑柱、多个均匀分布式平面线圈、多个均匀分布式永磁体、以及凹形支架；其中:所述圆柱形支撑柱的上端与所述微型半球形谐振子相连，下端与所述单晶硅基底相连；所述圆柱形支撑柱和所述微型半球形谐振子位于所述单晶硅基底的半球形凹槽内；多个平面线圈均匀地分布于所述微型半球形谐振子的上表面；多个永磁体均匀地布置在所述凹形支架的下表面凹槽内，并位于平面线圈的正上方，各永磁体与正下方平面线圈的距离相同；所述凹形支架的下表面与所述单晶硅基底的上表面相连；所述单晶硅基底的半球形凹槽、所述微型半球形谐振子、所述圆柱形支撑柱、所述平面线圈、所述永磁体以及所述凹形支架的中心对称轴重合。
[0007]优选地，所述单晶硅基底的中心设置半球形凹槽，为制作所述微型半球形谐振子提供半球形模具，同时保护所述微型半球形谐振子不被破坏。
[0008]优选地，所述圆柱形支撑柱的材料为玻璃或陶瓷，位于所述单晶硅基底的半球形凹槽内的底部，为所述微型半球形谐振子提供支撑。
[0009]优选地，所述微型半球形谐振子为实心半球体，材料与所述圆柱形支撑柱的材料相同，位于所述单晶硅基底的半球形凹槽内，用于敏感外界角速度。
[0010]优选地，所述平面线圈分为上下两层，下层为在所述微型半球形谐振子上表面溅射的铬、铜种子层，上层为在种子层上表面电镀的金属镍，上下两层的形状相同，共同组成所述平面线圈；所述平面线圈均匀分布于所述微型半球形谐振子的上表面，不同平面线圈的形状、大小相同，均为绕制多圈后形成的扇形；单个平面线圈两两圈层之间相互平行，相邻圈层之间的间距相同，不同圈层的线圈宽度相同。
[0011]优选地，所述永磁体的材料为磁化钐钴，部分永磁体的极性垂直指向所述微型半球形谐振子，其余部分永磁体的极性垂直指向所述凹形支架底部，相邻永磁体的极性均相反；所述永磁体与所述平面线圈的外围轮廓形状、外围轮廓大小相同。
[0012]优选地，所述凹形支架整体为圆形结构，所述凹形支架的凹槽底部与所述永磁体的上表面相连，为所述永磁体提供支撑和固定。
[0013]根据本发明的另一个方面，提供面外电磁式半球形微陀螺仪的制备方法，包括如下步骤:
[0014]第一步、清洗所述单晶硅基底，生长氮化硅层，通过涂胶、光刻、显影、RIE刻蚀、去胶等步骤在氮化硅层上开圆形口，通过HNA刻蚀、热磷酸腐蚀等步骤在所述单晶硅基底上制备半球形凹槽；
[0015]第二步、在第一步的基础上热氧化生长二氧化硅层，通过涂胶、光刻、显影、刻蚀、去胶等步骤在二氧化硅层底部开圆形口，形成带缺口的牺牲层，为制作所述圆柱形支撑柱和所述微型半球形谐振子提供基础；
[0016]第三步、在第二步的基础上熔融玻璃或烧结陶瓷，将半球形凹槽以外的部分通过磨削或减薄等技术去除，制备所述圆柱形支撑柱和所述微型半球形谐振子；
[0017]第四步、在第三步的基础上溅射铬、铜种子层，为后续的电镀工艺提供导电基底；
[0018]第五步、在第四步的基础上通过涂胶、光刻、显影、电镀金属镍、离子束刻蚀等工艺制作所述平面线圈；
[0019]第六步、在第五步的基础上利用BHF溶液对二氧化硅牺牲层结构进行腐蚀，从所述单晶硅基底上释放所述微型半球形谐振子；
[0020]第七步、准备未磁化的钐钴永磁体毛坯材料，利用电火花技术将其加工成薄板状，并通过抛光技术将薄板两面进行抛光；
[0021]第八步、在第七步的基础上利用激光加工将钐钴永磁体薄板分割成所需的扇形；
[0022]第九步、在第八步的基础上将分割后的扇形钐钴永磁体进行磁化，极性方向垂直于薄板的上下表面；
[0023]第十步、利用机械加工的方式将电工钢材料制成所述凹形支架，将第九步得到的磁化钐钴永磁体固定在所述凹形支架的凹槽底部，相邻永磁体的极性方向相反；
[0024]第十一步、在第六步和第十步的基础上将所述凹形支架和所述单晶硅基底对准粘连，完成面外电磁式半球形微陀螺仪的制作。
[0025]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0026](I)所述微陀螺仪采用面外驱动和检测方法，可实现面外力与面内位移之间的相互转换，便于检测垂直于基底方向的科氏效应；
[0027](2)所述微陀螺仪采用电磁式驱动和检测方法，无需制作静电式所需的微小电容间隙，同时可避免寄生电容、静电吸附等问题；
[0028](3)所述微陀螺仪采用平面线圈和永磁体的方式进行电磁驱动和电磁检测，便于制作和实现；
[0029](4)所述微陀螺仪体积小，成本低，工艺简单，可实现批量化生产，具有潜在的应用价值。
【附图说明】
[0030]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:
[0031]图1 (a)_图1 (k)为本发明一较优实施例的工艺流程图；
[0032]图2(a)为本发明一较优实施例中单晶硅基底的三维结构图；
[0033]图2 (b)为本发明一较优实施例中单晶硅基底的俯视图；
[0034]图2(c)为本发明一较优实施例中凹形支架的三维结构图；
[0035]图2(d)为本发明一较优实施例中整体结构的三维结构图；
[0036]图3(a)-图3(b)