静电悬浮三轴球壳谐振微陀螺仪及其加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微机电和惯性传感器领域，具体涉及一种静电悬浮三轴球壳谐振微陀螺仪及其加工方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着航空航天技术的不断发展，具有高性能的半球谐振陀螺受到各国的重视。它具有精度高、可靠性高、寿命长、抗辐射等优点，因此被认为是航空航天器惯导系统中最理想的器件，被广泛的应用于航空惯导系统、兵器惯导系统，在空间领域的应用中更是具备其它陀螺所不能相比的优势。
[0003]静电悬浮陀螺仪是一种新型的自由转子陀螺，不像传统的陀螺仪，需要弹性梁来支撑质量块，它利用静电场的静电吸力使球形金属转子在自由悬浮状态下高速旋转，因而从根本上消除了机械摩擦，可以获得极高的精度，被公认为具有最高精度的惯性器件。
[0004]现有的。
【发明内容】
[0005]发明目的:本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种静电悬浮三轴球壳谐振微陀螺仪及其加工方法。
[0006]技术方案:本发明所述的一种静电悬浮三轴球壳谐振微陀螺仪，包括主单元结构、刻有信号引线的玻璃层和硅衬底，玻璃层包括依次上下叠放的上层玻璃基底和下层玻璃基底，硅衬底包括上层硅衬底和下层硅衬底，并且分别设置于上层玻璃基底和下层玻璃基底的表面；所述主单元结构设置于玻璃层的中心位置，包括球壳振子和电极球壳，球壳振子呈球体状悬浮于主单元结构的中心位置，电极球壳均匀地包覆于球壳振子的外周表层；以球壳振子的球心为原点建立空间直角坐标系，电极球壳上设置有环绕于球壳振子的三个球面电极组件，三个球面电极组件分别沿X轴、Y轴和Z轴的轴向设置于相应的轴向平面内，每个球面电极组件均包括若干驱动电极、驱动检测电极、检测电极和平衡电极，各个驱动电极、驱动检测电极、检测电极和平衡电极均呈全对称分布，其中，轴向平面指分别以X轴、Y轴或Z轴为法线的平面。
[0007]进一步的，所述每个轴向上有四个驱动电极，包括两个主驱动电极和两个反馈驱动电极，主驱动电极位于所在轴向平面的0°主轴的正负半轴，反馈驱动电极位于所在轴向平面的+ 45°轴线上。
[0008]进一步的，所述驱动检测电极位于所在轴向平面的90°主轴的正负半轴，并且同一主轴上分别位于正负半轴的两个驱动检测电极相互差分。
[0009]进一步的，所述检测电极位于所在轴向平面的-45°轴线上。
[0010]进一步的，所述平衡电极位于所在轴向平面的22.5° ,67.5°、112.5°、157.5°、202.5。、247.5。、92.5。和 337.5。轴线上。
[0011]进一步的，所述上层玻璃基底和下层玻璃基底均呈正方形，且上层玻璃基底的长度小于下层玻璃基底的长度；所述电极球壳上的信号引线从上层玻璃基底和下层玻璃基底的见何处引出，且与下层玻璃基底上的电极相连。
[0012]进一步的，所述球壳振子的直径为800?1500 μm，，球壳振子的壁厚为0.6?1.2 μ m，例如其直径可以是1100-1300 μ m，壁厚为0.7-0.9 μ m，采用这样的结构设计，既能够保证其使用精度又不至于尺寸过大浪费成本；并且所述球壳振子表层沿其周向开设有方形齿槽，所述方形齿槽所处位置对应于相邻两个电极之间共15个。
[0013]进一步的，所述球壳振子通过在SU8光刻胶上镀金属膜制成，电极球壳由硅硼酸玻璃吹制，硅衬底由单晶硅制成。
[0014]本发明还公开了一种静电悬浮三轴球壳谐振微陀螺仪的加工方法，依次包括以下步骤:
[0015](I)在硅衬底涂覆SU8光刻胶，然后采用3-D laser光刻技术进行光刻，制成球壳振子;
[0016](2)在球壳振子的表面先派射金属Cr，再派射Au，形成金属膜；
[0017](3)清洗两块单晶硅硅片并烘干，在第一块硅片上涂光刻胶，利用第一块掩膜板曝光，再用各向同性的刻蚀法刻蚀第二块硅片，然后在两个硅片中心区域各自形成半球型凹槽；
[0018](4)采用硅-玻璃键合技术，在两块硅片上部键合硼硅酸玻璃；
[0019](5)在两块玻璃上涂光刻胶，利用第二、三块掩膜板分别曝光，用腐蚀液刻蚀玻璃，得到所要设置电极和信号引线的凹槽；
[0020](6)在两块硼硅酸盐玻璃基底上，先溅射金属Cr再溅射Au，形成电极和信号引线，去除光刻胶；
[0021](7)采用微加工喷灯成型工艺吹制两块硅片的半球型凹槽上部的玻璃，形成两个半球电极球壳；
[0022](8)将制作好的球壳振子装入一个半球电极球壳中，米用键合技术将两块玻璃进行键合。
[0023]有益效果:本发明中主单元结构中的球壳振子由光刻胶SU8采用3-D Laser技术制成，为MEMS的加工提供了一种新的思路；球壳振子使用静电悬浮结构悬浮于主单元结构中心位置可以消除谐振时机械摩擦的影响，同时提高抗冲击能力。
[0024]同时，本发明为全对称结构，利用闭环力平衡控制电路，使其始终工作在零位平衡位置，因而可以同时检测三轴的角速度，大大减小器件的尺寸并降低成本和能量损耗，提高9值。
[0025]另外，本发明静电悬浮控制系统的等效弹簧系数只与施加的静电力有关，因此灵敏度和带宽的调整都相当方便，易获得较高的检测精度和灵敏度。
【附图说明】
[0026]图1为本发明的整体结构示意图；
[0027]图2为本发明中X/Y/Z轴电极示意图；
[0028]图3为本发明中X/Y/Z轴电路框图；
[0029]图4为本发明的加工方法流程图；
[0030]图5为本发明的加工方法中步骤(5)的上层玻璃结构俯视图。
【具体实施方式】
[0031]下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
[0032]如图1和图2所示，本发明的一种静电悬浮三轴球壳谐振微陀螺仪，包括主单元结构、刻有信号引线的玻璃层4和硅衬底3，玻璃层4包括依次上下叠放的上层玻璃基底和下层玻璃基底，硅衬底3包括上层硅衬底和下层硅衬底，并且分别设置于上层玻璃基底和下层玻璃基底的表面；主单元结构设置于玻璃层4的中心位置，包括球壳振子I和电极球壳21，球壳振子I呈球体状悬浮于主单元结构的中心位置，电极球壳21均匀地包覆于球壳振子I的外周表层；以球壳振子I的球心为原点建立空间直角坐标系，电极球壳21上设置有环绕于球壳振子I的三个球面电极组件，三个球面电极组件分别沿X轴、Y轴和Z轴的轴向设置于相应的轴向平面内，每个球面电极组件均包括若干驱动电极22、驱动检测电极23、检测电极24和平衡电极25，各个驱动电极22、驱动检测电极23、检测电极24和平衡电极25均呈全对称分布，其中，轴向平面指分别以X轴、Y轴或Z轴为法线的平面。
[0033]其中，上层硅衬底和下层硅衬底的尺寸分别与上层玻璃基底和下层玻璃基底尺寸相同。上述球壳振子I采用静电悬浮的工作方式悬浮在主单元结构的中心位置，即电极球壳21位于上层玻璃基底和下层玻璃基底的中心区域，能够消除机械摩擦，并提高抗冲击能力。
[0034]每个轴向上有四个驱动电极22，包括两个主驱动电极和两个反馈驱动电极，主驱动电极位于所在轴向平面的0°主轴的正负半轴，反馈驱动电极位于所在轴向平面的+45°轴线上。
[0035]驱动检测电极23位于所在轴向平面的90°主轴的正负半轴，并且同一主轴上分别位于正负半轴的两个驱动检测电极23相互差分。
[0036]检测电极24位于所在轴向平面的-45°轴线上。
[0037]平衡电极25 位于所在轴向平面的 22.5° ,67.5° ,112.5° ,157.5° ,202.5°、247.5。、92.5。和 337.5。轴线上。
[0038]上层玻璃基底和下层玻璃基底均呈正方形，且上层玻璃基底的长度小于下层玻璃基底的长度；电极球壳21上的信号引线从上层玻璃基底和下层玻璃基底的见何处引出，且与下层玻璃基底上的电极相连，以便于与外部电路相连。
[0039]球壳振子I的直径为800?1500 μ m，，球壳振子I的壁厚为0.6?1.2 μ m，例如其直径可以是1100-1300 μ m，壁厚为0.7-0.9 μ m，采用这样的结构设计，既能够保证其使用精度又不至于尺寸过大浪费成本。
[0040]球壳振子I表层沿其周向开设有方形齿槽，方形齿槽所处位置对应于相邻两个电极之间共15个，以便于在球壳振子I使用3D laser直写技术加工时，有助于球壳振子I腔体内部刻蚀掉的物质流出，同时，在加工后期通过对方形齿槽上质量的修正，可使得球壳振子I接近完美的轴对称。
[0041 ] 为减少能耗损失增加Q值，球壳振子I通过在SU