8光刻胶上镀金属膜制成，电极球壳21由硅硼酸玻璃吹制，硅衬底由单晶硅制成。
[0042]如图3所示，上述静电悬浮三轴球壳谐振微陀螺仪的具体工作原理是:
[0043]利用力平衡控制模式对陀螺进行控制，采用双点激励进行驱动。球壳振子I在X轴、Y轴和Z轴三个方向同时驱动时，将沿着3-D Lissajous轨迹进行振动，以此作为参考模态。
[0044]当在X轴的两个主驱动电极上施加极性相反的带直流偏置的交流电压后，根据电容式变间隙静电力产生原理，一个主驱动电极上将产生吸力，另一个主驱动电极将产生斥力，在静电力的作用下，将推动球壳振子I沿X轴向X = O处移动，当球壳振子I到达X = O处后，由于这两个主驱动电极的静电力大小相等，极性相反，因此球壳振子I将保持在X =
O位置。
[0045]当在Y轴的两个主驱动电极上施加极性相反的带直流偏置的交流电压后，将推动球壳振子I沿Y轴向Y = O处移动，当球壳振子I到达Y = O处后，由于这两个电极的静电力大小相等，极性相反，因此球壳振子I将保持在Y = O位置。
[0046]当在Z轴的两个主驱动电极上施加极性相反的带直流偏置的交流电压后，将推动球壳振子I沿Z轴向Z = O处移动，当球壳到达Z = O处后，由于这两个电极的静电力大小相等，极性相反，因此球壳振子I将保持在Z = O位置。
[0047]当同时在X、Y、Z三个轴上的主驱动电极上施加驱动电压后，将激励球壳振子I向主单元结构的中心位置移动，并悬浮保持在其中心位置，这时球壳振子I将处于参考模态下；通过X轴、Y轴和Z轴的检测电极24驱动检测电极2423将球壳振子I的振动信号提取出来，所提取的信号通过相位控制和幅值控制回路用作正反馈到各轴的驱动控制电路中，利用相位控制回路对球壳振子I的固有频率进行跟踪，使得球壳谐振子工作在谐振频率点上，幅值控制回路施加静电力使球壳振子I在恒定的振幅下振动，避免了由于外界环境的影响、球壳振子I振型的振幅自身衰减和其他因素的影响所造成幅值和谐振频率的改变，使得球壳振子I保持在稳定的振动状态。
[0048]当Z轴方向有角速度输入时，球壳振子I将受到科氏力的作用，球壳振子I相对于电极球壳21振动，振动轨迹将发生变化，此时检测电极24与电极球壳21之间的间隙发生变化，因此电容值发生变化，通过检测电极24将球壳振子I的振动信号提取出来，所提取的信号通过正交控制回路和速率控制回路反馈到平衡电极25和反馈驱动电极上。正交控制回路通过对平衡电极25上施加直流电压来改变球壳振子I在的振动频率，从而消除两个振型之间的频率裂解，保证两个振型的振动频率与相角一致，达到控制的目的。同时利用速率控制回路，在反馈驱动电极上施加驱动力，以抵消科氏力的影响，使得球壳振子I保持一种非进动状态，根据所施加的驱动力的大小输出Z轴角速度信息。
[0049]X轴和Y轴方向的角速度检测与Z轴方向的角速度检测原理相同。
[0050]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:
[0051](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I ;
[0052](2)在球壳振子I的表面先派射金属Cr，再派射Au，形成金属膜；
[0053](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；
[0054](4)采用硅-玻璃键合技术，在两块硅片上部键合硼硅酸玻璃；
[0055](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；
[0056](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；
[0057](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21 ;
[0058](8)将制作好的球壳振子I装入一个半球电极球壳21中，米用键合技术将两块玻璃进行键合。
【主权项】
1.一种静电悬浮三轴球壳谐振微陀螺仪，其特征在于: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。2.根据权利要求1所述的静电悬浮三轴球壳谐振微陀螺仪，其特征在于: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。3.根据权利要求1所述的静电悬浮三轴球壳谐振微陀螺仪，其特征在于: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。4.根据权利要求1所述的静电悬浮三轴球壳谐振微陀螺仪，其特征在于:所述检测电极位于所在轴向平面的-45°轴线上。5.根据权利要求1所述的静电悬浮三轴球壳谐振微陀螺仪，其特征在于: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。6.根据权利要求1所述的静电悬浮三轴球壳谐振微陀螺仪，其特征在于: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。7.根据权利要求1所述的静电悬浮三轴球壳谐振微陀螺仪，其特征在于:所述球壳振子的直径为800?1500 μ m，球壳振子的壁厚为0.6?1.2 μ m，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。8.根据权利要求1所述的静电悬浮三轴球壳谐振微陀螺仪，其特征在于: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。9.一种根据权利要求1至8任意一项所述的静电悬浮三轴球壳谐振微陀螺仪的加工方法，其特征在于:依次包括以下步骤: (1)在硅衬底涂覆SU8光刻胶，然后采用3-Dlaser光刻技术进行光刻，制成球壳振子; (2)在球壳振子的表面先派射金属Cr，再派射Au，形成金属膜； (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； (4)采用硅-玻璃键合技术，在两块硅片上部键合硼硅酸玻璃； (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； (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； (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； (8)将制作好的球壳振子装入一个半球电极球壳中，采用键合技术将两块玻璃进行键入口 ο
【专利摘要】本发明公开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，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；电极球壳上设置有环绕于球壳振子的三个球面电极组件。本发明中主单元结构中的球壳振子由光刻胶SU8采用3-DLaser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。
【IPC分类】G01C19/5691
【公开号】CN105115486
【申请号】CN201510423409
【发明人】夏敦柱, 高海钰, 邓睿, 胡异炜
【申请人】东南大学
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年7月17日