一种圆盘多环外s形柔性梁谐振陀螺及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微机电技术领域的陀螺，具体地，涉及一种圆盘多环外S形柔性梁谐振陀螺及其制备方法。
【背景技术】
[0002]陀螺仪是一种能够敏感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。基于MEMS技术的微陀螺仪采用微纳批量制造技术加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而且环境适应性、工作寿命、可靠性、集成度与传统技术相比有极大的提高，因而MEMS级的微陀螺已经成为近些年来MEMS技术广泛研究和应用开发的一个重要方向。
[0003]随着MEMS陀螺在导航系统中的应用和发展，国外科学家1994年研制的半球谐振陀螺具有较高的性能。借助于这种半球谐振陀螺的研究，研究者们对具有高Q值和对称结构的MEMS谐振器的设计有了更好的理解。但是，由于早期的杆结构谐振器的杆部分需要组装在微机械机构上，从长远来看，更高的动态负载和在连接处的不精确连接会导致半球谐振陀螺产生更大偏移。于是，想到了设计一种具有良好对称性的、小而紧凑的、平面结构的MEMS陀螺，即圆盘多环外S形柔性梁谐振陀螺。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种圆盘多环外S形柔性梁谐振陀螺的结构，具有体积小、结构稳定，响应灵敏等优点，具有良好的对称性，因而可以达到$父尚的性能。
[0005]根据本发明的一个方面，提供一种圆盘多环外S形柔性梁谐振陀螺，包括:
[0006]—个基底；
[0007]—个圆盘多环外S形柔性梁谐振器，包含最外围一圈圆环、多个同心圆环、多个S形柔性梁和多组辐条，其中:最外围一圈圆环与基底相连，同心圆环之间通过多个辐条相连，多个s形柔性梁的两端均分别与最外围一圈圆环内侧和同心圆环的最大圆环外侧相连；
[0008]一组分布在圆盘多环外S形柔性梁谐振器内侧边缘的电极，且每个电极分别与基底相连。
[0009]优选地，所述基底的中央为圆柱体镂空结构；
[0010]基底上设有凸出的部分，所述凸出的部分包括η个外围边缘离散的扇环部分和η个中央离散的扇环部分，η多8且η为偶数，其中m个外围边缘离散的扇环部分等间距分布且每个扇环部分的宽均相等；n个中央离散的扇环部分等间距分布且每个扇环部分的宽均相等；n个外围边缘离散的扇环部分的中心轴与η个中央离散的扇环部分的中心轴重合；η个外围边缘离散的扇环部分和η个中央离散的扇环部分高均相等；
[0011]基底上最外侧边缘为η个等间距分布的电极片，其中:η个电极片的分别与η个中央离散的扇环部分的位置对应，η个电极片的分别与η个中央离散的扇环部分用导线相连，且导线分别从η个外围边缘离散的扇环部分的间隙中穿过；11个电极片的宽度、厚度均相等；
[0012]基底上的中央圆柱上将引出一条引线，用于接地或接零电势。
[0013]更优选地，在η个所述外围边缘离散的扇环部分和η个中央离散的扇环部分上面分别设有一层导电薄膜，然后将所述基底与单晶硅片键合。
[0014]优选地，所述基底的材料为熔融石英或耐热玻璃或单晶硅。
[0015]优选地，所述圆盘多环外S形柔性梁谐振器的中央为圆柱体镂空结构；
[0016]多个同心圆环的中心轴均与最外围一圈圆环的中心轴重合；多个同心圆环的宽度均相等；同心圆环之间的间隙宽度均相等；
[0017]分布于同心圆环间的每组辐条均匀间隔排列；每组辐条的个数为m，m彡8且m为偶数；每组辐条的间隔角度为360° /m ;每个辐条的宽度均相等；
[0018]为了提升圆盘多环谐振器的灵敏度，在最外围一圈圆环和同心圆环的最大圆环之间加入了多个S形柔性梁，所述S形柔性梁的个数为η个，η多8且η为偶数，η个S形柔性梁等间距分布，且η个S形柔性梁的中心位于同一圆周上，η个S形柔性梁与最外围一圈圆环位于同一水平面。
[0019]更优选地，每个所述S形柔性梁均呈中心对称，且均由两个“月牙”形状的结构构成，其中:每个“月牙”结构均由两个直径相等的半圆弧构成；两个半圆弧之间相距的最大距离均相等，且每个半圆弧的圆心与S形柔性梁的中心共线。
[0020]优选地，所述圆盘多环外S形柔性梁谐振器的材料为单晶硅。
[0021]优选地，所述电极为η个扇环形状的电极，η彡8且η为偶数；η个电极的位置与η个S形柔性梁的位置一一对应，且每个电极的中心轴均与圆盘多环外S形柔性梁谐振器的中心轴重合；η个电极与同心圆环中最小圆环之间的间隙距离均相等；
[0022]η个电极包含η/2个驱动电极和η/2个检测电极，η/2个驱动电极和η/2个检测电极沿圆盘多环外S形柔性梁谐振器内侧边缘均匀间隔排布。
[0023]优选地，所述电极的材料为单晶硅。
[0024]根据本发明的另一个方面，提供一种圆盘多环外S形柔性梁谐振陀螺的制备方法，所述方法包括如下步骤:
[0025](1)采用MEMS微细加工工艺，对基底进行刻蚀，形成凹槽和凸出部分，在凸出部分上镀一层导电薄膜；
[0026](2)采用键合技术，将步骤⑴得到的基底与单晶硅片键合；
[0027](3)采用深反应离子刻蚀(Deep Reactive 1n Etching)法，对单晶娃片进行刻蚀，得到圆盘多环外S形柔性梁谐振器及其内侧边缘的电极，最终得到圆盘多环外S形柔性梁谐振陀螺。
[0028]与现有技术相比，本发明具有以下优势:
[0029]1.加工工艺步骤简洁，采用成熟的微机械加工工艺和刻蚀方法，利于批量生产；
[0030]2.圆盘多环外S形柔性梁谐振陀螺具有高度对称性，且结构相对稳定，抗冲击，具有优良的性能；
[0031]3.分布在圆盘多环外S形柔性梁谐振器内侧边缘的电极相对于分布在圆盘多环外S形柔性梁谐振器中同心圆环内部的电极而言，可以提高圆盘多环外S形柔性梁谐振陀螺的Q值，因而响应更加灵敏。
[0032]本发明具有体积小、结构稳定、响应灵敏等优点，具有良好的对称性，因而可以达到较高的性能。
【附图说明】
[0033]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例中所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0034]图1A为本发明一实施例中圆盘多环外S形柔性梁谐振陀螺的俯视图；
[0035]图1B为本发明一实施例中圆盘多环外S形柔性梁谐振陀螺的三维视图；
[0036]图1C为本发明一实施例中圆盘多环外S形柔性梁谐振陀螺的剖视图；
[0037]图2A为本发明一实施例中基底的俯视图；
[0038]图2B为本发明一实施例中基底的三维视图；
[0039]图2C为本发明一实施例中基底的剖视图；
[0040]图3A为本发明一实施例中圆盘多环外S形柔性梁谐振器的俯视图；
[0041]图3B为本发明一实施例中圆盘多环外S形柔性梁谐振器的三维视图；
[0042]图3C为本发明一实施例中圆盘多环外S形柔性梁谐振器的主视图；
[0043]图4A为本发明一实施例中圆盘多环外S形柔性梁谐振器与其内侧边缘电极相对位置的俯视图；
[0044]图4B为本发明一实施例中圆盘多环外S形柔性梁谐振器与其内侧边缘电极相对位置的三维视图；
[0045]图4C为本发明一实施例中圆盘多环外S形柔性梁谐振器与其内侧边缘电极相对位置的剖视图；
[0046]图5A为圆盘多环外S形柔性梁谐振陀螺工作时圆盘多环外S形柔性梁谐振器所做四波腹振动的驱动振型图；
[0047]图5B为圆盘多环外S形柔性梁谐振陀螺工作时圆盘多环外S形柔性梁谐振器所做四波腹振动的检测振型图；
[0048]图6A-6C为本发明一实施例中基底的制作工艺流程示意图；
[0049]图7A为本发明一实施例中基底与单晶娃片键合如的不意图；
[0050]图7B为本发明一实施例中基底与单晶娃片键合后的不意图；
[0051]图8为本发明一实施例中采用深反应离子刻蚀(De印Reactive 1n Etching)法，对单晶硅片进行刻蚀，最终得到圆盘多环外S形柔性梁谐振陀螺；
[0052]图中:基底100，圆盘多环外S形柔性梁谐振器102，电极104。
【具体实施方式】
[0053]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。
[0054]如图1A、图1B、图1C所示，本实施例中提供一种圆盘多环外S形柔性梁谐振陀螺，包括:
[0055]—个基底100，包括8个外围边缘离散的扇环部分、8个中央离散的扇环部分和最外侧边缘的8个电极片；
[0056]一个圆盘多环外S形柔性梁谐振器102，包含最外一圈圆环、8个S形柔性梁、多个同心圆环和多个福条，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福条相连，8个S形柔性梁的两端均分别与最外一圈圆环内侧和同心圆环中的最大圆环外侧相连；
[0057]8个分布在圆盘多环外S形柔性梁谐振器102内侧边缘的电极104，且每个电极104分别与基底100相连。
[0058]以下对实施例中涉及的关于长度、宽度、高度等说明:
[0059]如图2A所示，所述基底100的中央是镂空结构，镂空部分呈底面圆直径为DjDi的值为20 μπι?2_)的圆柱体；8个外围边缘离散的扇环部分的宽度均为W2(W2的值为10 μπι?100 μπι) ；8个中央离散的扇环部分的宽度均为W3 (W3的值为10 μπι?50 μπι)，最外侦U边缘8个电极片的宽度均为W4(W4的值为10 μπι?100 μπι)。
[0060]如图2C所示，所述基底100上的凸出部分(即8个外围边缘离散的扇环部分和8个中央离散的扇环部分)的高度均为$(?的值为1 μπι?100 μπι);在凸出部位上沉积有一层导电薄膜，导电薄膜的厚度均为Η2(Η2的值为lOOnm?1 μπι);最外侧边缘的电极片的厚度均为Η3 (?的值为lOOnm?1 μ m)。
[0061]如图3A所示，所述圆盘多环外S形柔性梁谐振器102的中央是镂空结构，镂空部分呈底面直径为％?2的值为20 μπι?2mm)的圆柱体；每条同心圆环的宽度均为W5(W5的值为5μηι?50