一种基于内嵌式差分电极的MEMS碟形陀螺及其制备方法与流程

本发明涉及mems(micro-electromechanicalsystem)传感器技术领域，尤其涉及一种基于内嵌式差分电极的mems碟形陀螺。

背景技术：

近年来，mems陀螺由于其功耗低、体积小、成本低等优点，逐渐成为惯性传感器热点。mems环形陀螺作为一种特殊的角速度传感器，由于其结构具有圆周对称特性，具有质量、刚度、谐振频率中心对称的优点，模态匹配性好，抗过载能力强，成为军用mems陀螺的重要研究方向。

但是现有的mems环形陀螺精度普遍不高，难以达到战术级精度要求。且现有mems环形陀螺零偏稳定性、零偏重复性等随环境温度影响很大，无法适应复杂多变的应用环境。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于内嵌式差分电极的mems碟形陀螺，相比于现有技术，提高了陀螺检测精度。

本发明的技术解决方案是：一种基于内嵌式差分电极的mems碟形陀螺，该mems碟形陀螺包括：陀螺敏感结构以及嵌入在敏感结构平面内部的电极；

所述的陀螺敏感结构包括：中心锚点、以锚点中心为圆心的n个同心圆环，其中，中心锚点用于固定陀螺敏感结构，同心圆环与锚点、圆环与圆环之间通过辐条连接，辐条以锚点圆心为中心向外辐射，按照等圆周角度45°将相邻两个圆环之间的空间分成8段沟槽，从内之外相邻两层辐条整体交错22.5°分布，辐条和多个同心圆环共同构成陀螺的可动弹性结构；

所述的嵌入式电极包括四类：第一模态驱动电极、第一模态检测电极、第二模态驱动电极、第二模态检测电极，嵌入分布在由各相邻同心圆环与辐条形成的各个沟槽中。

所述第一模态驱动电极、第一模态检测电极、第二模态驱动电极、第二模态检测电极均为差分电极，同一个电极的两个差分端位于同一个沟槽中。

第一模态驱动电极和第一模态检测电极分布在0°、90°、180°270°方向的沟槽中；第二模态驱动电极和第二模态检测电极分布在45°、135°、225°、315°方向的沟槽中。

第一模态驱动电极和第一模态检测电极分布在45°、135°、225°、315°方向的沟槽中；第二模态驱动电极和第二模态检测电极分布在0°、90°、180°、270°方向的沟槽中。

第一模态驱动电极、第二模态驱动电极放置在靠近圆心的沟槽中；第一模态检测电极、第二模态检测电极放置在远离圆心的沟槽中。

将同一沟槽中同一电极的两个差分端一个靠近中心锚点圆心一侧另一个远离中心锚点圆心一侧，在相互垂直方向上的相同类别的电极的两个差分端所处的位置是“相反”的。

所述mems碟形陀螺还包括第一模态稳幅驱动闭环控制电路，所述第一模态稳幅驱动闭环控制电路包括第一差分检测电路、鉴相器电路、鉴幅器电路、相位积分电路、幅度积分电路)、第一模态差分驱动电路模块；

第一模态检测电极两个差分端采集的差分信号s1+和s1-，通过第一差分检测电路实现信号求和与放大后分成两路，一路经过鉴相器电路实现相位解调，得到相位信号；另一路通过鉴幅器电路实现幅度解调，得到幅度信号；相位信号和幅值信号分别通过相位积分电路和幅度积分电路)并相乘，得到第一模态驱动信号，第一模态驱动信号通过第一差分驱动电路模块转换成一对幅值相等、相位相反的差分驱动信号d1+与d1-，分别施加在第一模态差分驱动电极的正相端和负相端上，形成闭环反馈驱动，实现谐振频率跟踪与稳幅控制。。

所述mems碟形陀螺还包括第二模态角速度驱动闭环控制电路，所述第二模态角速度驱动闭环控制电路包括第二差分检测电路、同相解调电路、正交解调电路、角速率积分电路、耦合积分电路、第二模态差分驱动电路模块；

第二模态检测电极两个差分端采集的差分信号s2+和s2-，通过第二差分检测电路实现信号求和与放大后分成两路，一路经过同相解调电路实现角速率信号解调，得到角速率信号；另一路通过正交解调电路实现耦合信号解调，得到耦合信号；角速率信号和耦合信号分别通过角速率积分电路和耦合积分电路并相加得到第二模态驱动信号，第二模态驱动信号通过第二模态差分驱动电路模块转换成一对幅值相等、相位相反的差分驱动信号d2+与d2-，分别施加在第二模态差分驱动电极的正相端和负相端上，形成闭环反馈控制，实现角速率检测和耦合信号抑制。

本发明的另一个技术解决方案是：一种基于内嵌式差分电极的mems碟形陀螺的制备方法，该方法步骤如下：

s1、采用深反应离子刻蚀对衬底硅片进行通孔刻蚀；

s2、对已进行通孔刻蚀的衬底硅片进行氧化，在通孔内部以及硅片上表面形成绝缘层，然后用导体在通孔内进行填充；

s3、对衬底的一侧表面淀积金属层，且使金属层与通孔内的导体充分接触；对金属层进行图形化刻蚀，保留需要与陀螺器件层锚点、电极接触的区域，以及需要形成金属连线的区域；

s4、对器件层硅进行台阶刻蚀，台阶凸起部分为需要进行键合的锚点以及电极，然后将器件层硅与衬底层进行金-硅键合；

s5、对器件层硅进行深硅刻蚀，形成陀螺敏感结构；

s6、在盖帽层硅的一侧表面淀积金属层，并进行图形化刻蚀，保留的区域为需要形成密闭键合的键合区域；

s7、在盖帽层硅刻蚀出腔体，并在腔体内生长吸气剂；

s8、在真空环境下，将盖帽层硅与器件层硅进行金-硅键合，形成密闭腔体；

s9、最后将衬底硅进行减薄，使导体露出在衬底的外表面。

所述的金属层为铬-镍-金或钛-镍-金合金层。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明的碟形陀螺，具有若干个同心圆环，这些同心圆环之间的沟槽可以放置大量检测电极，相对于传统环形陀螺，检测电容面积可以提高一至两个数量级，检测电容的提高，将会大大提高陀螺的检测精度；

(2)、本发明的碟形陀螺，采用差分电极。差分检测电极会有效抑制共模震动、温度漂移等环境干扰的影响，提高陀螺检测精度；

(3)、本发明差分驱动电极也提高了陀螺在工作模态的振动线性度，有利于提高精度。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于内嵌式差分电极的mems碟形陀螺的结构示意图；

图2为本发明实施例第一模态电极分布示意图；

图3为本发明实施例第二模态电极分布示意图；

图4为本发明实施例陀螺闭环控制方式示意图；

图5为本发明实施例陀螺加工结构示意图；

图6(a)为本发明实施例陀螺衬底硅通孔刻蚀示意图；

图6(b)为本发明实施例陀螺衬底硅通孔填充示意图；

图6(c)为本发明实施例陀螺衬底硅金属层制备示意图；

图6(d)为本发明实施例陀螺器件层与衬底层的金-硅键合示意图；

图6(e)为本发明实施例陀螺敏感结构刻蚀示意图；

图6(f)为本发明实施例陀螺盖帽层的金属层层制备示意图；

图6(g)为本发明实施例陀螺盖帽层深槽刻蚀与吸气剂制备示意图；

图6(h)为本发明实施例陀螺盖帽层与器件层键合与衬底减薄示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明提出了一种基于内嵌式差分电极的mems碟形陀螺结构，尤其是在电极的设计上进行了创新。下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1是一种基于内嵌式差分电极的mems碟形陀螺器件层结构平面示意图。如图1所示，本发明的一种基于内嵌式差分电极的mems碟形陀螺结构，包括：多个同心圆环以及辐条构成的陀螺敏感结构100，以及嵌入在环形敏感结构平面内部的电极104。器件结构层材料一般为<111>单晶硅，器件厚度一般为100μm-350μm。

上述陀螺敏感结构100主要包括：中心锚点101、以锚点中心为圆心的n个同心圆环102，其中，中心锚点用于固定陀螺敏感结构，同心圆环的个数一般在5个(含5个)以上，同心圆环以锚点的中心为圆心，有规律的分布在锚点周围，同心圆环与锚点、圆环与圆环之间通过辐条连接，辐条以锚点圆心为中心向外辐射，辐条将圆环和锚点、圆环和圆环进行连接，共同构成陀螺的可动弹性结构。

上述陀螺敏感结构的辐条按照等圆周角度45°将相邻两个圆环之间的空间分成8段沟槽，每组等角度分布于中心锚点周围，从内之外相邻两层辐条整体交错22.5°分布。相邻两个圆环之间的空隙成为环形沟槽，同一个环形沟槽中等间距等角度分布8个辐条，相邻两个环形沟槽的辐条不相邻，与中心点的夹角相差22.5°。通过辐条与圆环相连接共同构成陀螺的可动质量块以及弹簧结构，质量与弹簧合二为一。并且，等圆周角分布的辐条，将陀螺的沟槽划分为8个。用于放置两个模态的嵌入式电极104。对应的0°、90°、180°270°方向为第一模态方向；45°、135°、225°、315°方向为第二模态方向。或者0°、90°、180°270°方向为第二模态方向；45°、135°、225°、315°方向为第一模态方向。

mems碟形陀螺包含大量的嵌入式电极104，分布在由各相邻同心圆环与辐条形成的各个沟槽中，这些电极包括：第一模态驱动电极、第一模态检测电极、第二模态驱动电极、第二模态检测电极。且每个沟槽中的电极成对出现，形成差分电极。

两个模态均包含驱动电极、检测电极。其中驱动电极一般放置在靠近圆心的沟槽中，检测电极一般放置在远离圆心的沟槽中。即：若0°、90°、180°270°方向为第一模态方向，45°、135°、225°、315°方向为第二模态方向，则0°、90°、180°270°方向靠近圆心的沟槽放置第一模态驱动电极；0°、90°、180°270°方向远离圆心的沟槽放置第一模态检测电极；45°、135°、225°、315°方向靠近圆心的沟槽放置第二模态驱动电极；45°、135°、225°、315°方向远离圆心的沟槽放置第二模态检测电极。

设定：第一模态驱动电极、第一模态检测电极、第二模态驱动电极、第二模态检测电极均为差分电极，同一个电极的两个差分端位于同一个沟槽中。靠近圆心一侧的电极方向为“内侧方向”，远离圆心一侧的电极方向为“外侧方向”；相同类别的电极(如第一模态驱动电极)在相互垂直的方向上，同一极性的差分电极(如第一模态驱动电极正相端)方向是“相反”的，即：若第一模态驱动电极的正相端电极在0°和180°的方向为“内侧方向”时，则在90°和270°方向上第一模态驱动电极的正相端电极的方向为“外侧方向”。其他类别的电极以此类推。两个模态八个方向上的同极性电极通过金属布线层进行并联。

图2是第一模态的电极分布示意图。如图2所示，第一模态电极分布在0°、90°、180°270°方向的沟槽中；其中，第一模态驱动电极放置在四个相互垂直的方向上靠近圆心的沟槽中；第一模态检测电极放置在四个相互垂直的方向上远离圆心的沟槽中。且驱动电极、检测电极均为差分电极。相同类别的电极(如第一模态驱动电极)在相互垂直的方向上，同一极性的差分电极(如第一模态驱动电极正相端)方向是“相反”的。

图3是第二模态的电极分布示意图。如图2所示，第二模态电极分布在45°、135°、225°、315°方向的沟槽中；其中，第二模态驱动电极放置在四个相互垂直的方向上靠近圆心的沟槽中；第二模态检测电极放置在四个相互垂直的方向上远离圆心的沟槽中。且驱动电极、检测电极均为差分电极。相同类别的电极(如第一模态驱动电极)在相互垂直的方向上，同一极性的差分电极(如第一模态驱动电极正相端)方向是“相反”的。

图4是一种基于内嵌式差分电极的mems碟形陀螺的闭环控制原理框图。如图2所示，碟形陀螺闭环控制系统包括第一模态稳幅驱动闭环控制电路，第二模态闭环检测控制电路。

第一模态稳幅驱动闭环控制电路包括第一模态稳幅驱动闭环控制电路，所述第一模态稳幅驱动闭环控制电路包括第一差分检测电路401、鉴相器电路402、鉴幅器电路404、相位积分电路403、幅度积分电路405、第一模态差分驱动电路模块406。

第一模态检测电极两个差分端采集的差分信号s1+和s1-，通过第一差分检测电路401实现信号求和与放大后分成两路，一路经过鉴相器电路402实现相位解调，得到相位信号；另一路通过鉴幅器电路404实现幅度解调，得到幅度信号；相位信号和幅值信号分别通过相位积分电路403和幅度积分电路405并相乘，得到第一模态驱动信号，第一模态驱动信号通过第一差分驱动电路模块406转换成一对幅值相等、相位相反的差分驱动信号d1+与d1-，分别施加在第一模态差分驱动电极的正相端和负相端上，形成闭环反馈驱动，实现谐振频率跟踪与稳幅控制。闭环检测电路可以采用模拟电路实现，也可采用数字电路实现。

所述第二模态角速度驱动闭环控制电路包括第二差分检测电路501、同相解调电路502、正交解调电路504、角速率积分电路503、耦合积分电路505、第二模态差分驱动电路模块506。

第二模态检测电极两个差分端采集的差分信号s2+和s2-，通过第二差分检测电路501实现信号求和与放大后分成两路，一路经过同相解调电路502实现角速率信号解调，得到角速率信号；另一路通过正交解调电路504实现耦合信号解调，得到耦合信号；角速率信号和耦合信号分别通过角速率积分电路503和耦合积分电路505并相加得到第二模态驱动信号，第二模态驱动信号通过第二模态差分驱动电路模块506转换成一对幅值相等、相位相反的差分驱动信号d2+与d2-，分别施加在第二模态差分驱动电极的正相端和负相端上，形成闭环反馈控制，实现角速率检测和耦合信号抑制。

本发明还提供了一种内嵌式差分电极mems碟形陀螺的加工方法，其截面图如图5所示。具体步骤如图6(a)～图6(h)所示，包括：

s1：如图6(a)，采用深反应离子刻蚀对衬底硅片2进行通孔刻蚀；衬底硅片厚度一般不小于200μm，通孔直径一般小于100μm；

s2：如图6(b)，对已进行通孔刻蚀的衬底硅片2进行氧化，在通孔内部以及硅片上表面形成绝缘层(3)，然后用导体在通孔内进行填充，形成通孔填充物质4，一般填充导体为多晶硅或铜；

s3：如图6(c)，对衬底的一侧表面淀积金属层5，且使金属层与通孔内的导体充分接触并电导通；金属层一方面为了与器件层硅的电极、锚点进行金-硅键合，一方面是形成金属连线将相同极性的电极进行并联；对金属层进行图形化刻蚀，保留需要与陀螺器件层锚点、电极接触的区域，以及需要形成金属连线的区域；金属层一般为铬-镍-金或钛-镍-金合金层；

s4：如图6(d)，对器件层硅100进行台阶刻蚀，台阶凸起部分为需要进行键合的锚点以及电极；然后与衬底层进行金-硅键合；台阶的高度一般为10um～50um。

s5：如图6(e)，对器件层硅100进行深硅刻蚀，释放敏感结构，将可动结构与电极通过刻蚀进行分离，形成陀螺敏感结构100；

s6：如图6(f)，在盖帽层硅6的一个表面淀积金属层5，并进行图形化刻蚀，保留的区域为需要形成密闭键合的键合区域；金属层一般为铬-镍-金或钛-镍-金合金层；

s7：如图6(g)，在盖帽层硅6刻蚀出腔体，并在腔体内生长吸气剂7；

s8：如图6(h)，在真空环境下，在真空环境下，将盖帽层硅6与器件层硅100进行金-硅键合，形成密闭腔体；

s9、最后将衬底硅2进行减薄，使导体露出在衬底的外表面。

本说明书未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。