一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺及其制备方法

1.本发明涉及微机械传感器技术领域，特别地，涉及一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺及其制备方法。


背景技术：

2.陀螺仪是一种测量运动载体角速度的惯性传感器，是惯性导航、姿态测量和运动控制的基础核心器件，主要包括机械转子陀螺、静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和mems陀螺等类型。其中，mems陀螺具有尺寸小、可靠性高、功耗低、成本低、易于批量制造等优势，特别适用于需求量大、追求低成本的应用领域，在中低精度、中近程导航方面具有显著的优势和广阔的发展前景。
3.蝶翼式微陀螺仪是典型的mems陀螺仪，它基于哥氏效应，采用静电驱动、电容检测的工作方式，最早由瑞典imego研究所提出。目前大部分采用的是硅基蝶翼式微陀螺仪。现有的硅基蝶翼式微陀螺仪零偏稳定性可优于1
°
/h，但仍有许多不足。比如，寄生电容较大，甚至远大于检测模态的电容变化量，使得有用信号往往被寄生电容产生的噪声所淹没，严重影响微陀螺的输出性能；温度稳定性较差，环境温度变化时会对零偏输出产生较大影响，使得微陀螺全温区性能难以提升；品质因数较低，尤其是检测q值较低，与其他种类mems硅基陀螺差距较大。随着mems陀螺仪应用领域的不断扩展，人们对精度更高、温度稳定性更好、品质因数更高的高性能mems陀螺仪的需求变得极为迫切。


技术实现要素：

4.为解决上述现有技术中存在的问题，本发明目的在于提供一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺及其制备方法，具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺结构简单、设计巧妙，由敏感结构和电极基底两部分组成，两者材料均为熔融石英，可以减小由于材料特性不匹配引起的结构热应力。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺，包括敏感结构和电极基板组成的双层结构，所述敏感结构包括弹性支撑框架、四个质量块、支撑梁和振动梁，所述振动梁设于弹性支撑框架中，四个质量块通过支撑梁连接到所述振动梁上且相对振动梁呈对称布置；
6.所述电极基板上设有与四个质量块一一对应且相对间隙设置的平面电极组；
7.所述敏感结构和和电极基板均采用熔融石英材料。
8.进一步的，所述敏感结构还包括多个锚点，所述锚点对称分布在所述弹性支撑框架两侧；所述电极基板上设有与所述锚点一一对应的凸台。
9.进一步的，所述锚点与所述凸台之间通过金金键合相连。
10.进一步的，每个所述平面电极组包括一个检测电极、两个驱动电极和两个调轴电极；所述检测电极为t型结构，所述驱动电极和调轴电极均对称分布在所述检测电极两侧。
11.进一步的，所述振动梁是在矩形梁的基础上由干法刻蚀出凹槽而得，刻蚀起始位
置在矩形梁上表面，所述凹槽距离矩形梁两侧有一定距离，其截面形状为凹面多边形，简称为“凹形梁”，所述振动梁分隔为三段，其中中间一段的长度是左右两段长度的两倍，以使驱动模态弯曲角度和检测模态扭转角度最大。
12.进一步的，两个所述质量块相对于所述振动梁对称分布并通过所述支撑梁连接成一个整体，所述质量块的中心线穿过所述振动梁左右两段的中点，即穿过梁的摆动中心。
13.本发明还提供了上述的一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺的制备方法，包括制备敏感结构和电极基板，并将制备好的敏感结构和电极基板通过金金键合技术实现固连。
14.进一步的，所述敏感结构的制备包括以下步骤：
15.(1)准备用于制作所述敏感结构的熔融石英圆片；
16.(2)依次双面溅射cr、au金属层用做电镀的种子层；
17.(3)双面匀胶、光刻及显影；
18.(4)双面电镀ni掩膜层；
19.(5)双面去除光刻胶后，采用离子束刻蚀对双面ni掩膜及cr/au种子层图形化；
20.(6)正面干法刻蚀，刻蚀出所述振动梁的凹槽；
21.(7)反面干法刻蚀，刻蚀出弹性支撑框架、四个质量块、支撑梁、完整的振动梁以及锚点；
22.(8)反面匀胶后，对带凹槽的一面依次用退镀液去除ni掩膜层、cr/au种子层；
23.(9)反面去除光刻胶后，再用退镀液去除ni掩膜层，清洗圆片后得到所述敏感结构。
24.进一步的，所述电极基板的制备包括以下步骤：
25.(1)准备用于制作所述电极基板的熔融石英圆片；
26.(2)蒸镀cr金属层，用于湿法腐蚀的保护层；
27.(3)匀胶、光刻及显影后再去除未掩膜的cr金属层；
28.(4)熔融石英湿法腐蚀，腐蚀出凸台，用于与敏感结构层上的锚点进行金金键合；
29.(5)去除cr金属层后清洗圆片，再依次蒸镀cr、au金属层用于制作所述平面电极组；
30.(6)匀胶、光刻及显影，依次去除未掩膜的cr/au金属层得到电极图形；
31.(7)去除光刻胶后清洗圆片，得到所述电极基板。
32.进一步的，au金属层的厚度大于500nm，用于提高所述敏感结构与所述电极基板金金键合的成功率。
33.本发明具有以下有益效果：
34.本发明提出了一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺，采用了蝶翼式结构方案，基于熔融石英材料对敏感结构和电极基板进行了优化和重新设计，并结合熔融石英的材料特性，制定了相匹配的工艺方案。首先，在信号检测上，由于熔融石英为绝缘体，可以大幅减小敏感结构与电极基板间的寄生电容，使得检测模态的信号便于被系统辨识，提高微陀螺的输出性能，同时通过对结构尺寸重新设计，增大了一阶模态的频率，增强了信号受环境干扰的能力，提升了信噪比。其次，在全温区性能上，熔融石英热膨胀系数小，当外界环境温度变化时，其杨氏模量、拉伸强度、疲劳强度等机械特性不会发生较大变化，振动梁的刚
度比较稳定，对微陀螺的工作固有频率影响较小，保证了微陀螺的机械灵敏度、动态特性以及稳定性。此外，在品质因数上，熔融石英的热弹性阻尼较小，熔融石英谐振结构品质因数可达百万级，目前已在半球型微陀螺仪上得到验证，比传统硅基陀螺仪具有更高的性能潜力。
35.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
36.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
37.图1是本发明的整体结构示意图；
38.图2是本发明中敏感结构示意图；
39.图3是本发明中电极基板示意图；
40.图4是本发明中振动梁的放大示意图；
41.图5是本发明中振动梁的截面示意图；
42.图6是本发明中角速度输入敏感轴所示方向；
43.图7为敏感结构驱动模态振型图；
44.图8为敏感结构检测模态振型图；
45.其中，1、敏感结构；2、电极基板；3、质量块；4、支撑梁；5、振动梁；6、弹性支撑框架；7、锚点；8、平面电极组；9、检测电极；10、驱动电极；11、调轴电极；12、凸台。
具体实施方式
46.以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
47.参见图1至图5，本发明提供了一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺，包括敏感结构1和电极基板2组成的双层结构，敏感结构1和电极基底的材料均为熔融石英，可以减小由于材料特性不匹配引起的结构热应力。
48.所述敏感结构1作为敏感哥式力效应的振动结构，用于敏感角速度输入，由四个质量块3、振动梁5、支撑梁4、弹性支撑框架6及锚点7组成。所述振动梁5设于弹性支撑框架6中，四个质量块3通过支撑梁4连接到所述振动梁5上且相对振动梁5呈对称布置；所述锚点7对称分布在所述弹性支撑框架6两侧；所述电极基板2上设有与所述锚点7一一对应的凸台12。所述锚点7与所述凸台12之间通过金金键合相连。
49.具体的，所述振动梁5是在矩形梁的基础上由干法刻蚀出凹槽而得，刻蚀起始位置在矩形梁上表面，所述凹槽距离矩形梁两侧有一定距离，且离矩形梁其中一侧的距离大于离矩形梁另一侧的距离，其截面相当于一个大矩形在顶边处向内部减去一个小矩形，故其截面形状为一凹面多边形，简称为“凹形梁”。通过调整刻蚀起始位置、刻蚀开口宽度和刻蚀深度，可以调整主轴方位角的大小范围，进而利用法向静电力实现质量块的大幅切向运动。所述振动梁5被支撑梁4分隔为三段，每一段上均刻蚀有凹槽，其中中间一段的长度是左右两段长度的两倍，以使驱动模态弯曲角度和检测模态扭转角度最大。两个所述质量块3相对
于所述振动梁5对称分布并通过所述支撑梁4连接成一个整体，所述质量块3的中心线穿过所述振动梁5左右两段的中点，即穿过振动梁的摆动中心。
50.所述电极基板2上设有与四个质量块3一一对应且相对间隙设置的平面电极组8。电极基板2上还通过湿法腐蚀制作有凸台12，以便与敏感结构1进行金金键合并产生电极间隙，电极位于基板底部，与质量块3构成平板电容，用于检测电容变化。每个所述平面电极组8包括一个检测电极9、两个驱动电极10和两个调轴电极11；所述检测电极9为t型结构，所述驱动电极10和调轴电极11均对称分布在所述检测电极9两侧。电极基板上分布的驱动电极、检测电极和调轴电极，主要作用分别是：驱动电极提供微陀螺敏感结构振动所需的驱动力；检测电极检测在哥式力作用下微陀螺的角速度输出信号；调轴电极提供调轴电压以减小陀螺的正交误差，增强陀螺工作的稳定性。
51.本发明所提出的具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺包含有驱动模态和检测模态两个工作模态(参见图7和图8)。其中，驱动模态为振动梁的弯曲振动，沿陀螺敏感结构平行方向；检测模态是振动梁的扭转振动，沿敏感结构垂直方向。参见图6，角速度输入敏感轴为平行于微陀螺敏感结构的方向，通过改变微陀螺的放置方向，可以实现多轴向角速度检测。
52.此外，在各部分结构形态不变的前提下，本发明可根据实际设计指标和应用场景调整部分关键尺寸。如对敏感结构，可调整整体厚度，凹形梁的梁宽，凹槽位置、宽度和深度等；对电极基板，可调整各电极位置及大小，以及增设调频或其他电极等。
53.本发明采用静电驱动、电容检测的工作方式，由均为熔融石英材料的敏感结构和电极基底组成。敏感结构主要用来敏感哥氏效应；电极基底主要与质量块组成平板电容，以提供微陀螺工作所必需的法向静电力以及检测哥氏力作用下的角速度输出信号。振动梁是敏感结构设计的关键，其截面形状为凹面多边形，在法向静电力的作用下，将激励出陀螺的驱动模态，使质量块沿法向与切向振动。本发明所设计的凹形振动梁，利用熔融石英干法刻蚀技术直接在梁中部刻蚀凹槽，通过改变凹槽的起始位置、开口宽度以及刻蚀深度，能够灵活地调节振动梁的主轴方位角，极大地提升驱动振幅和微陀螺的机械灵敏度。此外，采用平板电容法向驱动，应用熔融石英材料时不需要制作侧面电极，且各个电极的面积和分布可以方便地进行调整和改进。
54.熔融石英微陀螺除具有mems陀螺仪的基本优势外，还有许多特有的优点：(1)绝缘性好，寄生电容小；(2)热膨胀系数低、温度稳定性好，可靠性高，可长时间工作；(3)热弹性阻尼小，品质因数高；(4)适用于干法刻蚀、湿法腐蚀等微纳加工工艺。
55.然而将熔融石英材料应用于微机械陀螺存在着不少技术难点，比如熔融石英不导电，需要在其表面镀制金属层，这对于采用侧壁电极驱动的微陀螺而言加工难度很大。尽管现阶段国内外报道了多种高性能mems陀螺，呈现出了多种结构、不同类型的mems陀螺，但它们均是单轴面外敏感的微陀螺仪，而蝶翼式微陀螺仪作为少有的面内敏感微陀螺仪，是未来多轴集成技术中重要的组成部分，具有很高的性能潜力和研究价值。此外，与面外敏感微陀螺仪相比，蝶翼式结构采用平板电容法向驱动，应用熔融石英材料时不需要制作侧面电极，工艺上具有巨大的优势。
56.故本发明还提供了上述的一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺的制备方法，包括制备敏感结构和电极基板，并将制备好的敏感结构和电极基板通过金金键合技术
实现固连。
57.所述敏感结构的制备具体包括以下步骤：
58.(1)准备用于制作所述敏感结构的熔融石英圆片；
59.(2)依次双面溅射cr、au金属层用做电镀的种子层，其中一面的au层厚度需大于500nm，以提高所述敏感结构与所述电极基板金金键合的成功率；
60.(3)双面匀胶、光刻及显影；
61.(4)双面电镀ni掩膜层，其中一面的ni层厚度至少为5μm，以保证在一定的刻蚀选择比下，ni掩膜层能扛住长时间的熔融石英干法刻蚀；
62.(5)双面去除光刻胶后，采用离子束刻蚀(ibe)对双面ni掩膜及cr/au种子层图形化；
63.(6)正面干法刻蚀，刻蚀出所述振动梁的凹槽；
64.(7)反面干法刻蚀，刻蚀出所述弹性支撑框架、所述四个质量块、所述支撑梁、所述完整的振动梁以及所述锚点；
65.(8)反面匀胶后，对正面(带凹槽一面)依次用退镀液去除ni掩膜层、cr/au种子层；
66.(9)反面去除光刻胶后，再用退镀液去除ni掩膜层，清洗圆片后得到所述敏感结构。
67.所述电极基板的制备具体包括以下步骤：
68.(1)准备用于制作所述电极基板的熔融石英圆片；
69.(2)蒸镀cr金属层，用于湿法腐蚀的保护层；
70.(3)匀胶、光刻及显影后再去除未掩膜的cr金属层；
71.(4)熔融石英湿法腐蚀，腐蚀出所述凸台，用于与结构层的所述锚点进行金金键合；
72.(5)去除cr金属层后清洗圆片，再依次蒸镀cr、au金属层用于制作所述平面电极组，其中au层厚度需大于500nm，以提高所述敏感结构与所述电极基板金金键合的成功率；
73.(6)匀胶、光刻及显影，依次去除未掩膜的cr/au金属层得到电极图形；
74.(7)去除光刻胶后清洗圆片，得到所述电极基板。
75.本发明方法主要加工工艺为电镀掩膜层、石英干法刻蚀和金金键合，可延用硅基器件的常用工艺，加工精度容易保证。
76.综上所述，本发明提供的一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺，采用了蝶翼式结构方案，基于熔融石英材料对敏感结构和电极基板进行了优化和重新设计，并结合熔融石英的材料特性，制定了相匹配的工艺方案。首先，在信号检测上，由于熔融石英为绝缘体，可以大幅减小敏感结构与电极基板间的寄生电容，使得检测模态的信号便于被系统辨识，提高微陀螺的输出性能，同时通过对结构尺寸重新设计，增大了一阶模态的频率，增强了信号受环境干扰的能力，提升了信噪比。其次，在全温区性能上，熔融石英热膨胀系数小，当外界环境温度变化时，其杨氏模量、拉伸强度、疲劳强度等机械特性不会发生较大变化，振动梁的刚度比较稳定，对微陀螺的工作固有频率影响较小，保证了微陀螺的机械灵敏度、动态特性以及稳定性。此外，在品质因数上，熔融石英的热弹性阻尼较小，熔融石英谐振结构品质因数可达百万级，目前已在半球型微陀螺仪上得到验证，比传统硅基陀螺仪具有更高的性能潜力。
77.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。