三轴单片集成全解耦角振动环式硅陀螺仪及其加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微机电陀螺仪技术，具体涉及一种三轴单片集成全解耦角振动环式硅陀螺仪及其加工方法。
【背景技术】
[0002]随着对微电子机械系统(MEMS)的深入研宄和取得的进展，利用微机电技术制造而成的硅微陀螺具有体积小，重量轻，成本低，可靠性高，功耗小，可批量生产等优点以及微型化角速率传感器的需求。在惯性导航领域，硅微机械陀螺研宄现在已受到越来越多的科研院所和高校的重视。
[0003]振动环式陀螺具有许多优点，如:极佳的对称性和较高的灵敏度；在理想情况下，性能不受温度和环境振动的影响等。密歇根大学的M.ff.Putty最早研宄了振动环陀螺的检测原理，并采用在绝缘模型上电镀镍的方法制作了一个电容间隙为7 μπι，深宽比约为7的陀螺。依据不同的真空度，该谐振器的品质因数介于2000与10000之间。Farrorkh Ayazi和Khalil Najafi提出了采用多晶硅沉积方法制作电容式振动环陀螺。该方法采用多晶硅制作谐振子，具有高达20000的品质因数，电容间隙为1.4 μ m，深宽比约为40。该陀螺具有很好的性能，但是制作过程中需要使用多达7块掩模板，工艺非常复杂。
[0004]微机械振动陀螺仪在过去的二十多年来受到人们的广泛关注，但到目前为止，市场上出现的多为单轴和双轴陀螺，只能测量一个或两个方向的角速度，但在惯性测量系统中，通常需要对三个正交的空间坐标系的旋转轴角速度进行测量。开发单结构三轴陀螺，已经成为微机械陀螺研发的重要方向，目前已知的典型单结构三轴陀螺有三个:一是由意大利意法半导体公司研发，它采用双音叉式设计，驱动和感应均采取线振动；二是由TsaiNan-Chyuan设计了一种模态解耦的三轴轮式角振动陀螺，驱动电路采用自动增益控制和锁相环模块。三是由上海中国科学院上海微系统与信息技术研宄所设计的面内四质量块加强敏感弹簧的新型三轴微机械陀螺仪。上述的三个单结构三轴陀螺仪并没有实现各驱动、检测方向的完全解耦，因此很难达到较高的性能。
[0005]目前大部分三轴微机械陀螺是将多个单轴或双轴陀螺集成在一个芯片上，它们的敏感轴相互垂直，从而实现测量三个方向的角速度。这种结构只需设计一个陀螺，结构简单，加工简单，技术成熟，但总体尺寸较大，交叉轴干扰都比较严重，也存在较大的安装误差和线路干扰，无法满足在三个方向(X轴、Y轴、Z轴)方向上高精度角速率测试需求。而现有的单结构三轴陀螺仪都没有实现全解耦，影响硅微机械陀螺的发展和使用。因此，研制单结构三轴解耦陀螺自然成为惯性领域的研发重点和难点。
【发明内容】
[0006]发明目的:本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种三轴单片集成全解耦角振动环式硅陀螺仪及其加工方法。
[0007]技术方案:本发明的一种三轴单片集成全解耦角振动环式硅陀螺仪，包括玻璃基底和安装于玻璃基底表面的陀螺结构，
[0008]所述玻璃基底上设有信号引线与陀螺结构的电极相连接；
[0009]所述陀螺结构包括安装于玻璃基底中心位置的中心锚点、圆环框架、检测框组件和驱动梳齿组件，所述中心锚点也位于圆环框架的中心位置；所述圆环框架从内向外依次包括内环、中环和外环，内环安装于中心锚点的外周且内环与中心锚点之间通过若干第一支撑梁固定连接，内环与中环之间连接有若干驱动梳齿组件，中环与外环通过第二支撑梁连接固定，且外环与中环之间设有检测框组件；
[0010]所述检测框组件包括两个第一检测框、两个第二检测框、两个第三检测框以及两个第四检测框，该八个扇形检测框两两对称设置且围绕中心锚点成中心对称分布。
[0011]进一步的，所述陀螺结构通过键合点悬浮设置于玻璃基底上，所述圆形框架的内环、中环和外环位于同一平面且厚度相等，驱动梳齿组件包括驱动活动梳齿和驱动固定梳齿O
[0012]进一步的，所述第一检测框位于Y轴上检测敏感X方向角速度，第二检测框位于X轴上检测敏感Y方向角速度，第三检测框位于+45°的轴线上检测驱动，第四检测框位于-45°的轴线上检测敏感Z方向角速度，同时，该八个检测框通过第二支撑梁间隔设置于中环与外环之间。
[0013]进一步的，所述第一检测框与第二检测框的结构和尺寸均相同，第三检测框与第四检测框的尺寸相等，且第一检测框的所占弧度范围大于第三检测框的所占弧度范围(也即第二检测框的尺寸大于第四检测框的尺寸)；
[0014]所述第一检测框包括第一检测外框和设置于第一检测外框内部的第一检测内框(比如可通过口字型折叠梁连接)，第一检测外框的两侧通过弹性梁(例如工字型弹性梁)与第二支撑梁固定连接，第一检测内框的两个弧形框内壁均排列有第一活动检测梳齿，第一检测内框的内部设有通过支撑锚点键合于玻璃基底表面的第一固定检测梳齿，第一固定检测梳齿与第一活动检测梳齿共同构成变面积式电容检测。
[0015]其中，第一检测内框与第一检测外框均呈扇形状，但第一固定检测梳齿和第一活动检测梳齿的厚度相等(例如均为40 μπι)，上下表面高度不等且错开15 μm，这里选择上表面前者高于后者15 μ m，则下表面后者高于前者15 μπι;另外第一检测内框的两个弧形架外侧连接有锚点的工字型弹性梁，同时在第一固定检测梳齿下方的玻璃基底上设有信号引线。第二检测框的结构设置与第一检测框的结构设置相同。
[0016]上述工字型弹性梁具有较大的面内水平切向刚度和面外垂直方向刚度，能够实现第一检测框在面内切向和面外垂直方向的解耦设计。
[0017]进一步的，所述第三检测框包括若干第三活动检测梳齿和第三固定检测梳齿，第三活动检测梳齿的两端分别连接于外环和内环，第三固定检测梳齿通过支撑锚点键合于玻璃基底表面且与第三活动检测梳齿共同构成变面积式电容检测。
[0018]其中，第三固定检测梳齿下方的玻璃基底上设有信号引线，并且第三固定检测梳齿和第三活动检测梳齿的厚度和高度均相等(例如均为60 ym)，宽度均相等(例如均为4 μπι),且均为弧形状。
[0019]进一步的，所述第四检测框包括第四检测外框和连接于第四检测外框内部的第四检测内框(例如可以通过口字型折叠梁连接)，第四检测外框的两端分别连接于外环和中环(例如可以通过口字型折叠梁连接)，第四检测内框内部固定有第四活动检测梳齿以及通过支撑锚点键合于玻璃基底表面的第四固定检测梳齿，第四活动检测梳齿与第四固定检测梳齿构成变间距式电容检测。
[0020]其中，第四固定检测梳齿下方的玻璃基底上设有信号引线。
[0021]进一步的，所述陀螺结构的材质为硅结构材料。
[0022]本发明还公开了一种三轴单片集成全解耦角振动环式硅陀螺仪的加工方法，包括以下步骤:
[0023](I)将硅结构上双面热生长二氧化硅作为第一层掩膜，光刻并RIE刻蚀硅结构正面的二氧化硅，形成第一层掩膜的图形；
[0024](2)将硅结构正面沉淀LTO作为第二层掩膜，由于热生长二氧化硅已被部分刻蚀，LTO的面积覆盖了全部的热生长二氧化硅，光刻并RIE刻蚀形成第二层掩膜的图形；
[0025](3)在硅结构的背面光刻并RIE刻蚀热生长的二氧化硅掩膜层；
[0026](4)DRIE刻蚀背面无二氧化硅掩膜的区域，达到预定的深度后停止；
[0027](5)利用HF去除背面的二氧化硅掩膜层，并将利用硅一玻璃键合工艺将DRIE刻蚀加工的锚点硅键合在玻璃基底上；
[0028](6)正面进行DRIE刻蚀，高度为总厚度减去步骤(4)中背面刻蚀的深度；
[0029](7)去掉正面的第二层掩膜，将需要高度较小的工字型弹性梁结构，检测和驱动的固定梳齿结构和深槽暴露出来；
[0030](8)继续进行正面DRIE刻蚀，直到将硅结构上的深槽穿透停止；
[0031](9)最后利用HF去除二氧化硅掩膜层，释放体加工结构。
[0032]本发明还公开了另一种三轴单片集成全解耦角振动环式硅陀螺仪的加工方法，包括以下步骤:
[0033](I)使用第一块掩膜板在玻璃基底上光刻，将有信号引线的地方暴露出来；
[0034](2)刻蚀玻璃基底，溅射金属铝作为信号引线，去除光刻胶；
[0035](3)将一块厚度和锚点厚度相同的硅与玻璃基底进行阳极键合，在硅上，通过使用第二块掩膜板光刻，并利用Bosch工艺，刻蚀出锚点，然后去除光刻胶；
[0036](4)在一块厚度和硅结构层厚度相同的硅的背面利用第三块掩膜板进行光刻，并利用Bosch工艺刻蚀出凹槽，然后去除光刻胶；
[0037](5)将通过步骤(4)刻蚀的结构层硅的背面与键合在玻璃基底上的锚点直接键合；
[0038](6)在结构层硅上，利用第四块掩膜板部分遮光进行光刻，并采用采用Bosch工