[發明專利]一種傾斜雙端音叉式硅微機械陀螺及其制作方法

有效

• 申請號: 200910044556.X
• 申請日: 2009-10-16
• 公開（公告）號: CN101666646A
• 公開（公告）日: 2010-03-10
• 發明（設計）人: 吳學忠;李圣怡;董培濤;謝立強;肖定邦;陳志華;侯占強;陳驕
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G01C19/56
• 分類號: G01C19/56;B81B7/02;B81C1/00;B81C3/00
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所
• 代理人: 周長清

技術領域

本發明主要涉及到微電子機械系統領域，特指一種傾斜雙端音叉式硅微機械陀螺及其制作方法。?

背景技術

和傳統的陀螺相比，硅微陀螺具有體積小、重量輕、價格低等優點，廣泛應用于汽車、飛行器穩定控制、武器系統導航制導、微衛星姿態控制等領域。基于科氏力效應工作原理的振動式微陀螺由于沒有旋轉部件成為微陀螺的主要結構形式。隨著MEMS(Microelectromechanical?System，微機電系統)技術的發展，現在國際上各種各樣的硅微機械陀螺層出不窮。它們的共同特點是有相互垂直的兩個振動方向，即驅動振動方向和科氏力作用下的敏感振動方向。?

振動式微機械陀螺的工作原理是驅動微陀螺的慣性質量在驅動軸向產生振動，如果有敏感軸向的輸入角速度，在科氏力的作用下，慣性質量將在檢測軸向產生振動，測量得到該振動信號就能夠從中解調出輸入角速度。?

振動式微機械陀螺驅動的方式通常有靜電驅動、壓電驅動和電磁驅動等多種驅動方式。壓電驅動方式中壓電材料的制作難以與微機械加工技術兼容。電磁驅動方式結構簡單，驅動力矩較大，但易受電磁環境干擾。?

比較常用的微機械陀螺的檢測方式主要有電容檢測方式、壓阻檢測方式、壓電檢測方式等。電容檢測方法被廣泛應用于位移敏感，主要因為這種技術不需要附加的加工過程，具有非常高的靈敏度，溫度變化對電容性敏感結構的影響可以忽略，功耗低，動態范圍寬和微機械結構簡單，因此為大部分微機械陀螺所采用。壓阻檢測具有相對低的阻抗，良好的線性，接口電路也很簡單，在微機械陀螺中應用也較廣泛。壓電檢測具有高的電-機械耦合因子、高阻抗和溫度穩定性，但存在著工藝兼容性的問題。?

音叉式陀螺是一種振動式陀螺，特別是雙端音叉結構在石英微陀螺中研究和應用的比較廣泛，如美國BEI公司的陀螺，其結構特征使得其具有獨特的能量轉換與耦合機制，所以采用雙端音叉結構的陀螺具有很高的性能。利用石英晶體的逆壓電效應驅動音叉在較高頻率處振動，當系統有角速度輸入時，音叉結構在科氏力的作用下沿與原振動平面垂直的方向振動，振動幅度與測量的角速度成正比。利用石英晶體的壓電效應就可以從檢測叉指中提取出輸入角速度的大小。石英音叉式陀螺的分辨率可以達到1°/h，且體積小，壽命長，在軍事和民用中應用得比較廣泛了。這種陀螺的不足之處在于利用石英晶體的壓電效應驅動其叉指在驅動?模態振動時，需要在其側面制作分離的驅動電極，制作工藝很復雜；石英的腐蝕工藝很困難、均勻性和一致性較差，且無法實現陀螺結構與接口電路的單片集成。?

相比較于基于石英材料的微機械加工工藝，硅微機械加工工藝就成熟的多，并且具有微機械結構與接口電路集成的潛力。采用硅微機械加工技術制作驅動用的側面電極用陡直側壁結構又有干法刻蝕技術和基于(110)硅片的濕法腐蝕技術兩種。英國的British?AerospaceSystems和Sumitomo?Precision?Products公司合作開發的陀螺以及G.K.Fedder等人研制的陀螺均是采用DRIE干法刻蝕技術制作的，性能較好。采用干法刻蝕技術可以獲得較好的陡直側壁結構，但也需要很昂貴的干法刻蝕設備，從而導致陀螺的制造成本很高。?

發明內容

本發明要解決的技術問題就在于：針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種結構簡單緊湊、成本低廉、加工工藝簡單、易于批量生產、產品品質高的傾斜雙端音叉式硅微機械陀螺及其制作方法。?

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案。?

一種傾斜雙端音叉式硅微機械陀螺，其特征在于：包括陀螺總成和襯底，所述陀螺總成包括第一驅動電極、第二驅動電極、驅動叉指、支撐錨點、框架、彈性支撐梁以及檢測叉指，所述驅動叉指和檢測叉指分別連接于框架的兩端，所述驅動叉指和檢測叉指與框架均成70.5°的傾斜結構，所述框架的中部設有支撐錨點，所述支撐錨點的兩端通過彈性支撐梁與框架相連，所述第一驅動電極和第二驅動電極分別位于驅動叉指的兩側，所述支撐錨點、第一驅動電極和第二驅動電極通過陽極鍵合的方式與襯底鍵合在一起，所述彈性支撐梁、框架、驅動叉指以及檢測叉指與襯底之間留有間隙。?

作為本發明的進一步改進：?

所述襯底上與檢測叉指的對應位置處設有檢測電極，所述檢測電極與檢測叉指構成用來檢測檢測叉指振動的差分電容對。?

所述檢測叉指的根部設有用來檢測檢測叉指振動的檢測壓阻。?

所述驅動叉指和檢測叉指均為兩個，所述第二驅動電極位于兩個驅動叉指的中間，所述第一驅動電極呈倒U型將驅動叉指以及第二驅動電極包裹于其中。?