[發(fā)明專利]一種雙片集成式硅基超薄微半球諧振陀螺儀及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310176936.5
• 申請日: 2013-08-01
• 公開（公告）號(hào): CN103322994A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 夏敦柱;孔倫;虞成;胡異煒
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C19/56
• 分類號(hào): G01C19/56;B81B7/00;B81C1/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微機(jī)電陀螺儀的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別是一種雙片集成式硅基超薄微半球諧振陀螺儀及其制備方法。?

背景技術(shù)

從20世紀(jì)50年代以來，陀螺儀的發(fā)展大致經(jīng)歷了液浮陀螺儀、動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀、環(huán)形激光陀螺儀、光纖陀螺儀、振動(dòng)陀螺儀等階段，直到目前發(fā)展到了比較熱門的微電子機(jī)械系統(tǒng)(micro-electro-mechanical-system，MEMS)陀螺儀。在這些形式、結(jié)構(gòu)以及原理各不相同的陀螺儀中，基于振動(dòng)理論的振動(dòng)陀螺儀由于沒有高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子和相應(yīng)的支承系統(tǒng)，因而具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、可靠性高、承載能力大、體積小、成本低的特點(diǎn)，其基本原理是利用高頻振動(dòng)的物體在旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的哥氏（Coriolis）效應(yīng)來測量角速度。目前有音叉振動(dòng)陀螺儀、壓電振動(dòng)陀螺儀、殼體諧振陀螺儀等結(jié)構(gòu)形式。在各類振動(dòng)陀螺儀中，半球諧振陀螺儀（Hemispherical?Resonator?Gyroscope,簡寫為HRG）是未來最具發(fā)展前景的陀螺儀之一。?

美國是世界上最早開始研究HRG的國家，早在20世紀(jì)60年代，美國的Delco公司就著手開發(fā)HRG，并于1979年首次申請并獲得HRG的發(fā)明專利。此后，HRG的研究應(yīng)用得到了快速發(fā)展，并在捷聯(lián)導(dǎo)航系統(tǒng)、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡以及NEAR宇宙飛船、A2100系列衛(wèi)星、Cassini宇宙飛船等空間飛行器上得到成功應(yīng)用。俄羅斯的HRG研制起步早，在陀螺儀的設(shè)計(jì)、信號(hào)處理以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，其理論都是相當(dāng)領(lǐng)先的。2002年底，俄羅斯拉明斯克設(shè)計(jì)局研制的HRG已完成項(xiàng)目的全部論證，并考慮正式投入裝備應(yīng)用。英國于1984年開始研究HRG的工作原理，英國宇航系統(tǒng)與設(shè)備有限公司早就在研究圓柱殼式振動(dòng)陀螺儀，并有向HRG發(fā)展的趨向。法國利用俄羅斯的人員和技術(shù)，已開發(fā)出直徑為20mm的HRG。此外，中國臺(tái)灣大學(xué)對半球諧振陀螺儀模態(tài)進(jìn)行了分析，并對諧振子半徑為50mm的樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。北京航空航天大學(xué)、東北大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等從理論上對半球諧振子的參數(shù)設(shè)計(jì)、振動(dòng)等問題進(jìn)行了分析。中國電子科技集團(tuán)26所一直堅(jiān)持HRG的研制工作，并已取得了較大的進(jìn)展，它前期利用俄羅斯技術(shù)，在直徑為60mm的HRG制作工藝上取得了突破，開發(fā)出了相應(yīng)的高性能樣機(jī)，目前主要開發(fā)直徑為30mm的HRG，并于2012?年10月成功完成衛(wèi)星閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)。?

以上所述的半球諧振陀螺儀皆屬于傳統(tǒng)型半球諧振陀螺儀，其尺寸相對較大（毫米量級以上），不能稱得上為微陀螺儀，這也從一方面限制了它的應(yīng)用范圍。利用MEMS技術(shù)制造而成的硅微半球諧振陀螺儀將具有體積小，重量輕，成本低，可靠性高，功耗小，可批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，預(yù)期可廣泛用于航空、汽車、醫(yī)療、攝影、電子消費(fèi)等領(lǐng)域，具有極為廣闊的應(yīng)用前景。?

然而目前，與微半球諧振陀螺儀的廣闊發(fā)展前景相對應(yīng)的是，我國的微加工技術(shù)水平較低，與國外的先進(jìn)技術(shù)水平還存在一定的差距，這很大程度上限制了我國微半球諧振陀螺的生產(chǎn)與應(yīng)用。因此，研究出符合我國國情的微加工工藝技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升是提高我國微加工技術(shù)水平的關(guān)鍵所在。?

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種雙片集成式硅基超薄微半球諧振陀螺儀及其制備方法。?

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的雙片集成式硅基超薄微半球諧振陀螺儀，包括第一硅片、第二硅片、微半球殼、驅(qū)動(dòng)電極和檢測電極，所述微半球殼設(shè)在第一硅片和第二硅片之間，微半球殼殼底與第二硅片固定連接，微半球殼上邊緣與第一硅片的下表面接觸；所述驅(qū)動(dòng)電極設(shè)在第一硅片和第二硅片之間、微半球殼的外圍，驅(qū)動(dòng)電極一端與第二硅片固定連接，另一端與第一硅片活動(dòng)連接；所述檢測電極一端與第一硅片固定連接，另一端與微半球殼內(nèi)壁活動(dòng)連接。?

為了能夠達(dá)到體積小、重量輕，所述微半球殼直徑為1-3毫米，厚度為5-15微米。?

為了便于組裝，所述第一硅片上設(shè)有與驅(qū)動(dòng)電極對應(yīng)的插孔。?

作為優(yōu)選，所述驅(qū)動(dòng)電極為4n個(gè)，其中n為大于或等于1的整數(shù)。?

為了保持器件真空封裝的真空度，第一硅片上、且與第二硅片相對一面設(shè)有納米吸氣劑。?

為了使微半球殼能被靜電驅(qū)動(dòng)，所述微半球殼材料為金屬或二氧化硅，當(dāng)微半球殼材料為金屬時(shí)，保護(hù)多晶硅電極的材料為二氧化硅；當(dāng)微半球殼材料為二氧化硅時(shí)，保護(hù)多晶硅電極的材料為氮化硅，并且在釋放微半球殼后對其進(jìn)行金屬化處理。?

一種雙片集成式硅基超薄微半球諧振陀螺儀的加工方法，主要包括以下步驟：?