[發(fā)明專利]基于硅平面加工工藝的靜電驅(qū)動式體聲波固體波動微陀螺

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310686903.5
• 申請日: 2013-12-13
• 公開（公告）號: CN103697876A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張衛(wèi)平;劉亞東;汪濙海;成宇翔;唐健;許仲興;張弓;孫殿竣;陳文元
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: G01C19/5656
• 分類號: G01C19/5656;G01C19/5663
• 代理公司: 上海漢聲知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域的固體波動模態(tài)匹配陀螺，具體地，涉及一種基于硅平面加工工藝的靜電驅(qū)動式體聲波固體波動微陀螺。

背景技術(shù)

陀螺儀是一種能夠敏感載體角度或角速度的慣性器件，在姿態(tài)控制和導(dǎo)航定位等領(lǐng)域有著非常重要的作用。隨著國防科技和航空、航天工業(yè)的發(fā)展，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對于陀螺儀的要求也向低成本、小體積、高精度、多軸檢測、高可靠性、能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的方向發(fā)展。基于MEMS技術(shù)的微陀螺儀采用微納批量制造技術(shù)加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而且環(huán)境適應(yīng)性、工作壽命、可靠性、集成度與傳統(tǒng)技術(shù)相比有極大的提高，因而MEMS微陀螺已經(jīng)成為近些年來MEMS技術(shù)廣泛研究和應(yīng)用開發(fā)的一個重要方向。

固體波是固體中的一種機(jī)械波動，把固體中某一點(diǎn)或部分受力或其他原因的擾動引起的形變，如體積形變或剪切形變，以波動的形式傳播到固體的其他部分。在波動傳播過程中，固體中的質(zhì)點(diǎn)除在它原來的位置上有微小的振動外，并不產(chǎn)生永久性的位移。因?yàn)楣腆w有彈性，彈性力有使擾動引起的形變恢復(fù)到無形變的狀態(tài)的能力，于是形成波動。彈性是固體中能形成波動的主要原因。

目前，大多數(shù)MEMS固體波動微機(jī)械陀螺與硅加工工藝不兼容，即使采用了硅加工的工藝，多數(shù)是采用3-D體硅加工工藝，制造工藝復(fù)雜，導(dǎo)致成本較高，不適合大批量生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于硅平面加工工藝的靜電驅(qū)動式體聲波固體波動微陀螺，該陀螺結(jié)構(gòu)簡單、體積小、抗沖擊、具有高Q值且便于封裝。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種基于硅平面加工工藝的靜電驅(qū)動式體聲波固體波動微陀螺，包括：

一個長方體基體；

一個帶有四根梁的方形諧振子；

四個沿方形諧振子頂端四個角一側(cè)對應(yīng)的長方體基體內(nèi)表面?zhèn)缺谏戏植寂渲玫尿?qū)動電極；

四個沿方形諧振子頂端四個角一側(cè)對應(yīng)的長方體基體內(nèi)表面?zhèn)缺谏戏植寂渲玫臋z測電極；

其中，驅(qū)動電極、檢測電極與方形諧振子均非接觸，且四個驅(qū)動電極的空間位置與四個檢測電極的空間位置互相垂直。

優(yōu)選地，所述微陀螺進(jìn)一步包括連接金屬引腳和驅(qū)動電極、檢測電極的金屬連接線，所述金屬引腳通過金屬連接線將外部的電信號引入驅(qū)動電極或者將檢測電極4處產(chǎn)生的電信號通過金屬連接線導(dǎo)出。

優(yōu)選地，所述方形諧振子上設(shè)有導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層為離子摻雜的單晶硅，具有導(dǎo)電作用；該導(dǎo)電層上沉積有一層金屬，這層金屬和金屬引腳、金屬連接線是由在長方體基體上沉積的同一層金屬經(jīng)過掩膜、刻蝕之后形成。

優(yōu)選地，所述方形諧振子于四個側(cè)壁，即與頂面和底面相異的平面垂直中心線上通過四根梁施加固定。

優(yōu)選地，所述方形諧振子材料為單晶硅，使用電容感應(yīng)效應(yīng)進(jìn)行驅(qū)動和檢測。

優(yōu)選地，四個所述驅(qū)動電極材料為摻雜的單晶硅，沿長方體基體的內(nèi)側(cè)壁表面互相平行地呈2*2陣列式分布，用于激勵方形諧振子產(chǎn)生驅(qū)動模態(tài)振型。

優(yōu)選地，四個所述檢測電極材料為摻雜的單晶硅，沿長方體基體的內(nèi)側(cè)壁表面互相平行地呈2*2陣列式分布，且與四個驅(qū)動電極在空間上互相垂直，用于檢測垂直于長方體基體底面平面即z軸方向的角速度引起的方形諧振子與檢測電極上由于電容感應(yīng)效應(yīng)產(chǎn)生的電容變化。

優(yōu)選地，四個所述驅(qū)動電極中的兩個相對的驅(qū)動電極被施加交流電壓時，由電容感應(yīng)效應(yīng)產(chǎn)生方形諧振子在驅(qū)動模態(tài)的振動；當(dāng)存在輸入角速度時，方形諧振子的振型向檢測模態(tài)轉(zhuǎn)變，利用檢測電極處電容感應(yīng)效應(yīng)產(chǎn)生的敏感電信號進(jìn)行信號檢測；上述驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)互相匹配。

本發(fā)明利用方形諧振子的特殊模態(tài)作為參考振動，在該模態(tài)下方形諧振子頂部四個角沿四邊方向振動。通過在四個驅(qū)動電極中一對驅(qū)動電極上施加正弦交流電壓，由電容感應(yīng)效應(yīng)產(chǎn)生方形諧振子在驅(qū)動模態(tài)的振動。當(dāng)有垂直于方形諧振子底部的角速度輸入時，在科氏力的作用下，方形諧振子的諧振方式會從驅(qū)動模態(tài)向檢測模態(tài)變化，檢測模態(tài)沿方形四邊方向的諧振振幅與輸入角速度的大小成正比。通過檢測方形諧振子與基體內(nèi)表面?zhèn)缺谏系乃膫€檢測電極間的感應(yīng)電容的變化，就可檢測垂直于方形諧振子底面平面角速度的大小。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、采用硅平面加工工藝，與現(xiàn)有的硅加工工藝兼容，并且，相對于體加工工藝制作的陀螺來說，工藝簡單，成本較低；

2、可以一次性地進(jìn)行離子摻雜，形成驅(qū)動電極和檢測電極；

3、可以一次性地沉積、刻蝕金屬形成連接線和引腳，且引腳對稱、整齊地分布在長方體底座的邊緣，便于封裝；