[發明專利]基于微圓球的微型半球諧振陀螺儀及其制備方法

有效

• 申請號: 201410390465.2
• 申請日: 2014-08-08
• 公開（公告）號: CN104197910B
• 公開（公告）日: 2017-09-08
• 發明（設計）人: 張衛平;唐健;劉亞東;汪濙海;成宇翔;孫殿竣;邢亞亮;陳文元
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01C19/5691
• 分類號: G01C19/5691;B81C1/00
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司31236
• 代理人: 徐紅銀,郭國中

技術領域

本發明涉及微電機技術領域的陀螺儀，具體地，涉及一種基于微圓球的微型半球諧振陀螺儀及其制備方法。

背景技術

陀螺儀是一種能夠檢測載體角度或角速度的慣性器件，在姿態控制和導航定位等領域有著非常重要的作用。隨著國防科技和航空、航天工業的發展，慣性導航系統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、能適應各種惡劣環境的方向發展。因此，MEMS微陀螺儀的重要性不言而喻。特別地，微型半球諧振陀螺儀作為MEMS微陀螺儀的一個重要研究方向，已經成為該領域的一個研究熱點。

半球諧振陀螺儀利用半球諧振子進行檢測，沒有高速旋轉部件，加之材料的穩定性和結構的對稱性，使其具有許多突出的優點，是目前精度最高的機械振動陀螺儀。

經過現有技術的文獻搜索發現，美國專利“VIBRATORY ROTATION SENSOR”(專利號：4951508)詳細地介紹了半球諧振陀螺儀的原理及信號檢測方法，對半球諧振陀螺儀的研究具有指導意義。然而，上述陀螺屬于傳統型的半球諧振陀螺儀，尺寸相對較大，限制了其應用范圍。基于MEMS技術的微型半球諧振陀螺儀繼承了傳統型半球諧振陀螺儀的優點，又兼具體積小、功耗低、批量化生產等優勢，具有重要的研究價值。基于MEMS技術的微型半球諧振陀螺儀多利用微尺度下的半球形模具制作微型半球諧振子，半球形模具的對稱性和光滑度直接影響微型半球諧振子的性能，目前仍無法對微尺度下的半球形模具進行精確制作。此外，MEMS技術制作微型半球諧振子通常依靠光刻技術進行電極和半球形模具的定位，無法實現自動對準。

基于此，迫切需要提出一種新的微陀螺儀制作方法，制作結構良好的微型半球諧振子，并能夠實現精確定位及自動對準。

發明內容

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種基于微圓球的微型半球諧振陀螺儀及其制備方法，能夠制作結構良好的微型半球諧振子，同時進行精確定位及自動對準。

根據本發明的一個方面，提供一種基于微圓球的微型半球諧振陀螺儀，包括：

一個單晶硅基底；

八個均勻分布式電極；

一個微型半球諧振子；

一個背部圓形孔；

一個粘附層；

其中：所述微型半球諧振子的中心軸與所述背部圓形孔的中心軸重合以實現精確定位及自動對準，所述微型半球諧振子通過所述粘附層固定在所述單晶硅基底上，八個所述電極均勻地分布在所述微型半球諧振子的周圍。

根據本發明的另一個方面，提供一種基于微圓球的微型半球諧振陀螺儀的制備方法，所述陀螺儀結合MEMS體硅加工工藝和表面硅加工工藝進行制作。所述方法包括如下步驟：

第一步、在藍寶石微圓球的外圍分別沉積多晶硅層和超低膨脹系數玻璃層，沉積過程不斷旋轉藍寶石微圓球，從而使沉積層厚度均勻；

第二步、對單晶硅片進行清洗，在單晶硅片背面涂膠、光刻、顯影、刻蝕、去膠、涂膠，從而制作背部圓形孔并進行保護，避免后續工藝對所述背部圓形孔造成影響；

第三步、在單晶硅片正面涂膠、光刻、顯影、離子注入、去膠，形成摻雜硅材料的電極；

第四步、在第三步的基礎上于單晶硅片正面涂膠、光刻、顯影、濺射金屬銅、去膠、刻蝕，利用金屬銅進行掩模并在后續工藝中對單晶硅片進行保護，同時去除第二步中在單晶硅片背面旋涂的保護膠；刻蝕出的深槽與背部圓形孔相通，深槽的直徑比沉積后的藍寶石微圓球的直徑稍大；

第五步、單晶硅片正面向上放平，將沉積后的藍寶石微圓球滾入正面深槽中，并輕輕晃動，通過背部圓形孔進行自動對準，同時用熱熔膠或液體粘合劑通過背部圓形孔將藍寶石微圓球粘連在單晶硅基底上；

第六步、在第五步的基礎上于單晶硅片正面用氬等離子體進行刻蝕，以去除藍寶石微圓球上半部分的多晶硅層及超低膨脹系數玻璃層；

第七步、將單晶硅片背面向上，取出藍寶石微圓球；

第八步、將單晶硅片正面向上，在第七步的基礎上于單晶硅片正面利用SF₆或XeF₂去除其余的多晶硅層，從而形成微型半球諧振子，同時去除金屬保護層。

與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：

本發明所述陀螺儀儀結合MEMS體硅加工工藝和表面硅加工工藝進行制作，是一種新穎的加工工藝；所述陀螺儀無需制作半球形模具，能夠形成對稱性好、光滑度高的微型半球諧振子；所述陀螺儀能夠通過背部圓形孔進行精確定位及自動對準。

附圖說明