[發明專利]一種SOI微半球陀螺敏感結構

有效

• 申請號: 201611139815.3
• 申請日: 2016-12-12
• 公開（公告）號: CN107063224B
• 公開（公告）日: 2020-06-23
• 發明（設計）人: 郭中洋;楊軍;劉飛;盛潔;竇茂蓮;蘇翼;夏春曉;劉韌;王登順;崔健;林夢娜;劉凱
• 申請（專利權）人: 北京自動化控制設備研究所
• 主分類號: G01C19/5691
• 分類號: G01C19/5691;G01C19/56;B81C1/00
• 代理公司: 核工業專利中心 11007
• 代理人: 呂巖甲

本發明屬于慣性測量技術領域，涉及一種微半球陀螺，具體涉及一種SOI微半球陀螺敏感結構，該結構包括中心半球諧振子、環形電極、電極絕緣層、離散電極和底座；中心半球諧振子為中心對稱結構，包括半球殼體和底部支撐柱；底部支撐柱設置在半球殼體正下方，并與底座固定連接；環形電極和離散電極設置在中心半球諧振子的外側圓周，并與中心半球諧振子之間形成間隙，環形電極設置在離散電極上，并與離散電極之間通過電極絕緣層實現隔離，離散電極設置在底座上；中心半球諧振子的半球殼體上部自由端至少與環形電極上端面保持齊平。本發明可實現角度(速率積分)工作模式，該工作模式避免了角速率的積分誤差等環節，可確保高線性度和大動態測量范圍。

技術領域

本發明屬于慣性測量技術領域，涉及一種微半球陀螺，具體涉及一種SOI微半球陀螺敏感結構。

背景技術

陀螺是一種用于敏感載體相對于慣性空間角運動的儀表，是慣性導航和制導系統的核心器件。

微半球陀螺是一種將傳統半球陀螺微型化的新型陀螺，其基于固體波動原理，具有全對稱、高品質因子等特征，理論上擁有很高的精度潛能，同時采用角度(速率積分)模式輸出時，可獲取高線性度和大動態測量范圍。

微半球陀螺的基體材料主要有硅、熔融石英、低膨脹石英玻璃、金屬合金以及寶石等，其中，硅微半球陀螺可通過光刻、刻蝕、沉積等MEMS工藝制作，具有可批量化加工、低成本、小體積、高集成度等優點，是微半球陀螺的一個重要技術方向。

一種硅微半球陀螺敏感結構如圖1和圖2所示，主要由中心半球殼體41、圓周驅動/檢測電極21、V型外支撐42等組成。其主要工藝步驟包括：

a)在單晶硅基片11上通過摻雜形成圓周驅動/檢測電極21；

b)通過各向同性刻蝕形成上部半球型空腔；

c)通過各向異性濕法腐蝕形成下部V型空腔；

d)在上部半球型空腔和下部V型空腔的表面沉積一層二氧化硅做犧牲層31；

e)在犧牲層表面再沉積一層多晶硅，即半球殼體的結構層；

f)通過濕法腐蝕進行結構釋放，通過控制腐蝕參數保留部分二氧化硅作為V型內支撐32。

釋放后，上部形成可動的多晶硅半球殼體41，犧牲層的厚度即為半球殼體41與圓周驅動/檢測電極21組成極板電容的間隙51；結構下部通過V型內支撐32和V型外支撐42實現支撐，并在底部實現錨接固定。

上述敏感結構主要存在以下問題：

1)驅動/檢測電極的初始電容是敏感結構的一項關鍵參數。初始電容大，對應驅動端，驅動力大、效率高；對應檢測端，機械增益大、信噪比高。如圖1所示，敏感結構在硅基片上通過摻雜形成圓周驅動/檢測電極，初始電容的大小與摻雜深度相關，受限于摻雜工藝較難獲取較大深度，存在驅動力小和檢測信號微弱等問題。

2)如圖2所示，敏感結構的電極配置一般為：在某一角度位置上(如0°-180°和90°-270°方向)為驅動或驅動反饋電極，與之相隔45°位置上(45°-225°和135°-315°方向)為檢測或檢測反饋電極。工作時，一般通過驅動和驅動反饋電極維持精確的驅動振型，檢測電極和檢測反饋電極實現對外界輸入角速率信號的敏感，該模式在常規環境下能夠滿足測量精度要求，但當陀螺工作環境的動態范圍較大時，存在線性度不足、大動態測量誤差大等問題。

發明內容

針對上述現有技術，本發明的目的在于提供一種SOI微半球陀螺敏感結構，在常規的離散驅動/檢測電極的基礎上設置一個環形電極，實現角度(速率積分)工作模式，獲取高線性度和大動態測量范圍。

為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案。