[發明專利]一種三片組裝式硅基超薄微半球諧振陀螺儀及其制備方法

有效

• 申請號: 201310177008.0
• 申請日: 2013-05-14
• 公開（公告）號: CN103398707A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發明（設計）人: 夏敦柱;孔倫;虞成;胡異煒
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01C19/56
• 分類號: G01C19/56;B81C3/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明涉及微機電陀螺儀的設計領域，特別是一種三片組裝式硅基超薄微半球諧振陀螺儀及其制備方法。?

背景技術

陀螺儀的發展經歷了從20世紀50年代的液浮陀螺儀到70年代的動力調諧陀螺儀，從80年代的環形激光陀螺儀、光纖陀螺儀到90年代的振動陀螺儀，直到目前研究報道較多的微電子機械系統(micro-electro-mechanical-system，MEMS)陀螺儀。這其中，基于振動理論的振動陀螺儀，由于沒有高速旋轉的轉子和相應的支承系統，因而具有性能穩定、結構簡單、可靠性高、承載能力大、體積小、成本低的特點，其機理是利用高頻振動的物體在旋轉時所產生的哥氏（Coriolis）效應來測量角速度。目前有音叉振動陀螺儀、壓電振動陀螺儀、殼體諧振陀螺儀等結構形式。在各類振動陀螺儀中，半球諧振陀螺儀（Hemispherical?Resonator?Gyroscope,HRG）的發展前景最為廣闊。?

美國是世界上最早開始研究HRG的國家，早在20世紀60年代，美國的Delco公司就著手開發HRG，并于1979年首次申請并獲得HRG的發明專利。此后，HRG的研究應用得到了快速發展，并在捷聯導航系統、哈勃太空望遠鏡以及NEAR宇宙飛船、A2100系列衛星、Cassini宇宙飛船等空間飛行器上得到成功應用。俄羅斯的HRG研制起步早，在陀螺儀的設計、信號處理以及系統設計上，其理論都是相當領先的。2002年底，俄羅斯拉明斯克設計局研制的HRG已完成項目的全部論證，并考慮正式投入裝備應用。英國于1984年開始研究HRG的工作原理，英國宇航系統與設備有限公司早就在研究圓柱殼式振動陀螺儀，并有向HRG發展的趨向。法國利用俄羅斯的人員和技術，已開發出直徑為20mm的HRG。此外，中國臺灣大學對半球諧振陀螺儀模態進行了分析，并對諧振子半徑為50mm的樣機進行了試驗研究。北京航空航天大學、東北大學、南京航空航天大學等從理論上對半球諧振子的參數設計、振動等問題進行了分析。中國電子科技集團26所一直堅持HRG的研制工作，并已取得了較大的進展，它前期利用俄羅斯技術，在直徑為60mm的HRG制作工藝上取得了突破，開發出了相應的高性能樣機，目前主要開發直徑為30mm的HRG，并于2012年10月成功完成衛星閉環控制實驗。?

以上所述的半球諧振陀螺儀皆屬于傳統型半球諧振陀螺儀，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用范圍。而利用MEMS技術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，可批量生產等優點，預期可廣泛用于航空、汽車、醫療、攝影、電子消費等領域，具有廣闊的應用前景。?

而目前，與微半球諧振陀螺儀的廣闊發展前景相對應的是，我國的微加工技術水平較低，與國外的先進技術水平還存在一定的差距。因此，研究出符合我國國情的微加工工藝技術，并在此基礎上進行改進提升是提高我國微加工技術水平的關鍵所在。?

發明內容

發明目的：本發明要解決的技術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。?

技術方案：本發明所述的三片組裝式硅基超薄微半球諧振陀螺儀，包括第一硅片、第二硅片、第三硅片、微半球殼、驅動電極和檢測電極，所述第一硅片設在第二硅片的上方、第三硅片設在第二硅片的下方，所述微半球殼設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；所述驅動電極設在第一硅片和第三硅片之間、微半球殼的外圍，驅動電極一端與第三硅片固定連接，另一端穿過第二硅片與第一硅片活動連接；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壁活動連接。?

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

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

作為優選，所述驅動電極為4n個，其中n為大于或等于1的整數。?

為了便于組裝，所述第一硅片上設有與驅動電極對應的插孔，所述插孔設在檢測電極的外圍。?

為了便于能使驅動電極穿過第二硅片與第一硅片連接，所述第二硅片上設有與驅動電極對應的通孔。?

為了使微半球殼能被靜電驅動，所述超薄微半球殼材料為金屬，電極材料為多晶硅。?

上述三片組裝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：?

（1）在第二硅片的背后刻蝕出八個通孔；?