[發(fā)明專利]一種基于靜電驅(qū)動(dòng)新型MOEMS陀螺儀及其加工方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210157961.8
• 申請(qǐng)日: 2022-02-21
• 公開（公告）號(hào): CN114459450A
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 夏敦柱;楊秀華;趙立業(yè)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C19/5656
• 分類號(hào): G01C19/5656;G01C19/5663;B81C1/00
• 代理公司: 南京眾聯(lián)專利代理有限公司 32206
• 代理人: 許小莉

本發(fā)明公開了一種基于靜電驅(qū)動(dòng)新型MOEMS陀螺儀及其加工方法，MOEMS陀螺儀包括器件層、金屬引線層和襯底層，金屬引線層介于器件層和襯底層之間。器件層包括機(jī)械模塊、靜電驅(qū)動(dòng)模塊、光學(xué)敏感模塊和支撐框架。其中機(jī)械模塊由質(zhì)量塊、驅(qū)動(dòng)彈簧梁、敏感彈簧梁和解耦框架構(gòu)成；靜電驅(qū)動(dòng)模塊由兩組驅(qū)動(dòng)梳齒結(jié)構(gòu)組成；光學(xué)敏感模塊主要由集成波導(dǎo)、二維光子晶體和機(jī)械敏感單元組成；質(zhì)量塊在靜電力驅(qū)動(dòng)下沿著驅(qū)動(dòng)軸方向振動(dòng)，在外加角速度下使機(jī)械敏感單元發(fā)生位移變化，通過光信號(hào)進(jìn)入集成波導(dǎo)經(jīng)過二維光子晶體耦合入機(jī)械敏感單元，檢測(cè)輸出集成波導(dǎo)出射的光信號(hào)變化。本發(fā)明結(jié)構(gòu)集成度高、封裝尺寸小、低功耗、易于制造和易于攜帶等特點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微慣性傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體提供一種基于靜電驅(qū)動(dòng)新型MOEMS陀螺儀及其加工方法。

背景技術(shù)

作為微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）中發(fā)展起來的一種極具活力的新型微光機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS）傳感器。由其高性能、成本低、尺寸小等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到越來越多的關(guān)注。其中MOEMS陀螺儀具有許多吸引人的優(yōu)勢(shì)，例如抗電磁干擾能力強(qiáng)、熱穩(wěn)定性高、性能優(yōu)異、帶寬寬和可靠性高。這些優(yōu)點(diǎn)使其用于地震探測(cè)的振動(dòng)分析、鐵路技術(shù)、健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用以及工業(yè)測(cè)試等方面潛在廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

由于MEMS陀螺儀對(duì)外部角速度的響應(yīng)可以通過電容、壓阻、壓電和光學(xué)等技術(shù)來檢測(cè)。電容檢測(cè)技術(shù)用于MEMS陀螺儀最廣泛的方法，主要是其易于設(shè)計(jì)和制造、補(bǔ)償便捷以及對(duì)環(huán)境變化適應(yīng)性穩(wěn)定，但現(xiàn)有電容檢測(cè)存在卷曲效應(yīng)、寄生電容和電磁干擾影響等缺點(diǎn)。而基于壓電和壓阻的傳感器對(duì)外界干擾信號(hào)較敏感，在惡劣環(huán)境下不兼容。目前光學(xué)檢測(cè)技術(shù)具有更強(qiáng)的抗電磁干擾能力和更高的熱穩(wěn)定性特性，有利于其他檢測(cè)技術(shù)以及克服上述不足。為此，MOEMS陀螺儀備受廣泛的關(guān)注。

現(xiàn)有的MOEMS陀螺儀處于理論研究階段，其還未得到廣泛的使用，并且其制備方法、功能驗(yàn)證以及工作穩(wěn)定性還有待明確。此外，當(dāng)前MOEMS陀螺儀的可靠性低和靈敏度不高。因此，本發(fā)明針對(duì)于現(xiàn)有MOEMS陀螺儀技術(shù)不足，提供一種基于靜電驅(qū)動(dòng)新型MOEMS陀螺儀及其加工方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于靜電驅(qū)動(dòng)新型MOEMS陀螺儀及其加工方法，以克服傳統(tǒng)MEMS陀螺儀采用壓電、壓阻和電容檢測(cè)技術(shù)存在卷曲效應(yīng)、檢測(cè)電路復(fù)雜、寄生電容及電磁波干擾等問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述的本發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種基于靜電驅(qū)動(dòng)新型MOEMS陀螺儀，包括器件層、金屬引線層、襯底層，所述器件層內(nèi)部開設(shè)多個(gè)結(jié)構(gòu)孔填充均為空氣；所述金屬引線層介于襯底層和器件層之間；所述器件層包括機(jī)械模塊、靜電驅(qū)動(dòng)模塊、光學(xué)敏感模塊和支撐框架；其中機(jī)械模塊由質(zhì)量塊、驅(qū)動(dòng)彈簧梁、敏感彈簧梁和解耦框架構(gòu)成，質(zhì)量塊分布在整個(gè)器件層的中心位置，質(zhì)量塊的四個(gè)邊角處分別通過驅(qū)動(dòng)彈簧梁與解耦框架相連，解耦框架的四個(gè)邊角處分別通過敏感彈簧梁與支撐框架相連；靜電驅(qū)動(dòng)模塊由兩組驅(qū)動(dòng)梳齒結(jié)構(gòu)組成，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)梳齒設(shè)置在質(zhì)量塊橫向左右側(cè)中間位置并且相互對(duì)稱，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)梳齒分別與質(zhì)量塊中梳齒結(jié)構(gòu)相互對(duì)位，形成兩組靜電驅(qū)動(dòng)模塊；光學(xué)敏感模塊由集成波導(dǎo)、二維光子晶體和機(jī)械敏感單元組成，其中四個(gè)集成波導(dǎo)分別分布在支撐框架縱向上下方的左、右位置，左、右兩個(gè)集成波導(dǎo)介于機(jī)械敏感單元左右兩側(cè)且相互對(duì)稱，分布在機(jī)械敏感單元左右兩側(cè)的二維光子晶體相互對(duì)稱，多個(gè)方形孔以周期性排布形成二維光子晶體，每個(gè)方體形的集成波導(dǎo)與支撐框架和二維光子晶體相連接，兩個(gè)呈梯形狀的機(jī)械敏感單元分別位于支撐框架縱向方向的上、下方中間位置，機(jī)械敏感單元內(nèi)開設(shè)長(zhǎng)方形孔，兩個(gè)機(jī)械敏感單元分別與解耦框架上下梁的中間部位相連；

上述方案中，所述的器件層材料可以為碳化硅、硅和氮化硅中任意一種，優(yōu)先選擇硅作為器件層材料。

上述方案中，所述的襯底層為長(zhǎng)方體狀，其材料可以為碳化硅、硅、石英玻璃和藍(lán)寶石中任意一種，優(yōu)先選擇石英玻璃作為襯底材料。

上述方案中，所述的金屬引線層的材料可以為金、銀、鋁和銅中任意一種，用于與器件層和電氣連接，優(yōu)選材料為銅。