一種圓盤多環(huán)外s形柔性梁諧振陀螺及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微機電技術(shù)領(lǐng)域的陀螺，具體地，涉及一種圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振陀螺及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]陀螺儀是一種能夠敏感檢測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?；贛EMS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級的微陀螺已經(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。
[0003]隨著MEMS陀螺在導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用和發(fā)展，國外科學(xué)家1994年研制的半球諧振陀螺具有較高的性能。借助于這種半球諧振陀螺的研究，研究者們對具有高Q值和對稱結(jié)構(gòu)的MEMS諧振器的設(shè)計有了更好的理解。但是，由于早期的桿結(jié)構(gòu)諧振器的桿部分需要組裝在微機械機構(gòu)上，從長遠(yuǎn)來看，更高的動態(tài)負(fù)載和在連接處的不精確連接會導(dǎo)致半球諧振陀螺產(chǎn)生更大偏移。于是，想到了設(shè)計一種具有良好對稱性的、小而緊湊的、平面結(jié)構(gòu)的MEMS陀螺，即圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振陀螺。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振陀螺的結(jié)構(gòu)，具有體積小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，響應(yīng)靈敏等優(yōu)點，具有良好的對稱性，因而可以達(dá)到$父尚的性能。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振陀螺，包括:
[0006]—個基底；
[0007]—個圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振器，包含最外圍一圈圓環(huán)、多個同心圓環(huán)、多個S形柔性梁和多組輻條，其中:最外圍一圈圓環(huán)與基底相連，同心圓環(huán)之間通過多個輻條相連，多個s形柔性梁的兩端均分別與最外圍一圈圓環(huán)內(nèi)側(cè)和同心圓環(huán)的最大圓環(huán)外側(cè)相連；
[0008]一組分布在圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振器內(nèi)側(cè)邊緣的電極，且每個電極分別與基底相連。
[0009]優(yōu)選地，所述基底的中央為圓柱體鏤空結(jié)構(gòu)；
[0010]基底上設(shè)有凸出的部分，所述凸出的部分包括η個外圍邊緣離散的扇環(huán)部分和η個中央離散的扇環(huán)部分，η多8且η為偶數(shù)，其中m個外圍邊緣離散的扇環(huán)部分等間距分布且每個扇環(huán)部分的寬均相等；n個中央離散的扇環(huán)部分等間距分布且每個扇環(huán)部分的寬均相等；n個外圍邊緣離散的扇環(huán)部分的中心軸與η個中央離散的扇環(huán)部分的中心軸重合；η個外圍邊緣離散的扇環(huán)部分和η個中央離散的扇環(huán)部分高均相等；
[0011]基底上最外側(cè)邊緣為η個等間距分布的電極片，其中:η個電極片的分別與η個中央離散的扇環(huán)部分的位置對應(yīng)，η個電極片的分別與η個中央離散的扇環(huán)部分用導(dǎo)線相連，且導(dǎo)線分別從η個外圍邊緣離散的扇環(huán)部分的間隙中穿過；11個電極片的寬度、厚度均相等；
[0012]基底上的中央圓柱上將引出一條引線，用于接地或接零電勢。
[0013]更優(yōu)選地，在η個所述外圍邊緣離散的扇環(huán)部分和η個中央離散的扇環(huán)部分上面分別設(shè)有一層導(dǎo)電薄膜，然后將所述基底與單晶硅片鍵合。
[0014]優(yōu)選地，所述基底的材料為熔融石英或耐熱玻璃或單晶硅。
[0015]優(yōu)選地，所述圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振器的中央為圓柱體鏤空結(jié)構(gòu)；
[0016]多個同心圓環(huán)的中心軸均與最外圍一圈圓環(huán)的中心軸重合；多個同心圓環(huán)的寬度均相等；同心圓環(huán)之間的間隙寬度均相等；
[0017]分布于同心圓環(huán)間的每組輻條均勻間隔排列；每組輻條的個數(shù)為m，m彡8且m為偶數(shù)；每組輻條的間隔角度為360° /m ;每個輻條的寬度均相等；
[0018]為了提升圓盤多環(huán)諧振器的靈敏度，在最外圍一圈圓環(huán)和同心圓環(huán)的最大圓環(huán)之間加入了多個S形柔性梁，所述S形柔性梁的個數(shù)為η個，η多8且η為偶數(shù)，η個S形柔性梁等間距分布，且η個S形柔性梁的中心位于同一圓周上，η個S形柔性梁與最外圍一圈圓環(huán)位于同一水平面。
[0019]更優(yōu)選地，每個所述S形柔性梁均呈中心對稱，且均由兩個“月牙”形狀的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中:每個“月牙”結(jié)構(gòu)均由兩個直徑相等的半圓弧構(gòu)成；兩個半圓弧之間相距的最大距離均相等，且每個半圓弧的圓心與S形柔性梁的中心共線。
[0020]優(yōu)選地，所述圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振器的材料為單晶硅。
[0021]優(yōu)選地，所述電極為η個扇環(huán)形狀的電極，η彡8且η為偶數(shù)；η個電極的位置與η個S形柔性梁的位置一一對應(yīng)，且每個電極的中心軸均與圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振器的中心軸重合；η個電極與同心圓環(huán)中最小圓環(huán)之間的間隙距離均相等；
[0022]η個電極包含η/2個驅(qū)動電極和η/2個檢測電極，η/2個驅(qū)動電極和η/2個檢測電極沿圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振器內(nèi)側(cè)邊緣均勻間隔排布。
[0023]優(yōu)選地，所述電極的材料為單晶硅。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振陀螺的制備方法，所述方法包括如下步驟:
[0025](1)采用MEMS微細(xì)加工工藝，對基底進(jìn)行刻蝕，形成凹槽和凸出部分，在凸出部分上鍍一層導(dǎo)電薄膜；
[0026](2)采用鍵合技術(shù)，將步驟⑴得到的基底與單晶硅片鍵合；
[0027](3)采用深反應(yīng)離子刻蝕(Deep Reactive 1n Etching)法，對單晶娃片進(jìn)行刻蝕，得到圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振器及其內(nèi)側(cè)邊緣的電極，最終得到圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振陀螺。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢:
[0029]1.加工工藝步驟簡潔，采用成熟的微機械加工工藝和刻蝕方法，利于批量生產(chǎn)；
[0030]2.圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振陀螺具有高度對稱性，且結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，抗沖擊，具有優(yōu)良的性能；
[0031]3.分布在圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振器內(nèi)側(cè)邊緣的電極相對于分布在圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振器中同心圓環(huán)內(nèi)部的電極而言，可以提高圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振陀螺的Q值，因而響應(yīng)更加靈敏。
[0032]本發(fā)明具有體積小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、響應(yīng)靈敏等優(yōu)點，具有良好的對稱性，因而可以達(dá)到較高的性能。
【附圖說明】
[0033]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例中所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0034]圖1A為本發(fā)明一實施例中圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振陀螺的俯視圖；
[0035]圖1B為本發(fā)明一實施例中圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振陀螺的三維視圖；
[0036]圖1C為本發(fā)明一實施例中圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振陀螺的剖視圖；
[0037]圖2A為本發(fā)明一實施例中基底的俯視圖；
[0038]圖2B為本發(fā)明一實施例中基底的三維視圖；
[0039]圖2C為本發(fā)明一實施例中基底的剖視圖；
[0040]圖3A為本發(fā)明一實施例中圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振器的俯視圖；
[0041]圖3B為本發(fā)明一實施例中圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振器的三維視圖；
[0042]圖3C為本發(fā)明一實施例中圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振器的主視圖；
[0043]圖4A為本發(fā)明一實施例中圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振器與其內(nèi)側(cè)邊緣電極相對位置的俯視圖；
[0044]圖4B為本發(fā)明一實施例中圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振器與其內(nèi)側(cè)邊緣電極相對位置的三維視圖；
[0045]圖4C為本發(fā)明一實施例中圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振器與其內(nèi)側(cè)邊緣電極相對位置的剖視圖；
[0046]圖5A為圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振陀螺工作時圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振器所做四波腹振動的驅(qū)動振型圖；
[0047]圖5B為圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振陀螺工作時圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振器所做四波腹振動的檢測振型圖；
[0048]圖6A-6C為本發(fā)明一實施例中基底的制作工藝流程示意圖；
[0049]圖7A為本發(fā)明一實施例中基底與單晶娃片鍵合如的不意圖；
[0050]圖7B為本發(fā)明一實施例中基底與單晶娃片鍵合后的不意圖；
[0051]圖8為本發(fā)明一實施例中采用深反應(yīng)離子刻蝕(De印Reactive 1n Etching)法，對單晶硅片進(jìn)行刻蝕，最終得到圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振陀螺；
[0052]圖中:基底100，圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振器102，電極104。
【具體實施方式】
[0053]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0054]如圖1A、圖1B、圖1C所示，本實施例中提供一種圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振陀螺，包括:
[0055]—個基底100，包括8個外圍邊緣離散的扇環(huán)部分、8個中央離散的扇環(huán)部分和最外側(cè)邊緣的8個電極片；
[0056]一個圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振器102，包含最外一圈圓環(huán)、8個S形柔性梁、多個同心圓環(huán)和多個福條，其中:最外一圈圓環(huán)與基底相連，多個同心圓環(huán)之間均通過多個福條相連，8個S形柔性梁的兩端均分別與最外一圈圓環(huán)內(nèi)側(cè)和同心圓環(huán)中的最大圓環(huán)外側(cè)相連；
[0057]8個分布在圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振器102內(nèi)側(cè)邊緣的電極104，且每個電極104分別與基底100相連。
[0058]以下對實施例中涉及的關(guān)于長度、寬度、高度等說明:
[0059]如圖2A所示，所述基底100的中央是鏤空結(jié)構(gòu)，鏤空部分呈底面圓直徑為DjDi的值為20 μπι?2_)的圓柱體；8個外圍邊緣離散的扇環(huán)部分的寬度均為W2(W2的值為10 μπι?100 μπι) ；8個中央離散的扇環(huán)部分的寬度均為W3 (W3的值為10 μπι?50 μπι)，最外偵U邊緣8個電極片的寬度均為W4(W4的值為10 μπι?100 μπι)。
[0060]如圖2C所示，所述基底100上的凸出部分(即8個外圍邊緣離散的扇環(huán)部分和8個中央離散的扇環(huán)部分)的高度均為$(?的值為1 μπι?100 μπι);在凸出部位上沉積有一層導(dǎo)電薄膜，導(dǎo)電薄膜的厚度均為Η2(Η2的值為lOOnm?1 μπι);最外側(cè)邊緣的電極片的厚度均為Η3 (?的值為lOOnm?1 μ m)。
[0061]如圖3A所示，所述圓盤多環(huán)外S形柔性梁諧振器102的中央是鏤空結(jié)構(gòu)，鏤空部分呈底面直徑為％?2的值為20 μπι?2mm)的圓柱體；每條同心圓環(huán)的寬度均為W5(W5的值為5μηι?50