一種圓盤多環(huán)內(nèi)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(jī)電技術(shù)領(lǐng)域的陀螺，具體地，涉及一種圓盤多環(huán)內(nèi)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(cè)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(guó)防科技和航空、航天工業(yè)的發(fā)展，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)于陀螺儀的要求也向低成本、小體積、高精度、多軸檢測(cè)、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(jí)的微陀螺已經(jīng)成為近些年來(lái)MEMS技術(shù)廣泛研究和應(yīng)用開發(fā)的一個(gè)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(guó)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(duì)具有高Q值和對(duì)稱結(jié)構(gòu)的MEMS諧振器的設(shè)計(jì)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(jī)械機(jī)構(gòu)上，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，更高的動(dòng)態(tài)負(fù)載和在連接處的不精確連接會(huì)導(dǎo)致半球諧振陀螺產(chǎn)生更大偏移。于是，想到了設(shè)計(jì)一種具有良好對(duì)稱性的、小而緊湊的、平面結(jié)構(gòu)的MEMS陀螺，即圓盤多環(huán)內(nèi)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)內(nèi)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(diǎn)，具有良好的對(duì)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(gè)方面，提供一種圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振陀螺，包括:
[0006]—個(gè)基底；
[0007]—個(gè)圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振器，包含中央圓柱、多個(gè)S形柔性梁、多個(gè)同心圓環(huán)和多組輻條，其中:中央圓柱與基底相連，同心圓環(huán)之間均通過(guò)多個(gè)輻條相連，多個(gè)S形柔性梁的兩端均分別與中央圓柱和多個(gè)同心圓環(huán)中最小圓環(huán)內(nèi)側(cè)相連；
[0008]—組分布在圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振器外圍邊緣的電極，且每個(gè)電極分別與基底相連。
[0009]優(yōu)選地，所述基底上設(shè)有凸出的部分，所述凸出的部分包括中央圓柱和η個(gè)外圍邊緣離散的扇環(huán)部分，η 2 8且η為偶數(shù)，其中:η個(gè)外圍邊緣離散的扇環(huán)部分等間距分布且每個(gè)扇環(huán)部分的寬度相等；中央圓柱與η個(gè)外圍邊緣離散的扇環(huán)部分的高度相等；
[0010]基底上最外圍邊緣為η個(gè)等間距分布的電極片，其中:η個(gè)電極片與η個(gè)外圍邊緣離散的扇環(huán)部分的位置對(duì)應(yīng)，η個(gè)電極片分別與η個(gè)外圍邊緣離散的扇環(huán)部分用導(dǎo)線相連且兩者之間的距離均相等;η個(gè)電極片的寬度、厚度均相等；
[0011]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(shì)。
[0012]更優(yōu)選地，在所述中央圓柱和η個(gè)外圍邊緣離散的扇環(huán)部分上分別設(shè)有一層導(dǎo)電薄膜，然后將所述基底與單晶硅片鍵合。
[0013]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。
[0014]優(yōu)選地，所述圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振器中:中央圓柱位于圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振器的中心位置；
[0015]多個(gè)同心圓環(huán)的中心軸均與中央圓柱的中心軸重合；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；
[0016]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(gè)數(shù)為m個(gè)，m28且m為偶數(shù);每組輻條的間隔角度為360°/m;每個(gè)輻條的寬度均相等；
[0017]為了提升圓盤多環(huán)諧振器的靈敏度，在中央圓柱和多個(gè)同心圓環(huán)中最小圓環(huán)之間加入了多個(gè)S形柔性梁，所述S形柔性梁的個(gè)數(shù)為η個(gè)，η 2 8且η為偶數(shù);η個(gè)S形柔性梁等間距分布，且η個(gè)S形柔性梁的中心位于同一圓周上，η個(gè)S形柔性梁與中央圓柱位于同一水平面。
[0018]更優(yōu)選地，每個(gè)所述S形柔性梁均呈中心對(duì)稱，且均由兩個(gè)“月牙”形狀的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中:每個(gè)“月牙”結(jié)構(gòu)均由兩個(gè)直徑相等的半圓弧構(gòu)成，且半圓弧的圓心與S形柔性梁的中心共線。
[0019]優(yōu)選地，所述圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振器的材料為單晶硅。
[0020]優(yōu)選地，所述電極為η個(gè)扇環(huán)形狀的電極，η2 8且為偶數(shù)，η個(gè)電極與η個(gè)S形柔性梁的位置一一對(duì)應(yīng)，且每個(gè)電極的中心軸均與圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振器的中心軸重合;η個(gè)電極與同心圓環(huán)中最大圓環(huán)之間的間隙距離均相等；
[0021]η個(gè)電極包含η/2個(gè)驅(qū)動(dòng)電極和η/2個(gè)檢測(cè)電極，η/2個(gè)驅(qū)動(dòng)電極和η/2個(gè)檢測(cè)電極沿圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振器外圍邊緣均勻間隔排布。
[0022 ]優(yōu)選地，所述電極的材料為單晶硅。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振陀螺的制備方法，該方法包括如下步驟:
[0024](1)采用MEMS微細(xì)加工工藝，對(duì)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；
[0025](2)采用鍵合技術(shù)，將步驟(1)得到的基底與單晶硅片鍵合；
[0026](3)采用深反應(yīng)離子刻蝕(Deep Reactive 1n Etching)法，對(duì)單晶娃片進(jìn)行刻蝕，得到圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振器及其外圍邊緣的電極，最終得到圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振陀螺。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢(shì):
[0028]1.加工工藝步驟簡(jiǎn)潔，采用成熟的微機(jī)械加工工藝和刻蝕方法，利于批量生產(chǎn)；
[0029]2.圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振陀螺具有高度對(duì)稱性，且結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，抗沖擊，具有優(yōu)良的性能；
[0030]3.分布在圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振器外圍邊緣的電極相對(duì)于分布在圓盤多環(huán)內(nèi)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)內(nèi)S形柔性梁諧振陀螺的Q值，因而響應(yīng)更加靈敏。
[0031]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(diǎn)，具有良好的對(duì)稱性，因而可以達(dá)到較高的性能。
【附圖說(shuō)明】
[0032]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)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(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0033]圖1A為本發(fā)明一實(shí)施例中圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振陀螺的俯視圖；
[0034]圖1B為本發(fā)明一實(shí)施例中圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振陀螺的三維視圖；
[0035]圖1C為本發(fā)明一實(shí)施例中圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振陀螺的剖視圖；
[0036]圖2A為本發(fā)明一實(shí)施例中基底的俯視圖；
[0037]圖2B為本發(fā)明一實(shí)施例中基底的三維視圖；
[0038]圖2C為本發(fā)明一實(shí)施例中基底的剖視圖；
[0039]圖3A為本發(fā)明一實(shí)施例中圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振器的俯視圖；
[0040]圖3B為本發(fā)明一實(shí)施例中圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振器的三維視圖；
[0041]圖3C為本發(fā)明一實(shí)施例中圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振器的主視圖；
[0042]圖4A為本發(fā)明一實(shí)施例中圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振器與其外圍邊緣電極相對(duì)位置的俯視圖；
[0043]圖4B為本發(fā)明一實(shí)施例中圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振器與其外圍邊緣電極相對(duì)位置的三維視圖；
[0044]圖4C為本發(fā)明一實(shí)施例中圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振器與其外圍邊緣電極相對(duì)位置的剖視圖；
[0045]圖5A為圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振陀螺工作時(shí)圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振器所做四波腹振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)振型圖；
[0046]圖5B為圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振陀螺工作時(shí)圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振器所做四波腹振動(dòng)的檢測(cè)振型圖；
[0047]圖6A-6C為本發(fā)明一實(shí)施例中基底的制作工藝流程示意圖；
[0048]圖7A為本發(fā)明一實(shí)施例中基底與單晶硅片鍵合前的示意圖；
[0049]圖7B為本發(fā)明一實(shí)施例中基底與單晶硅片鍵合后的示意圖；
[°°50] 圖8為本發(fā)明一實(shí)施例中采用深反應(yīng)離子刻蝕(Deep Reactive 1n Etching)法，對(duì)單晶硅片進(jìn)行刻蝕，最終得到圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振陀螺；
[0051]圖中:基底100，圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振器102，電極104。
【具體實(shí)施方式】
[0052]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)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(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，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。
[0053]如圖1A、圖1B、圖1C所示，本實(shí)施例中提供一種圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振陀螺，包括:
[0054]一個(gè)基底100，基底100上具有一個(gè)中央圓柱和次外圍的8個(gè)凸出的扇環(huán)部分以及最外圍的8電極片；
[0055]—個(gè)圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振器102，包含中央圓柱、多個(gè)S形柔性梁、多個(gè)同心圓環(huán)和多個(gè)輻條，其中:中央圓柱與基底100相連，多個(gè)同心圓環(huán)之間均通過(guò)多個(gè)輻條相連，多個(gè)S形柔性梁的兩端均分別與中央圓柱和多個(gè)同心圓環(huán)中最小圓環(huán)內(nèi)側(cè)相連；
[0056]—組分布在圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振器102外圍邊緣的電極104，每個(gè)電極104分別與基底100相連。
[0057]以下對(duì)實(shí)施例中涉及的關(guān)于長(zhǎng)度、寬度、高度等說(shuō)明:
[0058]如圖2A所示，所述基底100的中央是底面圓直徑SDKDi的值為20μπι?2mm)中央圓柱，次外圍的8個(gè)扇環(huán)部分的寬度為W2(W2的值為ΙΟμπι?50μπι)，最外圍邊緣的8個(gè)電極片的寬度為W3(W3的值為1 Ομπι?1 ΟΟμπι)，電極片與扇環(huán)部分之間的間距為W4(W4的值為1 Ομπι?100μm) ο
[0059]如圖2C所示，所述基底100的凸出部分(即中央圓柱與8個(gè)扇環(huán)部分)的高度為!^^的值為lwn?ΙΟΟμπι);在凸出部位上沉積的導(dǎo)電薄膜的厚度分別為Η2(Η2的值為100nm?1μm)，最外圍邊緣8個(gè)電極片的厚度為H3(H3的值為100nm?Ιμπι)。
[0060]如圖3Α所示，所述圓盤多環(huán)內(nèi)S形柔性梁諧振器102的中央是直徑為02卬2的值為20μ