一种采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺及其制备方法，蝶翼式微陀螺包括硅电极基板、硅盖板以及带有振动梁的硅敏感结构，所述硅敏感结构的振动梁为以用于制备硅敏感结构的SOI硅片为原材料采用湿法腐蚀和干法刻蚀相结合制成的多边形振动梁，所述多边形振动梁的主轴方位角不等于90°；制备方法包括以SOI硅片为原材料，采用湿法腐蚀和干法刻蚀相互结合的加工工艺方法制备蝶翼式微陀螺。本发明专利技术能够实现微陀螺主轴方位角的灵活配置，同时实现减小加工工艺误差对微陀螺性能的影响，具有容差能力高、加工工艺简单、加工质量高、加工鲁棒性好、稳定性好、应用范围广的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺及其制备方法
本专利技术涉及硅微传感器及及其硅微陀螺技术，具体涉及一种采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺及其制备方法。
技术介绍
陀螺仪是测量载体相对惯性空间旋转运动的传感器，是运动测量、惯性导航、制导控制等领域的核心器件，在航空航天、智能机器人、制导弹药等高端工业装备和精确打击武器中具有非常重要的应用价值。MEMS陀螺仪主要有机械转子陀螺、静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和微机电陀螺等类型。机械转子陀螺和静电陀螺精度最高，但价格非常昂贵，启动时间长。激光陀螺和光纤陀螺能够达到惯性级水平，但体积难以新型、价格高、难以满足大批量、新型战术武器的需求。基于微机电系统的MEMS陀螺仪具有体积小、成本低、可靠性高、功耗低、寿命长、可批量生产、价格便宜等特点，特别适用于需求量大、追求成本低的场合，在大批量和小体积的工业和武器装备应用中具有先天优势，因此在过去的几十年受到了各国的高度重视。目前，微机电系统的MEMS陀螺仪中研究完整度最高、性能最稳定、且工艺制备技术成熟的陀螺，以梳齿式和平板式电容微陀螺仪为主。其中梳齿式陀螺仪，该类型陀螺的梳齿要求具有很高的深宽比，因此加工工艺复杂，具有较高的生产成本。而平板式电容微陀螺具有结构简单、加工工艺简单、成本低、性能稳定、可靠性高等优势，适用于大批量化生产，应用广泛而受到普遍重视。尽管微机电平板式电容微陀螺已经变为重要的惯性器件并且取得了突破性的发展，但市场上高新设备的不断发展对其性能提出了更高的要求，因此如何结合现有的设计工艺制造探索结构简单、制造高效、性能卓越的微陀螺具有重要的现实意义。国内外研究这种微机电平板式电容微陀螺较为成熟的单位包括sensonor公司，其发表的关于微机电平板式电容微陀螺的结构设计的专利，其中包含有硅微陀螺振动梁设计，如图1所示，其中a表示斜梁上端宽度，b表示梁宽度，h表示干法刻蚀深度，H表示梁高度，θ表示干法刻蚀倾斜角。该振动梁截面形状采用干法刻蚀加工工艺。具体的凸边形振动梁加工工艺步骤如下，首先硅片结构层采用干法刻蚀工艺加工出凸边形振动梁的两个矩形凹槽，之后与底部电极键合后，在结构层背面采用干法刻蚀工艺得到凸边形振动梁的竖直侧壁。该振动梁截面形状存在的不足之处主要在于两个方面，其一是采用干法刻蚀工艺加工出来凸形梁的凹槽底部面粗糙度较大，并且干法刻蚀工艺加工的竖直侧壁存在陡直度倾角误差。其二是该凸形梁截面易受到加工误差的影响，尺寸偏差对截面主轴方位角影响程度高，截面容差能力不强，加工误差难以控制，加工难度大。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够提升微陀螺主轴方位角的同时加工工艺误差对性能的影响较小，容差能力高、加工工艺简单、加工质量高、加工鲁棒性好、稳定性好、应用范围广的采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺及其制备方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：本专利技术提供一种采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺，包括硅电极基板、硅盖板以及带有振动梁的硅敏感结构，所述硅敏感结构的振动梁为以用于制备硅敏感结构的SOI硅片为原材料采用湿法腐蚀和干法刻蚀相结合制成的多边形振动梁，所述多边形振动梁的主轴方位角不等于90°。优选地，所述多边形振动梁的横截面为六边形或五边形，所述多边形振动梁的一侧的至少一端设有采用湿法腐蚀形成的斜壁、另一侧的两端均为采用干法刻蚀形成的直壁。优选地，所述多边形振动梁的中部设有应力释放结构。优选地，所述应力释放结构包括和多边形振动梁交叉垂直布置的应力释放框，所述应力释放框的中部设有沿应力释放框的长度方向布置的应力释放长槽，所述应力释放长槽的两侧各设有一对相对多边形振动梁对称布置的应力释放短槽，且所述应力释放长槽两侧的应力释放短槽相对应力释放长槽相互对称布置。优选地，所述硅敏感结构包括固定框架，所述多边形振动梁设于固定框架中，所述固定框架中还设有通过多边形振动梁连接到固定框架上的四件作为活动电容板的敏感质量块。优选地，所述固定框架的中部位于多边形振动梁的两侧各设有一个通孔区域，各通孔区域内均布置有一对敏感质量块，且所述四个敏感质量块相对多边形振动梁呈对称布置。优选地，所述硅电极基板上设有平面电极以及与四个敏感质量块一一对应且相对间隙设置的固定电容板，所述固定电容板包括间隙布置的驱动电容板和检测电容板，所述驱动电容板和检测电容板分别与平面电极相连。优选地，每一组固定电容板包括一块检测电容板和两块驱动电容板，且一块检测电容板和两块驱动电容板呈品字形分布，两块驱动电容板对称布置于检测电容板的同一侧，四块检测电容板分别具有独立的平面电极，对应多边形振动梁对称分布的两块驱动电容板具有同一根平面电极。优选地，所述敏感质量块上设有多个均匀布置的导通小孔。本专利技术还提供一种前述采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺的制备方法，实施步骤包括：1）准备用于制作硅敏感结构的第一SOI硅片；2）对第一SOI硅片的衬底硅进行湿法腐蚀得到多边形振动梁结构；3）准备用于制作硅电极基板的第二SOI硅片；4）对第二SOI硅片进行电极间隙深度的干法刻蚀，刻蚀出电极的锚点位置，制作出蝶翼式微陀螺的电极间隙；5）对第二SOI硅片进一步进行干法刻蚀，直至埋氧层，干法刻蚀出蝶翼式微陀螺的电极结构、键合凸台、电极引线；6）采用“硅-硅”低应力键合技术，将第一SOI硅片、第二SOI硅片键合实现固连；7）去除键合后的第一SOI硅片的上层指定厚度；8）采用高精度双面光刻图形对准技术，在键合后的第一SOI硅片上进行光刻，形成与步骤2）的多边形振动梁结构图像重叠的图案，进行干法刻蚀并将其刻穿，得到硅敏感结构；9）选用双抛硅片制备用于构成硅盖板的封装盖帽；10）根据蝶翼式硅微陀螺的硅敏感结构的尺寸，针对封装盖帽刻蚀出真空密封的内部腔体，设定浆料键合环宽度以及玻璃浆料键合时与敏感结构和电极引线之间的距离，得到硅盖板；11）在硅盖板的底部电极引线位置增加玻璃浆料，用于形成密封圈；12）利用玻璃浆料键合技术，将硅盖板与结构封装，最终实现蝶翼式微陀螺的圆片级真空封装。本专利技术采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺具有下述优点：1、本专利技术的多边形振动梁设计，能够在灵活配置微陀螺主轴方位角的同时，降低各类加工工艺误差对微陀螺性能的影响，该振动梁截面具有很高的容差能力，对加工工艺误差的容忍能力较强，能减小工艺制造误差对振动梁结构截面尺寸和陀螺的性能影响程度，提高振动梁的实际加工性能效果和设计值匹配度较高。2、本专利技术进一步在多边形振动梁的中部设有应力释放结构，不仅综合考虑结构小型化设计和抗冲击能力，并且具有良好的应力释放效果，能够实现降低结构应力，提高结构鲁棒性，提高敏感结构灵敏度的设计目的。3、本专利技术的多边形振动梁的蝶翼式微陀螺包括硅敏感结构、硅电极基板和硅盖板，硅敏感结构夹持布置于硅电极基板和硅盖板之间形成三层结构，硅敏感结构包括固定框架，固定框架的中部设有多边形振动梁和四件作为活动电容板的敏感质量块，硅电极基板上设有平面电极以及与四个敏感质量块一一对应且相对间隙设置的固定电容板，大幅减小蝶翼式微陀螺敏感结构的整体体积，具有加工工艺简单、加工质量高、加工鲁棒性好、稳定性好、应用范围广的优点。本专利技术采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺的制备方法具有下述优点：本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺，包括硅电极基板(1)、硅盖板(3)以及带有振动梁的硅敏感结构(2)，其特征在于：所述硅敏感结构(2)的振动梁为以用于制备硅敏感结构(2)的SOI硅片为原材料采用湿法腐蚀和干法刻蚀相结合制成的多边形振动梁(22)，所述多边形振动梁(22)的主轴方位角不等于90°。

【技术特征摘要】
1.一种采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺，包括硅电极基板(1)、硅盖板(3)以及带有振动梁的硅敏感结构(2)，其特征在于：所述硅敏感结构(2)的振动梁为以用于制备硅敏感结构(2)的SOI硅片为原材料采用湿法腐蚀和干法刻蚀相结合制成的多边形振动梁(22)，所述多边形振动梁(22)的主轴方位角不等于90°。2.根据权利要求1所述的采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺，其特征在于：所述多边形振动梁(22)的横截面为六边形或五边形，所述多边形振动梁(22)的一侧的至少一端设有采用湿法腐蚀形成的斜壁、另一侧的两端均为采用干法刻蚀形成的直壁。3.根据权利要求1所述的采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺，其特征在于：所述多边形振动梁(22)的中部设有应力释放结构(24)。4.根据权利要求3所述的采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺，其特征在于：所述应力释放结构(24)包括和多边形振动梁(22)交叉垂直布置的应力释放框(241)，所述应力释放框(241)的中部设有沿应力释放框(241)的长度方向布置的应力释放长槽(242)，所述应力释放长槽(242)的两侧各设有一对相对多边形振动梁(22)对称布置的应力释放短槽(243)，且所述应力释放长槽(242)两侧的应力释放短槽(243)相对应力释放长槽(242)相互对称布置。5.根据权利要求1～4中任意一项所述的采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺，其特征在于：所述硅敏感结构(2)包括固定框架(21)，所述多边形振动梁(22)设于固定框架(21)中，所述固定框架(21)中还设有通过多边形振动梁(22)连接到固定框架(21)上的四件作为活动电容板的敏感质量块(23)。6.根据权利要求5所述的采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺，其特征在于：所述固定框架(21)的中部位于多边形振动梁(22)的两侧各设有一个通孔区域，各通孔区域内均布置有一对敏感质量块(23)，且所述四个敏感质量块(23)相对多边形振动梁(22)呈对称布置。7.根据权利要求6所述的采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺，其特征在于：所述硅电极基板(1)上设有平面电极(11)以及与四个敏感质量块(23)一一对应且相对间隙设置的固定电容板(12)，所述固定电容...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖定邦，吴学忠，侯占强，欧芬兰，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43