一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺及其制备方法，所述具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺包括敏感结构和电极基板组成的双层结构，所述敏感结构包括弹性支撑框架、四个质量块、支撑梁和振动梁，所述振动梁设于弹性支撑框架中，四个质量块通过支撑梁连接到所述振动梁上且相对振动梁呈对称布置；所述电极基板上设有与四个质量块一一对应且相对间隙设置的平面电极组；所述敏感结构和和电极基板均采用熔融石英材料。本发明专利技术所提出的具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺结构简单、设计巧妙，由敏感结构和电极基底两部分组成，两者材料均为熔融石英，可以减小由于材料特性不匹配引起的结构热应力。料特性不匹配引起的结构热应力。料特性不匹配引起的结构热应力。

【技术实现步骤摘要】
一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺及其制备方法


[0001]本专利技术涉及微机械传感器
，特别地，涉及一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺及其制备方法。

技术介绍

[0002]陀螺仪是一种测量运动载体角速度的惯性传感器，是惯性导航、姿态测量和运动控制的基础核心器件，主要包括机械转子陀螺、静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和MEMS陀螺等类型。其中，MEMS陀螺具有尺寸小、可靠性高、功耗低、成本低、易于批量制造等优势，特别适用于需求量大、追求低成本的应用领域，在中低精度、中近程导航方面具有显著的优势和广阔的发展前景。
[0003]蝶翼式微陀螺仪是典型的MEMS陀螺仪，它基于哥氏效应，采用静电驱动、电容检测的工作方式，最早由瑞典IMEGO研究所提出。目前大部分采用的是硅基蝶翼式微陀螺仪。现有的硅基蝶翼式微陀螺仪零偏稳定性可优于1
°
/h，但仍有许多不足。比如，寄生电容较大，甚至远大于检测模态的电容变化量，使得有用信号往往被寄生电容产生的噪声所淹没，严重影响微陀螺的输出性能；温度稳定性较差，环境温度变化时会对零偏输出产生较大影响，使得微陀螺全温区性能难以提升；品质因数较低，尤其是检测Q值较低，与其他种类MEMS硅基陀螺差距较大。随着MEMS陀螺仪应用领域的不断扩展，人们对精度更高、温度稳定性更好、品质因数更高的高性能MEMS陀螺仪的需求变得极为迫切。

技术实现思路

[0004]为解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术目的在于提供一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺及其制备方法，具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺结构简单、设计巧妙，由敏感结构和电极基底两部分组成，两者材料均为熔融石英，可以减小由于材料特性不匹配引起的结构热应力。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺，包括敏感结构和电极基板组成的双层结构，所述敏感结构包括弹性支撑框架、四个质量块、支撑梁和振动梁，所述振动梁设于弹性支撑框架中，四个质量块通过支撑梁连接到所述振动梁上且相对振动梁呈对称布置；
[0006]所述电极基板上设有与四个质量块一一对应且相对间隙设置的平面电极组；
[0007]所述敏感结构和和电极基板均采用熔融石英材料。
[0008]进一步的，所述敏感结构还包括多个锚点，所述锚点对称分布在所述弹性支撑框架两侧；所述电极基板上设有与所述锚点一一对应的凸台。
[0009]进一步的，所述锚点与所述凸台之间通过金金键合相连。
[0010]进一步的，每个所述平面电极组包括一个检测电极、两个驱动电极和两个调轴电极；所述检测电极为T型结构，所述驱动电极和调轴电极均对称分布在所述检测电极两侧。
[0011]进一步的，所述振动梁是在矩形梁的基础上由干法刻蚀出凹槽而得，刻蚀起始位
置在矩形梁上表面，所述凹槽距离矩形梁两侧有一定距离，其截面形状为凹面多边形，简称为“凹形梁”，所述振动梁分隔为三段，其中中间一段的长度是左右两段长度的两倍，以使驱动模态弯曲角度和检测模态扭转角度最大。
[0012]进一步的，两个所述质量块相对于所述振动梁对称分布并通过所述支撑梁连接成一个整体，所述质量块的中心线穿过所述振动梁左右两段的中点，即穿过梁的摆动中心。
[0013]本专利技术还提供了上述的一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺的制备方法，包括制备敏感结构和电极基板，并将制备好的敏感结构和电极基板通过金金键合技术实现固连。
[0014]进一步的，所述敏感结构的制备包括以下步骤：
[0015](1)准备用于制作所述敏感结构的熔融石英圆片；
[0016](2)依次双面溅射Cr、Au金属层用做电镀的种子层；
[0017](3)双面匀胶、光刻及显影；
[0018](4)双面电镀Ni掩膜层；
[0019](5)双面去除光刻胶后，采用离子束刻蚀对双面Ni掩膜及Cr/Au种子层图形化；
[0020](6)正面干法刻蚀，刻蚀出所述振动梁的凹槽；
[0021](7)反面干法刻蚀，刻蚀出弹性支撑框架、四个质量块、支撑梁、完整的振动梁以及锚点；
[0022](8)反面匀胶后，对带凹槽的一面依次用退镀液去除Ni掩膜层、Cr/Au种子层；
[0023](9)反面去除光刻胶后，再用退镀液去除Ni掩膜层，清洗圆片后得到所述敏感结构。
[0024]进一步的，所述电极基板的制备包括以下步骤：
[0025](1)准备用于制作所述电极基板的熔融石英圆片；
[0026](2)蒸镀Cr金属层，用于湿法腐蚀的保护层；
[0027](3)匀胶、光刻及显影后再去除未掩膜的Cr金属层；
[0028](4)熔融石英湿法腐蚀，腐蚀出凸台，用于与敏感结构层上的锚点进行金金键合；
[0029](5)去除Cr金属层后清洗圆片，再依次蒸镀Cr、Au金属层用于制作所述平面电极组；
[0030](6)匀胶、光刻及显影，依次去除未掩膜的Cr/Au金属层得到电极图形；
[0031](7)去除光刻胶后清洗圆片，得到所述电极基板。
[0032]进一步的，Au金属层的厚度大于500nm，用于提高所述敏感结构与所述电极基板金金键合的成功率。
[0033]本专利技术具有以下有益效果：
[0034]本专利技术提出了一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺，采用了蝶翼式结构方案，基于熔融石英材料对敏感结构和电极基板进行了优化和重新设计，并结合熔融石英的材料特性，制定了相匹配的工艺方案。首先，在信号检测上，由于熔融石英为绝缘体，可以大幅减小敏感结构与电极基板间的寄生电容，使得检测模态的信号便于被系统辨识，提高微陀螺的输出性能，同时通过对结构尺寸重新设计，增大了一阶模态的频率，增强了信号受环境干扰的能力，提升了信噪比。其次，在全温区性能上，熔融石英热膨胀系数小，当外界环境温度变化时，其杨氏模量、拉伸强度、疲劳强度等机械特性不会发生较大变化，振动梁的刚
度比较稳定，对微陀螺的工作固有频率影响较小，保证了微陀螺的机械灵敏度、动态特性以及稳定性。此外，在品质因数上，熔融石英的热弹性阻尼较小，熔融石英谐振结构品质因数可达百万级，目前已在半球型微陀螺仪上得到验证，比传统硅基陀螺仪具有更高的性能潜力。
[0035]除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本专利技术作进一步详细的说明。
附图说明
[0036]构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0037]图1是本专利技术的整体结构示意图；
[0038]图2是本专利技术中敏感结构示意图；
[0039]图3是本专利技术中电极基板示意图；
[0040]图4是本专利技术中振动梁的放大示意图；
[0041]图5是本专利技术中振动梁的截面示意图；
[0042]图6是本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺，其特征在于，包括敏感结构和电极基板组成的双层结构，所述敏感结构包括弹性支撑框架、四个质量块、支撑梁和振动梁，所述振动梁设于弹性支撑框架中，四个质量块通过支撑梁连接到所述振动梁上且相对振动梁呈对称布置；所述电极基板上设有与四个质量块一一对应且相对间隙设置的平面电极组；所述敏感结构和和电极基板均采用熔融石英材料。2.根据权利要求1所述的一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺，其特征在于，所述敏感结构还包括多个锚点，所述锚点对称分布在所述弹性支撑框架两侧；所述电极基板上设有与所述锚点一一对应的凸台。3.根据权利要求2所述的一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺，其特征在于，所述锚点与所述凸台之间通过金金键合相连。4.根据权利要求1所述的一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺，其特征在于，每个所述平面电极组包括一个检测电极、两个驱动电极和两个调轴电极；所述检测电极为T型结构，所述驱动电极和调轴电极均对称分布在所述检测电极两侧。5.根据权利要求1所述的一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺，其特征在于，所述振动梁是在矩形梁的基础上由干法刻蚀出凹槽而得，刻蚀起始位置在矩形梁上表面，所述凹槽距离矩形梁两侧有一定距离，其截面形状为凹面多边形；所述振动梁分隔为三段，中间一段的长度是左右两段长度的两倍。6.根据权利要求5所述的一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀螺，其特征在于，两个所述质量块相对于所述振动梁对称分布并通过所述支撑梁连接成一个整体，所述质量块的中心线穿过所述振动梁左右两段的中点。7.根据权利要求1
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6任一项所述的一种具有面内敏感轴的熔融石英微机械陀...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯占强，吴学忠，肖定邦，蹇敦想，邝云斌，卓明，
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：