[发明专利]一种倾斜双端音叉式硅微机械陀螺及其制作方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及到微电子机械系统领域，特指一种倾斜双端音叉式硅微机械陀螺及其制作方法。 

背景技术

和传统的陀螺相比，硅微陀螺具有体积小、重量轻、价格低等优点，广泛应用于汽车、飞行器稳定控制、武器系统导航制导、微卫星姿态控制等领域。基于科氏力效应工作原理的振动式微陀螺由于没有旋转部件成为微陀螺的主要结构形式。随着MEMS(Microelectromechanical System，微机电系统)技术的发展，现在国际上各种各样的硅微机械陀螺层出不穷。它们的共同特点是有相互垂直的两个振动方向，即驱动振动方向和科氏力作用下的敏感振动方向。 

振动式微机械陀螺的工作原理是驱动微陀螺的惯性质量在驱动轴向产生振动，如果有敏感轴向的输入角速度，在科氏力的作用下，惯性质量将在检测轴向产生振动，测量得到该振动信号就能够从中解调出输入角速度。 

振动式微机械陀螺驱动的方式通常有静电驱动、压电驱动和电磁驱动等多种驱动方式。压电驱动方式中压电材料的制作难以与微机械加工技术兼容。电磁驱动方式结构简单，驱动力矩较大，但易受电磁环境干扰。 

比较常用的微机械陀螺的检测方式主要有电容检测方式、压阻检测方式、压电检测方式等。电容检测方法被广泛应用于位移敏感，主要因为这种技术不需要附加的加工过程，具有非常高的灵敏度，温度变化对电容性敏感结构的影响可以忽略，功耗低，动态范围宽和微机械结构简单，因此为大部分微机械陀螺所采用。压阻检测具有相对低的阻抗，良好的线性，接口电路也很简单，在微机械陀螺中应用也较广泛。压电检测具有高的电-机械耦合因子、高阻抗和温度稳定性，但存在着工艺兼容性的问题。 

音叉式陀螺是一种振动式陀螺，特别是双端音叉结构在石英微陀螺中研究和应用的比较广泛，如美国BEI公司的陀螺，其结构特征使得其具有独特的能量转换与耦合机制，所以采用双端音叉结构的陀螺具有很高的性能。利用石英晶体的逆压电效应驱动音叉在较高频率处振动，当系统有角速度输入时，音叉结构在科氏力的作用下沿与原振动平面垂直的方向振动，振动幅度与测量的角速度成正比。利用石英晶体的压电效应就可以从检测叉指中提取出输入角速度的大小。石英音叉式陀螺的分辨率可以达到1°/h，且体积小，寿命长，在军事和民用中应用得比较广泛了。这种陀螺的不足之处在于利用石英晶体的压电效应驱动其叉指在驱动 模态振动时，需要在其侧面制作分离的驱动电极，制作工艺很复杂；石英的腐蚀工艺很困难、均匀性和一致性较差，且无法实现陀螺结构与接口电路的单片集成。 

相比较于基于石英材料的微机械加工工艺，硅微机械加工工艺就成熟的多，并且具有微机械结构与接口电路集成的潜力。采用硅微机械加工技术制作驱动用的侧面电极用陡直侧壁结构又有干法刻蚀技术和基于(110)硅片的湿法腐蚀技术两种。英国的British AerospaceSystems和Sumitomo Precision Products公司合作开发的陀螺以及G.K.Fedder等人研制的陀螺均是采用DRIE干法刻蚀技术制作的，性能较好。采用干法刻蚀技术可以获得较好的陡直侧壁结构，但也需要很昂贵的干法刻蚀设备，从而导致陀螺的制造成本很高。 

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、加工工艺简单、易于批量生产、产品品质高的倾斜双端音叉式硅微机械陀螺及其制作方法。 

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。 

一种倾斜双端音叉式硅微机械陀螺，其特征在于：包括陀螺总成和衬底，所述陀螺总成包括第一驱动电极、第二驱动电极、驱动叉指、支撑锚点、框架、弹性支撑梁以及检测叉指，所述驱动叉指和检测叉指分别连接于框架的两端，所述驱动叉指和检测叉指与框架均成70.5°的倾斜结构，所述框架的中部设有支撑锚点，所述支撑锚点的两端通过弹性支撑梁与框架相连，所述第一驱动电极和第二驱动电极分别位于驱动叉指的两侧，所述支撑锚点、第一驱动电极和第二驱动电极通过阳极键合的方式与衬底键合在一起，所述弹性支撑梁、框架、驱动叉指以及检测叉指与衬底之间留有间隙。 

作为本发明的进一步改进： 

所述衬底上与检测叉指的对应位置处设有检测电极，所述检测电极与检测叉指构成用来检测检测叉指振动的差分电容对。 

所述检测叉指的根部设有用来检测检测叉指振动的检测压阻。 

所述驱动叉指和检测叉指均为两个，所述第二驱动电极位于两个驱动叉指的中间，所述第一驱动电极呈倒U型将驱动叉指以及第二驱动电极包裹于其中。