[发明专利]一种采用多边形振动梁的蝶翼式微陀螺及其制备方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明要解决的技术问题：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，本发明采用的技术方案为：

本发明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°。