本发明专利技术提供了一种面外压电式半球形微陀螺仪及其制备方法，包括：单晶硅基底、微型半球形谐振子、中心固定支撑柱、公共电极、均匀分布薄膜式压电体、均匀分布信号电极，本发明专利技术采用半球形结构作为谐振子，具有更大的有效振动位移，可增强柯氏效应的检测效果；采用的公共电极、薄膜式压电体以及信号电极均通过MEMS平面工艺制作而成，具有更高的制作精度，可提高微陀螺仪的结构对称度；采用面外驱动和检测方法，可实现面外力与面内位移之间的相互转换，便于检测垂直于基底方向的科氏效应；采用压电式驱动和检测方法，无需制作静电式所需的微小电容间隙，同时可避免寄生电容、静电吸附等问题；工艺简单，一体化程度高，可实现批量化生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微机电
的振动陀螺仪，具体地，涉及。
技术介绍
陀螺仪是一种能够检测载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。随着国防科技和航空、航天工业的发展，惯性导航系统对于陀螺仪的要求也向低成本、小体积、高精度、多轴检测、高可靠性、能适应各种恶劣环境的方向发展。因此，MEMS微陀螺的重要性不言而喻。特别地，微型半球谐振陀螺仪作为MEMS微陀螺的一个重要研宄方向，已经成为该领域的一个研宄热点。经过现有技术的文献搜索发现，美国乔治亚理工学院L.D.Sorenson.等人在其论文“3-D MICROMACHINED HEMISPHERICAL SHELL RESONATORS WITH INTEGRATED CAPACITIVETRANSDUCERS”中介绍了一种面内静电式半球谐振微陀螺仪，该陀螺仪通过掺杂技术在微谐振子周围制作了微电极，通过沉积的方式在半球形凹槽中制作了多晶硅微谐振子，通过背部刻蚀沉积的手段在微谐振子下端制作了支撑柱。然而，掺杂技术的制作精度有限，难以实现高度对称电极的加工；四周分布的电容式微电极相距较近，相邻电极之间存在一定的寄生电容，干扰微陀螺的控制和检测，限制了其最终精度；沉积方式制作的微谐振子厚度有限，一般仅在微米级别，可控性较差；陀螺仪的制作需要多次光刻掩膜，工艺复杂，不利于高精度的实现。基于此，迫切需要提出一种新的陀螺仪结构，进一步提高陀螺仪高度对称微电极的加工精度；解决相邻电容式微电极之间的相互串扰问题和微小电容极板之间的静电吸附问题；选择更加灵活的微谐振子制作方法，提高微陀螺仪的成型多样性；减少微陀螺仪的工艺复杂性，最终实现微陀螺仪的高精度控制和检测。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种，实现:(I)提高陀螺仪高度对称微电极的加工精度；(2)解决相邻电容式微电极之间的相互串扰问题和微小电容极板之间的静电吸附问题；(3)选择更加灵活的微谐振子制作方法，提高微陀螺仪的成型多样性；(4)减少微陀螺仪的工艺复杂性，最终实现微陀螺仪的高精度控制和检测。根据本专利技术的一个方面，提供面外压电式半球形微陀螺仪，包括:设有半球形凹槽的单晶硅基底、微型半球形谐振子、圆柱形支撑柱、多个均匀分布薄膜式压电体、多个均匀分布信号电极；其中:所述圆柱形支撑柱的上端与所述微型半球形谐振子相连，下端与所述单晶硅基底相连；所述圆柱形支撑柱和所述微型半球形谐振子位于所述单晶硅基底的半球形凹槽内；多个所述薄膜式压电体均匀分布于所述微型半球形谐振子上表面；多个所述信号电极设置于所述薄膜式压电体上表面，两者的形状、大小相同；所述单晶硅基底、所述圆柱形支撑柱、所述微型半球形谐振子的中心对称轴相同。优选的，所述单晶硅基底的中心设有一半球形凹槽，为制作所述微型半球形谐振子提供半球形模具，同时保护所述微型半球形谐振子不被破坏。优选的，所述圆柱形支撑柱的材料为玻璃或陶瓷，位于所述单晶硅基底半球形凹槽内的底部，为所述微型半球形谐振子提供支撑。优选的，所述微型半球形谐振子为实心半球体，材料与所述圆柱形支撑柱的材料相同，位于所述单晶硅基底附属的半球形凹槽内，是所述面外压电式半球形微陀螺仪的主要振动结构，用于敏感外界角速度。优选的，所述陀螺仪进一步设有公共电极，所述公共电极的上端与所述薄膜式压电体相连，下端与所述微型半球形谐振子相连；多个所述薄膜式压电体均匀分布于所述公共电极上表面；所述单晶硅基底、所述圆柱形支撑柱、所述微型半球形谐振子以及所述公共电极的中心对称轴相同。优选的，所述公共电极呈圆形，铺满所述微型半球形谐振子的上表面，为所述薄膜式压电体提供零电势，并统一不同薄膜式压电体之间的零电势大小。优选的，所述薄膜式压电体呈扇形，均匀对称地分布于所述公共电极的上表面，将电信号和力信号相互转换，用于所述微型半球形谐振子的驱动或检测。优选的，所述信号电极的形状和大小均与所述薄膜式压电体相同，位于所述薄膜式压电体的上表面，用于在所述薄膜式压电体上施加电信号，或从所述薄膜式压电体上提取电信号。根据本专利技术的另一个方面，提供面外压电式半球形微陀螺仪的制备方法，包括如下步骤:第一步、清洗所述单晶硅基底，生长氮化硅层，通过涂胶、光刻、显影、RIE刻蚀、去胶等步骤在氮化硅层上开圆形口，通过HNA刻蚀、热磷酸腐蚀等步骤在所述单晶硅基底上制备半球形凹槽；第二步、在第一步的基础上热氧化生长二氧化硅层，通过涂胶、光刻、显影、刻蚀、去胶等步骤在二氧化硅层底部开圆形口，形成带缺口的牺牲层，为制作所述圆柱形支撑柱和所述微型半球形谐振子提供基础；第三步、在第二步的基础上熔融玻璃或烧结陶瓷，将半球形凹槽以外的部分通过磨削或减薄等技术去除，制备所述圆柱形支撑柱和所述微型半球形谐振子；第四步、在第三步的基础上溅射铝薄膜或钼薄膜，通过涂胶、光刻、显影、刻蚀、去胶等步骤去除二氧化硅牺牲层上表面的铝薄膜或钼薄膜，制备所述圆形公共电极；第五步、在第四步的基础上溅射氮化铝薄膜或PZT薄膜，然后溅射铝薄膜或钼薄膜，通过涂胶、光刻、显影、刻蚀、去胶等步骤得到均匀分布的扇形压电体和扇形信号电极；第六步、在第五步的基础上利用BHF溶液对二氧化硅牺牲层结构进行腐蚀，从所述单晶硅基底上释放所述微型半球形谐振子，形成所述面外压电式半球形微陀螺仪。优选的，所述微型半球形谐振子和所述圆柱形支撑柱的材料为金属玻璃或金属，微型半球形谐振子同时作为微型半球形谐振子和公共电极，无需额外制作公共电极，此时所述薄膜式压电体均匀分布于所述微型半球形谐振子的上表面，所述制备方法中的第五步在第三步的基础上溅射氮化铝薄膜或PZT薄膜，省略第四步。优选的，所述微型半球形谐振子为空心半球壳，在相同驱动电压的条件下提高所述微型半球形谐振子的振动位移，提高检测灵敏度，此时所述制备方法的第三步需在磨削或减薄的基础上通过数控车床制作半球形凹槽，形成空心半球壳。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果:(I)所述微陀螺仪采用半球形结构作为谐振子，具有更大的有效振动位移，可增强柯氏效应的检测效果；(2)所述微陀螺仪采用的公共电极、薄膜式压电体以及信号电极均通过MEMS平面工艺制作而成，具有更高的制作精度，可提高微陀螺仪的结构对称度；(3)所述微陀螺仪采用面外驱动和检测方法，可实现面外力与面内位移之间的相互转换，便于检测垂直于基底方向的科氏效应；(4)所述微陀螺仪采用压电式驱动和检测方法，无需制作静电式所需的微小电容间隙，同时可避免寄生电容、静电吸附等问题；(5)所述微陀螺仪工艺简单，一体化程度高，可实现批量化生产，具有潜在的应用价值。【附图说明】通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显:图1 (a)_图1 (f)为本专利技术实施例2的工艺流程图；图2为本专利技术实施例1的三维结构图；图3为本专利技术实施例3的三维结构图；图4为本专利技术实施例4的三维结构图；[003当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种面外压电式半球形微陀螺仪，其特征在于，包括：设有半球形凹槽的单晶硅基底、微型半球形谐振子、圆柱形支撑柱、多个均匀分布薄膜式压电体、多个均匀分布信号电极；其中：所述圆柱形支撑柱的上端与所述微型半球形谐振子相连，下端与所述单晶硅基底相连；所述圆柱形支撑柱和所述微型半球形谐振子位于所述单晶硅基底的半球形凹槽内；多个所述薄膜式压电体均匀分布于所述微型半球形谐振子上表面；多个所述信号电极设置于所述薄膜式压电体上表面，两者的形状、大小相同；所述单晶硅基底、所述圆柱形支撑柱、所述微型半球形谐振子的中心对称轴相同。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张卫平，唐健，汪濙海，刘亚东，孙殿竣，邢亚亮，陈文元，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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