一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器及其加工方法技术

本发明专利技术公开了一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器及其加工方法，传感器由上至下依次包括器件结构层、金属引线层及玻璃衬底层，器件结构层通过锚点与玻璃衬底层连接，金属引线层位于器件结构层与玻璃衬底层之间，将部分器件结构层与玻璃衬底层连接的锚点(电极)通过金属引线引至周围；器件结构层包含一个四质量三轴陀螺仪结构、一个Z轴扭摆式加速度计、一个电容式X轴加速度计和一个电容式Y轴加速度计，所有结构由外向内依次中心重合排布。本发明专利技术三个加速度计及一个可阵列式共质心四质量三轴陀螺仪具有共同的质心，方便数据处理；整个环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器可通过耦合环的连接实现简单的阵列，提高系统精度和冗余度。

【技术实现步骤摘要】
一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器及其加工方法
本专利技术涉及微机电传感器技术，特别是涉及一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器及其加工方法。
技术介绍
与传统微惯性器件相比，硅微机械惯性器件具有体积小，重量轻，成本低，可靠性高，功耗小，可批量生产等优点，可广泛用于航空、汽车、医疗、摄影、电子消费等领域，具有广阔的应用前景。目前研究应用较为广泛的是单轴陀螺仪及单轴加速度计，它只能敏感检测一个惯性量输入，而六轴微惯性器件则可以同时敏感三个方向的角速度输入和三个方向的加速度输入。在六轴微惯性器件的研究上，现阶段采用三个单轴陀螺仪与三个单轴加速度计拼接加工，这种方法下体积较大，且引线结构繁多复杂。为简化电极引线，某单位将三个单轴陀螺仪替换为驱动耦合的四质量陀螺仪，其结构尺寸仅为3.2×3.2毫米，但是它并没有实现各驱动、检测方向的完全解耦，因此难以达到较高性能。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种结构简单、各驱动和检测方向完全解耦的环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器。本专利技术的另一个目的是提供一种所述传感器的加工方法。技术方案：本专利技术的六轴微惯性传感器，由上至下依次包括：器件结构层A、金属引线层及玻璃衬底层B，器件结构层通过锚点A5与玻璃衬底层B连接，金属引线层位于器件结构层与玻璃衬底层之间，将部分器件结构层与玻璃衬底层连接的电极通过金属引线引至周围；所述器件结构层包含一个四质量三轴陀螺仪结构A1、一个Z轴扭摆式加速度计A2、一个电容式X轴加速度计A3和一个电容式Y轴加速度计A4，所有结构由外向内依次中心重合排布。优选的，四质量三轴陀螺仪结构A1包括四个沿上下左右分布的，完全一致的质量块A1-a1，A1-a2，A1-a3，A1-a4；耦合部件A1-c；驱动活动梳齿A1-d；驱动固定梳齿A1-e；驱动电极A1-f；锚点A5及解耦梁A6；耦合部件A1-c为一环形结构，质量块A1-a1和质量块A1-a2位于耦合部件A1-c的水平中心轴上，且分别与耦合部件A1-c之间通过解耦梁A6连接；质量块A1-a3和A1-a4位于耦合部件A1-c的竖直中心轴上，且分别与耦合部件A1-c之间通过解耦梁A6连接；耦合部件A1-c的外围与四个质量块相对应的位置分别设置驱动电极A1-f，且驱动电极A1-f与耦合部件A1-c之间通过驱动梳齿连接。优选的，水平方向质量块A1-a1和A1-a2均包括驱动框架A1-b、航向角双自由度框架A1-g、航向角敏感框架A1-h、航向角检测电极A1-i、翻滚角双自由度框架A1-j、翻滚角敏感框架A1-k、翻滚角检测电极A1-l、驱动活动梳齿A1-d、驱动固定梳齿A1-e、驱动电极A1-f、若干锚点A5及若干解耦梁A6，驱动框架A1-b为对称的框架结构，包括第一部分和第二部分，其中，航向角双自由度框架A1-g设置在第一部分中，且其通过解耦梁与驱动框架连接，航向角敏感框架A1-h设置在航向角双自由度框架A1-g内部，且其通过解耦梁A6与航向角双自由度框架A1-g连接，航向角双自由度框架A1-g与航向角敏感框架A1-h之间设置锚点A5，且航向角敏感框架A1-h与锚点之间通过解耦梁A6连接，航向角检测电极A1-i位于航向角敏感框架A1-h内部，且其通过检测梳齿与航向角敏感框架A1-h连接；翻滚角双自由度框架A1-j设置在驱动框架A1-b的第二部分中，且其通过解耦梁与驱动框架连接，翻滚角敏感框架A1-k设置在翻滚角双自由度框架A1-j内部，且其通过解耦梁A6与翻滚角双自由度框架A1-j连接，翻滚角敏感框架A1-k与翻滚角双自由度框架A1-j之间设置锚点A5，且翻滚角敏感框架A1-k与锚点之间通过解耦梁A6连接；翻滚角检测电极A1-l位于翻滚角敏感框架A1-k下方或内部，翻滚角检测电极A1-l位于翻滚角敏感框架A1-k下方时，翻滚角检测电极A1-l为金属平板结构，此时该金属平板结构与翻滚角敏感框架A1-k形成电容，为沉积金属电极平板检测Z轴面外运动方式；翻滚角检测电极A1-l位于翻滚角敏感框架A1-k内部时，翻滚角检测电极A1-l通过动静高低梳齿与翻滚角敏感框架A1-k连接，为动静高低梳齿检测Z轴面外运动，驱动框架A1-b通过解耦梁连接锚点A5，一侧边通过解耦梁与耦合部件连接，另一侧边通过驱动梳齿连接一驱动电极A1-f。优选的，竖直方向质量块A1-a3或A1-a4的结构旋转90°即与水平方向质量块A1-a1或A1-a2结构相同，水平方向质量块A1-a1或A1-a2中用于检测翻滚角的的翻滚角双自由度框架A1-j、翻滚角敏感框架A1-k、翻滚角检测电极A1-l在竖直方向质量块A1-a3或A1-a4中用于检测俯仰角，命名为俯仰角双自由度框架A1-m、俯仰角敏感框架A1-n、俯仰角检测电极A1-o。优选的，所述Z轴扭摆式加速度计包括Z轴扭摆质量块A2-a、Z轴检测电极A2-b、锚点A5及若干解耦梁A6，Z轴扭摆质量块A2-a的中心框架设置在四质量三轴陀螺仪结构A1的中心，且Z轴扭摆质量块A2-a的四个扇形结构的分别设置于四个质量块之间形成的四个扇形区域内，Z轴扭摆质量块A2-a的中心框架通过解耦梁A6连接锚点A5，沉积金属平板电容检测面外运动时Z轴检测电极A2-b为位于Z轴扭摆质量块A2-a的四个扇形结构下方的金属平板，动静高低梳齿式检测检测面外运动时位于Z轴扭摆质量块A2-a的四个扇形结构边缘，通过动静高低梳齿与Z轴扭摆质量块A2-a的四个扇形结构连接。优选的，所述电容式X轴加速度计包括X轴质量块A3-a、X轴检测电极A3-b、锚点A5及若干解耦梁A6，X轴质量块A3-a的两侧边分别通过解耦梁A6连接锚点A5，X轴检测电极A3-b有两个，均设置在X轴质量块A3-a的内部两侧，且X轴检测电极A3-b通过梳齿与X轴质量块A3-a的两侧边连接，电容式X轴加速度计位于电容式Y轴加速度计内部，且中心重合。优选的，所述电容式Y轴加速度计包括Y轴质量块A4-a、Y轴检测电极A4-b、锚点A5及若干解耦梁A6，Y轴检测电极A4-b有两个，均设置在Y轴质量块A4-a内部两侧，且通过梳齿与Y轴质量块A4-a的两侧边连接，Y轴质量块A4-a的内部另外两侧各设置有锚点，且通过解耦梁与锚点连接，电容式Y轴加速度计位于Z轴扭摆质量块A2-a的中心框架内部，且中心重合。本专利技术的六轴微惯性传感器在沉积金属电极平板检测Z轴面外运动的加工方法，包括以下步骤：(a)取一片硅晶圆片，对表面进行抛光处理，同时利用H2SO4与H2O2混合溶液洗净；(b)在硅晶圆片表面匀涂光刻胶，利用第一掩模版进行光刻，显影，在硅晶圆片表面得到具有锚点图案的光刻胶；(c)利用光刻胶作为掩膜对硅晶圆片进行RIE干法刻蚀，将锚点图案转移到硅晶圆片表面，之后洗去作为掩膜的光刻胶；(d)另取一片玻璃片，利用H2SO4与H2O2混合溶液洗净；(e)在玻璃片上匀涂光刻胶，利用第二掩模版进行光刻，显影，在玻璃片表面得到具有金属电极及引线图案的光刻胶，溅射一层Cr/Au合金层，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器，其特征在于，由上至下依次包括：器件结构层(A)、金属引线层及玻璃衬底层(B)，器件结构层通过锚点(A5)与玻璃衬底层(B)连接，金属引线层位于器件结构层与玻璃衬底层之间，将部分器件结构层与玻璃衬底层连接的电极通过金属引线引至周围；所述器件结构层包含一个四质量三轴陀螺仪结构(A1)、一个Z轴扭摆式加速度计(A2)、一个电容式X轴加速度计(A3)和一个电容式Y轴加速度计(A4)，所有结构由外向内依次中心重合排布。/n

【技术特征摘要】
1.一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器，其特征在于，由上至下依次包括：器件结构层(A)、金属引线层及玻璃衬底层(B)，器件结构层通过锚点(A5)与玻璃衬底层(B)连接，金属引线层位于器件结构层与玻璃衬底层之间，将部分器件结构层与玻璃衬底层连接的电极通过金属引线引至周围；所述器件结构层包含一个四质量三轴陀螺仪结构(A1)、一个Z轴扭摆式加速度计(A2)、一个电容式X轴加速度计(A3)和一个电容式Y轴加速度计(A4)，所有结构由外向内依次中心重合排布。


2.根据权利要求1所述的一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器，其特征在于，四质量三轴陀螺仪结构(A1)包括四个沿上下左右分布的，完全一致的质量块(A1-a1)，(A1-a2)，(A1-a3)，(A1-a4)；耦合部件(A1-c)；驱动活动梳齿(A1-d)；驱动固定梳齿(A1-e)；驱动电极(A1-f)；锚点(A5)及解耦梁(A6)；耦合部件(A1-c)为一环形结构，质量块(A1-a1)和质量块(A1-a2)位于耦合部件(A1-c)的水平中心轴上，且分别与耦合部件之间通过解耦梁(A6)连接；质量块(A1-a3)和(A1-a4)位于耦合部件(A1-c)的竖直中心轴上，且分别与耦合部件(A1-c)之间通过解耦梁(A6)连接；耦合部件(A1-c)的外围与四个质量块相对应的位置分别设置驱动电极(A1-f)，且驱动电极(A1-f)与耦合部件(A1-c)之间通过驱动梳齿连接。


3.根据权利要求2所述的一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器，其特征在于，水平方向质量块(A1-a1)和(A1-a2)均包括驱动框架(A1-b)、航向角双自由度框架(A1-g)、航向角敏感框架(A1-h)、航向角检测电极(A1-i)、翻滚角双自由度框架(A1-j)、翻滚角敏感框架(A1-k)、翻滚角检测电极(A1-l)、驱动活动梳齿(A1-d)、驱动固定梳齿(A1-e)、驱动电极(A1-f)、若干锚点(A5)及若干解耦梁(A6)，驱动框架(A1-b)为对称的框架结构，包括第一部分和第二部分，其中，航向角双自由度框架(A1-g)设置在第一部分中，且其通过解耦梁与驱动框架连接，航向角敏感框架(A1-h)设置在航向角双自由度框架(A1-g)内部，且其通过解耦梁(A6)与航向角双自由度框架(A1-g)连接，航向角双自由度框架(A1-g)与航向角敏感框架(A1-h)之间设置锚点(A5)，且航向角敏感框架(A1-h)与锚点之间通过解耦梁(A6)连接，航向角检测电极(A1-i)位于航向角敏感框架(A1-h)内部，且其通过检测梳齿与航向角敏感框架(A1-h)连接；翻滚角双自由度框架(A1-j)设置在驱动框架(A1-b)的第二部分中，且其通过解耦梁与驱动框架连接，翻滚角敏感框架(A1-k)设置在翻滚角双自由度框架(A1-j)内部，且其通过解耦梁(A6)与翻滚角双自由度框架(A1-j)连接，翻滚角敏感框架(A1-k)与翻滚角双自由度框架(A1-j)之间设置锚点(A5)，且翻滚角敏感框架(A1-k)与锚点之间通过解耦梁(A6)连接；翻滚角检测电极(A1-l)位于翻滚角敏感框架(A1-k)下方或内部，翻滚角检测电极(A1-l)位于翻滚角敏感框架(A1-k)下方时，翻滚角检测电极(A1-l)为金属平板结构，此时该金属平板结构与翻滚角敏感框架(A1-k)形成电容，为沉积金属电极平板检测Z轴面外运动方式；翻滚角检测电极(A1-l)位于翻滚角敏感框架(A1-k)内部时，翻滚角检测电极(A1-l)通过动静高低梳齿与翻滚角敏感框架(A1-k)连接，为动静高低梳齿检测Z轴面外运动，驱动框架(A1-b)通过解耦梁连接锚点(A5)，一侧边通过解耦梁与耦合部件连接，另一侧边通过驱动梳齿连接一驱动电极(A1-f)。


4.根据权利要求2所述的一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器，其特征在于，竖直方向质量块(A1-a3)或(A1-a4)的结构旋转90°即与水平方向质量块(A1-a1)或(A1-a2)结构相同，水平方向质量块(A1-a1)或(A1-a2)中用于检测翻滚角的的翻滚角双自由度框架(A1-j)、翻滚角敏感框架(A1-k)、翻滚角检测电极(A1-l)在竖直方向质量块(A1-a3)或(A1-a4)中用于检测俯仰角，命名为俯仰角双自由度框架(A1-m)、俯仰角敏感框架(A1-n)、俯仰角检测电极(A1-o)。


5.根据权利要求1所述的一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器，其特征在于，所述Z轴扭摆式加速度计包括Z轴扭摆质量块(A2-a)、Z轴检测电极(A2-b)、锚点(A5)及若干解耦梁(A6)，Z轴扭摆质量块(A2-a)的中心框架设置在四质量三轴陀螺仪结构(A1)的中心，且Z轴扭摆质量块(A2-a)的四个扇形结构的分别设置于四个质量块之间形成的四个扇形区域内，Z轴扭摆质量块(A2-a)的中心框架通过解耦梁(A6)连接锚点(A5)，沉积金属平板电容检测面外运动时Z轴检测电极(A2-b)为位于Z轴扭摆质量块(A2-a)的四个扇形结构下方的金属平板，动静高低梳齿式检测检测面外运动时位于Z轴扭摆质量块(A2-a)的四个扇形结构边缘，通过动静高低梳...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏敦柱，李锦辉，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32