[实用新型]一种双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪

说明书

技术领域

本实用新型涉及微机电陀螺仪的设计领域，特别是一种双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪。 

背景技术

从20世纪50年代以来，陀螺仪的发展大致经历了液浮陀螺仪、动力调谐陀螺仪、环形激光陀螺仪、光纤陀螺仪、振动陀螺仪等阶段，直到目前发展到了比较热门的微电子机械系统(micro-electro-mechanical-system，MEMS)陀螺仪。在这些形式、结构以及原理各不相同的陀螺仪中，基于振动理论的振动陀螺仪由于没有高速旋转的转子和相应的支承系统，因而具有结构简单、性能稳定、可靠性高、承载能力大、体积小、成本低的特点，其基本原理是利用高频振动的物体在旋转时所产生的哥氏（Coriolis）效应来测量角速度。目前有音叉振动陀螺仪、压电振动陀螺仪、壳体谐振陀螺仪等结构形式。在各类振动陀螺仪中，半球谐振陀螺仪（Hemispherical Resonator Gyroscope,简写为HRG）是未来最具发展前景的陀螺仪之一。 

美国是世界上最早开始研究HRG的国家，早在20世纪60年代，美国的Delco公司就着手开发HRG，并于1979年首次申请并获得HRG的实用新型专利。此后，HRG的研究应用得到了快速发展，并在捷联导航系统、哈勃太空望远镜以及NEAR宇宙飞船、A2100系列卫星、Cassini宇宙飞船等空间飞行器上得到成功应用。俄罗斯的HRG研制起步早，在陀螺仪的设计、信号处理以及系统设计上，其理论都是相当领先的。2002年底，俄罗斯拉明斯克设计局研制的HRG已完成项目的全部论证，并考虑正式投入装备应用。英国于1984年开始研究HRG的工作原理，英国宇航系统与设备有限公司早就在研究圆柱壳式振动陀螺仪，并有向HRG发展的趋向。法国利用俄罗斯的人员和技术，已开发出直径为20mm的HRG。此外，中国台湾大学对半球谐振陀螺仪模态进行了分析，并对谐振子半径为50mm的样机进行了试验研究。北京航空航天大学、东北大学、南京航空航天大学等从理论上对半球谐振子的参数设计、振动等问题进行了分析。中国电子科技集团26所一直坚持HRG的研制工作，并已取得了较大的进展，它前期利用俄罗斯技术，在直径为60mm的HRG制作工艺上取得了突破，开发出了相应的高性能样机，目前主要开发直径为30mm的HRG，并于2012年10月成功完成卫星闭环控制实验。 

以上所述的半球谐振陀螺仪皆属于传统型半球谐振陀螺仪，其尺寸相对较大（毫米量级以上），不能称得上为微陀螺仪，这也从一方面限制了它的应用范围。利用MEMS技术制造而成的硅微半球谐振陀螺仪将具有体积小，重量轻，成本低，可靠性高，功耗小，可批量生产等优点，预期可广泛用于航空、汽车、医疗、摄影、电子消费等领域，具有极为广阔的应用前景。 

然而目前，与微半球谐振陀螺仪的广阔发展前景相对应的是，我国的微加工技术水平较低，与国外的先进技术水平还存在一定的差距，这很大程度上限制了我国微半球谐振陀螺的生产与应用。因此，研究出符合我国国情的微加工工艺技术，并在此基础上进一步提升是提高我国微加工技术水平的关键所在。 

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型要解决的技术问题在于提供一种双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪。 

技术方案：本实用新型所述的双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪，包括第一硅片、第二硅片、微半球壳、驱动电极和检测电极，所述微半球壳设在第一硅片和第二硅片之间，微半球壳壳底与第二硅片固定连接，微半球壳上边缘与第一硅片的下表面接触；所述驱动电极设在第一硅片和第二硅片之间、微半球壳的外围，驱动电极一端与第二硅片固定连接，另一端与第一硅片活动连接；所述检测电极一端与第一硅片固定连接，另一端与微半球壳内壁活动连接。 

为了能够达到体积小、重量轻，所述微半球壳直径为1-3毫米，厚度为5-15微米。 

为了便于组装，所述第一硅片上设有与驱动电极对应的插孔。 

作为优选，所述驱动电极为4n个，其中n为大于或等于1的整数。 

为了保持器件真空封装的真空度，第一硅片上、且与第二硅片相对一面设有纳米吸气剂。 

为了使微半球壳能被静电驱动，所述微半球壳材料为金属或二氧化硅，当微半球壳材料为金属时，保护多晶硅电极的材料为二氧化硅；当微半球壳材料为二氧化硅时，保护多晶硅电极的材料为氮化硅，并且在释放微半球壳后对其进行金属化处理。 

一种双片集成式硅基超薄微半球谐振陀螺仪的加工方法，主要包括以下步骤： 

（1）在第二硅片上淀积出二氧化硅的掩模，并在中间开口以刻蚀微半球模子，在四周开口以刻蚀驱动电极；