[发明专利]内外电极间隙精确控制的微半球谐振陀螺仪及其加工方法

说明书

本发明公开一种内外电极间隙精确控制的微半球谐振陀螺仪，包括玻璃衬底、玻璃盖帽、密封墙、多晶硅微半球谐振子、基准电极、八个悬空的内电极、八个第一支撑柄、八个支撑柱、十六个外电极、环形电极、第一电极孔、八个第二电极孔、十六个第三电极孔和第四电极孔。本发明采用内、外电极以及环形电极结合，适用于全角模式的控制电路，可以提高陀螺测量的精度和范围。本发明通过精细电极的加工工艺实现了对电极间隙的精确控制，同时增大了电极的电容，提高了驱动的效率和测量的灵敏度。本发明实现了陀螺仪的晶圆级真空封装，性能优良，在高精度的姿态角测量上有较大的应用潜力。

技术领域

本发明涉及微机电和惯性导航领域，具体涉及一种内外电极间隙精确控制的微半球谐振陀螺仪及其加工方法。

背景技术

半球谐振陀螺仪是利用半球谐振子唇缘驻波进动效应来感测基座旋转的一种陀螺仪，由半球壳谐振子构成的半球谐振陀螺仪无高速旋转的部件，加之材料的稳定性和结构的对称性，使其具有许多突出的优点，是目前精度最高的哥氏振动陀螺仪。

当前，MEMS(微机电系统)陀螺仪的性能制约了其在一些精度要求较高的场合的应用，因此，利用半球谐振陀螺仪的优点和MEMS加工技术结合，设计出的微半球谐振陀螺仪受到了许多研究人员的关注。

目前，对于微半球陀螺仪的加工分为两种，即整体式和组装式。整体式加工即微半球壳谐振子和电极在同一块硅晶圆上加工而成，一体成形，精度高，避免组装误差，但是工艺较为复杂；组装式加工方案即微半球谐振子和电极在分别加工，然后将二者组装成一体，工艺流程相对简化，但是存在组装误差。

此外，微半球陀螺仪的控制电路有两种，一种为力平衡模式，该模式所需电极数量少，控制算法相对简单，但是测量所得为角速度，积分后得到姿态角，存在累计误差；另一种是全角模式，该模式需要内外电极和环形电极，控制算法相对复杂，但是直接检测姿态角，避免了积分引入的累计误差。

发明内容

发明目的：为克服现有技术不足，本发明旨于提供一种实现半球谐振子、内电极和外电极整体加工，可以精确控制电极间隙，为采用全角模式控制的微半球陀螺仪结构设计提供一种新思路的内外电极间隙精确控制的微半球谐振陀螺仪及其加工方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种内外电极间隙精确控制的微半球谐振陀螺仪，包括玻璃衬底、玻璃盖帽、密封墙、多晶硅微半球谐振子、基准电极、八个悬空的内电极、八个第一支撑柄、八个支撑柱、十六个外电极、环形电极、第一电极孔、八个第二电极孔、十六个第三电极孔和第四电极孔；玻璃衬底、玻璃盖帽和密封墙组成密封空腔结构，多晶硅微半球谐振子球面向下设在空腔结构内，八个悬空的内电极呈半球形均匀分布在多晶硅微半球谐振子内，八个支撑柱均匀分布在多晶硅微半球谐振子外周，八个内电极和八个支撑柱一一对应，且每组内电极和支撑柱顶端均通过一个第一支撑柄连接；基准电极顶端与多晶硅微半球谐振子底面相接，底端与玻璃衬底相接；环形电极设在玻璃盖帽下表面中心位置，环形电极通过金硅键合与盖帽连接；十六个外电极设在多晶硅微半球谐振子和支撑柱之间，且呈半球形均匀分布在多晶硅微半球谐振子外周；第一电极孔设在环玻璃盖帽上表面，且与环形电极相连；第二电极孔、第三电极孔、第四电极孔均设在玻璃衬底上，八个第二电极孔分别与八个内电极位置对应且一一相连；十六个第三电极孔分别与十六个外电极位置对应且一一相连；第四电极孔与基准电极相连且位置对应。

上述基准电极、外电极、支撑柱、密封墙的材料为导电硅，可以实现电信号的传输。

上述第一电极孔用于提供环形电极的驱动电压；第四电极孔在基准电极的下方，用于给半球谐振子提供基准电压，十六个第三电极孔分别位于十六个外电极的正下方，实现为内电极提供驱动电压并输出驱动端电容变化的功能；八个第二电极孔分别位于八个支撑柱的正下方，用于传出内电极检测信号的输出。