[实用新型]一种基于半环壳谐振子的微陀螺仪

说明书

技术领域

本实用新型属于微机电系统(MEMS)传感器及微纳米制造领域，特别是涉及一种基于半环壳谐振子、具有高品质因数和高稳定性的微陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是一种用来测量转动速度或转动角度的传感器，可和GPS一起使用，提供精确定位和导航信息。结合微机电系统(MEMS)技术采用微制造工艺可以缩小陀螺仪的尺寸和功耗。MEMS陀螺仪的精度已达速率级别，被广泛应用于汽车和消费电子系统。新兴的MEMS制造技术集中在三维各向同性的质量和刚度均匀分布的微型壳的制造上，以此实现与半球谐振陀螺相似的三维轴对称微结构。已报道的制备技术包括通过硅各向同性刻蚀获得半球凹模法[1]和玻璃吹制法[2]等。半球壳三维结构使得传统MEMS二维制造扩展至三维制造，MEMS加工效果受限于晶体方向和掩膜材料的选择性，难以在晶片上得到高对称的半球凹模，半球壳结构不对称造成较大的频率裂解，并且以单晶硅或多晶硅为材料的半球谐振子的品质因数Q较低，影响陀螺仪的衰减时间和偏置稳定性。为克服上述问题，本实用新型提出了基于半环壳谐振子的微陀螺仪及其制备方法，在材料上采用基于化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)的多晶金刚石薄膜作为谐振子，相比于硅材料具有更好的机械性能以及更高的品质因数；在结构上设计了半环结构谐振子，相比于现有的半球谐振子结构优势包括：(1)半环的曲面更长，使得半环壳的谐振频率更低，更易于降低频率裂解，提高衰减时间和品质因数；(2)半环壳结构的深度H、半径R比值变化范围大，振型分布优化空间大，有利于减弱环境振动对陀螺的干扰；(3)半环壳的边缘离基座更远，谐振时声音能量集中在壳边缘，更能最小化振子和基座的耦合效应，减少支座端的能量损失。在工艺上，采用微电火花加工技术和MEMS工艺结合制备陀螺仪，定量可控三维微加工半环凹模曲面的半径R、深度H，可避免传统各向同性刻蚀工艺中H/R比值固定难变的问题，更有利于谐振频率、品质因数和角度增益因子等参数的分别优化。本实用新型提出的基于半环壳谐振子的微陀螺仪可以降低结构四波腹振动模态的谐振频率和裂解频率，提高衰减时间和品质因数，从而提高微陀螺仪的零偏置稳定性；引入微电火花加工技术结合MEMS工艺避免传统各向同性刻蚀工艺中H/R比值固定难变的问题，可以使半环壳谐振子的深度H、半径R比值可控且变化范围大。

引用文献：

[1]X.Gao,L.Sorenson,F.Ayazi,“3-D Micromachined hemispherical shell resonators with integrated capacitive transducers”,IEEE MEMS conference 2012,Paris,France,Jan 2012,165-171.

[2]Sergei A.Zotov,Alexander A.Trusov,and Andrei M.Shkel，"Three-dimensional spherical shell resonator gyroscope fabricated using wafer-scale glassblowing",Journal of Microelectromechanical Systems,VOL.21,NO.3,JUNE 2012,509-510.

发明内容

本实用新型所提出一种基于半环壳谐振子的微陀螺仪，优选化学气相沉积金刚石薄膜作为谐振子，设计了半环壳结构的谐振子，可降低谐振频率和裂解频率，提高衰减时间和品质因数，从而提高陀螺的零偏置稳定性；采用微电火花加工技术和MEMS工艺结合制备陀螺仪，定量可控三维微加工半环凹模曲面的半径R、深度H，可避免传统各向同性刻蚀工艺中H/R比值固定难变的问题，可以使半环壳谐振子的深度H、半径R比值可控且变化范围大，更有利于谐振频率、品质因数和角度增益因子等参数的分别优化。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：