[发明专利]一种SOI微半球陀螺敏感结构

说明书

本发明属于惯性测量技术领域，涉及一种微半球陀螺，具体涉及一种SOI微半球陀螺敏感结构，该结构包括中心半球谐振子、环形电极、电极绝缘层、离散电极和底座；中心半球谐振子为中心对称结构，包括半球壳体和底部支撑柱；底部支撑柱设置在半球壳体正下方，并与底座固定连接；环形电极和离散电极设置在中心半球谐振子的外侧圆周，并与中心半球谐振子之间形成间隙，环形电极设置在离散电极上，并与离散电极之间通过电极绝缘层实现隔离，离散电极设置在底座上；中心半球谐振子的半球壳体上部自由端至少与环形电极上端面保持齐平。本发明可实现角度(速率积分)工作模式，该工作模式避免了角速率的积分误差等环节，可确保高线性度和大动态测量范围。

技术领域

本发明属于惯性测量技术领域，涉及一种微半球陀螺，具体涉及一种SOI微半球陀螺敏感结构。

背景技术

陀螺是一种用于敏感载体相对于惯性空间角运动的仪表，是惯性导航和制导系统的核心器件。

微半球陀螺是一种将传统半球陀螺微型化的新型陀螺，其基于固体波动原理，具有全对称、高品质因子等特征，理论上拥有很高的精度潜能，同时采用角度(速率积分)模式输出时，可获取高线性度和大动态测量范围。

微半球陀螺的基体材料主要有硅、熔融石英、低膨胀石英玻璃、金属合金以及宝石等，其中，硅微半球陀螺可通过光刻、刻蚀、沉积等MEMS工艺制作，具有可批量化加工、低成本、小体积、高集成度等优点，是微半球陀螺的一个重要技术方向。

一种硅微半球陀螺敏感结构如图1和图2所示，主要由中心半球壳体41、圆周驱动/检测电极21、V型外支撑42等组成。其主要工艺步骤包括：

a)在单晶硅基片11上通过掺杂形成圆周驱动/检测电极21；

b)通过各向同性刻蚀形成上部半球型空腔；

c)通过各向异性湿法腐蚀形成下部V型空腔；

d)在上部半球型空腔和下部V型空腔的表面沉积一层二氧化硅做牺牲层31；

e)在牺牲层表面再沉积一层多晶硅，即半球壳体的结构层；

f)通过湿法腐蚀进行结构释放，通过控制腐蚀参数保留部分二氧化硅作为V型内支撑32。

释放后，上部形成可动的多晶硅半球壳体41，牺牲层的厚度即为半球壳体41与圆周驱动/检测电极21组成极板电容的间隙51；结构下部通过V型内支撑32和V型外支撑42实现支撑，并在底部实现锚接固定。

上述敏感结构主要存在以下问题：

1)驱动/检测电极的初始电容是敏感结构的一项关键参数。初始电容大，对应驱动端，驱动力大、效率高；对应检测端，机械增益大、信噪比高。如图1所示，敏感结构在硅基片上通过掺杂形成圆周驱动/检测电极，初始电容的大小与掺杂深度相关，受限于掺杂工艺较难获取较大深度，存在驱动力小和检测信号微弱等问题。

2)如图2所示，敏感结构的电极配置一般为：在某一角度位置上(如0°-180°和90°-270°方向)为驱动或驱动反馈电极，与之相隔45°位置上(45°-225°和135°-315°方向)为检测或检测反馈电极。工作时，一般通过驱动和驱动反馈电极维持精确的驱动振型，检测电极和检测反馈电极实现对外界输入角速率信号的敏感，该模式在常规环境下能够满足测量精度要求，但当陀螺工作环境的动态范围较大时，存在线性度不足、大动态测量误差大等问题。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的在于提供一种SOI微半球陀螺敏感结构，在常规的离散驱动/检测电极的基础上设置一个环形电极，实现角度(速率积分)工作模式，获取高线性度和大动态测量范围。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案。