三軸立體足球狀微陀螺儀及其加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微機(jī)電和慣性傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種三軸立體足球狀微陀螺儀及其加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著MEMS制造技術(shù)變得越來(lái)越先進(jìn)，微機(jī)械慣性傳感器得到了迅猛的發(fā)展和更廣泛的研究與應(yīng)用。微陀螺儀屬于一種微機(jī)械振動(dòng)式角速率傳感器，它通過(guò)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的科氏加速度實(shí)現(xiàn)角速度的測(cè)量，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后就可以得到物體的方向、姿態(tài)等信息，是一種重要的慣導(dǎo)器件。
[0003]目前，陀螺儀的研究工作一直追求更小的尺寸，更低廉的價(jià)格，更高的精度。但是目前現(xiàn)有的微陀螺儀大都不能滿(mǎn)足以上要求，極大的限制了其發(fā)展以及生產(chǎn)應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種三軸立體足球狀微陀螺儀及其加工方法。
[0005]技術(shù)方案:本發(fā)明所述的一種三軸立體足球狀微陀螺儀，包括兩層上下疊放的玻璃基底以及安裝于兩側(cè)玻璃基底之間的主單元結(jié)構(gòu)，所述主單元結(jié)構(gòu)包括立體質(zhì)量塊、內(nèi)彈性梁、外彈性梁、驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和檢測(cè)結(jié)構(gòu)；
[0006]所述立體質(zhì)量塊呈足球狀位于主單元結(jié)構(gòu)的中心位置，立體質(zhì)量塊通過(guò)四組內(nèi)彈性梁連接于外彈性梁，四個(gè)外彈性梁依次固定連接形成正方形框架；
[0007]以立體質(zhì)量塊為原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系，所述檢測(cè)結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)分別位于正負(fù)X軸方向的X軸檢測(cè)電極、兩個(gè)分別位于正負(fù)Y軸方向的Y軸檢測(cè)電極和兩個(gè)分別位于正負(fù)Z軸方向的Z軸檢測(cè)電極，所述兩個(gè)X軸檢測(cè)電極和兩個(gè)Y軸檢測(cè)電極兩兩對(duì)應(yīng)分別設(shè)置于靠近立體質(zhì)量塊的四側(cè)邊，且位于正方形框架內(nèi)部;所述兩個(gè)Z軸檢測(cè)電極分別設(shè)置于立體質(zhì)量塊的正上方和正下方；
[0008]所述驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)分別位于正負(fù)X軸方向的X軸驅(qū)動(dòng)電極、兩個(gè)分別位于正負(fù)Y軸方向的Y軸驅(qū)動(dòng)電極和兩個(gè)分別位于正負(fù)Z軸方向的Z軸驅(qū)動(dòng)電極，所述兩個(gè)X軸驅(qū)動(dòng)電極和兩個(gè)Y軸驅(qū)動(dòng)電極分別設(shè)置于相對(duì)應(yīng)的外彈性梁的外側(cè)中部位置;所述兩個(gè)Z軸驅(qū)動(dòng)電極分別設(shè)置于相對(duì)應(yīng)的Z軸檢測(cè)電極的外側(cè)。
[0009]進(jìn)一步的，所述兩層玻璃基底結(jié)構(gòu)與尺寸相同且均呈正方形，玻璃基底上刻有相應(yīng)信號(hào)引線;所述四個(gè)外彈性梁分別與玻璃基底的四條側(cè)邊平行，并且外彈性梁兩兩之間通過(guò)錨點(diǎn)鍵合安裝于玻璃基底上。
[0010]進(jìn)一步的，所述主單元呈全對(duì)稱(chēng)分布;所述立體質(zhì)量塊由SU8光刻膠制成，立體質(zhì)量塊的直徑為0.25?0.3mm;所述玻璃基底由硼硅酸鹽玻璃制成，玻璃基底的尺寸為2mm*
主單元結(jié)構(gòu)由單晶娃結(jié)構(gòu)層制成，該單晶娃結(jié)構(gòu)層的厚度為55?650μηι。
[0011]進(jìn)一步的，所述X軸檢測(cè)電極、Υ軸檢測(cè)電極和Ζ軸檢測(cè)電極均由可動(dòng)極板和固定極板構(gòu)成;可動(dòng)極板和固定極板構(gòu)成變間隙平板電容檢測(cè);所述兩個(gè)X軸檢測(cè)電極之間、兩個(gè)Υ軸檢測(cè)電極之間以及兩個(gè)Ζ軸檢測(cè)電極之間均相對(duì)應(yīng)的各自相互差分，其中，Ζ軸檢測(cè)電極呈正方形。
[0012]進(jìn)一步的，所述X軸驅(qū)動(dòng)電極和Υ軸驅(qū)動(dòng)電極均分別包括活動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒和固定驅(qū)動(dòng)梳齒，所述活動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒設(shè)置于外彈性梁外側(cè)邊的中部位置，固定驅(qū)動(dòng)梳齒固定于下層玻璃基底，所述活動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒與固定驅(qū)動(dòng)梳齒之間構(gòu)成變面積式梳齒電容驅(qū)動(dòng);所述Ζ軸驅(qū)動(dòng)電極包括驅(qū)動(dòng)固定極板和驅(qū)動(dòng)活動(dòng)極板，驅(qū)動(dòng)固定極板安裝于玻璃基底的中心位置處的檢測(cè)固定極板的外部，驅(qū)動(dòng)固定極板與驅(qū)動(dòng)活動(dòng)極板構(gòu)成變間隙式平板電容驅(qū)動(dòng)。
[0013]本發(fā)明還公開(kāi)了一種三軸立體足球狀微陀螺儀的加工方法，包括以下步驟:
[0014](1)在下層玻璃基底上沉積Si02，在Si02上涂SU8光刻膠，然后前烘；
[0015](2)使用第一塊掩膜板曝光SU8光刻膠，去除多余的部分，使其成正方體，去除Si02將SU8光刻膠與玻璃基底分離；
[0016](3)清洗兩塊基底硼硅酸鹽玻璃并烘干，在硼硅酸鹽玻璃上涂光刻膠，利用第二、三塊掩膜板曝光，用腐蝕液刻蝕玻璃，分別得到上層玻璃基底和下層玻璃基底電極和信號(hào)引線槽；
[0017](4)在兩塊硼硅酸鹽玻璃基底上，先濺射金屬Cr，再濺射Au，形成電極和信號(hào)引線，去除光刻膠；
[0018](5)對(duì)單晶硅結(jié)構(gòu)層進(jìn)行清洗，在其背面旋涂光刻膠，利用第四塊掩膜板進(jìn)行曝光并刻蝕單晶硅結(jié)構(gòu)層，形成錨點(diǎn)和待鍵合結(jié)構(gòu)，去除光刻膠；
[0019](6)在單晶硅結(jié)構(gòu)層正面旋涂光刻膠，利用第五塊掩膜板進(jìn)行曝光并刻蝕結(jié)構(gòu)層硅，形成錨點(diǎn)，去除光刻膠；
[0020](7)將單晶硅結(jié)構(gòu)層、正方體SU8光刻膠和制作好電極和信號(hào)引線的下層硼硅酸鹽玻璃基底采用鍵合技術(shù)通過(guò)錨點(diǎn)進(jìn)行鍵合；
[0021](8)對(duì)正方體SU8光刻膠用3-D laser光刻技術(shù)光刻，制成足球狀立體質(zhì)量塊，后卜/、，
[0022](9)在立體質(zhì)量塊的表面沉積摻雜的多晶硅結(jié)構(gòu)層；
[0023](10)對(duì)單晶硅結(jié)構(gòu)層的正面噴涂光刻膠，利用第六塊掩膜板光刻，曝光光刻膠形成圖形并利用ICP工藝刻蝕出結(jié)構(gòu)，去除光刻膠，釋放結(jié)構(gòu)；
[0024](11)將上層玻璃基底與單晶硅結(jié)構(gòu)層通過(guò)錨點(diǎn)采用陽(yáng)極鍵合技術(shù)進(jìn)行鍵合。
[0025]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0026](1)本發(fā)明中的足球狀立體質(zhì)量塊由光刻膠SU8采用3-D Laser技術(shù)制成，為MEMS的加工提供了一種新的思路，制備方法新穎簡(jiǎn)單；
[0027](2)本發(fā)明僅需該單立體質(zhì)量塊即可實(shí)現(xiàn)三軸角速度檢測(cè)，減小了封裝尺寸、成本和能量損耗;并且能夠避免多個(gè)質(zhì)量塊同時(shí)諧振時(shí)存在機(jī)械干擾的影響；
[0028](3)本發(fā)明是全對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，利用自適應(yīng)控制電路，不存在耦合誤差，有利于提高檢測(cè)精度和靈敏度。
[0029]綜上所述，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積相對(duì)較小，便于加工制造，能夠極大地提高成品率，測(cè)量精度好，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031 ]圖2為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0032]圖3為本發(fā)明的加工流程圖；
[0033]圖4為本發(fā)明中自適應(yīng)控制電路框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。
[0035]如圖1和圖2所示，本發(fā)明的一種三軸立體足球狀微陀螺儀，包括兩層上下疊放的玻璃基底2以及安裝于兩側(cè)玻璃基底2之間的主單元結(jié)構(gòu)1，主單元結(jié)構(gòu)1包括立體質(zhì)量塊1-
1、內(nèi)彈性梁1-2、外彈性梁1-3、驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和檢測(cè)結(jié)構(gòu);立體質(zhì)量塊1-1呈足球狀(由正五邊形組成的球體)位于主單元結(jié)構(gòu)1的中心位置，立體質(zhì)量塊1-1通過(guò)四組內(nèi)彈性梁1-2連接于外彈性梁1-3，四個(gè)外彈性梁1-3依次固定連接形成正方形框架；以立體質(zhì)量塊1-1為原點(diǎn)建立空間直角坐標(biāo)系，檢測(cè)結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)分別位于正負(fù)X軸方向的X軸檢測(cè)電極1-7、兩個(gè)分別位于正負(fù)Y軸方向的Y軸檢測(cè)電極1-8和兩個(gè)分別位于正負(fù)Z軸方向的Z軸檢測(cè)電極1-9，兩個(gè)X軸檢測(cè)電極1-7和兩個(gè)Y軸檢測(cè)電極1-8兩兩對(duì)應(yīng)分別設(shè)置于靠近立體質(zhì)量塊1-1的四側(cè)邊，且位于正方形框架內(nèi)部;兩個(gè)Z軸檢測(cè)電極1-9分別設(shè)置于立體質(zhì)量塊1-1的正上方和正下方;驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)分別位于正負(fù)X軸方向的X軸驅(qū)動(dòng)電極1-5、兩個(gè)分別位于正負(fù)Y軸方向的Y軸驅(qū)動(dòng)電極1-4和兩個(gè)分別位于正負(fù)Z軸方向的Z軸驅(qū)動(dòng)電極1-6，兩個(gè)X軸驅(qū)動(dòng)電極1-5和兩個(gè)Y軸驅(qū)動(dòng)電極1-4分別設(shè)置于相對(duì)應(yīng)的外彈性梁1-3的外側(cè)中部位置;兩個(gè)Z軸驅(qū)動(dòng)電極1 -6分別設(shè)置于相對(duì)應(yīng)的Z軸檢測(cè)電極1 -9的外側(cè)。
[0036]其中，內(nèi)彈性梁1-2共有八根兩兩一組設(shè)置，一端連接于立體質(zhì)量塊1-1另一端連接于外彈性梁1-3。
[0037]兩層玻璃基底2結(jié)構(gòu)與尺寸相同且均呈正方形，玻璃基底2上刻有相應(yīng)信號(hào)引線，即:下層玻璃基底2上設(shè)有X軸Y軸方向的檢測(cè)結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的固定極板、相對(duì)應(yīng)的鍵合錨點(diǎn)5和信號(hào)引線，上層玻璃基底2上設(shè)有Z軸方向檢測(cè)結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的固定極板和信號(hào)引線；四個(gè)外彈性梁1-3分別與玻璃基底2的四條側(cè)邊平行，并且外彈性梁1-3兩兩之間通過(guò)錨點(diǎn)5鍵合安裝于玻璃基底2上。
[0038]主單元呈全對(duì)稱(chēng)分布;立體質(zhì)量塊1-1由SU8光刻膠制成，立體質(zhì)量塊1-1的直徑為
0.25?0.3mm，足球狀立體質(zhì)量塊1-1結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，能耗損失小，Q值高;玻璃基底2由硼娃酸鹽玻璃制成，玻璃基底2的尺寸為其他部分(S卩主單元結(jié)構(gòu))由單晶娃結(jié)構(gòu)層制成，該單晶娃結(jié)構(gòu)層的厚度為55?65μηι，例如可以是60μηι。
[0039]X軸檢測(cè)電極1-7、Υ軸檢測(cè)電極1-8和Ζ軸檢測(cè)電極1-9均由可動(dòng)極板和固定極板構(gòu)成;可動(dòng)極板和固定極板構(gòu)成變間隙平板電容檢測(cè);為進(jìn)一步提高檢測(cè)精度和靈敏度，兩個(gè)X軸檢測(cè)電極1-7之間、兩個(gè)Υ軸檢測(cè)電極1-8之間以及兩個(gè)Ζ軸檢測(cè)電極1-9之間均相對(duì)應(yīng)的各自相互差分，其中，Ζ軸檢測(cè)電極1-9呈正方形。檢測(cè)結(jié)構(gòu)檢測(cè)到的信號(hào)通過(guò)自適應(yīng)閉環(huán)回路輸出到前置反饋，并修正三軸的驅(qū)動(dòng)電壓值，這樣使得足球狀立體質(zhì)量塊1-1維持在諧振頻率點(diǎn)上振動(dòng)并保持幅值恒定。
[0040]X軸驅(qū)動(dòng)電極1-5和Y軸驅(qū)動(dòng)電極1-4均分別包括活動(dòng)驅(qū)動(dòng)梳齒3和固定驅(qū)動(dòng)梳齒4，活動(dòng)驅(qū)動(dòng)