专利名称：一种soi基巨压阻效应微陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及微惯性导航关键器件研究领域，具体涉及一种SOI基巨压阻效应的微机械陀螺。
背景技术：
目前，微机械陀螺常用的检测方式是电容式和压阻式，压阻式是基于高掺杂硅的压阻效应原理实现的，由于硅压敏电阻的电阻应变系数较�。孀糯衅鞒叽绲谋湫。巢粼庸ひ盏难姑舻缱枰丫荒苈阆执吡槊舳炔馐缘囊螅坏缛菔骄鹊奶岣呤抢迷龃蟮缛菝婊捎谄骷奈⑿⌒突渚纫蛴行У缛菝婊乃跣《岩蕴岣�。微机械陀螺对角速度的测量是靠检测装置实现力电转换来完成的，其灵敏度、分 辨率是十分重要的，由于陀螺仪微型化和集成化，检测的敏感区域随之减�。识辜觳獾牧槊舳�、分辨率等指标已达到敏感区域检测的极限状态，从而限制了陀螺仪检测精度的进一步提高，很难满足现代军事、民用装备的需要。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。有鉴于此，本发明需要提供微机械陀螺，该微机械陀螺为SOI(SiIicon-On-Insulator,绝缘衬底上的娃)基巨压阻效应的微机械陀螺，至少可以提高微机械陀螺的检测精度。本发明提供了一种微机械陀螺，包括键合基板，所述的键合基板上表面刻蚀有为敏感质量块提供运动的底槽；微陀螺角速率敏感体，所述的微陀螺角速率敏感体设在键合基板上方，并与键合基板粘结牢固，且微陀螺角速率敏感体包括固定梳齿电极正极，设在键合基板左、右侧的上表面；梳齿电极负极，设在键合基板前、后侧的上表面；固定梳齿，设在固定梳齿电极正极上表面；固定座，设在梳齿电极负极上表面；敏感质量块，设在底槽上方，表面均匀分布有通孔阻尼孔；驱动梳齿，设在敏感质量块左右两侧的边缘，并与固定梳齿交叉吻合；组合梁，用于连接敏感质量块和固定座；硅纳米线电阻层，作为敏感机构设在组合梁的检测梁根部。根据本发明实施例的微机械陀螺，采用整体结构设计，结构设计紧凑合理，既能充分利用空间，又能抑制驱动对检测的影响，适合器件的自解耦和微型化。硅纳米线电阻由硅纳米线电阻层、硅纳米线电阻正极、硅纳米线电阻负极组成，硅纳米线电阻层所具有巨压阻效应比传统的硅压阻器件的压阻灵敏度高约2个数量级，可大幅提高硅压阻式传感器的检测灵敏度和分辨率，是一种十分理想的提高硅基压阻式MEMS器件的方法。除以上特点外，该微陀螺角速率敏感体的检测电路设计简单、使用方便、可靠性好，适合微型化。根据本发明的一个实施例，所述的键合基板整体为矩形结构，其上设有矩形凹槽即底槽。可为微陀螺角速率敏感体仪的敏感质量块的上下、左右运动提供空间。根据本发明的一个实施例，所述的微陀螺角速率敏感体进一步包括固定梳齿电极正极，所述的固定梳齿电极正极为两个，分别置于键合基板左、右边框的上表面并粘结牢固，并且该电极上表面设固定梳齿,并粘结牢固；梳齿电极负极,所述的梳齿电极负极为敏感质量块左、右两侧驱动梳齿的电极，该电极与固定梳齿电极正极在同一平面，置于键合基板前、后边框上表面，并粘结牢固，并且该电极的上表面设固定座，并粘结牢固；敏感质量块，所述的敏感质量块表面均布通孔阻尼孔。敏感质量块左、右两侧边缘均匀分布有驱动梳齿，敏感质量块通过组合梁与固定座相连接。组合梁，所述的组合梁由驱动梁、检测梁、连接块构成，用于连接固定座和敏感质量块，检测梁的上表面设有硅纳米线电阻。根据本发明的一个实施例，所述的固定梳齿电极上设有所述固定梳齿的基座；所述的梳齿电极负极上设有所述的固定座，固定座有前、后两个，分别置于两个梳齿电极负极上表面，并通过组合梁与敏感质量块相连接；固定座与组合梁相连接部位的上表面设有硅纳米线电阻电极。根据本发明的一个实施例，所述的敏感质量块为矩形，且内嵌在键合基板的底槽中，并可在此底槽中上、下、前、后、左右运动；所述的敏感质量块前、后对称位置分别通过组 合梁与固定座相连接。根据本发明的一个实施例，所述的组合梁呈回折形，驱动梁和检测梁通过连接块相连接，连接块两端为“几”字形驱动梁，连接块中间位置设检测梁；组合梁中驱动梁的厚度与敏感质量块的厚度相同，检测梁的厚度小于两侧驱动梁，在；检测梁靠近固定座一端的根部上表面设有硅纳米线电阻。根据本发明的一个实施例，所述的固定梳齿与所述敏感质量块两侧边缘的驱动梳齿交叉吻合。根据本发明的一个实施例，所述的敏感质量块的四角对称位置加工有组合梁运动空间，组合梁分别嵌于组合梁运动空间内，组合梁可在组合梁运动空间内上下、左右、前后运动。根据本发明的一个实施例，所述的检测梁的硅衬底层上制作有二氧化硅层，二氧化硅层上制作有折形的硅纳米线电阻层，硅纳米线电阻层的两端分别连接有硅纳米线电阻正极、硅纳米线电阻负极。根据本发明的一个实施例，所述硅纳米线电阻层采用SOI材料制成。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中
图I为本发明实施例的整体结构立体 图2为本发明实施例的整体结构平面 图3为本发明实施例的微陀螺角速率敏感体立体结构 图4为本发明实施例的敏感质量块平面结构 图5为本发明实施例的键合基板立体结构 图6为本发明实施例的硅纳米线电阻结构 图7为本发明实施例的组合梁立体结构图；图8为本发明实施例的组合梁三视 图9为本发明实施例的固定梳齿结构 图中所示，附图标记清单如下
I、敏感质量块，2、阻尼孔，3、固定座，4、固定梳齿基座，5、固定梳齿，6、硅纳米线电阻，7、硅纳米线电阻正极，8、硅纳米线电阻负极，9、驱动梳齿，10、组合梁运动空间，11、驱动梁，12、检测梁，13、连接块，14、梳齿，15、梳齿槽，16、梳齿电极负极，17、固定梳齿电极正极，18、硅衬底层，19、二氧化硅层，20、硅纳米线电阻层，21、键合基板，22、底槽，23、微陀螺角速率敏感体，24、组合梁
具体实施例方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。硅纳米线电阻是一种新型的硅压阻式电阻，其所表征的巨压阻效应的电阻应变系数高达5000，比传统体加工的硅压阻的电阻应变系数(100左右)高约2个数量级。将这种新型的硅纳米线电阻应用于微机械陀螺的研究是对传统压敏电阻式微机械陀螺的继承与突破。以下结合附图对本发明做进一步的说明
如图1-2所示，根据本发明的一个实施例的微机械陀螺，包括键合基板21和微陀螺角速率敏感体23两大部分；
具体而言，可以以键合基板21为载体，例如键合基板21可以由半导体材料制成，键合基板21上表面中心位置设有用以为敏感质量块提供运动空间的底槽22。微陀螺角速率敏感体23可以设在键合基板21的上表面，并与键合基板21相连接，且微陀螺角速率敏感体23可以包括敏感质量块1，设在底槽22之上，且二者之间间隔隔开，敏感质量块I可以在底槽22中上下、左右、如后振动；固定梳齿5,设在固定梳齿电极正极17上表面，并粘结牢固，且固定梳齿5与敏感质量块I在同一平面；驱动梳齿9，设在敏感质量块I左右两侧，梳齿均布，且与固定梳齿5交叉吻合，二者能够在静电力的作用下驱动敏感质量块I，使其左右振动。根据本发明实施例的微机械陀螺，采用整体结构设计，结构设计合理紧凑，既能充分利用空间，又能抑制驱动对检测的影响，适合器件的自解耦和微型化。敏感质量块I在静电梳齿9的驱动作用力下，沿X轴方向做线性简谐振动，当陀螺仪在Y轴方向上有角速度输入时，由于哥氏力的作用，敏感质量块I将在Z轴方向上产生进动。此进动将带动组合梁24使检测梁12发生形变，从而引起制作于检测梁12根部的硅纳米线电阻层20发生形变。由于硅纳米线电阻层20具有巨压阻效应，因此微弱的形变就能够使该纳米线电阻层发生剧烈的阻值变化。这样就可以把一个微弱的哥氏力信号转化成一个较强的电学信号，通过对该信号的处理就可以检测出Y轴方向输入角速度的大小。此装置的检测电路设计简单、使用方便、可靠性好，适合微型化
图3所示，根据本发明的一个实施例，微陀螺角速率敏感体23进一步包括敏感质量块
I、固定座3、固定梳齿5、组合梁24、梳齿电极负极16、固定梳齿电极正极17。具体而言，所述的固定梳齿电极正极17为两个，分别置于键合基板21左、右边框的上表面并粘结牢固，并且该电极上表面设固定梳齿5，并粘结牢固；所述的梳齿电极负极 16为敏感质量块I左、右两侧驱动梳齿9的电极，该电极与固定梳齿电极正极17在同一平面，置于键合基板21前、后边框上表面，并粘结牢固，并且该电极的上表面设固定座3，并粘结牢固；所述的敏感质量块I表面均布通孔阻尼孔2。敏感质量块I左、右两侧边缘均匀分布有驱动梳齿9，敏感质量块I通过组合梁24与固定座3相连接。所述的组合梁24由驱动梁11、检测梁12、连接块13构成，用于连接固定座和敏感质量块，检测梁12的上表面设有硅纳米线电阻6。图4所示，根据本发明的一个实施例，敏感质量块I呈矩形，通过组合梁24连接于固定座3、的内侧四角部位，内嵌于键合基板21上表面的底槽22中；组合梁24的四角对称位置组合梁运动空间10的形状恰好于组合梁24的外侧边框形状吻合，组合梁4可在组合梁运动空间10内上下、前后、左右运动；敏感质量块I可以用半导体材料制作，在组合梁24的支撑下并可以在此底槽22中前后、左右、上下振动；敏感质量块I的表面均布通孔阻尼孔 2 ;阻尼孔2贯通于敏感质量块1，阻尼孔2可呈圆形，也可呈方形，阻尼孔2的数量的多少及尺寸的大小可根据应用环境和阻尼系数确定。图5所示，根据本发明的一个实施例，键合基板21呈矩形，上表面的中心位置制作有底槽22,此底槽22能够为敏感质量块I的上下左右如后运动提供运动空间。图6所示，根据本发明的一个实施例，在硅衬底18上设置有二氧化硅层19，在二氧化硅层19上设置有硅纳米线电阻6，硅纳米线电阻6的两端分别连接有硅纳米线电阻正极
7、硅纳米线电阻负极8 ;硅纳米线电阻层20采用SOI材料制成，上层硅结构经过掺杂后形成具有巨压阻效应的硅纳米线电阻，硅纳米线电阻层20的宽度、长度的大小和回折数量要视微机械陀螺设计参数及应用环境决定；硅纳米线电阻正极7、硅纳米线电阻负极8为金材料，在硅纳米线电阻层20的两端进行良好处理与硅纳米线电阻正极7、硅纳米线电阻负极8形成良好欧姆接触。图7-8所示，根据本发明的一个实施例，组合梁24包括驱动梁11、检测梁12、连接块13。组合梁24端部为连接块13，在连接块13的左右部对称设置有驱动梁11，在两驱动梁11之间为检测梁12，检测梁12端部接连接块13，三者为一体结构。驱动梁11与连接块13厚度相同，检测梁12的厚度小于驱动梁11和连接块13，连接块13、驱动梁11的厚度与敏感质量块I的厚度相同。保证检测梁12在Z轴方向上的总刚度也远远小于驱动梁11在Z轴方向上的总刚度，可以实现微陀螺角速率敏感体在驱动方向、即X轴方向和检测方向、即Z轴方向上的自解耦；在检测梁12靠近固定座3—端的根部上表面设有硅纳米线电阻层20，此结构即为陀螺仪的敏感结构。如图9所示，根据本发明的一个实施例，固定梳齿包括固定梳齿基座4、梳齿14、梳齿槽15，固定梳齿基座4的键合于固定梳齿电极正极17之上，固定梳齿5的一侧等间距设置梳齿14，梳齿14之间为梳齿槽15，梳齿14、梳齿槽15与敏感质量块I上的驱动梳齿9交叉关联，固定梳齿5与敏感质量块I的厚度相同。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解，在不 脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
权利要求
1.一种微机械陀螺，其特征在于，包括 键合基板，所述的键合基板上表面设有矩形凹槽即底槽； 微陀螺角速率敏感体，所述的微陀螺角速率敏感体设在键合基板上方，并与键合基板粘结牢固，且微陀螺角速率敏感体包括键合基板左、右侧上表面分布的固定梳齿电极正极；前、后侧上表面分布的梳齿电极负极；固定梳齿电极正极上表面设置的固定梳齿结构；梳齿电极负极上表面设置的固定座；对应设在底槽上方的敏感质量块，敏感质量块上均匀分布有通孔阻尼孔；敏感质量块通过组合梁与固定座相连接；组合梁的检测梁根部设有硅纳米线电阻作为敏感机构。
2.根据权利要求I所述的微机械陀螺，其特征在于，所述的键合基板整体为矩形结构，可为微陀螺角速率敏感体仪的敏感质量块的上下、左右运动提供空间。
3.根据权利要求I所述的微机械陀螺，其特征在于，固定梳齿电极正极，所述的固定梳齿电极正极为两个，分别置于键合基板左、右边框的上表面并粘结牢固，并且该固定梳齿电极正极上表面设固定梳齿，并粘结牢固； 梳齿电极负极，所述的梳齿电极负极为敏感质量块左、右两侧驱动梳齿的电极，该电极与固定梳齿电极正极在同一平面，置于键合基板前、后边框上表面，并粘结牢固，并且该电极的上表面设固定座，并粘结牢固； 敏感质量块，所述的敏感质量块表面均布通孔阻尼孔，敏感质量块左、右两侧边缘均匀分布有驱动梳齿，敏感质量块通过组合梁与固定座相连接； 组合梁，所述的组合梁由驱动梁、检测梁、连接块构成，用于连接固定座和敏感质量块。
4.根据权利要求3所述的微机械陀螺，其特征在于，所述的固定梳齿电极正极上设有所述固定梳齿的基座；所述的梳齿电极负极上设有所述的固定座，固定座有前、后两个，分别置于两个梳齿电极负极上表面，并通过组合梁与敏感质量块相连接；固定座与组合梁相连接部位的上表面设有硅纳米线电阻电极。
5.根据权利要求3所述的微机械陀螺，其特征在于，所述的敏感质量块为矩形，且内嵌在键合基板的底槽中，并可在此底槽中上、下、前、后、左右运动；所述的敏感质量块前、后对称位置分别通过组合梁与固定座相连接。
6.根据权利要求3所述的微机械陀螺，其特征在于，所述的组合梁呈回折形，驱动梁和检测梁通过连接块相连接，连接块两端为“几”字形驱动梁，连接块中间位置设检测梁；组合梁中驱动梁的厚度与敏感质量块的厚度相同，检测梁的厚度小于两侧驱动梁，在检测梁靠近固定座一端的根部上表面设有硅纳米线电阻。
7.根据权利要求3所述的微机械陀螺，其特征在于，所述的固定梳齿与所述敏感质量块两侧边缘的驱动梳齿交叉吻合。
8.根据权利要求5所述的微机械陀螺，其特征在于，所述的敏感质量块的四角对称位置加工有组合梁运动空间，组合梁分别嵌于组合梁运动空间内，组合梁可在组合梁运动空间内上下、左右、前后运动。
9.根据权利要求6所述的微机械陀螺，其特征在于，所述的检测梁的硅衬底层上制作有二氧化硅层，二氧化硅层上制作有硅纳米线电阻层，硅纳米线电阻层的两端分别连接有硅纳米线电阻正极、硅纳米线电阻负极。
10.根据权利要求9所述的微机械陀螺，其特征在于，所述硅纳米线电阻层采用SOI材料制成。 ·
全文摘要
本发明公开了一种SOI基巨压阻效应微陀螺，主要结构包括键合基板和微陀螺角速率敏感体。键合基板上表面中间位置刻蚀有矩形底槽；微陀螺角速率敏感体设在键合基板上表面并与键合基板相连接。微陀螺角速率敏感体进一步包括键合基板左、右侧上表面分布的固定梳齿电极正极；前、后侧上表面分布的梳齿电极负极；固定梳齿电极正极上表面设置的固定梳齿结构；梳齿电极负极上表面设置的固定座；对应设在底槽上方的敏感质量块，敏感质量块上表面均匀分布有阻尼孔；敏感质量块通过组合梁与固定座相连接；组合梁的检测梁根部设有硅纳米线电阻作为敏感机构。根据本发明实施例的微机械陀螺采用整体结构设计，结构合理、紧凑，检测电路简单，使用方便、可靠性好、适合微型化。
文档编号G01C19/5733GK102798387SQ20121032977
公开日2012年11月28日 申请日期2012年9月7日 优先权日2012年9月7日
发明者刘俊, 李孟委, 李锡广, 王莉, 杜康, 石云波 申请人:中北大学
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