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文檔簡介
微靜電陀螺儀的結構設計與工藝方法1、振動式微機械陀螺儀
振動式微機械陀螺儀利用單晶硅或多晶硅制成的振動質量,在被基座帶動旋轉時的哥式效應感測角速度。MEMS陀螺儀的分類2、轉子式微機械陀螺儀轉子式微機械陀螺儀分為磁懸浮轉子微陀螺和靜電轉子微陀螺。靜電轉子微陀螺采用靜電懸浮,并通過力矩再平衡回路測出角速度,以及通過靜電力平衡回路測出線加速度。3、微機械加速度傳感器陀螺儀
微機械加速度傳感器陀螺儀是由參數匹配的兩個微機械加速度傳感器做反向高頻抖動而構成的多功能慣性傳感器。
微機構陀螺按材料和加工方式的分類:微機械陀螺分類按材料按加工方式硅材料非硅材料單晶硅多晶硅石英其它體硅機械加工表面微機械加工LIGA(光刻、電鑄和注塑)MEMS陀螺儀的分類靜電陀螺概述靜電陀螺:一種能實現高精度多軸慣性測量的新型MEMS陀螺靜電陀螺優點:精度高,真正的自由轉子陀螺可靠性高能全姿態測角應用:航空航天領域、戰略武器、火箭靜電陀螺缺點:結構復雜工藝要求高
角度讀取復雜
基本結構(1)1)沿轉子徑向內/外側的懸浮電極用于約束轉子沿徑向(X和Y軸)的兩個自由度運動,采用體硅微加工工藝;2)上/下玻璃電極板的內側軸向懸浮電極,用于約束轉子沿z軸方向和兩個轉動自由度(和)的運動;3)在徑向和軸向懸浮電極中配置有專門的公共激勵電極,用于施加實現位移檢測的高頻載波信號;4)上下電極板外側分布的旋轉電極為轉子提供驅動轉矩。轉子在未加電時會在自身重力作用下與軸向或徑向電極接觸,容易發生“吸附”現象,這將給起支控制帶來難度。因此,在轉子的運動方向設計有止擋,一方面可防止轉子與電極直接接觸,另一方面限制了轉子的運動范圍,降低了起支控制系統設計的難度。止擋基本結構(2)止擋分布工作原理陀螺作接近于永久轉動的穩態運動,認為陀螺的動量矩H始終沿轉子主軸方向且大小不變。當陀螺殼體有繞陀螺輸入軸如Y軸正向以角速度相對慣性空間轉動角時,由于陀螺儀的定軸性,轉子與殼體電極(X軸向布置)之間將出現相對轉角。敏感檢測電極產生輸出信號,轉換為控制電壓,并加到繞轉子正交軸即X軸給出力矩的懸浮電極(Y軸向布置)上。產生的再平衡力矩使轉子自轉軸繞Y軸進動。由再平衡力矩可求得輸入角速度:兩輸入軸角速度的獲得:工作原理處于零位小位移工作狀態的靜電懸浮轉子微陀螺,當陀螺殼體受到如沿X軸正向的線加速度時,轉子由于慣性仍然靜止,則轉子相對定子有沿X軸負向的線位移。經位移檢測后,控制電子線路產生控制電壓,并加到X軸向布置的徑向定子電極上,于是產生X軸負向的靜電平衡力使轉子回到殼體零位。根據靜電平衡力求得輸入的線加速度,m為轉子的質量。同理,由靜電平衡力可分別求得其它兩軸輸入的線加速度。三軸線加速度的獲得:工藝方法加工微靜電陀螺儀主要的工藝方法:1、多層多晶硅的面硅工藝。在基片上淀積或生長多晶硅層來制作微機械結構。由于轉子厚度有限,制約了微慣性器件精度和靈敏度的提高。2、體硅加工工藝。采用高深寬比干法刻蝕工藝在體硅上刻蝕出微機械結構,在玻璃上濺射金屬形成電極,再通過靜電鍵合形成玻-硅組合片。3、LIGA和準LIGA工藝。通過電鑄方法加工出大高寬比的可活動微結構,機械性能好,靈敏度高,但工藝難度大,成本高。(1)刻蝕淺槽(2)表面摻雜(3)金屬電極(4)陽極鍵合(5)硅片減薄(6)釋放結構體硅深刻蝕釋放工藝體硅深刻蝕釋放工藝由于轉子無任何機械約束,若在電感耦合等離子體ICP刻蝕過程中將轉子一次性釋放,則轉子容易在膨脹氣體作用下迸出。在工藝設計中引入鋁犧牲層對轉子進行約束,犧牲層為薄膜梁結構,鋁犧牲層均勻覆蓋在轉子底層內外兩側,厚度為500nm。在結構加工完成后,采用濕法刻蝕將犧牲層去除。犧牲層工藝(a)頂層和底層濺金。采用硼硅酸鹽玻璃,厚度500m。包括三步:1、在玻璃表面涂敷光刻膠,采用掩膜板進行曝光;2、玻璃帶膠濺射多層金屬,依次為Cr(80nm)/Pt(100nm)/Au(50nm);3、去膠清洗,剝離多余金屬,形成軸向電極及引線。(b)第一次RIE刻蝕。采用n型高摻雜單晶硅片,標準清洗后硅片正面涂敷光刻膠,采用掩膜板進行光刻,刻蝕深度為4m,形成4m深的底部鍵合面。(c)第二次RIE刻蝕。刻蝕深度為2
m,從而形成6m深的鍵合臺面和14個2m高的止擋。(d)鋁犧牲層工藝。濺射鋁膜500nm。去膠剝離多余鋁,形成鋁質薄膜犧牲層。(e)第一次玻-硅鍵合。將硅片正面與制備了電極的底層玻璃進行靜電鍵合。(f)硅片減薄。采用濕法刻蝕將硅片厚度減至約80m,再用拋光液在聚氨酯盤上進行拋光。工藝流程加工工藝流程(1)(g)第3次RIE刻蝕。刻蝕深度為4m,形成4m高的頂部鍵合臺面。(h)第4次RIE刻蝕。刻蝕深度為2m,形成6m深的鍵合臺面和2m高的止擋。(i)ICP釋放結構。采用刻蝕機將硅結構層刻透,形成徑向電極、導通硅和轉子。(j)第2次玻-硅鍵合。將硅背面與頂層玻璃進行靜電鍵合。(k)劃槽和裂片。按照玻璃片上已有的劃片標記對組合片進行手工劃片,裂片得到單個管芯。(l)濕法去除鋁犧牲層。裂片后,將管芯浸泡在配置好的鋁刻蝕劑中,在超聲波環境中將其去除,最后清洗、烘干,得到轉子可動的微結構。工藝流程加工工藝流程(2)工藝難點1、二次鍵合過程中的轉子吸附問題由于靜電鍵合時,玻硅間直流電壓在800V以上,腔體溫度在400攝氏度以上,玻璃電極和以低阻硅為材料的轉子之間出現很強的靜電力,鋁犧牲層在高溫下延展變形會造成轉子貼近玻璃,部分軸向止擋和玻璃接觸鍵合,造成轉子不可動。2、結構底層易污染體硅與底層玻璃的間隙內留存有較多黑色殘渣。3、金屬焊盤受損在靜電鍵合中硅片加正壓,玻璃加負壓,而玻璃上的金屬電極和硅體接觸,部分附著在玻璃上,交叉分布,因此相鄰的電極間有較大的電壓差,在鍵合過
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