一种静电驱动电容检测的微机械陀螺及其工艺改进

　　0　引言

　　微机械陀螺器件因其小型化、低功耗、低成本的特点,在惯性传感领域备受关注,且在一些领域有逐步取代传统陀螺的趋势。目前报道的微机械陀螺的结构可分为平面内结构[1-4]和平面外结构[5-7]两种。平面内结构的微机械陀螺的驱动模态和检测模态的运动都在平面内,而平面外结构的驱动模态和检测模态的运动至少有一个是在平面外进行的。目前已报道的微机械陀螺激励机理包括静电力驱动[4]、压电力驱动[6-9]以及电磁力驱动[3,5],主要的敏感机理包括电容敏感[1,3-4]、压阻敏感[6-7]、压电敏感[9]、光敏感[2]以及隧道电流敏感[10]。静电驱动和电容敏感因其低功耗和反应迅速的优点分别成为目前微机械陀螺驱动和检测的首选。

　　深反应离子刻蚀(deep reactive ion etching,DRIE)是重要的体硅微机械加工工艺,用来制造侧壁近乎垂直的高深宽比结构[11]。当硅被深反应离子刻蚀刻穿时,在硅硅以及硅氧化层交界处将会发生根部效应,这是因为在刻蚀槽内的离子发生了偏移导致根部被刻蚀而引起的[12]。根部效应损伤了微结构的底部,对器件质量和成品率影响很大。

　　为了减弱根部效应对器件的损伤,我们改进了栅结构微机械陀螺的工艺流程。简单分析了一种静电驱动电容检测框架式陀螺结构;介绍了改进前后的工艺流程,并通过给出相应的SEM照片,分析了改进前后的工艺对器件质量的影响;介绍了陀螺测试电路的基本结构,并给出了陀螺原型器件的一些基本测试结果。

　　1结构设计

　　该微机械陀螺的结构示意如图1所示,主体可动结构包括一个用来驱动的外部框架以及连接到外框上的内部质量块。陀螺的弹性梁采用U形梁结构,该结构被释放时具有较小的残余应力。陀螺工作时,通过外部框架上的栅电容施加静电力使得外部框架在X方向上进入谐振模态,当输入绕Z轴的角速度信号时,Y方向上将产生科氏加速度,科氏加速度的大小与驱动速度和输入角速度的大小成正比。通过检测内部质量块上的栅电极和玻璃上的固定电极组成的差分电容对的电容差值,即可得到反映输入角速度大小的信号。

　　陀螺的驱动栅电容和检测栅电容如图2所示,外框和内部质量块上的每一条栅电极与下方玻璃上的两个固定电极部分交叠形成栅差分电容对。静电驱动是利用外框上的栅差分电容进行推挽驱动实现的,即在外框下方的两个固定电极上分别施加直流电压为Vdc的推挽信号、交流电压为Vac的推挽信号。由于在切向即X方向上栅电极和固定电极不完全交叠,将产生切向的静电力作用,因此推挽电压使得外框在X方向上按照单一频率振动。切向静电力的大小为