专利名称：静电悬浮转子微惯性传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种微惯性传感器及其制造方法，特别是一种静电悬浮转子微惯性传感器及其制造方法，用于微机电系统技术领域。
背景技术：
静电悬浮转子微惯性传感器是一种不同于振动式微陀螺和一般微加速度计的微机械惯性传感器，它通过静电力悬浮使检测质量与衬底分开，利用悬浮的微小扁平转子(利用变电容微马达的原理进行旋转驱动)作为检测质量，由悬浮微转子高速旋转产生的陀螺效应，借助力矩再平衡原理测量输入的二轴角速度；同时，由悬浮微转子借助力平衡原理可测量三轴线加速度。用一个悬浮微转子作为检测质量实现角速度和线加速度测量的微惯性传感器也有报道。经文献检索，专利号为US5353656，名称为“静电控制微机械陀螺(Electrostatically ControlledMicromachined Gyroscope)”的美国专利提出了一种采用多层多晶硅工艺的，由两层氮化硅缘绝层隔开的三层多晶硅制成的扁平圆盘转子的二轴静电微陀螺。由于受多晶硅工艺的限制，该微转子不能太大太厚，其直径仅200μm，厚约7μm，因而该微陀螺的位移电容检测比较困难；另一方面，由于转子太薄，因而限制了微转子侧向线加速度的测量能力。文献检索中还发现，T.Murakoshi等人在《日本应用物理》期刊上发表的“静电悬浮环形转子陀螺和加速度计”(JapaneseJournal of Applied Physics，2003(42)2468-2472，ElectrostaticallyLevitated Ring-shaped Rotational-Gyro/Accelerometer)一文中阐述了一种能同时测量二轴角速度和三轴线加速度的，采用体硅刻蚀工艺的单晶硅环形转子的静电悬浮微惯性传感器。该静电悬浮转子微惯性传感器采用玻璃-硅-玻璃三层键合结构，工作部分由单晶硅环形转子和布置于环形转子周围的轴向悬浮控制电极、径向悬浮控制电极、静电旋转驱动电极、电容检测公共电极组成，其中在环形转子径向的内外侧均设置有径向悬浮控制电极和电容检测公共电极。主要采用感应耦合等离子体深反应离子刻蚀(ICP DRIE)和阳极键合工艺制作首先在两侧的硼硅玻璃衬底上刻蚀出轴向电容间隙和轴向止挡，并沉积薄膜金属形成轴向电极和引线；然后将一侧玻璃衬底与硅片进行阳极键合，利用ICP DRIE刻蚀硅片以释放环形转子、径向电极，并形成转子与内外侧电极的径向间隙；接着与另一侧玻璃衬底进行阳极键合；切片获得微器件芯片。ICP DRIE工艺的主要缺点是工艺复杂，设备成本高，刻蚀的体硅侧壁平坦度差，为减小侧壁表面粗糙度以防止径向间隙发生本地化放电击穿，ICP DRIE刻蚀体硅时须进行严格的工艺参数控制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺点，提供一种结构简单、制造成本低的静电悬浮转子微惯性传感器及其制造方法，并使其实现静电悬浮扁平微转子的五轴惯性(二轴角速度和三轴线加速度)测量功能。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明静电悬浮转子微惯性传感器采用三明治式的三层键合结构，由下衬底层、中间金属结构层和上衬底层构成，中间金属结构层由金属转子和金属转子周边的径向电极组成，下衬底层、上衬底层分别和径向电极相键合形成转子腔，转子腔的中心为惯性坐标系OXYZ的原点O，上下方向的中心轴向为OZ轴；金属转子处于形成的转子腔的中心，OZ轴向为其旋转轴方向；在下衬底的上表面上设置有薄膜金属轴向电极和引线，下衬底的中心处设置有止挡凹坑；上衬底层与下衬底层的结构相同，上衬底的下表面上同样设置有薄膜金属轴向电极和引线，下衬底的中心处同样设置有止挡凹坑；金属转子与上、下衬底上的薄膜金属轴向电极和周边径向电极之间分别形成轴向电极间隙和径向电极间隙。
下衬底上表面或上衬底下表面上的薄膜金属轴向电极包括沿X轴正向和负向且关于X轴对称布置的轴向悬浮控制电极对、沿Y轴正向和负向且关于Y轴对称布置的轴向悬浮控制电极对、公共电极和数量为三的倍数的旋转驱动定子电极；其中轴向悬浮控制电极对由两个形状和大小都相同的轴向电极组成，公共电极由布置于轴向悬浮控制电极对之间的公共电极和中心公共电极组成。
金属转子周边的径向电极包括沿X轴正向和负向且关于X轴对称布置的径向悬浮控制电极对、沿Y轴正向和负向且关于X轴对称布置的径向悬浮控制电极对和布置于径向悬浮电极对之间的公共电极；其中径向悬浮控制电极对由两个形状和大小都相同的径向电极组成。
金属转子为轮状，其上均匀地设置有数量为二的倍数的通槽，各通槽之间辐条的上、下表面为旋转驱动转子电极，并通过轴向电极间隙与上、下衬底层上的旋转驱动定子电极相对应，旋转驱动转子电极和旋转驱动定子电极的电极数量不同；金属转子轮缘的上、下表面及中心处轮毂的上、下表面通过轴向电极间隙分别与上、下衬底层上的轴向电极相对应；金属转子轮缘的外侧面通过径向电极间隙与周边径向电极相对应，金属转子轮毂上、下面的中心处设置有突出轴柱，并通过间隙分别与上、下衬底中心处的止挡凹坑相对应。
上、下衬底均为方板玻璃衬底，上、下衬底中心处的止挡凹坑的内表面镀薄膜金属导电层。
本发明静电悬浮转子微惯性传感器的制造方法，包括下衬底层的工序、中间金属结构层的工序、上衬底层的工序和键合工序，其中下衬底层的工序或上衬底层的工序包括首先准备方板玻璃衬底，然后在方板玻璃衬底的中心处刻蚀止挡凹坑，接着制作止挡凹坑内表面的薄膜导电层、薄膜金属轴向电极和引线，并沉积绝缘保护层；中间金属结构层的工序包括在下衬底层工序的基础上制作牺牲层，接着蒸镀金种子层，旋涂厚光刻胶并光刻成模，然后同时电铸形成金属转子和径向电极；抛磨电铸结构的上表面后，二次电铸镍形成转子轮毂上面中心处的突出轴柱，然后在径向电极上制作键合焊接层；去除光刻胶和牺牲层，释放金属转子；键合工序包括将已完成上衬底层工序的玻璃上衬底层倒置，与中间金属结构层对齐装配，然后共熔回流自对准焊接键合；切片，获得微器件芯片。
该基于准LIGA(光刻、电铸、注塑)技术的制造方法所采用电铸金属转子和径向电极的材质均为金属镍(Ni)，所用的厚光刻胶为SU-8负性光刻胶。电铸金属转子和径向电极在厚光刻胶模上同时电铸形成，并通过SU-8厚光刻胶模定义径向电极间隙；键合焊接层为电铸铅锡(Pb-Sn)焊层，共熔回流自对准焊接键合；金属转子下方的轴向电极间隙通过牺牲层定义，上方的轴向电极间隙通过刻蚀上衬底下陷并经焊接键合来形成。
或者本发明的制造方法，包括下衬底层的工序、上衬底层的工序、径向电极的工序、金属转子的工序和微装配与键合工序，径向电极和金属转子分别通过径向电极的工序和金属转子的工序经SU8厚光刻胶模分别电铸金属Ni而成，并且金属转子的外径和厚度分别小于径向电极的内径和高度，通过微装配和铅锡(Pb-Sn)焊接键合来形成径向电极间隙和轴向电极间隙。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，静电悬浮转子微惯性传感器采用轮状的Ni金属转子和SU-8光刻胶的近紫外线(UV)准LIGA技术，结构简单、制造成本低；通过本发明利用静电悬浮Ni金属微转子可以同时实现二轴角速度和三轴线加速度的测量功能。
图1本发明XOZ平面的结构剖面2本发明沿OZ轴的分解立体结构示意3本发明金属转子的立体结构示意图具体实施方式
如图1、图2所示，本发明采用三明治式的三层键合结构，由下衬底层1，中间金属结构层2和上衬底层3构成。在下衬底层1的衬底10的上表面上设置有轴向薄膜金属电极和引线，其中轴向薄膜金属电极包括沿X轴向布置的轴向悬浮控制电极对11、13，沿Y轴向布置的轴向悬浮控制电极对12、14，公共电极15a～15e和数量为三的倍数的旋转驱动定子电极16；在下衬底10的中心处还设置有止挡凹坑17。上衬底层3与下衬底层1的结构相同，其衬底30的下底面上同样设置有沿X轴向布置的轴向悬浮控制电极对31、33，沿Y轴向布置的轴向悬浮控制电极对32、34，公共电极35a～35e，数量为三的倍数的旋转驱动定子电极36；上衬底30中心处同样设置有止挡凹坑37。中间金属结构层2包括转子20和转子20周边布置的径向电极，其中包括沿X轴向布置的径向悬浮控制电极对21、23，沿Y轴向布置的径向悬浮控制电极对22、24，公共电极25a～25d。
如图3所示，金属转子20为轮状，其上均匀地设置有数量为二的倍数的通槽42，各通槽42之间辐条的上、下表面为旋转驱动转子电极41，并与旋转驱动定子电极36、16相对应；转子20轮缘的上、下表面45为转子的轴向悬浮作用面，分别与上衬底30上的轴向电极31～34、35a～35d和下衬底10上的轴向电极11～14、15a～15d相对应；转子20轮缘的外侧面46为转子的径向悬浮作用面，与周边径向电极21～24、25a～25d相对应；转子20中心处轮毂的上、下表面43分别与上、下衬底30、10上的公共电极35e和15e相对应；转子20轮毂中心处的突出轴柱44分别与上、下衬底30、10中心处的止挡凹坑37和17相对应。
如图1所示，下衬底层1、上衬底层3分别和径向电极21～24、25a～25d相键合形成转子腔29，转子20处于转子腔29的中心；转子20与下衬底层1上的轴向电极11～14、15a～15e和上衬底层3上的轴向电极31～34、35a～35e间分别形成轴向电极间隙27，与径向电极21～24、25a～25d间形成径向电极间隙26；转子20轮毂上、下面43的中心处设置有突出轴柱44，并分别与上、下止挡凹坑37、17之间形成间隙28a和28b。
上、下衬底30和10均采用方板玻璃衬底，由于玻璃衬底为绝缘体，作为金属电极和引线的载体，其分布电容较小，对于微电容测量有好处；另一方面，采用方形玻璃板衬底可为微惯性传感器提供敏感轴方位基准。上、下玻璃衬底上的轴向悬浮控制电极对31～34和11～14用于悬浮转子Z轴向的线位移和绕X或Y轴的转角位移的悬浮控制；金属转子20周边的径向悬浮控制电极对21～24用于悬浮转子径向的线位移的悬浮控制；所有公共电极15a～15e、35a～35e和25a～25d相连，用于输出转子的位移检测电流，为提高检测信号的信噪比，要求公共电极与转子间形成的大公共电容要尽可能大。转子20轮毂上、下面的中心处的突出轴柱44用作转子20的支撑柱，用于悬浮启动时减小转子与衬底之间的静摩擦力；上、下衬底30和10中心处的止挡凹坑37、17分别通过转子上、下面的突出轴柱44作用，用于约束转子轴向和径向的过大位移；上、下衬底30和10中心处的止挡凹坑37、17的内表面镀薄膜金属导电层用作接地面，用于转子停歇时释放其上可能的积累电荷，以保证转子为零电位。上、下衬底30、10上的旋转驱动定子电极36和16的数量为3的倍数并分成三组以施加三相直流驱动电压，转子20的辐条上、下表面的旋转驱动转子电极41的数量为二的倍数，且与旋转驱动定子电极16或36的数量不同。
本发明静电悬浮转子微惯性传感器的主要工作过程为下衬底10上的轴向悬浮控制电极对11～14、上衬底30上的轴向悬浮控制电极对31～34和转子20之间形成4对Z轴向的轴向差动电容；转子20周边X轴向的径向悬浮控制电极对21和23、Y轴向的径向悬浮控制电极对22和24与转子20之间分别形成X轴向和Y轴向的径向差动电容。工作时，在轴向和径向悬浮控制电极对11～14，31～34，21～24上分别施加等值异号的直流悬浮控制电压，将使转子20在轴向、径向静电支撑力的作用下悬浮在转子腔的中间位置(零位)上；在轴向和径向悬浮控制电极对11～14，31～34，21～24上分别再叠加表示转子线位移和角位移的不同频率(高频)的载波电压，因高频激励电压作用，当转子20发生线位移或角位移时，在相连的公共电极15a～15e、35a～35e、25a～25d上将产生表示转子相应位移的交流检测电流信号。同样，当在上、下衬底的旋转驱动定子电极36、16上施加三相直流驱动电压(相应同相的上下驱动定子电极所加的驱动电压等值异号)并叠加表示转子电极相对定子电极的转角位置检测载波信号时，转子将绕其中心轴高速旋转，并也将在公共电极15a～15e、35a～35e、25a～25d上产生表示转子转角位置的交流检测电流信号。即在表示转子六个自由度位移的不同频率的高频载波激励信号下，转子20与其周围的所有公共电极之间形成一个大的公共电容，当转子20发生线位移或角位移时，由这个大公共电容的公共电极上可同时引出包含转子线位移、角位移六个运动自由度信息的交流检测电流信号。此交流检测电流信号经包括前置放大器在内的位移检出电路转换生成交流检测电压信号vp。包含转子位移信息的检测交流电压信号vp，以标准载波信号为参考信号进行同步解调、滤波，产生转子相应轴的位移信号，经计算求得相应悬浮电极对上应加的直流悬浮控制电压从而使转子20归零位。同样，包含旋转驱动转子电极41相对旋转驱动定子电极16或36转角位移信息的交流检测电压信号vp，进行同步解调，滤波后，可计算出转子驱动电极相对定子驱动电极的转角位置和转子20的实际转速，经闭环恒速控制自动调节各相定子驱动电极上的加压脉宽或幅值，可实现转子20按设定转速旋转。
力矩再平衡原理测角速度的原理当微惯性传感器的壳体相对惯性空间有垂直于转子20自转轴oz的角速度如绕Y轴输入角速度ωy时，壳体将绕Y轴转动，即转子相对壳体绕Y轴发生转角位移φy，经位移电容检测、静电悬浮控制后，将相应改变沿Y轴向布置的构成差动电容的轴向悬浮控制电极对12与32，14与34上的悬浮控制电压的大小，即转子20将受到悬浮控制施加的绕X轴的控制力矩Mx的作用。在Mx平衡力矩作用下，转子自转轴oz绕Y轴相对惯性空间进动，且进动方向与壳体的转动方向相同，从而将转子绕Y轴相对壳体产生的转角位移φy消除掉，以保证转子20的自转轴始终处于转子腔29的零位工作。由产生的悬浮控制电压的大小，计算出转子所受的平衡力矩Mx，由下式可求得绕Y轴输入的角速度ωy=MxH=MxIΩ]]>式中H为转子20的角动量，I为转子20的极转动惯量，Ω为转子20的自转角速度。同理，若壳体相对惯性空间绕X轴输入角速度ωx时，转子相对壳体绕X轴将发生转角位移φx，由沿X轴向布置的构成差动电容的轴向悬浮电极对11与31，13与33上产生的再平衡力矩My，根据下式可求得绕X轴输入的角速度ωx=MyH=MyIΩ]]>力平衡原理实现转子三轴线加速度的测量当转子20发生沿X或Y或Z轴向的线位移时，在构成差动电容的悬浮电极对上的直流悬浮控制电压将发生改变，即产生相应的静电悬浮控制力F使转子20归零。由使转子20回零位的静电反馈平衡力F，由下式可求得输入的相应线加速度a=Fm]]>式中线加速度a＝[ax，ay，az]T，反馈平衡力F＝[Fx，Fy，Fz]T，m为转子20的质量。
为提高本发明微惯性传感器轴向和径向工作的灵敏度，实现本发明结构的关键在于几微米大小的轴向电极间隙27和径向电极间隙26的形成，特别是转子20和径向电极之间的高深宽比径向电极间隙26的形成。准LIGA技术由于利用近紫外光(UV)来代替LIGA技术中的X射线光，从而使得工艺成本大为降低，并且同样能获得数百微米厚，侧壁陡峭，表面平整的高深宽比(可大于20∶1)微结构。特别是SU-8厚光刻胶的开发，使得UV-LIGA技术在高深宽比微结构中获得了广泛应用。因此，本发明主要采用这种基于SU-8光刻胶的UV-LIGA微加工技术来实现上述静电悬浮转子微惯性传感器结构。
本发明所涉及的静电悬浮转子微惯性传感器的一种制作方法，包括下衬底层的工序、中间金属结构层的工序、上衬底层的工序和键合工序。
下衬底层的工序首先准备方板玻璃下衬底10，并刻蚀中心止挡凹坑17；接着溅射一层Cr/Au或Ti/Au薄膜，其中Cr、Ti为附着层，厚20nm，Au为薄膜电极及引线层，厚500nm；然后图形化以形成止挡凹坑17内表面的薄膜导电层、薄膜金属轴向电极(包括电极11～14，15a～15e和16)、径向电极电铸金属基层和引线；接着沉积一层500nm厚的氮化硅或氧化硅的绝缘保护层。
中间金属结构层的工序在下衬底层工序形成的绝缘保护层上，接着制作形成下轴向电极间隙的厚为2～5μm的牺牲层，该牺牲层可通过旋涂光刻胶或溅射Ti形成；光刻牺牲层和绝缘保护层以露出电铸金属基层和引线点，然后蒸镀Au种子层；接着旋涂100μm左右的SU8厚光刻胶，并光刻成转子20和径向电极21～24、25a～25d的光刻胶模，即用光刻胶模定义径向电极间隙26，间隙大小小于10μm；用氨基磺酸镍为主的电镀液进行电铸Ni结构以形成Ni转子和径向电极，氨基磺酸镍浓度为300g/L，电铸电流密度10～25A/dm2；由于电镀结构的上表面比较粗糙，需要进行多步抛磨以使粗糙度达到亚微米级。接着旋涂数微米厚的光刻胶并光刻成模，然后二次电铸Ni以形成转子20轮毂上面中心处的突出轴柱44。剥离上面突出轴柱44的光刻胶模，再次旋涂光刻胶并在径向电极之上光刻成模，用含氟硼酸铅和氟硼酸锡为主的电镀液电铸约20μm厚的铅锡(Pb-Sn)焊接层作为径向电极和玻璃上衬底30之间的键合焊接层。采用氧等离子灰化法去除光刻胶，并刻蚀掉牺牲层，释放转子。
上衬底层的工序与下衬底层的工序基本相同首先准备方板玻璃上衬底30，刻蚀2～5μm的下陷以定义上衬底电极与转子间的轴向电极间隙27，并在中心处刻蚀止挡凹坑37，其深度和内径都要稍小于下衬底止挡凹坑17的深度和内径，这样，工作时上衬底层放置于下面，这样启动前转子不完全贴近定子电极从而减小启动时的静摩擦力。接下来的工序同下衬底层的溅射一层Cr/Au或Ti/Au薄膜(Cr、Ti厚20nm，Au厚500nm)，然后图形化以形成止挡凹坑37内表面的薄膜导电层、薄膜金属轴向电极(包括电极31～34，35a～35e和36)、径向电极金属基层和引线；接着沉积一层500nm厚的氮化硅或氧化硅的绝缘保护层。
中间金属结构层和上衬底层的键合工序将完成上衬底层工序的玻璃上衬底层3倒置，与中间金属结构层2对齐装配、Pb-Sn共熔回流(183℃)自对准焊接键合，切片，并将微惯性器件倒置，即上衬底层3在下方。至此，可获得本发明微惯性器件的芯片。为实现静电悬浮转子微惯性传感器的功能，芯片还须进行真空封装和控制驱动线路的制作。
上述本发明所涉及的静电悬浮转子微惯性传感器制作方法的实施例，其显著的特点是金属转子和径向电极在SU8厚光刻胶模上同时电铸Ni而成，并通过SU8厚光刻胶模定义高深宽比径向电极间隙26；转子下方的轴向电极间隙27通过牺牲层定义，而上方的轴向电极间隙27通过刻蚀上衬底下陷并经Pb-Sn焊接键合来形成。该实施例提供的微惯性传感器的制作方法工艺简单，易于批量制作，但定义径向电极间隙的SU8厚光刻胶模去除困难。
本发明所涉及的静电悬浮转子微惯性传感器制造方法的另一实施例为金属转子和径向电极通过各自的SU8厚光刻胶模分别电铸Ni而成，并通过微装配来形成金属转子和径向电极之间的高深宽比径向电极间隙。即该种静电悬浮转子微惯性传感器的制造方法，包括下衬底层的工序、上衬底层的工序、径向电极的工序、金属转子的工序和微装配与键合工序。下衬底层的工序或上衬底层的工序，同上述实施例中的下衬底层工序，包括首先准备方板玻璃衬底，然后在方板玻璃衬底的中心处刻蚀止挡凹坑，接着制作止挡凹坑内表面的薄膜导电层、薄膜金属轴向电极、径向电极电铸金属基层和引线，并沉积绝缘保护层；所述的径向电极的工序包括在下衬底层工序的基础上，在径向电极电铸金属基层上蒸镀金种子层，旋涂SU-8厚光刻胶并光刻成模，然后电铸Ni金属径向电极；抛磨电铸金属径向电极的上表面后，然后在径向电极上电铸Pb-Sn键合焊接层，去光刻胶。金属转子的工序准备玻璃或硅衬底，蒸镀Cr/Au种子层并图形化，旋涂SU-8厚光刻胶并光刻成模，然后电铸Ni金属转子，抛磨其上表面后，二次电铸镍形成转子轮毂上面中心处的突出轴柱，去除光刻胶，释放金属转子；微装配与键合工序包括在显微镜下将释放的Ni金属转子置于电铸Ni径向电极之中完成微装配，然后将玻璃上衬底层倒置，与径向电极之上的电铸Pb-Sn键合焊接层对齐装配，然后共熔回流自对准焊接键合；切片，获得微器件芯片。该静电悬浮转子微惯性传感器制造方法实施例的另一显著的特点是金属转子的外径和厚度分别小于径向电极的内径和高度，通过微装配和焊接键合来形成径向电极间隙和轴向电极间隙。该微惯性传感器制造方法的实施例通过微装配来形成径向电极间隙，避免了上述实施例采用SU8厚光刻胶模定义径向电极而引起的去胶困难的缺点，但工艺相对复杂。
以上所述的实施例目的在于使熟知此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，但不能作为本发明的保护范围，即凡是依据本发明所揭示的精神而加以修饰或变化，仍应认为落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种静电悬浮转子微惯性传感器，由下衬底层(1)，中间金属结构层(2)和上衬底层(3)构成，其特征在于中间金属结构层(2)由金属转子(20)和金属转子周边的径向电极(21～24、25a～25d)组成，下衬底层(1)、上衬底层(3)分别和径向电极(21～24、25a～25d)相键合形成转子腔(29)，转子腔(29)的中心为惯性坐标系OXYZ的原点O，上下方向的中心轴向为OZ轴，金属转子(20)处于转子腔(29)的中心，OZ轴向为其旋转轴方向；在下衬底(10)的上表面上设置有薄膜金属轴向电极(11～14、15a～15e)和引线，下衬底(10)的中心处设置有止挡凹坑(17)；上衬底层(3)与下衬底层(1)的结构相同，上衬底(30)的下表面上同样设置有薄膜金属轴向电极(31～34、35a～35e)和引线，上衬底(30)的中心处同样设置有止挡凹坑(37)；金属转子(20)与上衬底(30)上的薄膜金属轴向电极(31～34、35a～35e)和下衬底(10)上的薄膜金属轴向电极(11～14、15a～15e)之间分别形成轴向电极间隙(27)；金属转子(20)与周边径向电极(21～24、25a～25d)之间形成径向电极间隙(26)。
2.根据权利要求1所述的静电悬浮转子微惯性传感器，其特征是，所述的下衬底(10)上表面上的薄膜金属轴向电极(11～14、15a～15e)包括沿X轴正向和负向且关于X轴对称布置的轴向悬浮控制电极对(11)和(13)、沿Y轴正向和负向且关于Y轴对称布置的轴向悬浮控制电极对(12)和(14)、公共电极(15a～15e)和数量为三的倍数的旋转驱动定子电极(16)，其中轴向悬浮控制电极对(11～14)由两个形状和大小都相同的轴向电极组成，公共电极(15a～15e)由布置于所述的轴向悬浮控制电极对(11～14)之间的公共电极(15a～15d)和中心公共电极(15e)组成；所述的上衬底(30)下表面上的薄膜金属轴向电极(31～34、35a～35e)包括沿X轴正向和负向且关于X轴对称布置的轴向悬浮控制电极对(31)和(33)、沿Y轴正向和负向且关于Y轴对称布置的轴向悬浮控制电极对(32)和(34)、公共电极(35a～35e)和数量为三的倍数的旋转驱动定子电极(36)，其中轴向悬浮控制电极对(31～34)由两个形状和大小都相同的轴向电极组成，公共电极(35a～35e)由布置于所述的轴向悬浮电极对(31～34)之间的公共电极(35a～35d)和中心公共电极(35e)组成。
3.根据权利要求1所述的静电悬浮转子微惯性传感器，其特征是，所述的金属转子(20)周边的径向电极(21～24、25a～25d)包括沿X轴正向和负向且关于X轴对称布置的径向悬浮控制电极对(21)和(23)、沿Y轴正向和负向且关于X轴对称布置的径向悬浮控制电极对(22)和(24)和布置于所述的径向悬浮电极对(21～24)之间的公共电极(25a～25d)，其中径向悬浮控制电极对(21～24)由两个形状和大小都相同的径向电极组成。
4.根据权利要求1或2所述的静电悬浮转子微惯性传感器，其特征是，所述的金属转子(20)为轮状，其上均匀地设置有数量为二的倍数的通槽(42)，各通槽(42)之间辐条的上、下表面为旋转驱动转子电极(41)，并通过轴向电极间隙(27)与上、下衬底层上的旋转驱动定子电极(36)、(16)相对应；金属转子(20)轮缘的上、下表面(45)通过轴向电极间隙(27)分别与上衬底(30)上的薄膜金属轴向电极(31～34、35a～35d)和下衬底(10)上的薄膜金属轴向电极(11～14、15a～15d)相对应；金属转子(20)中心处轮毂的上、下表面(43)通过轴向电极间隙(27)分别与上衬底层上的中心公共电极(35e)和下衬底层上的中心公共电极(15e)相对应；金属转子(20)轮缘的外侧面(46)通过径向电极间隙(26)与周边径向电极(21～24、25a～25d)相对应；金属转子(20)轮毂上、下面(43)的中心处均设置有突出轴柱(44)，并通过间隙(28a、28b)分别与上衬底(30)中心处的止挡凹坑(37)和下衬底(10)中心处的止挡凹坑(17)相对应。
5.根据权利要求1所述的静电悬浮转子微惯性传感器，其特征是，所述的上衬底(30)和所述的下衬底(10)均为方板玻璃衬底，上衬底(30)中心处的止挡凹坑(37)和下衬底(10)中心处的止挡凹坑(17)的内表面镀薄膜金属导电层。
6.一种静电悬浮转子微惯性传感器的制造方法，其特征在于包括下衬底层的工序、中间金属结构层的工序、上衬底层的工序和键合工序，所述的下衬底层的工序或上衬底层的工序包括首先准备方板玻璃衬底，然后在方板玻璃衬底的中心处刻蚀止挡凹坑，接着制作止挡凹坑内表面的薄膜导电层、薄膜金属轴向电极和引线，并沉积绝缘保护层；所述的中间金属结构层的工序包括在所述的下衬底层工序的基础上制作牺牲层，接着蒸镀金种子层，旋涂厚光刻胶并光刻成模，然后同时电铸形成金属转子和径向电极，并通过形成的厚光刻胶模定义径向电极间隙；抛磨电铸结构的上表面后，二次电铸镍形成转子轮毂上面中心处的突出轴柱，然后在径向电极上制作键合焊接层，去除光刻胶和牺牲层，释放金属转子；所述的键合工序包括将已完成上衬底层工序的玻璃上衬底层倒置，与中间金属结构层对齐装配，然后共熔回流自对准焊接键合，切片，获得微器件芯片；或者包括下衬底层的工序、上衬底层的工序、径向电极的工序、金属转子的工序和微装配与键合工序，径向电极和金属转子分别通过所述的径向电极的工序和所述的金属转子的工序经厚光刻胶模分别电铸金属而成，并且金属转子的外径和厚度分别小于径向电极的内径和高度，通过微装配与键合工序来形成径向电极间隙和轴向电极间隙。
7.根据权利要求6所述的静电悬浮转子微惯性传感器的制造方法，其特征是，所述的电铸金属转子和径向电极的材质均为金属镍，厚光刻胶为SU-8负性光刻胶。
8.根据权利要求6所述的静电悬浮转子微惯性传感器的制造方法，其特征是，所述的键合焊接层为电铸铅锡焊层。
9.根据权利要求6或7或8所述的静电悬浮转子微惯性传感器的制造方法，其特征是，金属转子下方的轴向电极间隙通过牺牲层定义，上方的轴向电极间隙通过刻蚀上衬底下陷并经焊接键合来形成。
全文摘要
一种静电悬浮转子微惯性传感器及其制造方法，用于微机电系统技术领域。本发明微惯性传感器包括下衬底层，中间金属结构层和上衬底层，中间金属结构层由金属转子和周边径向电极组成，下、上衬底层分别和径向电极相键合形成转子腔，轮状的金属转子处于转子腔的中心，与下、上衬底上的轴向电极和周边径向电极之间分别形成轴向电极间隙和径向电极间隙。制备方法包括下衬底层的工序、中间金属结构层的工序、上衬底层的工序和键合工序，或包括下衬底层的工序、上衬底层的工序、径向电极的工序、金属转子的工序和微装配与键合工序，给出了基于UV－LIGA技术的制造方法。本发明结构简单、制造成本低，可以同时测量二轴角速度和三轴线加速度。
文档编号G01C19/24GK1580701SQ20041001847
公开日2005年2月16日 申请日期2004年5月20日 优先权日2004年5月20日
发明者陈文元, 崔峰, 赵小林, 张卫平 申请人:上海交通大学