一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器及其加工方法与流程

文档序号:22113210发布日期:2020-09-04 15:17阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器,其特征在于,由上至下依次包括:器件结构层(a)、金属引线层及玻璃衬底层(b),器件结构层通过锚点(a5)与玻璃衬底层(b)连接,金属引线层位于器件结构层与玻璃衬底层之间,将部分器件结构层与玻璃衬底层连接的电极通过金属引线引至周围;所述器件结构层包含一个四质量三轴陀螺仪结构(a1)、一个z轴扭摆式加速度计(a2)、一个电容式x轴加速度计(a3)和一个电容式y轴加速度计(a4),所有结构由外向内依次中心重合排布。

2.根据权利要求1所述的一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器,其特征在于,四质量三轴陀螺仪结构(a1)包括四个沿上下左右分布的,完全一致的质量块(a1-a1),(a1-a2),(a1-a3),(a1-a4);耦合部件(a1-c);驱动活动梳齿(a1-d);驱动固定梳齿(a1-e);驱动电极(a1-f);锚点(a5)及解耦梁(a6);耦合部件(a1-c)为一环形结构,质量块(a1-a1)和质量块(a1-a2)位于耦合部件(a1-c)的水平中心轴上,且分别与耦合部件之间通过解耦梁(a6)连接;质量块(a1-a3)和(a1-a4)位于耦合部件(a1-c)的竖直中心轴上,且分别与耦合部件(a1-c)之间通过解耦梁(a6)连接;耦合部件(a1-c)的外围与四个质量块相对应的位置分别设置驱动电极(a1-f),且驱动电极(a1-f)与耦合部件(a1-c)之间通过驱动梳齿连接。

3.根据权利要求2所述的一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器,其特征在于,水平方向质量块(a1-a1)和(a1-a2)均包括驱动框架(a1-b)、航向角双自由度框架(a1-g)、航向角敏感框架(a1-h)、航向角检测电极(a1-i)、翻滚角双自由度框架(a1-j)、翻滚角敏感框架(a1-k)、翻滚角检测电极(a1-l)、驱动活动梳齿(a1-d)、驱动固定梳齿(a1-e)、驱动电极(a1-f)、若干锚点(a5)及若干解耦梁(a6),驱动框架(a1-b)为对称的框架结构,包括第一部分和第二部分,其中,航向角双自由度框架(a1-g)设置在第一部分中,且其通过解耦梁与驱动框架连接,航向角敏感框架(a1-h)设置在航向角双自由度框架(a1-g)内部,且其通过解耦梁(a6)与航向角双自由度框架(a1-g)连接,航向角双自由度框架(a1-g)与航向角敏感框架(a1-h)之间设置锚点(a5),且航向角敏感框架(a1-h)与锚点之间通过解耦梁(a6)连接,航向角检测电极(a1-i)位于航向角敏感框架(a1-h)内部,且其通过检测梳齿与航向角敏感框架(a1-h)连接;翻滚角双自由度框架(a1-j)设置在驱动框架(a1-b)的第二部分中,且其通过解耦梁与驱动框架连接,翻滚角敏感框架(a1-k)设置在翻滚角双自由度框架(a1-j)内部,且其通过解耦梁(a6)与翻滚角双自由度框架(a1-j)连接,翻滚角敏感框架(a1-k)与翻滚角双自由度框架(a1-j)之间设置锚点(a5),且翻滚角敏感框架(a1-k)与锚点之间通过解耦梁(a6)连接;翻滚角检测电极(a1-l)位于翻滚角敏感框架(a1-k)下方或内部,翻滚角检测电极(a1-l)位于翻滚角敏感框架(a1-k)下方时,翻滚角检测电极(a1-l)为金属平板结构,此时该金属平板结构与翻滚角敏感框架(a1-k)形成电容,为沉积金属电极平板检测z轴面外运动方式;翻滚角检测电极(a1-l)位于翻滚角敏感框架(a1-k)内部时,翻滚角检测电极(a1-l)通过动静高低梳齿与翻滚角敏感框架(a1-k)连接,为动静高低梳齿检测z轴面外运动,驱动框架(a1-b)通过解耦梁连接锚点(a5),一侧边通过解耦梁与耦合部件连接,另一侧边通过驱动梳齿连接一驱动电极(a1-f)。

4.根据权利要求2所述的一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器,其特征在于,竖直方向质量块(a1-a3)或(a1-a4)的结构旋转90°即与水平方向质量块(a1-a1)或(a1-a2)结构相同,水平方向质量块(a1-a1)或(a1-a2)中用于检测翻滚角的的翻滚角双自由度框架(a1-j)、翻滚角敏感框架(a1-k)、翻滚角检测电极(a1-l)在竖直方向质量块(a1-a3)或(a1-a4)中用于检测俯仰角,命名为俯仰角双自由度框架(a1-m)、俯仰角敏感框架(a1-n)、俯仰角检测电极(a1-o)。

5.根据权利要求1所述的一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器,其特征在于,所述z轴扭摆式加速度计包括z轴扭摆质量块(a2-a)、z轴检测电极(a2-b)、锚点(a5)及若干解耦梁(a6),z轴扭摆质量块(a2-a)的中心框架设置在四质量三轴陀螺仪结构(a1)的中心,且z轴扭摆质量块(a2-a)的四个扇形结构的分别设置于四个质量块之间形成的四个扇形区域内,z轴扭摆质量块(a2-a)的中心框架通过解耦梁(a6)连接锚点(a5),沉积金属平板电容检测面外运动时z轴检测电极(a2-b)为位于z轴扭摆质量块(a2-a)的四个扇形结构下方的金属平板,动静高低梳齿式检测检测面外运动时位于z轴扭摆质量块(a2-a)的四个扇形结构边缘,通过动静高低梳齿与z轴扭摆质量块(a2-a)的四个扇形结构连接。

6.根据权利要求1所述的一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器,其特征在于,所述电容式x轴加速度计包括x轴质量块(a3-a、)x轴检测电极(a3-b)、锚点(a5)及若干解耦梁(a6),x轴质量块(a3-a)的两侧边分别通过解耦梁(a6)连接锚点(a5),x轴检测电极(a3-b)有两个,均设置在x轴质量块(a3-a)的内部两侧,且x轴检测电极(a3-b)通过梳齿与x轴质量块(a3-a)的两侧边连接,电容式x轴加速度计位于电容式y轴加速度计内部,且中心重合。

7.根据权利要求1所述的一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器,其特征在于,所述电容式y轴加速度计包括y轴质量块(a4-a)、y轴检测电极(a4-b)、锚点(a5)及若干解耦梁(a6),y轴检测电极(a4-b)有两个,均设置在y轴质量块(a4-a)内部两侧,且通过梳齿与y轴质量块(a4-a)的两侧边连接,y轴质量块(a4-a)的内部另外两侧各设置有锚点,且通过解耦梁与锚点连接,电容式y轴加速度计位于z轴扭摆质量块(a2-a)的中心框架内部,且中心重合。

8.一种权利要求1-7任一项所述环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器在沉积金属电极平板检测z轴面外运动的加工方法,其特征在于,包括以下步骤:

(a)取一片硅晶圆片(11),对表面进行抛光处理,同时利用h2so4与h2o2混合溶液洗净;

(b)在硅晶圆片(11)表面匀涂光刻胶,利用掩模版(101)进行光刻,显影,在硅晶圆片(11)表面得到具有锚点图案的光刻胶;

(c)利用光刻胶作为掩膜对硅晶圆片(11)进行rie干法刻蚀,将锚点图案转移到硅晶圆片(11)表面,之后洗去作为掩膜的光刻胶;

(d)另取一片玻璃片(12),利用h2so4与h2o2混合溶液洗净;

(e)在玻璃片(12)上匀涂光刻胶,利用掩模版(102)进行光刻,显影,在玻璃片(12)表面得到具有金属电极及引线图案的光刻胶,溅射一层cr/au合金层,利用lift-off剥离工艺在玻璃片(12)表面得到具有金属电极及引线;

(f)将加工的硅晶圆片(11)与玻璃片(12)进行阳极键合,得到键合后的样片(13);

(g)在得到的样片(13)表面匀涂光刻胶,利用掩模版(103)进行光刻,显影,在样片(13)表面得到具有结构图案的光刻胶;

(h)利用光刻胶作为掩膜对样片(13)进行rie刻蚀,加工出硅结构,得到最终器件。

9.一种权利要求1-7任一项所述环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器在动静高低梳齿检测z轴面外运动的加工方法,其特征在于,包括以下步骤:

(a)取一片soi晶圆片(21),利用h2so4与h2o2混合溶液洗净;

(b)利用lpcvd工艺,在soi晶圆片(21)表面沉积一层氧化硅;

(c)在soi晶圆片(21)表面匀涂一层光刻胶,利用掩模版(201)进行光刻,显影,在soi晶圆片(21)表面得到一层具有不等高静梳齿图案的光刻胶;利用光刻胶作为掩膜对soi晶圆片(21)表面sio2进行刻蚀,得到具有不等高静梳齿图案的氧化硅;洗去表面光刻胶;

(d)在soi晶圆片(21)表面匀涂一层光刻胶,利用掩模版(202)进行光刻,显影,在soi晶圆片(21)表面得到一层具有锚点图案的光刻胶;

(e)以光刻胶及氧化硅作为掩膜,利用rie工艺对soi晶圆片(21)进行刻蚀,得到硅锚点及不等高静齿;

(f)取一片硅晶圆片(22),对表面进行抛光处理,同时利用h2so4与h2o2混合溶液洗净;

(g)在硅晶圆片(22)表面匀涂光刻胶,利用掩模版(203)进行光刻,显影,在硅晶圆片(22)表面得到具有锚点图案的光刻胶;

(h)利用光刻胶作为掩膜对硅晶圆片(22)进行rie干法刻蚀,将锚点图案转移到硅晶圆片(22)表面,之后洗去作为掩膜的光刻胶;

(i)另取一片玻璃片(23),利用h2so4与h2o2混合溶液洗净;

(j)在玻璃片(23)上匀涂光刻胶,利用掩模版(204)进行光刻,显影,在玻璃片(23)表面得到具有金属电极及引线图案的光刻胶,溅射一层cr/au合金层,利用lift-off剥离工艺在玻璃片(23)表面得到具有金属电极及引线;

(k)将加工的硅晶圆片(22)与玻璃片(23)进行阳极键合,得到键合后的样片(24);

(l)在得到的样片(24)表面匀涂光刻胶,利用掩模版(203)进行光刻,显影,在样片(23)表面得到具有结构图案的光刻胶;

(m)利用光刻胶作为掩膜对样片(24)进行rie刻蚀,加工出硅结构;

(n)将加工的样片(24)与soi晶圆片(21)进行键合,得到最终器件。

10.一种单片集成的可阵列环形耦合六轴微惯性传感器,其特征在于,通过耦合部件的连接将多个权利要求1-7任一项所述环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器阵列连接形成,相邻两个环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器呈现差分驱动模态,且椭圆形态长轴方向垂直,相邻两个六轴微惯性器件差分对电极极性相反。


技术总结
本发明公开了一种环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器及其加工方法,传感器由上至下依次包括器件结构层、金属引线层及玻璃衬底层,器件结构层通过锚点与玻璃衬底层连接,金属引线层位于器件结构层与玻璃衬底层之间,将部分器件结构层与玻璃衬底层连接的锚点(电极)通过金属引线引至周围;器件结构层包含一个四质量三轴陀螺仪结构、一个Z轴扭摆式加速度计、一个电容式X轴加速度计和一个电容式Y轴加速度计,所有结构由外向内依次中心重合排布。本发明三个加速度计及一个可阵列式共质心四质量三轴陀螺仪具有共同的质心,方便数据处理;整个环形可阵列式四质量耦合六轴微惯性传感器可通过耦合环的连接实现简单的阵列,提高系统精度和冗余度。

技术研发人员:夏敦柱;李锦辉
受保护的技术使用者:东南大学
技术研发日:2020.05.25
技术公布日:2020.09.04
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