李 棟， 吳校生

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 微納電子學(xué)系，上海 200240)

研究與探討

金屬多環(huán)振動(dòng)盤(pán)MEMS微陀螺及其微加工工藝*

李 棟， 吳校生

(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院微納電子學(xué)系，上海200240)

基于硅基振動(dòng)盤(pán)微陀螺采用金屬材料作為振子，提出了一種金屬結(jié)構(gòu)多環(huán)振動(dòng)盤(pán)MEMS微陀螺，通過(guò)使用電鍍工藝，實(shí)現(xiàn)了金屬結(jié)構(gòu)多環(huán)振動(dòng)盤(pán)微陀螺的低成本低溫加工方法。通過(guò)研究振動(dòng)盤(pán)式微陀螺的工作原理及檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)方法，設(shè)計(jì)了多環(huán)振動(dòng)盤(pán)微陀螺的結(jié)構(gòu)。使用有限元方法對(duì)陀螺金屬振子進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證了金屬結(jié)構(gòu)多環(huán)振動(dòng)盤(pán)陀螺的可行性，并對(duì)微陀螺的加工工藝流程進(jìn)行了微加工制作，獲得了微陀螺芯片。研究解決了實(shí)現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)多環(huán)振動(dòng)盤(pán)微陀螺的關(guān)鍵技術(shù)。

金屬振子； 多環(huán)結(jié)構(gòu)； 科式效應(yīng)； 微陀螺； 動(dòng)力學(xué)仿真； 微加工工藝

0 引 言

本文研究了一種金屬結(jié)構(gòu)多環(huán)振動(dòng)盤(pán)微陀螺，采用電鍍鎳結(jié)構(gòu)材料和犧牲層材料獲得。鎳金屬具有較大的密度(為硅的3.87倍)，有利于提高科氏力，從而提高微陀螺的性能。同時(shí)，采用低成本低溫電鍍制造工藝，結(jié)構(gòu)制作在玻璃基體上，可消除硅基體存在的寄生效應(yīng)。

1 微陀螺結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 微陀螺結(jié)構(gòu)

金屬結(jié)構(gòu)多環(huán)振動(dòng)盤(pán)微陀螺內(nèi)部俯視簡(jiǎn)圖如圖1所示。主要由振子、支撐、檢測(cè)電極和驅(qū)動(dòng)電極組成。振子由多個(gè)同心金屬圓環(huán)及相鄰圓環(huán)之間連接的輻條組成，振子通過(guò)最內(nèi)圈的輻條與支撐形成固定連接[1]。驅(qū)動(dòng)電極位于多環(huán)振子結(jié)構(gòu)的內(nèi)圈，檢測(cè)電極位于振子結(jié)構(gòu)外圈，該陀螺共有四圈電極，每圈有8對(duì)電極對(duì)，外圈電極用于檢測(cè)振動(dòng)信號(hào)，記為檢測(cè)電極；內(nèi)圈電極用于驅(qū)動(dòng)陀螺，記為驅(qū)動(dòng)電極。圖1中以極坐標(biāo)角度θ表示電極軸上的電極，如電極對(duì)S1為0°電極，同時(shí)，檢測(cè)電極以S，驅(qū)動(dòng)電極以D，加以描述。支撐為振子與基座的連接處，通過(guò)互聯(lián)層引出引腳，可以施加偏置電壓。

圖1 多環(huán)振動(dòng)盤(pán)微陀螺內(nèi)部俯視圖

金屬結(jié)構(gòu)多環(huán)振動(dòng)盤(pán)微陀螺器件剖面圖如圖2所示。微陀螺依托于基片，金屬振子的支撐部分直接鍵合在基片上，并且通過(guò)互聯(lián)層將信號(hào)引出到外圍的焊點(diǎn)；密封蓋連接在基片上，在密封蓋的中心位置制作有吸氣部件。

圖2 多環(huán)振動(dòng)盤(pán)微陀螺剖面圖

1.2 微陀螺工作機(jī)理

金屬結(jié)構(gòu)多環(huán)振動(dòng)盤(pán)微陀螺是一種振動(dòng)式陀螺，基于科式效應(yīng)工作。如圖3所示，振子在共振頻率下呈酒杯型四波腹振型，即振動(dòng)模態(tài)一[2]。此時(shí)波幅軸(形變最大處所在軸)位于0°處，當(dāng)振子在面外方向上發(fā)生大小為α的旋轉(zhuǎn)量時(shí)，陀螺產(chǎn)生感應(yīng)振動(dòng)，振子的整體振動(dòng)是振動(dòng)模態(tài)一和感應(yīng)振動(dòng)的疊加，表現(xiàn)為波幅軸向旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生大小為β的轉(zhuǎn)動(dòng)，由于科式效應(yīng)，α與β存在一個(gè)駐波進(jìn)動(dòng)角θ，α與θ存在關(guān)系

α=Kθ

(1)

式中α為輸入的旋轉(zhuǎn)量;θ為陀螺駐波進(jìn)動(dòng)角;K為定值。

圖3所示,多環(huán)振動(dòng)盤(pán)式微陀螺有兩種工作模式：全角模式和力平衡模式。力平衡模式通過(guò)閉環(huán)檢測(cè)電路和力反饋激勵(lì)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)檢測(cè)陀螺振子進(jìn)動(dòng)情況，向力平衡電極施加一個(gè)交變的激勵(lì)電壓，抑制陀螺振子因旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的進(jìn)動(dòng)，該電壓與外部輸入的角速率成正比關(guān)系，從而推算出旋轉(zhuǎn)的角速度。本文采用了力平衡模式。

圖3 多環(huán)振動(dòng)盤(pán)微陀螺工作機(jī)理

該多環(huán)振動(dòng)盤(pán)式陀螺主要通過(guò)電容檢測(cè)的方式檢測(cè)振子的振動(dòng)情況。當(dāng)陀螺處于某一振動(dòng)模態(tài)時(shí)，振子整體為酒杯型四波腹振動(dòng)，針對(duì)振子上的某個(gè)特定質(zhì)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，其振動(dòng)為徑向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。振子與電極的平行平面形成電容效應(yīng)，兩者的距離隨著振子的振動(dòng)而變化，產(chǎn)生電容充放電現(xiàn)象，通過(guò)檢測(cè)這一現(xiàn)象，計(jì)算在該向上陀螺的振動(dòng)情況，從而檢測(cè)陀螺的整個(gè)振動(dòng)。本文，由4個(gè)不同模塊組成完整的陀螺測(cè)控回路，分別為頻率跟蹤回路、幅值控制回路、正交控制回路和力平衡回路[3]。其中，頻率跟蹤回路和幅值控制回路以電極S1作為輸入信號(hào)，通過(guò)解調(diào)模塊獲得信號(hào)的頻率及幅值，并且兩者的輸出信號(hào)施加在驅(qū)動(dòng)電極D1上對(duì)陀螺進(jìn)行激勵(lì)；正交控制回路以S1，S2電極作為輸入信號(hào)，通過(guò)兩路信號(hào)的頻率和相位判斷其是否存在正交漂移，并對(duì)驅(qū)動(dòng)電極D3，D4施加直流電壓來(lái)補(bǔ)償正交漂移；而力平衡回路以S2的檢測(cè)信號(hào)為輸入信號(hào)，判斷陀螺振子的進(jìn)動(dòng)情況，并將輸出信號(hào)施加在驅(qū)動(dòng)電極D2上，抑制陀螺的進(jìn)動(dòng)。

2 微陀螺振動(dòng)有限元分析

1)對(duì)金屬振子進(jìn)行建模并網(wǎng)格化，在固定位置施加約束，進(jìn)行模態(tài)分析，觀察其振動(dòng)模態(tài)，獲得該振子在共振模態(tài)下的共振頻率。

2)建立電極模型，在陀螺振子90°電極D1處及振子的相應(yīng)位置，施加共振頻率的交變載荷，對(duì)該模型進(jìn)行瞬態(tài)分析，得到結(jié)果如圖4所示。可以看出，陀螺在共振頻率激勵(lì)下，呈酒杯型四波腹振動(dòng)。

圖4 金屬結(jié)構(gòu)多環(huán)圓盤(pán)振子諧振分析

取陀螺振子波幅軸上左外側(cè)檢測(cè)點(diǎn)，即45°檢測(cè)電極S2的中點(diǎn)，觀察其在X，Y軸上的位移曲線，如圖5所示。

圖5 金屬振子波幅軸節(jié)點(diǎn)位移曲線

由圖4、圖5可以看出：該節(jié)點(diǎn)在平面趨向于周期性運(yùn)動(dòng)，與酒杯型四波腹振動(dòng)情形相符。由此得知，金屬陀螺振子在共振頻率下呈酒杯型振動(dòng)。

3 微陀螺加工工藝

金屬結(jié)構(gòu)多環(huán)振動(dòng)盤(pán)微陀螺的加工流程如圖6所示[4～6]。微加工工藝分2個(gè)部分，分別為振子及電極的加工和密封蓋的加工與鍵合。

圖6 金屬多環(huán)振動(dòng)盤(pán)陀螺加工工藝

如圖6，振子和電極的加工工藝為步驟A～G。首先，在基片上準(zhǔn)備鋪設(shè)互聯(lián)層的區(qū)域通過(guò)光刻刻蝕凹槽，增加互聯(lián)層在基片上的附著力。A在基片上濺射一層金屬薄膜，作為互聯(lián)層，對(duì)其進(jìn)行光刻圖形化，形成互聯(lián)層；B在互聯(lián)層上濺射一層絕緣層，通過(guò)光刻圖形化，開(kāi)出生長(zhǎng)振子及電極的窗口，并打開(kāi)外部電路與電極及振子的焊點(diǎn)；C在絕緣層上濺射一層金屬種子層薄膜，為后續(xù)電鍍工藝做準(zhǔn)備；D在種子層上電鍍一層犧牲層實(shí)現(xiàn)金屬振子的二層結(jié)構(gòu)，并考慮金屬振子、電極及密封圈的位置對(duì)其進(jìn)行光刻圖形化；E在犧牲層上旋涂光刻膠，并進(jìn)行圖形化，然后進(jìn)行電鍍工藝，制成金屬振子的結(jié)構(gòu)、內(nèi)外圈電極和密封圈(用于密封蓋的鍵合)，完成后進(jìn)行磨平及去膠工藝；F釋放犧牲層，完成金屬振子的懸空結(jié)構(gòu)；G去除多余的種子層，此時(shí)底座的加工工藝完成。

步驟H～J：H在另一基片上通過(guò)光刻膠的圖形化，電鍍出與步驟E中所述密封圈對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)；I通過(guò)微加工方法在密封蓋中央部位制作吸氣部件；J通過(guò)金屬鍵合底座和封裝蓋，完成整個(gè)微振動(dòng)陀螺器件的加工[7]。

圖7所示為鎳結(jié)構(gòu)多環(huán)振動(dòng)盤(pán)微陀螺實(shí)物。陀螺芯片制作在玻璃基片上，圖中由內(nèi)到外可以看到支撐、振子、互聯(lián)以及焊點(diǎn)。

圖7 鎳結(jié)構(gòu)多環(huán)振動(dòng)盤(pán)陀螺實(shí)物

4 結(jié) 論

提出了一種鎳結(jié)構(gòu)多環(huán)振動(dòng)盤(pán)微陀螺，建立了微陀螺的結(jié)構(gòu)模型，并采用有限元分析方法對(duì)振子的振動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了陀螺模型有效性。采用低成本低溫電鍍鎳及犧牲層制造工藝，在玻璃基體上制作了陀螺芯片。研究解決了實(shí)現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)多環(huán)振動(dòng)盤(pán)微陀螺的關(guān)鍵技術(shù)。

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Metallicmulti-ringdiscresonatorMEMSmicro-gyroscopeanditsmicromachiningtechnology*

LI Dong, WU Xiao-sheng

(DepartmentofMicro-NanoElectronics,SchoolofElectronicInformationandElectricalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China)

Based on silicon-based disc resonator gyroscope,a kind of metallic multi-ring disc resonator gyroscope(MMDRG) is presented,which can be achieved at a lower cost and under lower temperature by using electroplating technology.Through researching on working principle,as well as detecting and driving methods of microgyro,structure of metallic multi-ring DRG is designed.The dynamic simulation is applied on the gyroscope to verify feasibility by using the finite element method.The process flow is designed to achieve the micro gyroscope chip.The research solves the key technology to realize the metallic multi-ring disc resonator gyroscope.

metallic resonator; multi-ring disc resonator; Coriolis effect; micro gyroscopes;dynamic simulation; micromachining process

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0007—03

V 241.5

A

1000—9787(2017)12—0007—03

2017—01—16

微米/納米加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(9140C790402150C79005)；上海市科委浦江人才計(jì)劃項(xiàng)目( 14PJD022)

李 棟(1991- )，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)镸EMS傳感器。