谷留濤,張衛(wèi)平,劉朝陽(yáng),張 雷,龔 成,向 浩

(1.微米/納米加工技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 薄膜與微細(xì)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 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；2.上海自主智能無(wú)人系統(tǒng)科學(xué)中心 同濟(jì)大學(xué),上海 201210；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十研究所,上海 200331；4.中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,上海 200050)

0 引 言

陀螺儀是一種能夠敏感檢測(cè)載體角度和角速度的慣性器件,在姿態(tài)控制和導(dǎo)航定位等領(lǐng)域有著非常重要的作用,是各國(guó)慣性技術(shù)研究領(lǐng)域中重點(diǎn)研究的傳感器之一[1,2]。半球陀螺儀有著小體積、低成本、高精度、多軸檢測(cè)、高可靠性等優(yōu)點(diǎn),能夠適應(yīng)各種惡劣環(huán)境,在航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的前景[3]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)微半球諧振陀螺儀的研究己逐漸增多,2012年，佐治亞理工大學(xué)加工了一種多晶硅半球陀螺,其電極和諧振子結(jié)構(gòu)同時(shí)制作,具有較高的對(duì)準(zhǔn)精度[4]。2015年,該校在閉環(huán)條件下測(cè)得其多晶硅微半球諧振結(jié)構(gòu)的標(biāo)度因數(shù)為8.57 mV/(°)·s-1[5]。2014年，Draper實(shí)驗(yàn)室在利用化學(xué)氣相沉積加工了一種多晶金剛石微半球諧振結(jié)構(gòu)[6],該陀螺最高品質(zhì)因子達(dá)143 000,頻率裂解為0.3 Hz。2017年，蘇州大學(xué)制作了多晶硅半球陀螺[7],在真空條件下測(cè)試得到陀螺的品質(zhì)因子為22 000,零偏穩(wěn)定性為80°/h。2019年，上海交通大學(xué)采用濕法刻蝕工藝,加工出了帶有曲面電極的金剛石半球結(jié)構(gòu)[8]。

本文基于微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)技術(shù)提出了一種新的金剛石半球微陀螺結(jié)構(gòu),采用扇形唇邊提高了電容接觸面積,利用熱絲化學(xué)氣相沉積制作的金剛石結(jié)構(gòu),具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和超低的熱彈性阻尼[9,10]。采用自對(duì)準(zhǔn)方式同時(shí)制作電極和金剛石諧振結(jié)構(gòu)提高了陀螺的對(duì)準(zhǔn)精度。文中對(duì)陀螺的振動(dòng)特性進(jìn)行了有限元仿真,仿真結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)具有較好的性能。

1 陀螺工作原理

微半球陀螺是基于科氏力效應(yīng)工作的,其工作在n=2模態(tài),即“圓—橢圓”彎曲振動(dòng)。如圖1所示,當(dāng)施加在驅(qū)動(dòng)電極的信號(hào)頻率與陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)固有頻率相同時(shí),半球諧振子被激勵(lì)到驅(qū)動(dòng)模態(tài),如圖1(a)所示。當(dāng)有一個(gè)垂直于陀螺上表面的角速度Ω輸入時(shí),在科氏力的作用,半球諧振子被激勵(lì)出檢測(cè)模態(tài),如圖1(b)所示。驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)相位相差45°。

圖1 微半球諧振陀螺儀原理

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模態(tài)仿真

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微半球陀螺具有對(duì)稱性好、精度高、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),通過(guò)微機(jī)械加工工藝與集成電路加工工藝,可以將陀螺與控制電路進(jìn)行單片集成,實(shí)現(xiàn)器件的小型化和低功耗。本文提出了一種新穎的微半球結(jié)構(gòu),如圖2所示。

圖2 微半球諧振陀螺儀整體結(jié)構(gòu)和諧振子結(jié)構(gòu)

圖2結(jié)構(gòu)由一個(gè)帶有16個(gè)扇形唇邊的半球殼體、一個(gè)中心支撐柱和位于扇形唇邊下方的16個(gè)電極構(gòu)成。采用扇形唇邊的設(shè)計(jì)可以增大電容的接觸面積,從而提供更大的驅(qū)動(dòng)力,提高了檢測(cè)精度。

2.2 仿真分析

2.2.1 模態(tài)分析

微半球諧振陀螺儀的模態(tài)分析主要是考慮陀螺儀工作模態(tài)特征頻率大小與寄生模態(tài)(與工作模態(tài)相鄰的模態(tài))的影響。通常情況下,環(huán)境振動(dòng)噪聲頻率小于5 kHz。為了減小環(huán)境振動(dòng)噪聲對(duì)陀螺儀正常工作和輸出信號(hào)讀取與分析的影響,陀螺儀的工作模態(tài)頻率應(yīng)高于環(huán)境振動(dòng)噪聲頻率,即5 kHz。為了減小寄生模態(tài)對(duì)微半球諧振陀螺儀的工作影響,便于陀螺儀輸出信號(hào)的檢測(cè)與分析,工作模態(tài)固有頻率與寄生模態(tài)固有頻率必須有較大的差。本文利用Comsol有限元分析軟件首先建立了微半球陀螺的有限元模型,隨后對(duì)其前八階模態(tài)進(jìn)行了仿真分析,1階～8階特征頻率分別為26 593,26 669,63 714,64 126,68 231,68 260,1.217 2×105,1.217 7×105Hz。其中前兩階模態(tài)振型如圖3所示。仿真結(jié)果表明,微半球陀螺的兩個(gè)工作模態(tài)頻差為76 Hz,工作模態(tài)與寄生模態(tài)頻率最小相差37 045 Hz。說(shuō)明陀螺在工作時(shí)既可以保持較大的帶寬,又可以遠(yuǎn)離環(huán)境振動(dòng),具有較好的性能。

圖3 微半球陀螺的工作模態(tài)

2.2.2 諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析主要用于確定一個(gè)結(jié)構(gòu)在特定頻率載荷下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。通常是給結(jié)構(gòu)一個(gè)已知大小和頻率的諧波擾動(dòng),得到一條響應(yīng)值對(duì)頻率的曲線。研究人員以此來(lái)確定其設(shè)計(jì)是否能成功克服共振、疲勞及其他受迫振動(dòng)引起的有害效果[11]。在陀螺的0°方向的扇形唇邊上施加大小為0.1 N的力,得到陀螺表面最大位移與頻率的關(guān)系如圖4(a)所示。仿真結(jié)果顯示,在26 593 Hz處出現(xiàn)位移峰值,對(duì)應(yīng)于微半球陀螺的第一階模態(tài),振動(dòng)幅值為0.021 μm,可以作為陀螺的驅(qū)動(dòng)模態(tài)。在陀螺的45°方向的扇形唇邊上施加大小為0.1 N的力,得到陀螺表面最大位移、表面最大應(yīng)力如圖4(b)所示。仿真結(jié)果顯示,在26 669 Hz處出現(xiàn)位移峰值,對(duì)應(yīng)于微半球陀螺的第一階模態(tài),振動(dòng)幅值為0.006 4 μm,可以作為陀螺的檢測(cè)模態(tài)。

圖4 微半球陀螺陀螺0°和45°軸向載荷幅頻特性圖

3 制備方法

在有限元仿真的基礎(chǔ)上,結(jié)合微機(jī)電加工工藝,本文提出了一種加工金剛石半球諧振微陀螺的工藝流程,如圖5所示。

圖5 金剛石半球諧振微陀螺加工步驟

如圖5(a),首先,準(zhǔn)備一單面拋光單晶硅基片,即襯底,對(duì)單晶硅基片進(jìn)行清洗。通過(guò)離子束濺射沉積Cr/Pt掩模層,并進(jìn)行圖形化光刻。使用HNA溶液對(duì)基底進(jìn)行各項(xiàng)同性腐蝕,形成半球諧振器凹槽。

如圖5(b),去除表面Cr/Pt掩模層,在基片表面通過(guò)低壓力化學(xué)氣相沉積(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)法一層氮化硅用作絕緣層。

如圖5(c),和第一步相同,采用離子束濺射沉積一層Cr/Pt,光刻圖形化,反應(yīng)離子刻蝕( reactive ion etching,RIE)刻蝕出扇形電極形狀。

如圖5(d),通過(guò)等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,LPCVD)沉積一層二氧化硅(SiO2)用作犧牲層。

如圖5(e),熱絲輔助化學(xué)汽相淀積(hot-filament-assisted chemical vapor deposition,HFCVD)制作一層金剛石薄膜,對(duì)表面進(jìn)行拋光,并進(jìn)行圖形化刻蝕。

如圖5(f),用HF刻蝕氧化硅,控制好一定的時(shí)間,刻蝕掉金剛石半球微諧振器下面的氧化硅,釋放半球結(jié)構(gòu),即構(gòu)成諧振器結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 論

本文提出了一種金剛石微半球諧振結(jié)構(gòu)及其制造工藝,通過(guò)自對(duì)準(zhǔn)制造工藝可以實(shí)現(xiàn)帶有集成電極的半球形諧振結(jié)構(gòu)的批量化生產(chǎn)。仿真結(jié)果表明：該結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)的頻差為76 Hz,工作模態(tài)與寄生模態(tài)固有頻率最小差值為37 045 Hz。諧響應(yīng)仿真分析表明：在0°方向上陀螺工作模態(tài)的振動(dòng)頻率為26 593 Hz,最大位移為0.021 μm,在45°方向上陀螺工作模態(tài)的振動(dòng)頻率為26 669 Hz,最大位移為0.006 4 μm。該結(jié)構(gòu)能夠滿足陀螺的工作需求。