微静电陀螺仪的结构设计与工艺实现

　　微静电陀螺仪是一种能实现高精度多轴惯性测量的新型 MEMS 陀螺[1-2]，它依靠可控的静电力将高速旋转的转子稳定地悬浮在电极腔中心，结构较复杂，对微加工工艺要求较高. 目前的工艺方案主要包括: ①多层多晶硅的面硅工艺，在基片上淀积或生长多晶硅层来制作微机械结构，由于转子厚度有限，制约了微惯性器件精度和灵敏度的提高[3]. ②体硅加工工艺，采用高深宽比干法刻蚀工艺在体硅上刻蚀出微机械结构，在玻璃上溅射金属形成电极，再通过静电键合形成玻-硅组合片. 据报道，日本东北大学基于该工艺已研制出微静电陀螺样机，主要技术指标[4]为: 测量范围± 150 ° / s，分辨率 0. 01 ° / s，噪声 0. 002( ° / s) / Hz- 1 /2，带宽 20 Hz. ③LIGA 和准 LIGA 工艺[5]，通过电铸方法加工出大高宽比的可活动微结构，机械性能好，灵敏度高，但工艺难度大，成本高.本文主要研究一种基于体硅加工工艺的转子悬浮式微陀螺仪[6]的结构设计，并探索出了适于该结构的微加工工艺路线.

　　1 微敏感结构设计

　　由微静电陀螺的工作原理可知微敏感结构由 3 部分组成，即无机械约束的环形转子，可实现转子 5 自由度静电悬浮的检测/控制电极、公共电极，以及实现转子转速控制的加转电极. 根据目前国内的微机械加工工艺水平，本文采用玻-硅-玻键合的三明治式平板结构. 环形转子由低阻硅制成，轴向电极由上、下玻璃板上的金属图形构成，径向电极在中间体硅层中制备，所有电极的引线均通过下玻璃板引出.

　　轴向和径向电极控制转子沿 x、y、z、θ、 5 个自由度的运动，将转子稳定地悬浮在电极空腔中，同时通过加转电极驱动转子绕 z 轴高速旋转[1]. 微静电陀螺结构示意如图 1 所示.

　　检测/控制电极在轴向和径向均匀分布，每块电极所占角度为 60°，公共电极交叉分布在正交检测/控制电极间，每电极角度为 30°. 为了保证悬浮转子能维持零电势( 虚地) ，对检测/控制电极进行拆分，将每块电极拆分为面积相等的两块电极，悬浮工作时分别施加大小相等、极性相反的电压. 转速控制采用基于可变电容原理的三相驱动方式，加转槽在转子外侧均匀分布，加转电极均匀分布在顶层和底层电极板上[7].

　　1. 1 转子结构设计

　　转子的结构设计依据是在满足工艺条件和 5 轴悬浮系统静态过载指标的前提下，尽量增大转子的厚度和径向宽度，以增加其转动惯量并保证转子自身具有足够的结构刚度. 根据转子厚度 h、宽度 wb在不同场强 E、Ex下与静态过载能力 amax的关系，综合考虑工艺因素及设计指标，设计转子外径为 4 mm 和 2 mm的两种陀螺结构，其参数见表 1.