采用DDSOG工艺加工Z轴微机械陀螺仪实验

　　20世纪80年代美国U. C. Berkeley发明了表面牺牲层工艺,并采用该工艺制备了可动的微型静电马达,引起了国际社会的极大轰动,人们发现集成电路技术的进一步发展可以制造可动部件.这一技术的发明使单片集成制作具有传感、信息处理、执行功能的新型芯片成为可能.进入20世纪90年代,美国AnalogDevices公司利用该技术实现了集成制作的微型加速度计的商品化,成功地应用于汽车中的防撞气囊控制,又一次产生极大反响,人们也充分认识到MEMS技术的巨大商业价值.许多著名的高技术公司也纷纷看好这一领域,投入大量经费开发MEMS技术,MEMS技术特别是表面牺牲层技术的发展进一步加快.随着DRIE(deep reac2 tive ion etching)技术特别是ICP( inductance cou2 pling plasma)技术的出现,体硅加工技术的发展也迈上了一个新的台阶,多种基于深槽刻蚀技术之上的新工艺被开发出来,但是现在的工艺还是存在一定的缺陷,如应力释放、硅玻间隙小、结构厚度等问题还需要解决,因而本文在原有工艺的基础上提出了DDSOG工艺的想法[1].

　　1　Z轴微机械陀螺仪的工作机理

　　Z轴微机械陀螺仪结构如图1所示,陀螺仪结构分成2部分,外部是驱动部分,内部是检测部分.检测部分又包括2部分:检测和检测反馈,其中活动梳齿与固定梳齿部分交错对插,形成梳电容,当在固定梳齿的驱动端施加带直流偏置的交流电压作为驱动电压时,交变电场将在X方向形成横向驱动力Fd,在Fd作用下,活动梳齿将相对固定梳齿在X方向作高频振动.当陀螺仪以角速度Ω绕Z轴相对惯性空间转动时,将形成哥氏加速度,并产生哥氏力,由此引起检测极板沿Y方向振动,其振幅与输入角速度成正比.该振幅由电容信号器检测,经信号处理电路处理后即可获得输入角速度[1].

　　结构的力学模型如图2所示,其中,m1和m2分别为驱动和检测的质量,k1为驱动梁沿X方向的抗弯刚度,k2为检测梁沿Y方向的抗弯刚度,C1和C2分别为m1沿X方向和m2沿Y方向运动的阻尼.该模型忽略干扰项后的动力学方程为[1]

　　式中,ω为驱动力的固有频率;Ω为输入角速率.当驱动力的固有频率等于驱动部分在X方向的振动频率即ω=ω1时,稳态解为

　　式中,Fd为驱动力;n1为驱动梳齿数;ε=8·86pF/m;d1为驱动梳齿间距;h为结构厚度;Vd和Va分别为所加直流电压和交流电压的值;ω2为检测部分在Y方向上的振动频率;Q1为驱动部分X方向的品质因数; Q2为检测部分Y方向的品质因数.由此得到检测电容的变化量为

　　式中,ns为检测梳齿数; ls为检测梳齿长度; ds为检测梳齿上部间距;α为检测梳齿下部间距和上部间距之比.