一種矽微機械石墨烯梁諧振式陀螺儀的製作方法

2023-05-10 22:36:32 1

本發明屬於微/納機電系統的技術領域，具體涉及一種矽微機械石墨烯梁諧振式陀螺儀。

背景技術：

陀螺作為一種測量被測物角速度的傳感器，可以用來辨別物體在單位時間內旋轉的角度，在姿態控制和導航定位領域有著非常重要的作用。由於傳統機械陀螺具有體積大、成本高、不適合批量生產等不良因素，使得矽微機械陀螺以其體積小、質量輕、成本低、功耗小、可靠性高和測量範圍大等優點從眾多陀螺製造中脫穎而出，在民用和軍工領域得到了廣泛的應用。1988年，美國draper實驗室設計並加工出了第一隻矽微機械陀螺，該陀螺通過測量一對電容集板件的差分電容變化量來得到角速度，精度明顯高於傳統陀螺。該陀螺使用的電容檢測方法具有溫漂小、靈敏度高、可靠性好的特點。但隨著矽微機械慣性器件結構尺寸的不斷優化，步入微納米級別領域，使得通過電容檢測輸出的信號信噪比非常低。因此，2002年加利福尼亞大學伯克利分校的seshia等人提出了矽微機械諧振式陀螺的設想並製作出了原理樣機。通過將輸入角速度產生的哥氏力的變化轉換成雙端固支音叉(deft)諧振頻率的變化，可以有效地避免在電容檢測中產生的噪聲幹擾。其中採用的諧振敏感單元具有重複性好、分辨力高和穩定性強的優良特點，因此矽微機械諧振式陀螺成為人們研究的重點。

石墨烯的相關理論研究從1947年便已經開始。2004年英國曼徹斯特大學物理學家andregeim和konstantinnovoselov採用微機械剝離法成功從石墨中分離出單層石墨烯。獨立存在的二維石墨烯晶體在高性能納電子器件、複合材料、諧振式傳感器等領域得到了廣泛的應用。由於石墨烯單層的理論厚度為0.335nm，斷裂強度為40n/m接近理論極限，室溫下楊氏模量為1.0tpa，彈性延展率可達20％，遠優於矽、碳納米管等材料的過載能力。

由於對於矽微諧振式陀螺，敏感材料對溫度、振動等環境因素產生的差異引起諧振頻率的變化對傳感器的測量精度和工作穩定性有重要的影響。故石墨烯諧振梁在矽微機械陀螺中作為敏感材料可以充分發揮出體積小、結構靈活、斷裂強度大以及機械品質因數高的特點。而石墨烯梁諧振式陀螺的基礎理論研究、關鍵技術突破還多以實驗理論為主，具體以石墨烯作為敏感結構進行諧振特性研究，具有差動複合敏感輸出的諧振式陀螺儀仍處於研究空白。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：克服現有矽微諧振式陀螺技術上的不足，充分利用石墨烯材料的優質特點，提供一種尺寸小、結構靈活、抗幹擾能力強、測量範圍大的一種矽微機械石墨烯梁諧振式陀螺儀，實現石墨烯諧振梁與矽微機械陀螺的緊耦合。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：一種矽微機械石墨烯梁諧振式陀螺儀，包括玻璃襯底、傳遞梁、槓桿傳遞部分、固定質量塊驅動梳齒、陀螺質量塊、第一石墨烯諧振梁、第二石墨烯諧振梁和邊框，槓桿傳遞部分、固定質量塊驅動梳齒和陀螺質量塊固定在玻璃襯底上；陀螺質量塊的固定基座可以允許陀螺質量塊在法向方向上有位移；槓桿傳遞部分與陀螺質量塊連接在一起，左右部分呈對稱性結構；第一石墨烯諧振梁和第二石墨烯諧振梁放置在傳遞梁上且位於槓桿傳遞部分和邊框之間，行成雙端固支諧振梁，且兩個石墨烯諧振梁第一石墨烯諧振梁和第二石墨烯諧振梁的幾何尺寸一致，完全處於真空環境。

其中，所述傳遞梁、槓桿傳遞部分、固定質量塊驅動梳齒和陀螺質量塊材料相同且均固定在玻璃襯底上面，第一石墨烯諧振梁和第二石墨烯諧振梁所用材料相同且均固定在傳遞梁上且位於槓桿傳遞部分和邊框之間，由此形成一個整體。

其中，所述傳遞梁、槓桿傳遞部分、固定質量塊驅動梳齒和陀螺質量塊材料可通過材料刻蝕方式形成；第一石墨烯諧振梁和第二石墨烯諧振梁所用材料可通過剝離和生長方式獲得。

其中，所述槓桿傳遞部分、固定質量塊驅動梳齒和陀螺質量塊在同一水平面上，放置結構法向方向的固定質量塊驅動梳齒和軸向方向的槓桿傳遞部分完全對稱；第一石墨烯諧振梁和第二石墨烯諧振梁在同一水平面上，放置在同一條水平線上且沿法向完全對稱，能同時感受被測壓力和環境的影響。

其中，所述第一石墨烯諧振梁和第二石墨烯諧振梁所採用的的激勵-拾振方式以及相關參數均為一致；

當所述的激勵-拾振方式為電學方式時，金屬電極分別位於第一石墨烯諧振梁和第二石墨烯諧振梁的兩條矩形短邊中心處，金屬電極上分別焊接有導線；

當所述的激勵-拾振方式為光學方式時，雷射光斑應對準第一石墨烯諧振梁和第二石墨烯諧振梁的中心處。

本發明與現有技術相比的優點在於：

本發明中，通過將石墨烯諧振梁作為矽微機械陀螺關鍵技術中的敏感結構，滿足了石墨烯諧振梁敏感結構的高精度、低成本、體積小、反應快、動態範圍大、適應惡劣環境的嚴格要求，使陀螺儀具有線性度好、零位穩定性高、漂移率低、抗衝擊力強的性能，實現了諧振式傳感器中高可靠、高機械品質因數、對稱測量的特點。可在生物、醫療、工業機械、航空航天、安全防護領域有較大的應用。

附圖說明

圖1為本發明一種矽微機械石墨烯梁諧振式陀螺儀的結構俯視圖。

圖2為本發明一種矽微機械石墨烯梁諧振式陀螺儀的立體結構分解圖。

圖3為本發明一種矽微機械石墨烯梁諧振式陀螺儀的敏感結構剖面圖。

具體實施方式

下面結合附圖以及具體實施方式進一步說明本發明。

如圖1-3所示，一種矽微機械石墨烯梁諧振式陀螺儀角速度傳感器，包括玻璃襯底1、傳遞梁2、槓桿傳遞部分3、固定質量塊驅動梳齒4、陀螺質量塊5、第一石墨烯諧振梁6、第二石墨烯諧振梁7和邊框8。

該陀螺結構形狀簡單，位於玻璃襯底1上的傳遞梁2、槓桿傳遞部分3、固定質量塊驅動梳齒4和陀螺質量塊5的四部分器件厚度對整體結構的固有頻率沒有影響，因此選用國內比較成熟的體矽加工工藝技術。通過利用矽-玻璃陽極鍵合、矽深刻蝕工藝技術，可實現大規模的生產方式。

選擇n型矽或p型矽並清洗乾淨，將矽片雙面氧化，並且在正面(矽片正面進行標識)進行光刻工藝。光刻後，刻蝕去掉顯影位置的二氧化矽。去膠後，用二氧化矽作為掩膜用koh溶液腐蝕正面的矽表面向下3μm-0.5μm。在固定質量塊驅動梳齒4和邊框8錨點處形成鍵合。在矽正面注入並擴散磷或硼等待靜電鍵合。

在與矽熱膨脹係數相近的玻璃襯底1表面光刻出凹形圖形，並濺射出au電極形成電極和引線等待靜電鍵合。

使用與矽片熱膨脹係數相近的玻璃襯底1可以有效的減少鍵合過程中產生的熱應力，通過電場作用下陽極/靜電鍵合避免了傳統的加熱鍵合過程中產生的較強的熱應力變化。在矽-玻璃接觸面上形成的電場中，玻璃中的正價鈉離子向負電極漂移，使矽-玻璃的接觸面緊密的結合在一起。

把矽片翻轉與玻璃襯底1鍵合使矽片正面的凸臺成為固定結構，包括傳遞梁2、槓桿傳遞部分3、固定質量塊驅動梳齒4和陀螺質量塊5，並將其用引線與電極相連接，繼續用koh溶液腐蝕減薄，形成矽微機械陀螺的結構層。在矽片上進行二次光刻，光刻出傳遞梁2、槓桿傳遞部分3、固定質量塊驅動梳齒4、陀螺質量塊5以及兩個傳遞梁2上的兩條法向方向的溝槽，該溝槽用來搭建軸向方向上的兩條石墨烯梁。

第一石墨烯諧振梁6、第二石墨烯諧振梁7在同一水平面上，放置方向沿軸向方向水平一致，可以通過機械剝離法和化學氣相沉積的方法獲得。單層石墨烯膜的厚度為0.335nm，本發明所述第一石墨烯諧振梁6、第二石墨烯諧振梁7形成雙端固支諧振梁，厚度為1～1000層，溝槽長度為石墨烯諧振梁厚度的100～10000倍，均處於真空環境，如圖3所示。

第一石墨烯諧振梁6、第二石墨烯諧振梁7所採用的激勵-拾振方式完全相同，金屬電極分別位於兩條諧振梁短邊中心處。

採用全真空封裝實現降低耦合到檢測軸上的驅動力和阻尼力，極大地提高陀螺儀的品質因數，改善陀螺儀的性能。

本發明的原理及工作過程是：在微機械陀螺工作過程中有兩個振動模式，一個是法向振動模式，即驅動振動模式，通常稱之為參考振動模式，本身處於諧振狀態，在哥氏力作用下會產生附加運動；另一個是軸向振動模式，即敏感振動的模式，通過反映哥氏力的附加運動的檢測，獲得包含在哥氏力中的角速度信息。

在本發明中，固定質量塊驅動梳齒4為陀螺提供法向方向的諧振狀態。當角速度輸入到陀螺中，陀螺質量塊5用於感受角速度的變化，槓桿傳遞部分3用於放大哥氏力，使傳遞梁2在軸向方向產生內應力的變化。由於在傳遞梁2中各位置軸向內應力變化均相同，故在傳遞梁2上溝槽處放置的兩條石墨烯諧振梁(第一石墨烯諧振梁6和第二石墨烯諧振梁7)可以感受傳遞梁2上的內應力變化。通過一個處於拉伸狀態一個處於壓縮狀態的第一石墨烯諧振梁6和第二石墨烯諧振梁7內應力的變化，把陀螺質量塊輸出給它的軸向哥氏力轉換為相應的頻率輸出，通過石墨烯諧振梁初始狀態時諧振頻率與受到軸向哥氏力時諧振頻率的變化可以得到相應的軸向哥氏力，故此可得到輸入的角速度變化。