金刚石半球谐振微陀螺的结构设计与制备方法*

谷留涛,张卫平,刘朝阳,张 雷,龚 成,向 浩

(1.微米/纳米加工技术国家级重点实验室 薄膜与微细技术教育部重点实验室 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 微纳电子学系,上海 200240；2.上海自主智能无人系统科学中心 同济大学,上海 201210；3.中国电子科技集团公司第五十研究所,上海 200331；4.中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海 200050)

0 引 言

陀螺仪是一种能够敏感检测载体角度和角速度的惯性器件,在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用,是各国惯性技术研究领域中重点研究的传感器之一[1,2]。半球陀螺仪有着小体积、低成本、高精度、多轴检测、高可靠性等优点,能够适应各种恶劣环境,在航空航天等领域具有广阔的前景[3]。

目前国内外对微半球谐振陀螺仪的研究己逐渐增多,2012年，佐治亚理工大学加工了一种多晶硅半球陀螺,其电极和谐振子结构同时制作,具有较高的对准精度[4]。2015年,该校在闭环条件下测得其多晶硅微半球谐振结构的标度因数为8.57 mV/(°)·s-1[5]。2014年，Draper实验室在利用化学气相沉积加工了一种多晶金刚石微半球谐振结构[6],该陀螺最高品质因子达143 000,频率裂解为0.3 Hz。2017年，苏州大学制作了多晶硅半球陀螺[7],在真空条件下测试得到陀螺的品质因子为22 000,零偏稳定性为80°/h。2019年，上海交通大学采用湿法刻蚀工艺,加工出了带有曲面电极的金刚石半球结构[8]。

本文基于微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)技术提出了一种新的金刚石半球微陀螺结构,采用扇形唇边提高了电容接触面积,利用热丝化学气相沉积制作的金刚石结构,具有较高的化学稳定性和超低的热弹性阻尼[9,10]。……