真空封裝差動電容感應式微型圓環陀螺儀之研製

Abstract

本文研究微型圓環陀螺儀的設計、分析、與製作。環式振動陀螺儀因旋轉之科氏力效應造成感測模態振幅的改變,量測此振幅的改變量可求得系統角速度。 由於真實的物理問題往往牽涉複雜的幾何形狀、外加負載、材料參數等，因此難以求得數學解析解。此類的問題必須仰賴數值分析方法，求得具有參考價值的數值解。因此在進行微機電製程前，須先進行設計圖形之有限元素分析，本文使用有限元素分析軟體COMSOL，進行陀螺儀的特徵頻率模擬。 以微機電製程在(111)單晶矽晶圓上製作具有柵狀質量塊之環式振動陀螺儀，並以7740玻璃晶圓製作陀螺儀之基座與感應電極層。利用柵狀質量塊與感應電極層的差動運動，進行待測物體之轉動物理量量測。以(111)單晶矽晶圓之等向性材料做為基材，因此沒有激發與感測模態之共振頻率的分岐問題；但其原子排列緊密，化學濕蝕刻加工不易，因此使用電感耦合電漿蝕刻機進行製程。使用陽極接合法進行矽晶圓與玻璃的接合，而整體陀螺儀的封裝係以覆單晶矽玻璃方式，並於真空環境中進行封裝，以此確保感測元件內部為真空空間，使得內部振子運動時不會受到空氣阻力影響，增加感測元件的靈敏度。