CN104197913B - 一种玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺及其制备方法，所述陀螺包括：一个长方体硅基底、一个半球壳式中央谐振子和八个半球壳式电极，其中：八个电极环绕中央谐振子均匀分布配置，包含四个驱动电极和四个检测电极，并通过引线连接至引脚处；通过在对应引脚处施加正负电压，驱动电极和检测电极可以实现静电驱动与检测；所述中央谐振子和半球壳式电极采用玻璃金属吹制过程制作。本发明采用MEMS工艺加工，结构简单、体积小、精度较高，极具发展前景。

Description

一种玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种微机电技术领域的固体波动模态匹配陀螺，具体地，涉及一种玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺及其制备方法。
背景技术
陀螺仪是一种能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。随着国防科技和航空、航天工业的发展，惯性导航系统对于陀螺仪的要求也向低成本、小体积、高精度、多轴检测、高可靠性、能适应各种恶劣环境的方向发展。基于MEMS技术的微陀螺仪采用批量制造技术加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而且环境适应性、工作寿命、可靠性、集成度与传统技术相比有极大的提高，因而MEMS微陀螺已经成为近些年来MEMS技术广泛研究和应用开发的一个重要方向。
佐治亚理工大学的Johari等人在其论文“Capacitive bulk acoustic wavesilicon disk gyroscopes”中，提出了一种圆盘式体声波陀螺，虽然具有较好的性能，但是其制作工艺较为复杂，工艺误差不容易控制。在MEMS微陀螺中，半球谐振微陀螺具有体积小、功耗低、可靠性高、结构简单等诸多优点，具备较高的研究价值，应用前景很大。然而，由于我国目前的微加工技术水平不高，这在一定程度上限制了我国微型半球谐振陀螺的发展与应用。因此，研究出一种适合当前加工技术水平的微型半球谐振陀螺的意义不言而喻。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺及其制备方法，
根据本发明的一个方面，提供一种玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺，包括：
一个长方体硅基底；
一个半球壳式中央谐振子；
八个环绕中央谐振子均匀分布配置的半球壳式电极，包含四个驱动电极和四个检测电极，并通过引线连接至引脚处；
其中，驱动电极与中央谐振子均非接触，检测电极与中央谐振子均非接触，且四个驱动电极的空间位置与四个检测电极的空间位置依次间隔分布，即驱动电极和检测电极依次分布排列，每两个驱动电极之间是一个检测电极，同样，每两个检测电极之间是一个驱动电极；
四个所述驱动电极中的两个相对的驱动电极被施加交流电压时，由电容感应效应产生半球型谐振子在驱动模态的振动；当存在输入角速度时，半球型谐振子的振型向检测模态转变，利用检测电极处电容感应效应产生的敏感电信号进行信号检测；所述驱动模态和检测模态互相匹配。
优选地，所述长方体硅基底上预先刻蚀出了所需要的方形凹槽，并在其上键合一层玻璃金属，图形化之后，用于半球壳式中央谐振子和半球壳式电极的吹制。
优选地，所述微陀螺进一步包括连接引脚和驱动电极、检测电极的连接线，所述引脚通过连接线将外部的电信号引入驱动电极或者将检测电极处产生的电信号通过连接线导出。
优选地，所述八个半球壳式电极环绕在中央谐振子的四周，材料为可导电的玻璃金属，通过在高温下对玻璃金属进行吹制形成。
优选地，所述半球壳式中央谐振子位于长方体硅基底的中部，材料为可导电的玻璃金属，通过在高温下对玻璃金属进行吹制形成。
根据本发明的另一个方面，提供一种玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺的制备方法，包括以下步骤：
第一步，对单晶硅体进行清洗；
第二步，对硅体进行涂胶、光刻并显影；
第三步，对硅体进行ICP刻蚀，去胶后得到一个圆形中央凹槽和环绕在其周围的八个圆形小型凹槽，其中八个圆形小型凹槽环绕圆形中央凹槽均匀分配布置；
第四步，在刻蚀出凹槽的硅体上方键合一层玻璃金属；
第五步，对玻璃金属上方涂胶、光刻、显影并刻蚀，去胶后得到覆盖在圆形中央凹槽上方的玻璃金属和覆盖在周围小型凹槽上方的玻璃金属，二者均为圆形；
第六步，高温800℃-900℃下中央圆形凹槽和周围圆形凹槽内的空气膨胀，将其上的玻璃金属吹制成所需要的半球形状，即中央半球谐振子和周围半球谐振电极，得到玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、采用硅片基体作为主要加工结构，通过MEMS的方法进行加工，工艺简单，成本较低，并可实现批量生产；
2、采用该方法制作的玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺，具有简单的结构和较高的性能，小尺寸和较高的品质因数使其具有较广泛的应用范围；
3、提出了一种加工该种玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺的方法，该方法仅仅采用表面微加工技术，简化了加工流程，工艺误差减小，可以得到更好的性能；
4、中央谐振子材料为玻璃金属，使其刚度较大，具有较好的抗冲击性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例立体结构示意图；
图2为本发明一实施例在长方体基体上刻蚀出的凹槽结构示意图；
图3为本发明一实施例在长方体基体上键合了玻璃金属并图形化之后的示意图；
图4(a)～图4(f)为本发明一实施例陀螺的加工流程图；
图中：1-长方体硅基底，2-半球壳式中央谐振子，3-半球壳式电极，4-对硅体刻蚀后形成的中央凹槽，5-对硅体刻蚀后形成的周围小型凹槽，6-曝光、显影后的光刻胶，7-对刻蚀出凹槽的硅体上方键合一层玻璃金属，8-覆盖在圆形中央凹槽上方的玻璃金属，9-覆盖在周围小型凹槽上方的玻璃金属，10-玻璃金属引脚，11-覆盖在中央圆形凹槽上的玻璃金属外边缘，12-中央圆形凹槽外边缘，13-覆盖在周围八个圆形小凹槽上的玻璃金属外边缘，14-周围八个圆形小凹槽外边缘。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例提供一种玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺，包括：
一个长方体硅基底1；
一个半球壳式中央谐振子2；
八个环绕半球壳式中央谐振子2均匀分布配置的半球壳式电极3，包含四个驱动电极和四个检测电极，并通过引线连接至将玻璃金属引脚10处；
其中，驱动电极与半球壳式中央谐振子2均非接触，检测电极与半球壳式中央谐振子2均非接触，且四个驱动电极的空间位置与四个检测电极的空间位置依次间隔分布；
四个所述驱动电极中的两个相对的驱动电极，即分布在中央半球谐振子两侧、在一条直线上的两个电极被施加交流电压时，由电容感应效应产生半球型谐振子在驱动模态的振动；当存在输入角速度时，半球型谐振子的振型向检测模态转变，利用检测电极处电容感应效应产生的敏感电信号进行信号检测；所述驱动模态和检测模态互相匹配。
本实施例中，如图2所示，所述长方体硅基底1上预先刻蚀出了所需要的圆形凹槽4和5，并在其上键合一层玻璃金属，图形化之后，用于半球壳式中央谐振子2和半球壳式电极3的吹制。
本实施例中，所述微陀螺进一步包括连接玻璃金属引脚10和驱动电极、检测电极的连接线，所述玻璃金属引脚10通过连接线将外部的电信号引入驱动电极或者将检测电极处产生的电信号通过连接线导出。
本实施例中，所述八个半球壳式电极3环绕在半球壳式中央谐振子2的四周，材料为可导电的玻璃金属，通过对玻璃金属进行吹制形成。
本实施例中，所述半球壳式中央谐振子2位于长方体硅基底1的中部，材料为可导电的玻璃金属，通过对玻璃金属进行吹制形成。
如图3所示，11为覆盖在中央圆形凹槽上的玻璃金属外边缘，12-中央圆形凹槽外边缘，13-覆盖在周围八个圆形小凹槽上的玻璃金属外边缘，14-周围八个圆形小凹槽外边缘，目的在于表明覆盖在圆形凹槽4和5上方的玻璃金属和凹槽4、5外边缘的关系。最后，覆盖在圆形凹槽4和5上方的玻璃金属在800℃-900℃高温下进行加热，实现半球壳体的玻璃吹制过程。
如图4(a)～图4(f)所示，本实施例还提供一种玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺的制作方法，包括以下步骤：
第一步，如图4(a)所示，对单晶硅体1进行清洗；
第二步，如图4(b)所示，对单晶硅体1进行涂胶、光刻并显影；其中，6为经过曝光、显影之后的光刻胶，为刻蚀圆形凹槽4和5做掩膜保护。凹槽4和5刻蚀完成后，需要将光刻胶6去除。
第三步，如图4(c)和图2所示，对硅体进行ICP刻蚀，去胶后得到一个圆形中央凹槽4和环绕在其周围的八个圆形小型凹槽5，其中八个圆形小型凹槽5环绕圆形中央凹槽4均匀分配布置；
第四步，如图4(d)所示，在刻蚀出凹槽的硅体1上方键合一层玻璃金属7；
第五步，如图4(e)所示，对玻璃金属7上方涂胶、光刻、显影并刻蚀，去胶后得到覆盖在圆形中央凹槽4上方的玻璃金属8和覆盖在周围小型凹槽上方的玻璃金属9，其中玻璃金属8和玻璃金属9均为圆形；
第六步，如图4(f)所示，高温800℃-900℃下凹槽内的空气膨胀，将玻璃金属吹制成所需要的半球形状，得到玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺，其特征在于，包括：
一个长方体硅基底；
一个半球壳式中央谐振子；
八个半球壳式电极，所述电极环绕中央谐振子均匀分布配置，包含四个驱动电极和四个检测电极；
其中，驱动电极与中央谐振子均为非接触，检测电极与中央谐振子均为非接触，且四个驱动电极的空间位置与四个检测电极的空间位置依次间隔分布，即驱动电极和检测电极依次分布排列，每两个驱动电极之间是一个检测电极，同样，每两个检测电极之间是一个驱动电极；中央半球谐振子、半球状驱动电极、半球状检测电极材料均为玻璃金属，采用玻璃吹制技术制作；
四个所述驱动电极中的两个相对的驱动电极被施加交流电压时，由电容感应效应产生半球型谐振子在驱动模态的振动；当存在输入角速度时，半球型谐振子的振型向检测模态转变，利用检测电极处电容感应效应产生的敏感电信号进行信号检测；所述驱动模态和检测模态互相匹配。
2.根据权利要求1所述的一种玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺，其特征在于，所述长方体硅基底上预先刻蚀出了所需要的方形凹槽，并在带有凹槽的硅基底上键合一层玻璃金属，图形化之后，用于半球壳式中央谐振子和半球壳式电极的吹制。
3.根据权利要求2所述的一种玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺，其特征在于，所述八个半球壳式电极环绕在半球壳式中央谐振子的四周，材料为可导电的玻璃金属，通过对玻璃金属进行吹制形成。
4.根据权利要求2所述的一种玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺，其特征在于，所述半球壳式中央谐振子位于长方体硅基底的中部，材料为可导电的玻璃金属，通过对玻璃金属进行吹制形成。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺，其特征在于，所述玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺进一步包括连接引脚和驱动电极、检测电极的连接线，所述引脚通过所述连接线将外部的电信号引入驱动电极或者将检测电极处产生的电信号通过连接线导出。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，对单晶硅体进行清洗；
第二步，对单晶硅体进行涂胶、光刻并显影；
第三步，对硅体进行ICP刻蚀，去胶后得到一个圆形中央凹槽(4)和环绕在其周围的八个圆形小型凹槽(5)，其中八个圆形小型凹槽(5)环绕圆形中央凹槽(4)均匀分配布置；
第四步，在刻蚀出凹槽的单晶硅体上方键合一层玻璃金属(7)；
第五步，对玻璃金属(7)上方涂胶、光刻、显影并刻蚀，去胶后得到覆盖在圆形中央凹槽(4)上方的玻璃金属(8)和覆盖在周围小型凹槽上方的玻璃金属(9)，这两处玻璃金属(8)和玻璃金属(9)均为圆形；
第六步，高温800℃-900℃下圆形中央凹槽(4)和圆形小型凹槽(5)内的空气膨胀，将两处玻璃金属(8)和(9)吹制成所需要的两个半球形状，得到玻璃金属吹制式微型半球谐振陀螺。
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