CN104197914B

CN104197914B - 一种微型吹塑半球谐振器陀螺及其制备方法

Info

Publication number: CN104197914B
Application number: CN201410390494.9A
Authority: CN
Inventors: 张卫平; 邢亚亮; 唐健; 汪濙海; 刘亚东; 成宇翔; 孙殿竣; 陈文元
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2034-08-08
Also published as: CN104197914A

Abstract

本发明提供了一种微型吹塑半球谐振器陀螺及其制备方法，陀螺包括一个具有上表面的长方形基底，基底中心部分为一个圆柱形空腔，圆柱形空腔的正上方是一个半球谐振体，半球谐振体的边缘键合在基底的上表面，且边缘有两层梯状以引出电极线；半球谐振体的四周边缘键合在基底上，有着很好的稳定性和抗冲击能力。本发明具有工艺步骤简洁，采用常用的成熟微机械加工方法，具有高度对称性，因而可以达到很高的性能。

Description

一种微型吹塑半球谐振器陀螺及其制备方法

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，涉及一种微型吹塑半球谐振器陀螺及其制备方法。

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微纳批量制造技术加工，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。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利“固体波动陀螺的谐振子及固体波动陀螺”(专利申请号：CN201010294912.6)利用高性能的合金通过机械精密加工的方法制作出具有杯形振子的固体波动陀螺，杯形振子底盘上粘结有压电片作为驱动和检测电极，通过在驱动电极上施加一定频率的电压信号，对杯形振子施加压电驱动力，激励振子产生驱动模态下的固体波，当有杯形振子轴线方向角速度输入时，振子在科氏力作用下向另一简并的检测模态固体波转化，两个简并模态的固体波之间相位相差一定的角度，通过检测杯形振子底盘上检测电极输出电压的变化即可检测输入角速度的变化。

此技术存在如下不足：

该固体波动陀螺杯形谐振体体积过大，限制了其在很多必须小体积条件下的应用；杯形振子底盘的压电电极是粘结到杯形振子上的，在高频振动下存在脱落的可能，可靠性不高；陀螺的加工工艺比较复杂，加工成本较高，不适合大批量生产；陀螺驱动模态和检测模态频率分裂较大，致使陀螺的带宽较大，品质因数很难提高；陀螺固定方式不稳定，难以适应需要高可靠性的场合。

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微型吹塑半球谐振器陀螺及其制备方法，其加工工艺步骤简洁，采用成熟的微机械加工方法，利于批量生产。

根据本发明的一个方面，提供一种微型吹塑半球谐振器陀螺，包括：

一个具有上表面的长方形基底；

一个位于所述基底中心部分的圆柱形空腔；

一个位于所述圆柱形空腔正上方的半球谐振器；

其中：所述半球谐振器的四周边缘平行地键合在所述基底的上表面，且所述半球谐振器的边缘有两层梯状体以引出电极线；

所述半球谐振器有四层，从下到上依次为：下玻璃层、离散电极层、上玻璃层、连续电极层，其中：所述下玻璃层与离散电极层构成一个整体的第一半球形泡，所述上玻璃层与连续电极层构成一个整体的第二半球形泡，所述第一半球形泡与所述第二半球形泡通过边缘键合，所述第二半球形泡比所述第一半球形泡半径大故在所述第一半球形泡与所述第二半球形泡之间留有间隙。

根据本发明的另一个方面，提供一种微型吹塑半球谐振器陀螺的制备方法，所述方法包括：

第一步、在第一基底的上表面形成第一圆柱形空腔；

第二步、在所述第一基底的上表面以及在所述第一圆柱形空腔之上键合下玻璃层；

第三步、将第一导电层沉积于所述下玻璃层之上；

第四步、对所述第一导电层进行蚀刻以形成离散电极层；

第五步、加热所述第一基底和所述下玻璃层并超过所述下玻璃层的软化点，以在所述第一圆柱形空腔之上的所述下玻璃层内形成第一半球形泡；

第六步、在第二基底的表面上形成第二圆柱形空腔，所述第二基底长度比所述第一基底长度短，所述第二圆柱形空腔的直径比所述第一圆柱形空腔的直径大；

第七步、在所述第二基底的表面之上以及在所述第二圆柱形空腔之上沉积上玻璃层；

第八步、将第二导电层沉积于所述上玻璃层的上表面；

第九步、加热所述第二基底、所述上玻璃层及所述第二导电层并超过所述上玻璃层的软化点，以在所述第二圆柱形空腔之上的所述上玻璃层内形成第二半球形泡；

第十步、对所述第二基底进行蚀刻，得到没有第二基底的第二半球形泡；

第十一步、将蚀刻掉第二基底的所述第二半球形泡阳极地键合在第一基底上的第一半球形泡上，从而形成具有两层梯状边缘的微型吹塑半球谐振器陀螺其中：所述第二半球形泡与所述第一半球形泡之间留有间隙以允许谐振器振动，且第二半球形泡的边缘长度比第一半球形泡边缘长度短以使第一导电层露出边缘引线点以允许引出电极线。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、加工工艺步骤简洁，采用成熟的微机械加工方法，利于批量生产；

2、构成半球谐振器的第一半球形泡和第二半球形泡有着类似的加工方法，且具有高度对称性，可以使半球谐振器达到优良的性能；

3、第二半球形泡的边缘长度小于第一半球形泡的边缘长度，可以方便的引出电极线；

4、半球谐振器的四周边缘键合固定在基底上，有着很高的稳定性和抗冲击能力。

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1A为本发明一实施例的半球谐振器陀螺仪的俯视图；

图1B为本发明一实施例的半球谐振器陀螺仪的三维视图；

图2A-图2J为是本发明一实施例的半球谐振器陀螺仪的制作过程中的不同阶段的剖面侧视图；

图3为图2C描述内容的三维透视图，其中离散电极层的电极均匀的辐射在下玻璃层表面；

图4为第一半球形泡和第二半球形泡的大小关系示意图；

图5为根据图2A-2J的过程制作的半球谐振器陀螺仪的剖面侧视图。

图中：1为第一长方体基底，2为第一圆柱形空腔，3为下玻璃层，4为离散电极层，5为第一半球形泡，6为第二长方体基底，7为第二圆柱形空腔，8为上玻璃层，9为连续电极层，10为第二半球形泡，11为引线点，12为半球谐振器。

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1A、1B所示，本实施例提供一种微型吹塑半球谐振器陀螺，包括：

一个具有上表面的第一长方形基底1，

一个位于所述第一长方形基底1中心部分的第一圆柱形空腔2，

一个位于所述第一圆柱形空腔2正上方的半球谐振器12；

其中：所述半球谐振器12的四周边缘平行地键合在所述第一长方形基底1的上表面，且所述半球谐振器12的边缘有两层梯状体以引出电极线。

本实施例中，所述第一长方形基底1的上表面中心限定了所述第一圆柱形空腔2的中心，所述第一圆柱形空腔2的中心与所述半球谐振器12的中心重合。

本实施例中，所述半球谐振器12有四层，从下到上依次为：下玻璃层3、离散电极层4、上玻璃层8、连续电极层9，其中：所述下玻璃层3与离散电极层4构成一个整体的第一半球形泡5，所述上玻璃层8与连续电极层9构成一个整体的第二半球形泡10，第一半球形泡5与第二半球形泡10通过边缘键合，第一半球形泡5比第二半球形泡10半径小故第一半球形泡5与第二半球形泡10之间留有间隙。

本实施例中，所述第一长方形基底1的材料为硅。

本实施例中，所述下玻璃层3、所述上玻璃层8为低热膨胀系数的Corning Pyrex材料。在其他情形中，几个百分点的二氧化钛(无定形的TiO₂)可被包括在形成所述下玻璃层、所述上玻璃层的材料中以降低热膨胀系数。当二氧化钛含量约为7％时，就可以得到接近零的热膨胀系数。

本实施例中，所述离散电极层4、所述连续电极层9的材料为可伐合金。

本实施例中，所述连续电极层9的厚度小于200埃。

如图2A-2J所示，本实施例提供一种微型吹塑半球谐振器陀螺的制作方法，所述制作方法的工艺流程如下：

第一步、如图2A所示，在第一长方形基底1的上表面进行图案化和蚀刻形成第一圆柱形空腔2；

第二步、如图2B所示，在所述第一长方形基底1的上表面以及在所述第一圆柱形空腔2之上键合形成下玻璃层3；

第三步、如图2C所示，将第一导电层沉积于所述下玻璃层3之上；然后，对所述第一导电层进行蚀刻以形成离散电极层4；

第四步、如图2D所示，加热所述第一长方形基底1和所述下玻璃层3并超过所述下玻璃层3的软化点，以在所述第一圆柱形空腔2之上的所述下玻璃层3内形成第一半球形泡5；

第五步、如图2E所示，在第二长方形基底6的上表面上形成第二圆柱形空腔7，所述第二长方形基底6长度比所述第一长方形基底1长度短，所述第二圆柱形空腔7的直径比所述第一圆柱形空腔2的直径大；

第六步、如图2F所示，在所述第二长方形基底6的上表面之上以及在所述第二圆柱形空腔7之上形成上玻璃层8；

第七步、如图2G所示，将第二导电层，即连续电极层9沉积于所述上玻璃层8的上表面；

第八步、如图2H所示，通过加热所述第二长方体基底6和所述上玻璃层8及所述连续电极层9超过所述上玻璃层8的软化点，以在所述第二圆柱形空腔7之上的所述上玻璃层8内形成第二半球形泡10；

第九步、如图2I所示，对所述第二长方体基底6进行蚀刻，得到没有所述第二长方体基底6的所述第二半球形泡10；

第十步、如图2J所示，将蚀刻掉所述第二长方体基底6的所述第二半球形泡10阳极地键合在所述第一长方体基底1上的所述第一半球形泡5上，形成具有两层梯状边缘的半球谐振器陀螺；其中：所述第二半球形泡10与所述第一半球形泡5之间留有间隙以允许谐振体振动，且第二半球形泡10的边缘长度比第一半球形泡5边缘长度短以使离散电极层4露出边缘引线点11以允许引出电极线。

本实施例中，第一步中，蚀刻形成所述第一圆柱形空腔2是指使用光掩膜对所述第一圆柱形腔2进行蚀刻。

本实施例中，第四步中，在加热所述第一长方形基底1和所述下玻璃层3之前，将所述下玻璃层3削薄到约10微米到100微米范围内的厚度。

本实施例中，第五步中，形成所述第二圆柱形空腔7是指使用光掩膜对所述第二圆柱形空腔7进行蚀刻。

如图3所示，为图2C描述内容的三维透视图，其中离散电极层4(例如8个电极)均匀的辐射在下玻璃层4的表面。

如图4所示，为第一半球形泡5和第二半球形泡10的大小关系示意图，其中：第二半球形泡10的边缘直径L₂比第一半球形泡5的最大直径L₁大，以允许第二半球形泡10可以套在第一半球形泡5的外面。

如图5所示，为根据图2A-2J的过程制作的半球谐振器陀螺仪的剖面侧视图，图中所描述的各种特征不按比例绘制，而是绘制成强调与示例性实施例有关的特定特征。

本发明中构成半球谐振器的第一半球形泡和第二半球形泡有着类似的加工方法，且具有高度对称性，可以使半球谐振器达到优良的性能；第二半球形泡的边缘长度小于第一半球形泡的边缘长度，可以方便的引出电极线；半球谐振器的四周边缘键合固定在基底上，有着很高的稳定性和抗冲击能力。本发明加工工艺步骤简洁，采用成熟的微机械加工方法，利于批量生产。

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

1.一种微型吹塑半球谐振器陀螺，其特征在于，包括：

一个具有上表面的长方形基底；

一个位于所述基底中心部分的圆柱形空腔；

一个位于所述圆柱形空腔正上方的半球谐振器；

2.根据权利要求1所述的一种微型吹塑半球谐振器陀螺，其特征在于，所述基底的上表面的中心限定了所述圆柱形空腔的中心，所述圆柱形空腔的中心与所述半球谐振器的中心重合。

3.根据权利要求1所述的一种微型吹塑半球谐振器陀螺，其特征在于，所述基底的材料为硅。

4.根据权利要求1所述的一种微型吹塑半球谐振器陀螺，其特征在于，所述下玻璃层、所述上玻璃层为低热膨胀系数的Corning Pyrex材料。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种微型吹塑半球谐振器陀螺，其特征在于，所述离散电极层、所述连续电极层的材料为可伐合金。

6.根据权利要求5所述的一种微型吹塑半球谐振器陀螺，其特征在于，所述连续电极层的厚度小于200埃。

7.一种权利要求1-6任一项所述的微型吹塑半球谐振器陀螺的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

第一步、在第一基底的上表面形成第一圆柱形空腔；

第三步、将第一导电层沉积于所述下玻璃层之上；

第四步、对所述第一导电层进行蚀刻以形成离散电极层；

第八步、将第二导电层沉积于所述上玻璃层的上表面；

第十一步、将蚀刻掉第二基底的所述第二半球形泡阳极地键合在第一基底上的第一半球形泡上，从而形成具有两层梯状边缘的微型吹塑半球谐振器陀螺；其中：所述第二半球形泡与所述第一半球形泡之间留有间隙以允许谐振器振动，且第二半球形泡的边缘长度比第一半球形泡边缘长度短以使第一导电层露出边缘引线点以允许引出电极线。

8.根据权利要求7所述的一种微型吹塑半球谐振器陀螺的制备方法，其特征在于，第一步中，在第一基底的上表面形成第一圆柱形空腔，是指使用光掩膜对所述第一圆柱形腔进行蚀刻。

9.根据权利要求7所述的一种微型吹塑半球谐振器陀螺的制备方法，其特征在于，第五步中，在加热所述第一基底和所述下玻璃层之前，将所述下玻璃层削薄到10微米到100微米范围内的厚度。

10.根据权利要求7所述的一种微型吹塑半球谐振器陀螺的制备方法，其特征在于，第六步中，在第二基底的上表面上形成第二圆柱形空腔，是指使用光掩膜对所述第二圆柱形空腔进行蚀刻。