CN104197915A - 外套电极的半球谐振陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种外套电极的半球谐振陀螺，包括：一个正方体基体、一个半球谐振体、八个内部电极、一个位于正方体基体中的空腔、一个外套电极基体、八个外套电极和一个位于外套电极基体中的空腔，其中：半球谐振体的八个内部电极和八个外套电极位置一一对应，半球谐振体位于外套电极基体中；正方体基体和外套电极基体通过键合连接在一起。本发明具有工艺简单，可靠性高，利于真空封装等特点。

Description

外套电极的半球谐振陀螺

技术领域

本发明涉及一种微机电技术领域的半球谐振陀螺，具体地，涉及一种外套电极的半球谐振陀螺。

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外套电极的半球谐振陀螺，该陀螺具有结构简单、加工方便、抗冲击能力、利于真空封装好等特点，解决了半球谐振陀螺需要另外特制外部电极的问题，将外部电极作为泛用设备进行制作。

为实现以上目的，本发明提供一种外套电极的半球谐振陀螺，包括：

一个正方体基体；

一个半球谐振体；

八个内部电极；

一个位于正方体基体中的空腔；

一个外套电极基体；

八个外套电极；

一个位于外套电极基体中的空腔；

其中：半球谐振体的八个内部电极和八个外套电极位置一一对应，半球谐振体位于外套电极基体中；正方体基体和外套电极基体连接在一起；

本发明利用半球谐振体的特殊模态即驱动模态与检测模态作为参考振动；通过在八个外套电极中相对的两个电极上施加正弦交流电压，由静电力将半球谐振体激励至在驱动模态振动；当有垂直于半球谐振体上表面的角速度输入时，在科氏力的作用下，半球谐振体的谐振方式会从驱动模态向检测模态变化，半球谐振体在检测模态下的振动将使与上述施加电压的电极相邻的电极与半球谐振体间的电容发生变化，将这两个与施加电压的电极相邻的电极作为检测电极；通过检测上述电容变化，检测垂直于半球谐振体上表面的角速度的大小；所述驱动模态和检测模态模态匹配。

优选地，所述半球谐振体的材料为表面溅射金属条的钠玻璃，其形成方法为由在所述位于正方体基体中的空腔中充入空气形成半球形状。

本发明所述的外套电极的半球谐振陀螺，利用硅材料和掺杂技术，采用MEMS平面微细加工工艺，利用牺牲层工艺在基板旋涂厚光刻胶如SU-8，利用制作好的掩模板进行光刻；之后显影、图形化，得到经过加工后的正方体基体、正方体基体中的空腔，以及外套电极基体、外套电极、和外套电极基体中的空腔；再通过加热空气膨胀或者充空气的方式得到一个半球谐振体和内部电极；最后，将正方体基体和外套电极基体通过键合的方式连接在一起，形成外套电极的半球谐振陀螺的整体结构。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、加工工艺为平面微细加工工艺，加工方便，利于批量生产；

2、陀螺整体结构含有外套电极，无需另配外部电极；

3、将陀螺半球谐振体通过外套电极基体保护，使陀螺结构具有更大的的抗冲击能力，使陀螺具有较好的抗冲击性；

4、正方体基体和外套电极基体键合后将陀螺封闭在一个封闭空间内，有利于在真空环境下的应用。

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为本发明一较佳实施例的立体结构示意图；

图2为本发明一较佳实施例的制备流程图；

图3为本发明一较佳实施例的未吹玻璃前正方体基体的上视图；

图中：1为正方体基体，2为半球谐振体，3为内部电极，4为正方体基体中的空腔；5为外套电极基体，6为外套电极，7为外套电极基体中的空腔。

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，本实施例提供一种外套电极的半球谐振陀螺，包括：

一个正方体基体1；

一个半球谐振体2；

八个内部电极3；

一个位于正方体基体中的空腔4；

一个外套电极基体5；

八个外套电极6；

一个位于外套电极基体中的空腔7；

其中：半球谐振体2的八个内部电极3和八个外套电极6位置一一对应，半球谐振体2位于外套电极基体5中；正方体基体1和外套电极基体5连接在一起。

本实施例中，所述半球谐振体2的材料为表面溅射金属条的钠玻璃，其形成方法为由在所述位于正方体基体1中的空腔4中充入空气形成半球形状。

本实施例中，八个所述内部电极3的材料为金属，即形成所述半球谐振体2的钠玻璃上溅射的金属，所述内部电极3在未充空气膨胀时在所述正方体基体1上表面对称分布，并分为在仅在所述正方体基体1上的部分和在位于所述正方体基体1中的空腔4上的部分，所述内部电极3最终由在位于所述正方体基体1中的空腔4中充入空气，随着钠玻璃的膨胀而膨胀所形成，形状为条状，对称分布于半球谐振体2上。

本实施例中，八个所述外套电极6的材料为离子掺杂硅，形状均为长方体；所述外套电极6对称分布于外套电极基体5上，位置与八个所述内部电极3一一对应，用于施加电压对所述半球谐振体2进行驱动，以及检测垂直于半球谐振体2上表面的角速度。

本实施例中，所述外套电极基体5通过键合的方式与正方体基体1连接。

本实施例中，利用半球谐振体的特殊模态即驱动模态与检测模态作为参考振动；通过在八个外套电极6中在分布上成180°相对的两个电极上施加正弦交流电压，由静电力将半球谐振体激励至在驱动模态振动；当有垂直于半球谐振体上表面的角速度输入时，在科氏力的作用下，半球谐振体的谐振方式会从驱动模态向检测模态变化，半球谐振体在检测模态下的振动将使与上述施加电压的电极相邻的电极与半球谐振体间的电容发生变化，将这两个与施加电压的电极相邻的电极作为检测电极；通过检测上述电容变化，检测垂直于半球谐振体上表面的角速度的大小；所述驱动模态和检测模态模态匹配。

如图2所示为本实施例工艺流程示意图：首先在正方体基体1上掩模光刻出空腔4，如图2中(a)所示；然后在正方体基体1上平铺一层钠玻璃，并在钠玻璃上溅射八条金属条作为之后形成的半球谐振体2的内部电极3，如图2中(b)和图2中(c)所示；其中未吹玻璃前正方体基体的上视图如图3所示，金属条互相分离；接着加热表面存在溅射金属条的钠玻璃，通过在空腔4中充入空气使钠玻璃结构膨胀起来，获得半球谐振体结构2，同时金属条也随着钠玻璃膨胀起来，获得内部电极3，如图2中(d)所示；另外，同样通过掩模光刻及掺杂的方式在另一片的硅片上形成如图2中(e)所示的含有空腔7的外套电极基体5，其中掺杂部分为多晶硅作为外套电极6；最后，将经过加工的正方体基体1和外套电极基体5通过键合的方式连接在一起，形成外套电极的半球谐振陀螺的整体结构，如图2中(f)所示，其中外套电极基体5中的空腔7的底面大小比半球谐振体2中的最大内含圆面稍大，且外套电极基体5将所有内部电极3都分为了在外套电极基体5内的部分和在外套电极基体5外的部分，同时外套电极基体5与半球谐振体2非接触；在最终形成的结构中，外套电极6通过其在外套电极基体5外表面部分进行引线，内部电极3通过其在外套电极基体5外的部分进行引线。

本实施例中，半球谐振体2的驱动模态和检测模态互相匹配，其含义是：驱动模态和检测模态的振型相似，只互相相差一定的角度；驱动模态和检测模态当中不含其它振动模态，频率分裂小；当本实施例中的半球谐振体2空间对称性高时形成模态匹配；当本实施例中的半球谐振体2空间对称性低时模态匹配很难形成。

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 (5)

1.一种外套电极的半球谐振陀螺，其特征在于，包括：

一个正方体基体；

一个半球谐振体；

位于半球谐振体内的八个内部电极；

一个位于所述正方体基体中的空腔；

一个外套电极基体；

位于半球谐振体外的八个外套电极；

一个位于所述外套电极基体中的空腔；

其中：所述八个内部电极和所述八个外套电极位置一一对应，所述半球谐振体位于所述外套电极基体中，所述正方体基体和所述外套电极基体连接；

所述陀螺利用半球谐振体的特殊模态即驱动模态与检测模态作为参考振动；通过在八个外套电极中相对的两个电极上施加正弦交流电压，由静电力将半球谐振体激励至在驱动模态振动；当有垂直于半球谐振体上表面的角速度输入时，在科氏力的作用下，半球谐振体的谐振方式会从驱动模态向检测模态变化，半球谐振体在检测模态下的振动将使与上述施加电压的电极相邻的电极与半球谐振体间的电容发生变化，将这两个与施加电压的电极相邻的电极作为检测电极；通过检测上述电容变化，检测垂直于半球谐振体上表面的角速度的大小；所述驱动模态和检测模态模态匹配。

2.根据权利要求1所述的一种外套电极的半球谐振陀螺，其特征在于，所述半球谐振体的材料为表面溅射金属条的钠玻璃，其形成方法为由在所述位于正方体基体中的空腔中充入空气形成半球形状。

3.根据权利要求2所述的一种外套电极的半球谐振陀螺，其特征在于，所述八个内部电极的材料为金属，即形成所述半球谐振体的钠玻璃上溅射的金属，所述内部电极在未充空气膨胀时在所述正方体基体上表面对称分布，并分为仅在所述正方体基体上的部分和在位于所述正方体基体中的空腔上的部分，所述内部电极最终由位于所述正方体基体中的空腔中充入空气，随着钠玻璃的膨胀而膨胀所形成，形状为条状，对称分布于半球谐振体上。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种外套电极的半球谐振陀螺，其特征在于，所述八个外套电极的材料为离子掺杂硅，形状均为长方体；所述外套电极对称分布于外套电极基体上，位置与八个所述内部电极一一对应，用于施加电压对所述半球谐振体进行驱动，以及检测垂直于半球谐振体上表面的角速度。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种外套电极的半球谐振陀螺，其特征在于，所述外套电极基体通过键合的方式与所述正方体基体连接。