CN104197920A - 上下贯通支撑的半球谐振微陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种上下贯通支撑的半球谐振微陀螺，包括一个长方体基体、一个半球谐振体、一根位于基体中央的支柱、一个空腔、八个在基体外围对称分布的电极、一个顶部支撑体和一个顶部支撑柱，其中：半球谐振体受到支柱和顶部支撑体固定并位于空腔中；长方体基体和顶部支撑体通过键合连接在一起；顶部支撑柱位于顶部支撑体中央。本发明具有工艺简单，性能优秀，可靠性高，利于真空封装等特点。

Description

上下贯通支撑的半球谐振微陀螺

技术领域

本发明涉及微机电技术领域的半球谐振陀螺，具体地，涉及一种上下贯通支撑的半球谐振微陀螺。

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上下贯通支撑的半球谐振微陀螺，该陀螺固定方式稳定，适应需要高可靠性的场合，且同时具有结构简单、加工方便、高Q值、抗冲击能力好、利于真空封装等特点。

为实现以上目的，本发明提供一种上下贯通支撑的半球谐振微陀螺，包括：

一个长方体基体；

一个半球谐振体；

一根位于所述基体中央的支柱；

一个存在于所述支柱周围的空腔；

八个在所述基体外围对称分布的电极；

一个顶部支撑体，

一个顶部支撑柱；

其中：所述半球谐振体受到所述支柱和所述顶部支撑体固定，并位于所述空腔中；所述长方体基体和所述顶部支撑体连接在一起；顶部支撑柱位于顶部支撑体中央，用于固定半球谐振体。

所述微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；所述驱动模态和所述检测模态模态相匹配。

本发明所述的上下贯通支撑的半球谐振微陀螺，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，得到经过加工后的长方体基体、一根位于长方体基体中央的支柱和一个存在于支柱周围的空腔，以及顶部支撑体；再通过加热玻璃及抽空气的方式得到一个半球谐振体；最后，将长方体基体和顶部支撑体通过键合的方式连接在一起，形成上下贯通支撑的半球谐振微陀螺的整体结构。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、除了底部支柱支撑外，还加上顶部支撑结构进行支撑，使得谐振体更加稳定；

2、谐振体的支撑方式使其结构刚度增加，使得谐振体Q值增加，提高了检测灵敏度，这对输出信号较弱的固态陀螺来讲十分重要；

3、上下共同支撑方式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、基体和顶部支撑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；

5、加工工艺为平面微细加工工艺，加工方便，利于批量生产。

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为本发明一较优实施例的立体结构示意图；

图2为本发明一较优实施例的长方体基体上视图；

图3为本发明一较优实施例的半球谐振体正面视图；

图4为本发明一较优实施例的半球谐振体背面视图；

图5为本发明一较优实施例的制备流程图；

图中：1为长方体基体，2为半球谐振体，3为支柱，4为空腔；5为电极，6为顶部支撑体，7为顶部支撑柱。

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、2所示，本实施例提供一种上下贯通支撑的半球谐振微陀螺，包括：

一个长方体基体1；

一个半球谐振体2；

一根位于基体中央的支柱3；

一个存在于支柱周围的空腔4；

八个在基体外围对称分布的电极5；

一个顶部支撑体6；

一个顶部支撑柱7；

其中：所述半球谐振体2受到所述支柱3和所述顶部支撑体6固定，位于所述空腔4中；所述长方体基体1和所述顶部支撑体6连接在一起；八个所述电极对称分布于所述长方体基体1的上表面外围，用于施加电压对所述半球谐振体2进行驱动，以及检测垂直于所述半球谐振体2上表面的角速度。

本实施例中，所述半球谐振体2的材料为表面溅射金属的钠玻璃，其形成方法为由在所述空腔4中抽气形成半球形状。

本实施例中，八个所述电极5的材料为离子掺杂硅，形状均为长方体，通过借助截面形状正方形的掩模板，在所述长方体基体1上掺杂而成。

本实施例中，所述顶部支撑体6通过键合的方式与所述长方体基体1连接。

本实施例中，所述顶部支撑柱7的材料为离子掺杂硅，形状均为圆柱体，通过借助截面形状圆形的掩模板，在所述顶部支撑体6上掺杂而成，以便将谐振体电极导出。

如图3、4所示为半球谐振体2的示意图，本实施例中的所述半球谐振体2为半环形结构。

在所述八个电极5中在分布上成180°相对的两个电极上施加正弦交流电压时，由静电力将半球谐振体2激励至在驱动模态振动；当有垂直于半球谐振体2上表面的角速度输入时，在科氏力的作用下，半球谐振体2的谐振方式会从驱动模态向检测模态变化，半球谐振体2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2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2上表面的角速度的大小。上述驱动模态和检测模态模态匹配。

如图5所示为本实施例陀螺制备的流程图：

首先在经掺杂的硅长方形基体1上掩模光刻出气孔，如图5中(a)所示，其中掺杂部分为电极5；

然后继续在长方体基体1上掩模光刻出空腔4，如图5中(b)所示；

接着在长方体基体1上平铺一层钠玻璃，并在钠玻璃上溅射一层金属作为之后形成的半球谐振体2的内部电极，如图5中(c)和图5中(d)所示；

随后加热表面附有金属的钠玻璃，通过将空腔4中的空气抽去获得半球谐振体结构2，如图5中(e)所示，并将部分金属和钠玻璃去除，如图5中(f)所示；

另外，同样通过掩模光刻的方式在另一片经掺杂的硅片上形成如图5中(g)所示的顶部支撑体6，其中顶部支撑体6上的顶部支撑柱7的底面大小与半球谐振体2中被去除部分大小吻合；

最后，将经过加工的长方体基体1和顶部支撑体6通过键合的方式连接在一起，形成上下贯通支撑的半球谐振微陀螺的整体结构，如图5中(h)所示；在最终所形成的结构中，外部电极5可以通过外部电极5在顶部支撑体6外的部分引线，内部电极可以通过顶部支撑柱7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)

1.一种上下贯通支撑的半球谐振微陀螺，其特征在于，包括：

一个长方体基体；

一个半球谐振体；

一根位于所述基体中央的支柱；

一个存在于所述支柱周围的空腔；

八个在所述基体外围对称分布的电极；

一个顶部支撑体，

一个顶部支撑柱；

其中：所述半球谐振体受到所述支柱和所述顶部支撑体固定，并位于所述空腔中；所述基体和所述顶部支撑体连接在一起；八个所述电极对称分布于基体外围，用于施加电压对所述半球谐振体进行驱动，以及检测垂直于所述半球谐振体上表面的角速度；顶部支撑柱位于顶部支撑体中央；

所述微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；所述驱动模态和所述检测模态模态相匹配。

2.根据权利要求1所述的一种上下贯通支撑的半球谐振微陀螺，其特征在于，所述半球谐振体的材料为表面溅射金属的钠玻璃，其形成方法为在所述空腔中抽气形成半球形状。

3.根据权利要求1所述的一种上下贯通支撑的半球谐振微陀螺，其特征在于，所述电极的材料为离子掺杂硅，形状均为长方体。

4.根据权利要求1所述的一种上下贯通支撑的半球谐振微陀螺，其特征在于，所述顶部支撑柱的材料为离子掺杂硅。

5.根据权利要求1所述的一种上下贯通支撑的半球谐振微陀螺，其特征在于，所述顶部支撑体通过键合的方式与所述基体连接。